应用Multisim提高“模拟电子技术”的教学效果

王心刚

(中国石油大学信息与控制工程学院，山东青岛 266555)

0 引言

“模拟电子技术”是电气专业一门重要的专业基础课程。该课程概念多，实践性强。概念清楚，但没有足够的实践积累，往往会造成高分低能的现象。笔者发现Multisim仿真软件引入课堂教学是个不错的选择。Multisim是集原理图设计和电路功能测试于一体的虚拟仿真软件。它的虚拟元器件库有数千种电路元器件供仿真实验选用，它的虚拟仪器和仪表种类齐全，有实验室常用的万用表、函数信号发生器、双踪示波器等。还有一些实验室没有的仪器仪表，比如波特仪、数字信号发生器、逻辑分析仪和四通道示波器等。Multisim软件界面形象直观，操作方便，易学易用，学生可以在较短的时间里掌握。上课中间，教师可以根据内容需要，与学生一起搭建仿真电路，通过具体电路加深学生对概念的理解;教师可以在课后留一些扩展性题目，让学生自己查阅资料和设计电路，利用Multisim软件搭建仿真电路进行分析测试。对于新颖有使用价值的电路，如果仿真成功，可以到实验室将电路做出来。

1 应用介绍

在“模拟电子技术”中有一些概念对于学生来说很抽象，比如第三章集成运算放大器中的虚短、虚断和uoPP等。在学第三章时，学生没有见过运放的芯片，对uoPP到底是多少没有直观认识。虽然在第五章学完后有一个运放的实验，但实验的目的是应用运放实现某种运算关系，而非验证这些概念。因此，实验后学生对这些概念还是模棱两可的。在将Multisim引入课堂后，在讲运放时先将虚短、虚断和uoPP等概念讲给学生，使学生在理论上理解这些概念。在第五章可就某个具体电路，比如反相比例运算电路，通过仿真测得数据和波形，让学生在许多数据中自己归纳出相关概念的含义。通过这样反复讲解，学生对于这些概念就有了深刻的理解，为以后课程设计以及参加各种电子竞赛打下良好的基础。

2 实际电路

反相比例运算电路如图1所示。利用虚短和虚断，可以得到输出uo和输入ui之间的运算关系为u0= －(RF/R1)ut，当 RF取 100kΩ，R1取 10kΩ 时，该电路的放大倍数为-10。R2为平衡电阻，其值等于RF//R1。讲到这里时，我们如果问当ui取值分别为 0.1，0.15，1，1.5V 时，uo分别为多少? 学生通常会回答为-1，-1.5，-10，-15(V)。从这个回答可以看出，学生对uoPP的概念并不清楚，因此不去考虑运放所加的电源电压。另外，学生认为此电路加了负反馈，运放一定工作在线性区，因而不去考虑信号的大小对运放的影响。

图1 反相比例运算电路

3 仿真电路和仿真波形

在连仿真电路时，元件尽可能选取在实验室中用的元器件，而不是虚拟的元器件，这样做可以使学生在虚拟中有真实的感觉。仿真电路如图2所示。在仿真时输入分交流和直流两种信号，每种信号取值若干。由于上课时间有限，电源的大小只在输入取直流信号时改变。

图2 反相比例运算电路仿真电路

输入取正弦信号，其有效值分别取0.1，0.15，1，1.5(V)，电源电压为±15V，所对应的仿真值如表1所示。

表1 输入取正弦交流信号，电源为±15V的仿真值

在观察电压表uo的读数时，有学生提出疑问，反相比例电路输出输入不是反相的吗?表的读数怎么会是正的?当提醒他们，信号为正弦交流信号时，学生马上反应了表测的是有效值。接着提问学生，如何看出输出输入是反相的呢，回答用示波器。在打开示波器之前，让学生先想一下二者的波形，然后再看示波器的波形，观察想的和看到的有什么不一样。当输入为0.1，0.15，1(V)时，学生想的和看到的是一样的，波形如图3(a)所示。当输入为1.5V时，学生想的波形依然是图3(a)的波形，示波器显示的却是图3(b)的波形。当真实地看到输出的失真波形时，学生对uoPP有了感性的认识。

学生对于放大电路常有个错觉，即放大电路只能放大交流信号，不能放大直流信号。为了消除此错误看法，将输入信号改为直流，其大小分别取为0.1，0.15，±1，±1.5，±2(V)。为了加深学生对uoPP的理解，741的电源电压分别取±15V和±5V。

电源电压取±15V，仿真值如表2所示。电源电压取±5V，仿真值如表3所示。

表2 输入取直流信号，电源为±15V的仿真值

4 仿真结论

从表1～表3仿真数据，可总结出下面的结论。

(1)由运放组成的反相比例放大电路既可以放大交流，也可以放大直流。

表3输入取直流信号，电源电压为±5V的仿真值

图3 信号不同输入幅度的显示波形

(2)当输入信号太大时，运放由线性区到了非线性区，在非线性区运放的输出由电源电压决定。当电源电压为±15V时，输出为±14.118V，电源电压为±5V时，输出为±4.118V。运放的最大输出电压uoPP由电源电压决定。

(3)流入运放反相端和同相端的电流并不是0，不管运放在线性区还是非线性区，这两个电流都很小，在理论分析时，可以忽略，近似为0。

(4)输入信号较小时，输出跟随输入成比例变化，运放工作在线性区，同相端电位与反相端电位相差不大，可近似认为相等。当输入信号太大，输出不再跟随输入变化，输出为±uoPP，运放工作在非线性区，同相端电位与反相端电位相差很大，u+＞u-，uo= +uoPP;u+＜ u-，uo=-uoPP。

通过这个仿真电路，学生对虚短和虚断、uoPP有了感性认识，对运放的电压传输特性也有了更为深刻的理解。

5 总语

用Multisim进行电路仿真，占用时间少，设计的内容可以很多。以上面的案例为例，从搭建电路，到整个仿真结束，时间不超过15分钟。这个时间在实验室是不可能完成的。通过期末考试成绩和课程设计的完成来看，将Multisim引入模拟电子技术课堂后，增加了学生对该门课程的兴趣，提高了学生的主动性和创造性，培养了学生的工程实践能力，对教学质量的提高起到了一定的作用。

［1］ 刘润华，李震梅.模拟电子技术［M］.东营:中国石油大学出版社，2008.3

［2］ 庄俊华.Multisim9入门及应用［M］.北京:机械工业出版社，2008.2

［3］ 李玉长，尹均萍.Multisim9在电工学教学过程中的应用［J］.南京:电气电子教学学报.2010.9