Multisim在电子技术课程设计教学中的应用

张辉

（重庆移通学院，重庆合川，401520）

0 引言

目前，在疫情影响下我校电子信息类专业在“电子技术课程设计”环节中存在如下问题：

(1)采用线上教学方式的班级学生无法在实验室动手实际操作，课程无法深入教学。

(2)由于之前课程理论知识遗忘或不扎实，导致实际操作过程中大量芯片烧坏，操作不当等导致仪器仪表损坏且存在一定的潜在危险。

(3)由于学校安排的实验课上，实验仪器数量有限，往往是分组完成实验操作，让每个学生独立操作不现实，学生无法切身体会实验过程，就会出现部分学生不动手不思考的现象，导致学生学习效果低下，达不到应有的教学效果。

针对以上问题，如果在线上或线下课程设计的环节中引入电路仿真软件，借助计算机的力量实现远程线上教学，学生不管在家还是在学校都能够进行课程的学习，这样不仅解决了因疫情等原因导致的线上教学难的问题，而且提高了电路设计与测试的效率，减少了相关器件的损耗，保证了学生实验的安全性，有利于提升学生的主动学习性和全员动手操作能力。

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。该软件有丰富的元件库和完善的虚拟仪器仪表，选择器件窗口方便，元器件参数更改方便，对电路图的修饰容易上手，仿真过程和读取数据简单，适用于零基础的学生学习和使用，更能够从侧面让学生理解元器件的使用功能及使用方法。

本文以波形发生器的设计为例，结合目前线上线下学生学习情况和老师教学的困境，以及Multisim仿真软件强大的功能，下面将详细阐述Multisim在“电子技术课程设计”中的应用。

1 Multisim在电子技术课程设计中的应用

电子技术课程设计包括电路设计、电路仿真与测试、硬件电路搭建与调试、撰写设计报告等环节[2-3]。

3.选举投票时设有独立写票和秘密投票间。这不仅是一种人文关怀，也是宪法和法律赋予公民的一项基本权利。在基层民主选举中，由于物质条件，更是由于观念的滞后，在经济落后的地区很难做到这一点。因此，随着经济社会的发展，合理设置现代化、人性化的选举场地，亦是我们在细节上需要不断提升的。

(1)电路设计：课程开始会提供3-5个电子技术相关实验题目，学生可根据设计要求与实验室条件，首先通过查阅资料自行设计总体方案，然后对单元电路进行设计，对相关参数进行计算，选择合适的器件，最后画出整体电路原理图。

(2)电路仿真与测试：利用Multisim仿真软件对所设计的电路进行搭建并仿真，通过Multisim提供的虚拟仪器进行测试与调试，不断修改电路元器件参数和线路，最终达到仿真零错误且出现正确实验结果。这个环节对应着传统电子设计的电路搭建和性能测试。由于不需要真实电路环境的介入，因此效率高，可线上线下同时进行，结果快捷、准确、安全。

(3)硬件电路搭建与调试：根据仿真测试电路图，选择合适元器件进行实物安装。此环节可锻炼学生动手能力和理解能力。

(4)撰写设计报告：将前面几个环节的具体内容以文字和图表的形式展现出来，可作为学生课程期末成绩。该环节锻炼了学生知识转化和写作的能力。

2 基于Multisim的波形发生器设计

2.1 设计要求

波形发生器是一种信号发生器，在一些硬件调试中常常用到。利用555数字芯片可设计多种波形发生器，如方波、三角波和正弦波的输出。它的制作成本不高，电路简单，使用方便，实现方式也多种多样，结果可通过示波器显示，对学生实验室完成十分合适，所以设计波形发生器有重要的实际意义和课程价值。结合电子技术课程设计课程可以实现多种形式的波形发生器，本文所要完成的电路设计在我校要求如下：

