Multisim仿真软件在电工电子实验教学中的应用

刘景艳 李玉东

河南理工大学电气工程与自动化学院 河南焦作 454000

电工与电子技术是非电类工科专业的一门专业基础课，具有较强的实践性和应用性。而电工电子实验是对电工与电子技术课程理论教学环节的重要补充，也是学生加深对理论知识的理解、提升实践动手能力的有效手段[1,2]。但由于电工与电子技术课程内容较多、跨度大并且学时少，学生在进行课程实验时存在以下问题。(1)由于实验受时间和场地的限制，学生实验前准备较少，主要依赖于教师的讲解，缺乏学习兴趣和主动性，动手能力较弱。(2)由于实验内容和实验项目固定，学生只能按要求进行连线、测试，不利于学生创新能力的培养。(3)由于学生对实验原理理解不清，在实验操作过程中存在盲目性，仪器设备的损坏率较高，导致实验项目不能顺利完成[3,4]。如何在有限的时间内保质保量地完成实验内容、提高学生的学习兴趣、培养学生分析和解决问题的能力成为电工电子技术教学中亟待解决的问题。

随着计算机技术的快速发展，利用计算机仿真对电子电路进行分析、设计、调试和优化设计已成为现代工程设计中一种行之有效的方法。Multisim仿真软件是美国NI公司推出的以Windows为基础的一种仿真工具，它具有丰富的元器件库和虚拟测试仪器仪表，操作界面直观并提供了完备的分析手段[5,6]。将Multisim仿真软件应用于电工电子技术的实验教学中可以帮助学生更好地掌握教学内容、加深对电子电路原理的理解和认识、掌握常用电工电子仪器的使用方法，进一步提高学生分析问题和解决问题的能力。

1 Multisim 仿真软件简介

NI Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学生可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真再现出来，可以对模拟、数字和混合电路进行仿真。Multisim仿真软件的主要特点如下。

1.1 图形界面直观

整个操作界面就像一个实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似。

1.2 元器件丰富

提供了世界主流元件提供商的超过17 000多种元件，同时能方便地对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等，创建自己的元器件。

1.3 仿真能力强大

以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。

1.4 丰富的测试仪器

这些仪器的设置和使用与真实的一样，动态显示。除了Multisim提供的默认仪器外，还可以创建labview的自定义仪器，使得图形环境中可以灵活地可升级地测试、测量及控制应用程序[5]。

1.5 完备的分析手段

它们利用仿真产生的数据执行分析，分析范围很广，如失真分析、噪声分析、傅里叶分析等。这些分析在现实中可能是无法实现的，但通过Multisim仿真实验则可以有意识设置电路故障状态和一些极限情况，而不会造成元器件和实验设备的损坏。

1.6 强大的MCU模块

支持4种类型的单片机芯片，支持对外部RAM、外部ROM、键盘和LCD等外围设备的仿真，分别对4种类型芯片提供汇编和编译支持；包含设置断点、单步运行、查看和编辑内部RAM、特殊功能寄存器等高级调试功能[7]。

2 基于Multisim的仿真实验研究方法

基于Multisim的仿真实验研究方法如图1所示。采用Multisim仿真软件，学生可以在实验之前根据实验目的或任务要求自己设计实验方案并选择合适的元器件，设计实验原理图，并在Multisim仿真平台中搭建电路模型，进行仿真分析，通过设计、仿真、修改和完善达到该实验的要求。在进行完仿真实验之后，再在实验台上连线搭建电路并进行测试，最后比较仿真和实测的结果并进行分析[8,9]。通过将仿真实验和实物实验相结合，使学生能够熟练掌握常见电路的解决方法，提高其分析复杂电路的能力。

图1 基于Multisim的仿真实验研究方法

3 Multisim 仿真实例分析

以晶体管放大电路的分析为例，结合Multisim软件对分压偏置式共发射极放大电路进行仿真，使学生能够更加直观地理解信号的放大关系以及静态工作点设置不合适引起的失真。分压偏置式共发射极放大电路的仿真模型如图2所示。

图2 分压偏置式共发射极放大电路

3.1 静态分析

3.1.1 静态工作点的计算

在电路输出电压为最大不失真电压时，就是放大电路的静态工作点。此时，将放大电路的输入端对地短路，即可进行静态工作点的测量。将电压表、电流表接入电路，静态工作点测量电路如图3所示。

