Multisim仿真在电工及工业电子学中的应用

王尔申， 李 鹏， 郑 丹， 王瑞芳， 庞 涛

（沈阳航空航天大学电子信息工程学院，辽宁沈阳 110136）

0 引言

“电工及工业电子学”课程的主要任务是为学生学习专业知识和从事工程技术工作打下必要的电工电子技术方面的理论基础［1］。沈阳航空航天大学开设该课程的院系包括航空宇航工程学院、能源与环境学院、民航与安全工程学院、材料科学与工程学院、机电工程学院等。该课程分为电工技术和电子技术两门课程，分别在大二下学期和大三上学期进行教学，并配有独立的实验教学环节。电工及工业电子学课程在1994年被评为校一类课，又于1998年和2001年两次通过校一类课的复评。在2002年被评为辽宁省省级精品课。

目前，随着科技的进步和社会的发展，“电工及工业电子学”课程教学把传授知识、培养能力、提高素质结合起来。围绕这一宗旨来组织“电工及工业电子学”课程教学，并通过该课程培养有知识、能力强、素质高的具有航空特色以及相关领域的工程应用型人才，是目前许多从事该方面课程教育工作者一直在努力探索的问题［2-3］。

1 电工及工业电子学教学需要解决的问题

我校的“电工及工业电子学”课程在教学方法上，从1998年开始，理论教学率先在全院使用了多媒体教学手段，使得教学内容更加丰富，增加了课堂信息量，而且可以通过动画等课件制作技巧，更加形象地给学生展示原理性知识，也更有利于向学生介绍一些教科书上没有涉及到的，却能代表当前技术发展的新电子工艺和器件，让学生了解到有关电学方面的新的知识。此方法使得教学效果有所提高，学生反馈较好。然而，为了更好地推动“电工及工业电子学”课程教学水平的提高，将最新的技术成果应用在教学中，给学生提供更多思考问题的机会，提高学生借助相关电子工具软件解决、分析问题的能力，“电工及工业电子学”课程在教学中还应在以下几个方面进行探讨［4-6］。

（1）提高学生的独立性与自主性。目前，多数教师在课堂的教学中往往把课本知识当成定论，教学就是把结论告诉学生，让他们理解了，记忆下来。用这种教学模式培养出来的学生可以有丰富的知识，但却没有自己的思想，缺乏自主性和独立性。在需要学生提出问题、分析问题、解决问题时，他们常常会束手无策。

（2）提高学生对知识的掌握水平。在“电工及工业电子学”教学中，学生对知识的掌握基本停留在对关键知识的记忆上，面对与课本中的例题相类似的问题，他们尚可以举一反三加以解决，但如何将所学理论运用到实际问题中，学生就常常显得不知所措了。而且，在课堂教学中还应为学生提供和介绍一些有用的工具软件，使那些对本课程想深入学习的学生清楚努力的方向，可以利用课余时间进行扩展学习。

（3）没有充分利用计算机辅助设计软件作为教学工具和教学手段。长期以来，“电工及工业电子学”课程教学，是以理论课教学、课程实验等教学环节构成［7］。大多数学生对“电工及工业电子学”课程的学习不感兴趣，主要是因为“电工及工业电子学”课程内容比较抽象、枯燥。如果在教学实践中，结合理论课的教学，将Multisim作为辅助教学的工具，可使教学效果发生变化。

2 Multisim在电工及工业电子学理论教学中的特点分析

“电工及工业电子学”课程主要包括电工技术和电子技术两部分，分为两个学期进行。第一学期讲授电工技术，其内容主要包括：电路的基本概念与基本定律、电路的分析方法、电路的暂态分析、正弦交流电路、三相电路、交流电动机和继电器接触器控制系统。第二学期讲授电子技术，其主要内容包括模拟电路和数字电路两部分。模拟电路包括半导体二极管和三极管、基本放大电路、集成运算放大器、直流稳压电源，数字电路包括门电路和组合逻辑电路、触发器和时序逻辑电路等内容。

为了更好地提高“电工及工业电子学”教学质量和效果，将在电子专业类课程中常常用到的Multisim软件引入到“电工及工业电子学”课程中进行辅助教学。Multisim仿真软件为电子电路仿真提供了数量丰富的元件数据库，同时提供了种类多样且标准化的仿真仪器，包括诸如万用表、示波器、逻辑分析仪、失真度分析仪、波特图测试仪等。Multisim作为以Windows为基础的仿真工具，具有丰富的仿真分析能力以及完整的电路原理图图形输入方式［8-9］。引入Multisim软件帮助学生快速且轻松地将刚学到的理论知识用计算机仿真真实地再现出来，帮助学生更快、更好地掌握教学内容，加深对概念、原理的理解，并能熟悉常用的实验仪器的测量方法，进一步培养学生的综合能力和创新能力，提高了课程质量［10-12］。为此，本文研究Multisim在非电类专业“电工及工业电子学”中的应用，以期能够提高学生对理论知识更好的掌握。