(1)借助电子技术实验箱，用中小规模集成芯片设计制作产生方波、三角波和正弦波的波形发生器。

(2)要求输出波形工作频率范围为100Hz~1kHz且连续可调。

(3)要求方波幅值±1V。

(4)要求三角波幅值±0.3V。

(5)要求正弦波幅值±0.1V。

根据设计任务要求可知，本设计主要由以下三部分组成：直流稳压电源部分，脉冲产生部分，波形产生部分。

2.2 电路设计及仿真

2.2.1 直流稳压电源部分设计与仿真

直流稳压电源[4]往往是我们电子技术课程设计的所需电源，所以我们必须掌握直流稳压电源的设计过程。大致过程如下：首先是变压，电源变压器的功能是功率传送、电压变换和绝缘隔离，如果交流电源电压过高，则第一步要利用变压器将高压交流电变为所需要的低压交流电，考虑到没有实战经验的学生自身安全，且实验室有低压交流电源，所以本文仿真电路跳过第一步变压过程；其次是整流，利用二极管的单向导电性组成整流电路，可将交流电压变为单向脉动电压，本文采用目前最常用的桥式整流电路，在交流输入电压分别在正半周和负半周内，其中两个二极管导通，两个截止，使得整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流；然后是滤波，整流电路输出的直流电中依然存在部分交流电，实验室通过示波器可观察到波形为纹波，要获得较理想的直流电压，就需要用有储能作用的电抗元件组成滤波电路来滤除波形中的脉动成分，本文采用的是电容构成的低通滤波器，利用电容充电放电特点，根据时间常数τ=RC，结合具体电路和示波器便可得到脉动很小的输出波形；最后是稳压，由于经过滤波电路后的直流电压不稳定且大部分电子装置都需要有稳定的直流电流源供电，所以本文使用广泛可调节三端正电压稳压器LM317，把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。本文设计的直流稳压电源电路在Multisim中的仿真电路如图1所示，13V交流电压源供电，经桥式整流电路D1整流后，可通过示波器按图中所示连接测试输出波形，如图2中下面波形所示；含脉动很大的直流电压经电容C1和C2与后面负载共同构成的滤波电路，可再次通过虚拟仪表示波器测试输出波形，如图2中上面波形所示；最后通过LM317按图1所示电路构成的稳压电路，调节可变电阻R3保证输出电压为5V，其中C3和C4起到再次滤波的作用。仿真结果显示，13V交流电源最终变换为稳定的直流5V电源，达到预期要求。

图1 直流稳压电源仿真电路

图2 整流和滤波后波形图

2.2.2 脉冲产生与波形产生电路设计与仿真

555时基电路的应用十分广泛，本文利用555定时器构成间接反馈型多谐振荡器，并与RC积分电路来分别实现方波、三角波和正弦波的输出。利用Multisim实现仿真电路及结果测试，如图3和图4所示，图3显示该电路核心器件为555数字芯片，加上外围电路构成间接反馈型多谐振荡器，可输出近似方波，输出端再由RC积分电路对方波变形，可输出三角波和正弦波。其中多谐振荡器经R2、R3、滑动变阻器R7和电容C2进行充电，C2为定时电容；而放电时只经R3和滑动变阻器R7，选用电阻时要求R2和(R3+R7)均应大于或等于1kΩ，且R2+(R3+R7)应小于或等于3.3MΩ，确保电路稳定性。两个暂稳态时间不相等，T2= 0.69R0C2，其中R0=R3+R7， 振荡周期T=T1+T2，振荡频率f=1/T。结合上述计算公式，可计算出振荡器输出频率为100Hz左右，调节滑动变阻器R7可改变振荡器的频率，即方波的工作频率连续可调。方波信号由四通道示波器XSC1通道A输出显示，如图4中下面波形所示；R4和C4构成积分电路，方波信号过后输出三角波，由通道B输出显示，如图4中间波形所示；三角波再经R5和C6构成的积分电路，输出近似的正弦波，由通道D输出显示，如图4中上面波形所示。上述仿真结果可以看出，此电路实现产生了正常的脉冲信号和多种波形的产生，达到实验设计的预期要求。

图3 各种波形发生器的仿真电路

图4 各种波形发生器的仿真结果

可以看出，实验室搭建电路线路复杂且器件容易出现选错、损坏等问题，仿真软件Multisim设计、搭建电路自由，电路清晰，出现问题排查方便，应用于电子技术课程设计课堂有重要意义。

3 结语

经过在我校2018级和2019级电子类专业学生线上和线下教学实践中我们发现，设计波形发生器过程中，将电路设计、搭建和调试以虚拟仿真软件Multisim呈现出来，仿真作为学生自主性、创造性思维的虚拟实验平台，它打破了时间和空间的限制，学生可以在不同的时间、地点和领域自主进行实验，间接解决了因疫情在家上实验课的困难。也可以看出在电子技术课程教学中，适当引入Multisim电路仿真软件进行辅助教学，将抽象的理论较为形象地显示出来，不仅保证教学质量，避免器材耗费，还提高了教学效果和课堂知识获取的效率，提升了学生的逻辑思维和操作能力。