图3 静态工作点测量电路

3.1.2 静态工作点的设置对放大电路的影响

对于放大电路来说，合理设置其静态工作点对放大电路来说有着重要的影响。如果静态工作点设置得不合适，不仅会导致最大输出幅度减小，而且输出波形可能会产生严重的非线性失真[10,11]。对图2所示的电路，调整电位器的阻值，可看出工作点对输出波形的影响。图4为饱和失真时输入输出电压波形图，图5为截止失真时输入输出电压波形图。

图4 饱和失真时输入输出电压波形图

3.2 放大电路动态指标测试

3.2.1 电压放大倍数Au的计算

调整放大电路到合适的静态工作点，然后加入输入电压Ui，在输出电压Uo不失真的情况下，用交流毫伏表测出输入电压Ui和输出电压Uo的有效值，则可计算出电压放大倍数，并用示波器观察输入、输出电压波形。放大电路动态指标测量电路如图6所示。输入、输出电压波形如图7所示。

图6 放大电路动态指标测量电路

图7 输入输出电压波形图

3.2.2 输入电阻Ri的计算

输入电阻是指从放大电路输入端看进去的等效电阻，它表明放大电路对信号源的影响程度。输入电阻通过以下方式来测量，在图4所示的电路中，闭合开关S2，用万用表测出开关S1在打开和闭合两种情况下输出电压Uo的有效值Uo1=72.956 mV和Uo2=88.147 mV，则输入电阻Ri为：

3.2.3 输出电阻Ro的计算

输出电阻是指从放大电路输出端看进去信号源的等效电阻。输出电阻用来描述放大电路输出的方式和带负载的能力。通过测量放大电路空载时的输出电压Uo和加上负载后的输出电压UL测试其输出电阻Ro。在图4所示的电路中，在放大电路正常工作条件下，测出输出端不接负载R5时输出电压Uo=202.6 mV和接入负载时输出电压UL=88.147 mV，则输出电阻Ro为：

3.2.4 幅频特性的测量

放大电路的幅频特性是指放大电路的电压放大倍数Au与输入信号频率fi之间的关系，由于放大电路中存在电抗性元件，电路的放大倍数将会随着频率的变化而发生改变，在中频段，各种容抗的影响可以忽略，所以电压放大倍数基本上不随频率变化[12,13]，因此把电压放大倍数随频率变化下降到中频放大倍数的0.707倍，所对应的频率分别称为下限频率fL和上限频率fH，测量频率特性如图8所示。幅频特性和相频特性分别如图9和图10所示。

图8 频率特性测量图

图9 幅频特性图

图10 相频特性图

4 Multisim仿真软件辅助实验教学效果评价

为获取学生对Multisim仿真软件辅助实验教学效果的反馈信息，随机抽取了电信专业采用Multisim仿真软件辅助实验教学的180名学生，发放了调查问卷，如表1所示，并对学生的评价结果进行了分析。

表1 Multisim仿真软件辅助实验教学问卷调查表

(1)采用Multisim仿真软件后教学内容的趣味性调查结果显示，180名学生中只有8名学生认为趣味性差，剩余的172名学生都认为趣味性较好或好。

(2)对采用Multisim仿真软件实验教学环节能力的培养的评价如图11所示，在180名学生中，136名学生认为动手能力得到很大提高，27名学生认为动手能力有一些提高，只有17名学生认为动手能力没有得到提高。

图11 教学环节能力培养的评价

(3)在180名学生中，仅有13名学生认为Multisim仿真软件辅助实验教学的整体效果较差，大部分学生都认为教学改革的整体效果好或较好。

5 结语

从应用实例的分析中可以看到，Multisim仿真软件可方便地对电子电路进行有效的分析和测试，仿真速度快，可有效地避免传统实验电路修改困难、误差大的缺点；并且通过仿真，学生可以把抽象的认识和形象的仿真结果联系起来，加深对所学知识的理解，启发和拓宽了思路，提高了对实验的学习兴趣。因此，将Multisim仿真软件应用于电工电子实验教学具有重要的意义。实践证明，采用Multisim仿真软件辅助实验教学取得了良好的教学效果。