虚拟仿真技术在电工电子学科中的应用探讨

周丽梅

（江苏省靖江中等专业学校 江苏·靖江 214500）

1 虚拟仿真教学的优势

（1）激发学生学习兴趣，保证人身安全，减少设备投入。在电工基础的实践教学中三相交流电路380/220V电压存在较大的安全隐患，在实验场所进行三相负载的实验操作，容易有触电危险。这时候就可以采用Multisim 软件来进行虚拟仿真教学，软件中给我们提供了大量的虚拟仪表，如交直流电流表、交直流电压表、万用表、示波器、功率计等等。

（2）通过虚拟实验教学，引导学生探究式学习。在电子技术的学习过程中，实验室很多的电路都要进行搭接和焊接。我们学生一般都是两课连上，无论是用面包板搭接电路还是用电烙铁焊接电路，耗时长，有些动手能力弱的学生完成有困难，不利于课堂教学。Multisim14 虚拟仿真软件可以在绘图窗口调用元器件和设备，连接电路，完成实验，得出结论。

（3）虚拟仿真进行教学，学生对知识点理解更深刻。用虚拟仿真进行教学，课堂上学生很难理解的知识变得十分容易。如模拟电路中三极管的放大倍数学生一直很难理解，交流信号怎么被放大，如何放大，放大了多少？讲授过程中一般都是通过理论计算，教师一直在黑板上做数学计算，学生听得一头雾水。我们在软件中连接单管放大电路，调整基极偏置电阻即滑动变阻器阻值，万用表接在发射极位置，当万用表电压为一规定值后，静态工作点就调整好了。我们再利用软件中直流工作点的分析方法，可以快速地得出三极管的基极、集电极、发射集的电位，从而得到Ube 和Uce 电压的大小。在基极加入交流信号后，通过双踪示波器可以观察到输入的微弱小信号和放大的交流大信号。读出虚拟示波器的读数，可以计算出电路的电压放大倍数。随着负载电阻的增加，放大倍数逐渐变大。

（4）激发学生的创新能力，以适应将来就业岗位需求。从事电专业的老师日常工作中搞科研，如果借助于购买电子元器件、多孔板或面包板进行焊接和搭接，做出来的东西也许就是废品，浪费了人力和物力。如果是公司研发新产品，还会延长产品的开发周期。我们利用Mutisim14 首先根据设想搭接电路，调试，如果可行，再让它生成PCB 板，如果成功，我们再购置元器件，新产品很容易开发成功。这就类似于可编程控制器的诞生一样，解决了产品的开发周期。节约了成本和资金投入。作为老师有必要教好这门课，以适应未来学生就业需求。

（5）利用Multisim14 不但可以对电路进行虚拟仿真，还能制成印制电路板。我们利用Protel DXP 2004 或者AD10 可以实现电子电路板的制作，但是前者软件仿真效果有一定的局限性。如果我们在利用Multisim14 绘制原理图仿真时，如果加入零件的封装库，同样也可以制作PCB 板。Multisim14 软件自身带有庞大的零件库，零件库分为两种：真实的零件库和理想的零件库。真实的零件库来自于零件生产商家的零件型号库，带有零件的封装库，原理图仿真完成后，可以直接传输到ultiboard 软件，在Ultisim14 中完成设计PCB 板。启动multisim14后开始放置第一个电阻时，在原理图上放置的电阻就没有封装，我们将没有印迹（封装），改成相应的零件的封装，这样的原理图在传送到PCB 制板软件ultiboard14 时，封装信息就能出现在ultiboard14 中PCB 编辑器中，就能制作绘制PCB 板。

（6）Multisim14中找到不到元件可以手工导入。在Multisim14中找到不到9012/9013/8050/8550 三极管，而9012/9013/8050/8550这两对三极管是我们在日常电路中使用比较多的三极管，我们可以手工导入，以提高软件的性能。

（7）Multisim14 提供了Multisim 3D 面包板虚拟环境。可以让学生完成面包板实物模型搭接。在文件/设计中新建一个项目，新建一个NI ELVIS II 文件之后，完成原理图的连接。搭接完之后，点击查看面包板按钮，就会出现面包板及电路中的实物模型，鼠标拖动导线搭接电路。关闭面包板按钮，可以返回到电路原理图当中去，观察电路是否变绿，如果连线变绿说明电路连接正确，否则变红。也可以采用分析法，点击DRC 连通性检查按钮，来判断电路有无故障。图中所有的电路发绿，表示电路连接正确。

（8）可以对数字电路中的基本逻辑运算进行化简。“电子技术基础”中的数字电路、逻辑函数的化简比较烦琐，利用Muliitisim14.0 不但容易化简变量数小于4 的逻辑函数，而且化简大于4 个变量的多变量逻辑函数也很简单，且给出的最终化简结果即为最简形式。

2 应用举例

2.1 三相交流电路的仿真

图1

（1）启动Multisim14 软件，软件启动后，需要将电气元件的符号设置为ANSI Y32.2 标准，汉化过的版本为美国ANSI标准。

（2）绘制原理图。所需要的器件有：220V、50HZ 的三相电源、2 只交流电压表、4 只交流电流表、6 只220V 理想白炽灯、6 只单刀开关，按图1 搭接电路。

（3）运行仿真开关。可以看到三相负载白炽灯亮起，同时电流表有读数显示。当开关全部合上时三相负载相等，3 个电流表读数相等。I1=I2=I3=0.091A=91mA，第4 只电流表表读数为Io ＝0.029mA。线电压为UL=380.864V，相电压UP=220V。

（4）忽略误差，I1=I2=I3=0.091A=91mA，Io ＝0.029mA≈0；线电压UL=380.864V≈380V，相电压UP=220V。结论：当负载对称作Y 形联接有中线时，线电压UL是相电压UP的 3倍，即UL= 3UP；线电流IL等于相电流IP，IL=Ip。负载对称时由于中线电流为0，可省去中线。

（5）改变6个开关的状态，可以使三相负载星形（Y）不对称。

（6）对于负载的三角形（△）联接本篇不再详述。

2.2 积分电路

（1）启动Multisim 14 软件，软件启动后，需要将电气元件的类型设置IEC60617，汉化过的版本为德国DIN 标准。

图2

（2）绘制电路图。所需器件有：用信号发生器提供5V、1KHZ 的方波、10K的电阻、1uF 的电容、虚拟示波器，按图2搭接电路。

（3）运行仿真开关，打开示波器可以看到红绿波形，在此基础上设置示波器参数为：扫描时间为500 s/Div，A通道伏度选择1V/Div，B 通道伏度选择50mV/Div。

（4）结论：积分电路当输入信号为方波时，电阻上输出电压为三角波。

3 尚存在的问题

（1）教师在虚拟仿真教学中失去了教学活动的主体地位，在管理学生的学习过程出现对学生的监督管理难度加大，教学活动的由软件展开造成教师的主导性减弱。

（2）由于用虚拟仿真代替了传统实验，降低了学生的动手实践能力。如果缺乏教师的管理和指导，很可能不能完全达到理论和实践教学目标。

Multisim14 虚拟仿真进入电专业课堂，通过实验将电路的原理简单化，极大地提高了学生学习的积极性。它不但可以对电路进行仿真，而且还可以制作印制电路板，功能很强大。目前已经列入了电子电路装调与应用省级竞赛之中，学生可在今后学习中慢慢体会。