基于Multisim的通信专业大学生电子设计能力培养方法

杨振南，潘学文

（湖南科技学院电子与信息工程学院，湖南永州，425199）

0 概述

电路分析基础，模拟电子技术，数字电子技术是通信专业的三门重要硬件类基础课程，据以往的教学经验，这三门课程也是学生反映学习困难比较大的课程。一般情况下，这三门的分别在三个学期开展，我校的开设时间分别是在第1/2/3学期。总体来看，这三门课的知识相关性非常强，前面课程学不好，则很容易导致后续课程学习困难加大。硬件相关的课程具有很强的工程性，实验对于培养学生的动手能力，验证理论知识，提高学生的学习兴趣和学习成就感都具有非常重要的作用，因此，改善实验教学方法，对于提高这三门课的教学效果具有重要意义[1]。

1 传统实验教学的弊端

传统的电子硬件类课程的实验教学是在教学设备制造商为课程专门定制生产的实验设备上进行的。对于电路分析课程，通常是一台大型的实验台，该设备可以开展强电和弱点的大部分实验，设备上通常有电压，电流表头和固定的电路器件，每个器件都有两个插孔连接，学生实验时，通过插接线连接器件和测试表组成网络然后进行实验；对于模拟电路而言，大部分是以实验箱的形式出现，实验箱上根据不同的实验项目，分成不同的区域，每个区域可以开展一个或者几个实验，比如三极管共发射极放大电路，共集电极放大电路，共基极放大电路，比例运算放大电路，加法电路等。每个区域的电路输入输出端留有连接端子，学生通过插接线把信号发生器和示波器接入电路，开启电源就可以获得正确的输出结果。数字电路与模拟电路类似，也是实验箱的形式，用到的集成电路类型也非常多，学生学习和使用比较困难[2]。

这种固定式试验台和实验箱的教学方式，主要存在以下一些弊端：

(1)实验设备价格昂贵，体积大。比如电路实验台动辄上万。这就导致学校在有限的经费下不能购置足够多的设备台套数，在学生人数多于设备台数时，就会出现多人共用设备的情况。

(2)设备功能固定，导致实验项目固定，不利于教学灵活设置。比如数字电路实验箱，安装的集成电路数量只有有限几个或十几个，学生只能使用这些器件开展实验。而电路实验台，可以开展强电实验，对于通信专业学生而言，强电一般不做教学要求的，又造成了功能的多余。

(3)电路固定，学生参与度低，实验获得感较差。由于电路已经预先在实验箱或者试验台上制作完成，学生要做的仅仅是依照实验步骤把插接线接好就可以获得正确的实验结果。出现问题，学生常常就是检查连线是否正确，核对实验指导书再检查一遍就解决了问题。导致学生常说实验课是插线课。

2 Multisim仿真实验教学的优势

EDA(Electronic Design Automation)即电子设计自动化，是使用计算机软件进行电子电路的设计，这些软件的功能强大，可以进行电路的连接，电路参数计算，提供虚拟仪器进行电路的测量，因此在电子工程实践和课程教学中都有广泛的应用[4]。Multisim软件是NI公司的一款功能强大的EDA软件，具有丰富的电子器件库和虚拟仪器，完全符合电路分析，模拟电路和数字电路仿真需求[5]。使用EDA软件进行仿真可以有效的解决传统实验教学的弊端。其主要优点如下：

(1)使用软件仿真，无需硬件实体，容易实现每个学生一人一台。

(2)软件仿真没有时间和地点的限制。除了实验课堂内，学生可以充分利用课余时间在教室或者宿舍进行实验。

(3)实验内容灵活。在实验教学中，教室可以灵活的根据教学进度，教学内容灵活的布置实验项目。

(4)实验电路需要完全自己独立搭建，出现问题需要自己独立思考，使用仪器仪表调试电路。由此，学生的实验内容变得更加丰富，实验步骤更加灵活。学生的实验收获也会相应增加。

