Multisim软件在自动化专业多门课程中的应用与研究

党智乾, 乔琳君, 张芬, 曹海红, 杨春

(西安航空职业技术学院 科研处， 陕西 西安 710089)

0 引言

专业基础课的学习对该专业学习的可持续发展起着至关重要的作用。首先，专业基础课程可以夯实我们的工程性技能，一是基础课程可以提升学生的专业实践能力；二是仿真实践性课程提升专业思维能力。再者，自动化技术专业的许多课程对数学具有较高的要求，被称为专业课程中的数学课，或者许多电类专业课在行业内被称为“专业课中的数学课”或者“数学课中的专业课”，例如“电力电子技术”课程，“模拟电子技术”被学生戏称为“魔电”等等。足以说明基础课学习的理论复杂性。

基于以上原因，针对电气自动化技术的部分专业基础课，例如“电路原理”“电子技术”“电力电子技术”“电机学”以及“单片微机嵌入式系统”等基础课，如何利用Multisim软件对其进行仿真研究进行了研究和探讨，旨在增强基础课教学的针对性建设，并改善专业课的教学效果。

1 在自动化专业课程中的应用

1.1 在“电路原理”课程中的应用

电类的学生都知道，电路原理课程中以串联谐振电路学习为例，在理论学习中，当串联谐振电路中电抗为零的时候，电路呈现的是纯电阻性，激励电压全部加在电阻上，电阻的电压达到最大值，电容电压和电感电压的模值相等，均为激励电压的Q倍，如图1所示。

图1(a)所示为RLC串联谐振电路，当电路发生谐振时，电路呈纯阻性，外加电压与谐振电流同相位，其波形如图1b)所示。串联谐振电路的幅频特性和相频特性分别如图1(c)和图1(d)所示。

1.2 在“模拟电子技术”课程中的应用

模拟电子技术电路中，加入负反馈的放大电路性能得到了大大改善，例如在两级阻容耦合放大器电路中加入电压串联负反馈，改善了电路的失真现象，放大电路的总频带得到了扩展。应用仿真软件对上述理论进行了进行了仿真研究，如图2所示。

(a) 未加负反馈两级放大电路

未加负反馈时，如图2(a)所示。通过输入和输出波形对比，输出波形明显出现了失真，如图2(c)所示。当按键A按下时，即加入电压串联负反馈时，如图2(b)所示。输入输出波形平滑，无失真现象发生，如图2(d)所示。在图2(e)中，未加负反馈时放大电路的幅频特性，标尺指示的位置参数为32.921 dB/499.205 kHz，在图2(f)中，加入负反馈后放大电路的幅频特性，标尺指示的位置参数为20.738 dB/1.854 MHz，通频带得到展宽。

1.3 在“数字电子技术”课程中应用

程序计数分频器是时序逻辑电路典型应用，如图3所示。

(a) 程序计数分频器仿真电路模型

图3(a)所示为程序计数分频器仿真电路模型，是利用74LS138N译码器和74LS195N移位寄存器构成的模值范围为2至8的程序计数分频器。

通过译码器将所需的分频比译成位二进制数，其中只有一位为0，与其他7位不同，它代表译码器输入的分频比。再通过两片4位移位寄存器对带有分频比信息的二进制数进行移位，当被移到输出时，说明输出开始变化，产生下降沿；在下一个脉冲来时又回到原来的高电平，产生一个负脉冲，说明被移到电路已实现所需的分频，故通过让两片4位移位寄存器重新置数开始移位循环。输入111(8分频)时，时钟、输出和的时序分别如图3(b)所示。

1.4 在“电力电子技术”课程中的应用

以电力电子技术课程中的电压源三相逆变器为例进行仿真，其中六个开关模型用的是高精度模型，模型中其他元件均认为是理想状态。U1为正弦PWM(脉宽调制)信号发生器，如图4所示。

(a) 电压源三相逆变器电路仿真模型

1.5 在“单片微机嵌入式系统”课程中的应用

单片机8 051 MCU控制输入和输出的图形动画显示系统如图5所示。输出值在内部移位，并连接至条形LED显示器。两个交互式按键A和B控制LED显示屏上的图案，一个交互式按键C控制图形显示的方向。程序装载进单片机后，系统即可进行仿真，具体的仿真效果如图5(b)所示。

(a) 单片机图形显示系统电路仿真模型

1.6 在“电机学”课程中的应用

以电机学中的最常见的鼠笼式感应电机启动过程为例进行仿真，如图6所示。

图6(a)为感应电机启动过程仿真模型，其中包括逆变电路，信号由简化的开关模型组成，运行“模拟” >>“分析” >>瞬态分析。可以在图6(b)看到在t=1.25 S时刻，电机达到稳态并且电机速度为93 rad / s和转矩为10 N·m的启动过程曲线。

(a) 鼠笼式感应电机启动过程仿真模型

2 总结

虚拟仿真实验已成为高校实验教学的重要组成部分，虚拟仿真也是突破课程学习重难点的一个重要手段。文中分析了自动化专业教学中的6门基础课是如何利用Multisim软件进行学习的，仿真实践表明，基于该模型的虚拟实验可与理论学习互为补充，互相促进，开阔了学生视野，实现了知识的迁移与融合。拓展了实验教学内容的广度和深度，为提高电气自动化技术专业教学质量提供了一个有效手段。使得专业课知识的学习更加高效、技能的掌握更加稳固。