3 Multisim在电工及工业电子学理论教学中的应用

3.1 Multisim软件在电工技术中的应用

3.1.1 基尔霍夫电流和电压定律的验证

基尔霍夫定律是电路理论中最基本的定律之一，也是最重要的定律之一，它阐明了电路整体结构必须遵守的规律，应用极为广泛。对该定律掌握的好坏直接影响后续电路问题的学习。在课堂教学中经常发现学生对该定律掌握的不是很透彻，尤其涉及到参考方向以及电路的求解。针对这一问题，在课上讲解例题的基础上，利用Multisim仿真基尔霍夫定律，给出仿真结果，弥补理论教学的不足。Multisim环境中设计的验证基尔霍夫电流定律的电路如图1所示。

图1 基尔霍夫电流定律验证电路

由图可知：I1+I2=I3，I3+I4=I2，从仿真实验的角度验证了基尔霍夫电流定律，克服了学生在理解电路结点电流代数和等于零容易出现的正负号问题。

基尔霍夫定律的另一部分为基尔霍夫电压定律，在学生学习该定律过程中，对回路列电压方程时，对回路方向和电位降以及电位升之间的关系问题容易产生错误，为此，在进行理论讲解的同时，利用Multisim仿真直观的给出测试结果。仿真电路图和回路中各个电路元件上的电压如图2和图3所示。

由仿真可知：U1=12 V，U2= －4.407 V，U3=－3.186 V，U6= －4.407 V。从而，可以得到：U1+U2+U3+U4=0，仿真验证了基尔霍夫电压定律。

3.1.2 叠加定理的验证

叠加定理的学习工程中学生最容易出问题的地方在于对电压源和电流源单独作用时，其他电源的处理问题，而且在进行代数和计算式参考方向也容易出问题。为此在讲解例题的基础上，利用Multisim仿真叠加定理，给出仿真结果，使学生更好地理解该定理。Multisim环境中设计的验证叠加定理的电路如图4～6所示。

图2 基尔霍夫电压定律验证电路

图3 回路中元件电压测量结果

图4 叠加定理验证电路

图5 U1单个电源作用结果

图6 U2单个电源作用结果

从图4～6的测试结果可看出，各结点的电流和各元件的电压都满足代数和的关系，从仿真实验的角度验证了叠加定理，加深学生对该知识点的理解。

3.2 Multisim软件在电子技术中的应用

3.2.1 晶体三极管放大电路仿真分析

晶体三极管放大电路的静态工作点分析和动态性能的研究在电子技术中是一个重点内容，尤其是动态性能分析的是小信号的放大，在实际中应用十分广泛［13-14］。结合Multisim对共发射极分压式偏置电路进行仿真，使学生能够更加直观的理解信号的放大关系以及静态工作点设置不合适引起的失真。Multisim环境中设计的晶体三极管放大电路如图7所示。

为了使三极管能够完成正常的信号放大，需要设置合理的静态工作点，调节R7=136 kΩ，使Ub=2.42 V，Uc=7.41 V，Ue=1.79 V，此时，在输入端作用一个正弦信号，输出端输出一个放大的信号，示波器测试结果如图8所示。图中，示波器上半部分显示的波形为输入信号，下半部分显示的波形为输出波形。

图7 晶体三极管放大电路

调节R7=13.6 kΩ，此时在输出端信号出现了饱和失真。测试结果如图9所示。调节R7=340 kΩ，则由于静态工作点过低，在输出端出现了信号截止失真。测试波形图如图10所示。

3.2.2 数码管控制与显示电路仿真分析

图8 晶体三极管正常放大测试结果

图9 晶体三极管截止失真

图10 晶体三极管饱和失真

“电工及工业电子学”下册部分主要涉及电子技术内容。此部分教学，利用多媒体手段虽然可以通过动画演示输入和输出的逻辑关系，但由于缺乏对实际物理器件运行结果真实的直观认识，教学效果不很理想，尤其是在数字电路知识的讲解过程中。上述问题可利用Multisim仿真软件来解决［15］。Multisim仿真软件提供了发光元件，如灯泡、发光二极管、数码管等。课堂教学中利用这些元件的视觉效果去展示电路运行过程与结果［16］。图11给出了利用所示74LS169十进制计数器和4511译码器驱动7段数码管显示的验证电路。在时钟脉冲的控制下，在数码管上循环不断地显示0～9十进制数，形象的将显示结果展示在学生面前，促进了学生对该部分知识点在实际应用中的思考。

4 结语

实践证明，采用Multisim仿真辅助“电工及工业电子学”教学，有效解决了课堂教学环节中存在的诸多难题，取得了良好的教学效果。通过课堂理论知识的讲授和Multisim仿真实验的演示、分析，加深了学生对课程理论内容的理解，帮助其掌握常用仪器的使用方法和测量方式，为学生进入实验室采用实物器件做实验奠定了基础，提高了学生做实验时对引起误差因素的分析能力，同时，也实现了课堂教学与实验教学的有机结合，对培养学生综合素质起到了积极的促进作用。

（References）：

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