EDA技术在电工电子教学中的应用

陈欢

（无锡科技职业学院，江苏无锡，214000）

0 引言

《电工电子技术》是电类专业的一门专业基础课，包括电路基础、模拟电路基础、数字电路基础三部分内容，本课程主要让学生比较系统地掌握电工电子理论知识，培养学生分析电路、使用常规电器件与仪器的能力，为今后的工作实践打下必要的基础。本课程将理论与实践相结合，使学生在规定的时间内既掌握电工电子技术的理论知识，又学会常用仪器仪表的使用。

电路基础、模拟电路、数字电路三大内容集中在一门课程，课时压缩后仅有64个课时，内容多课时少。在教学过程中，为了让学生更好地掌握理论知识，会加入相关的实验，为了观察实验结果，我们会用到各种实验仪器，如万用表、示波器、稳压电源等，对于实验仪器的使用，又需要花费一定的课时去讲解示范，使用EDA技术进行实验会更加简单、方便、快捷、直观，从而提高教学的效率。同时，仿真软件更有利于提高学生的学习能力、探索能力、解决问题的能力，并且能弥补实验设备的不足。

因此，我们在本课程中引入了EDA软件。常用的EDA软件有很多，根据课程性质和内容，我们选择了Mulitisim软件。

1 Multisim软件简介

Multisim软件是美国NI公司推出的电子电路仿真设计软件，具有操作界面友好、分析数据准确、易学易用、灵活简便等特点，因此，在教学、科研和工程设计等领域得到广泛地应用。

Multisim软件提供了数字万用表、示波器、信号发生器、逻辑分析仪等虚拟仪器。软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数锯、波形和特性曲线等如同在真实仪器上看到的一样。

2 Multisim在电工电子教学中的应用

Multisim软件应用于教学，可以替代电工电子课程中的传统仪器仪表，使得实验更加地灵活多样，电子电路的仿真更加地高效。当需要改变电路连接、调整器件参数、更换器件时，操作十分方便，学生可以很直观地观察到实验结果。同时，Multisim软件能够给学生提供使用多种仪器仪表的机会，发挥学生的主观能动性，提高学生的学习兴趣，增强学生的动手能力和创新能力。

2.1 电路基础实验

叠加定理是电路基础中的一个重要定理。叠加定理指出，在线性电路中，当有多个电压电源作用时，任一支路电流或电压，可看作由各个电源单独作用时在该支路中产生的电流或电压的代数和。叠加定理电路如图1所示，此处以支路电流为例。

图1 叠加定理电路

电路中，I1、I2、I3分别表示流过电阻 R1、R2、R3的电流。通过理论计算得到：

当15V电源单独作用时，

当12V电源单独作用时，

利用叠加定理，两个电源共同作用时，

利用Multisim软件对电路图进行仿真，如图2、图3、图4所示，与理论计算结果一致，验证了叠加定律的正确性。

图2 15V电源单独作用时的电路

图3 12V电源单独作用时的电路

图4 两个电源共同作用时的电路

2.2 模拟电路实验

放大电路是模拟电路中的重要模块，分压式偏置放大电路是一个比较典型的共射极放大电路。放大电路正常工作，需要设置合适的静态工作点，如果静态工作点设置不当，放大电路就容易产生非线性失真。若静态工作点设置太高，会产生饱和失真（又叫底部失真）；若静态工作点设置太低，会产生截止失真（又叫顶部失真）。

在如图5电路中，调节电位器R1的触头，改变R1的阻值，会改变三极管的静态工作点，从而影响放大电路的输出波形。

图5 分压式偏置放大电路原理图

当电位器R1阻值设置到60kΩ时，UBE≈0.64V，UCE≈4.88V，满足放大条件。在三极管的输入端加上一个交流小信号，设置示波器参数，可以得到波形如图6所示，此时该放大电路具有放大特性。

图6 放大特性

当电位器R1阻值设置到20kΩ时，UBE≈0.66V，UCE=0.11V，三极管处于饱和状态。可以得到波形如图7所示，此时波形饱和失真。

图7 饱和失真

当电位器R1阻值设置到160kΩ时，UBE=0.61V，UCE=9.73V，三极管处于截止状态。可以得到波形如图8所示，此时波形截止失真。

图8 截止失真

在本实验中，只要调整电位器的大小就可以改变静态工作点，从而观察非线性失真的情况，理解消除波形失真的方法。

2.3 数字电路实验

在数字电路中，得到N进制计数器比较简便的方法是将集成计数器适当改接成任意进制计数器。主要有两种方法：置数法和清零法。

部分学生难以理解置数法和清零法的区别，在这里使用一片74LS161分别用这两种方法搭建成十进制计数器，计数脉冲由函数信号发生器XFG产生，输出结果通过数码管显示。利用软件仿真能够更加直观地表现出两种方法的异同点。

用置数法将74LS161构成十进制计数器，从0（0000）开始计数，当计数至9（1001）时，与非门输出低电平，将置数端LOAD置0，如图9所示。

图9 用置数法将74LS160构成十进制计数器

用清零法将74LS161构成十进制计数器，从0（0000）开始计数，当计数至10（1010）时，与非门输出低电平，将清零端CLR清0，如图10所示。

图10 用清零法将74LS160构成十进制计数器

通过两种方法的对比，可以看出，利用集成计数器构成N进制计数器，置数法用第N个状态产生置零信号；清零法用第N+1个状态产生清零信号。

3 结束语

Multisim软件操作简便，使得抽象乏味的实验变得生动形象，提高了学生的学习兴趣，深化了学生对理论知识的理解，增强了学生的实践动手能力，降低了实验成本，改善了教学效果，有效地提高了电工电子实验的教学质量。