(5)同一款软件不仅可以满足不同课程需求，而且对于工程实践同样适用，可以达到学一而多用的目的。

3 Multisim实验教学在课程中的案例

Multisim软件可以轻松完成各种模拟和数字电路的设计和仿真。学生只需要一次掌握软件的使用就可以轻松的在后续课程中持续收益。本案例中，在第1学期的电路课程教学中引入此软件的使用，在后续课程中就可直接使用此软件，从而具有很强的平台连贯性。下面分别引入三门课程的不同实验进行说明。

■3.1 在电路教学中的案例

动态电路分析是电路课程中的重点与难点，而且实验观察也是非常困难的。通过软件仿真可以容易的获得与理论计算非常接近的结果，对于学生理解有很大帮助。下面以电容一阶电路零状态响应电路为例进行分析。电路图如图1所示。根据理论分析可得电容两端电压为：

其中τ表示时间常数。理论上经过3～5倍τ时间后，电容电压接近稳定值。根据图1的参数，其τ=RC=0.1mS。使用Multisim的瞬态仿真功能，得出电容电压Vc的波形图如图2所示。从图中可以看出在0.5ms时刻，Vc已经非常接近1V的稳定值。而这个波形在传统的实验台上是非常难于观测到的。

图1 电容充电电路

图2 电容电压Vc波形图

■3.2 在模拟电子技术教学中的案例

三极管共发射极放大电路是模拟电子技术课程中最常用的电路，也是学习的重点和难点。在传统的实验箱上，往往已经把三极管，电源，电阻等全部焊接好，且电路也通过PCB上的走线连接好。部分实验箱为了教学方便把使用丝印把电路画在电路板上，器件则隐藏在PCB板背面，留给学生的只有输入信号接口和输出信号接口；也有部分实验箱把三极管等器件放在PCB板正面，但仍然是固定了连接的现成电路，学生需要完成的工作很少。使用EDA软件仿真，则要求学生能够独立绘制电路，并合理设置器件参数。教学中可以根据情况设置不同的难度。比如验证性实验，只要照着老师的给定电路连接，然后完成仿真，测量电路参数；设计性实验，则需要学生自己计算和设定器件参数。给出电路案例如图3所示。该实验既可以作为验证性实验，也可以作为设计性实验。

图3 共发射极放大电路

根据理论推导，理想情况下，电路的放大倍数约为：

根据图中给定参数，可以计算出A=-20倍。在EDA软件中使用虚拟示波器进行测试可得波形图如图4所示。图4中上面的正弦波为通道A测得的输入信号，下面的波形为通道B测得的输出信号。从波形图上可以看出，输出信号与输入信号反向，使用光标测量信号幅度，可得输出信号为297.59mV，输入信号为-19.79mV。仿真测得放大倍数为A=297.59/-19.79=15倍。仿真结果与理论估算值存在5倍的误差。这是由于三极管放大倍数的不确定性和估算时的误差导致的。通过仿真可以让学生直接体验到理论计算与实际电路的差异，以及理论对于工程电路的定性指导意义。

图4 输入输出信号波形图

■3.3 EDA软件在数字电子技术教学中的案例

在数字电子技术课程实验中，传统的实验箱只能进行简单逻辑运算的验证和对单个现有逻辑电路的验证，无法进行数字电路系统的综合设计。通过Multisim仿真则可以进行相对复杂的数字电路设计。图5中使用一个二进制计数器74LS161和74LS138译码器设计了一个简单的流水灯电路。使用信号发生器提供固定频率的时钟，使用161进行计数，计数结果输入到74138进行译码，从而实现LED逐个发光的流水灯效果。学生在完成软件仿真后，可以使用实际芯片在面包板上进行验证。

图5 流水灯电路设计

4 结束语

本人在通信工程专业的教学中承担了电路分析基础与模拟电子技术课程的教学，同时与承担数字电子技术教学的同事一起，自2017年开始通过引入Multsim软件进行仿真实验，使得学生的电路的设计能力相对往届学生有了较大进步。通信专业大学生参加电子设计竞赛、物联网竞赛等各类大学生学科竞赛成绩有了大幅度的提升，2017年至202年共获得省级一等奖1项，二等奖2项，三等奖5项。