仿真软件在模拟电子技术项目教学中的应用

陈曙光

嘉兴职业技术学院 浙江嘉兴 341036

仿真软件在模拟电子技术项目教学中的应用

陈曙光

嘉兴职业技术学院 浙江嘉兴 341036

仿真软件NI Multisim10.0可以将扩音机电路的理论知识真实地再现出来，使得枯燥的理论知识变得直观，生动，易于接受。它能够提高学生的学习兴趣，而且解决了理论教学与实践环节相互脱节的问题，同时实现了将新知识、新方法引入课堂教学。

NI Multisim10.0；扩音机原理；仿真结果

为了实现高技能应用型人才培养目标，各高等职业院校都在进行全面的课程内容整合以及教学方法的改革。“模拟电子技术”是电子信息、通信工程以及应用电子技术专业的核心课程之一，具有很强的理论性、应用性和工程实践性。其教学内容涵盖的单元电路较多，电路原理枯燥难懂，传统的教学模式以知识讲授为主，学生被动接受为辅，课上热热闹闹的，似乎听懂了，可是解决实际问题时却又无从下手。这是因为课堂上过度注重理论教学，而不重实用性，缺乏对学生实践能力的培养所致。项目教学法适时的被引入该门课程的教学过程中，经过对该门课程知识点的重新融合，结合本院学生的学习特点，精心地从现实工程实践中筛选出了，整流器、助听器、扩音机、楼道感应灯等八个实际产品作为该门课程的项目教学内容，并且编写了项目化教材《模拟电子技术》，于2013年在清华大学出版社出版。

然而，无论什么样的教学方法，都离不开理论知识的讲授，例如在扩音机项目中涉及的知识点包括差分放大电路的计算、集成运算放大器应用以及扩音机整机电路原理分析计算等。为了让学生对枯燥的电路知识有一个直观感性的认识，在这一部分内容的教学实施过程中适当引入仿真软件。仿真软件具有形象、生动、直观以及结果显示等特点，帮助学生更好地理解扩音机电路的工作原理，大大提高了教学效果。在众多的电子仿真软件中我们选用了图形界面直观、测试仪器更接近实际仪器的NI Multisim10.0，该软件元器件丰富，仿真功能强大，适合初学者来使用。Multisim10.0引入理论教学中，提高了学生对理论知识的理解能力，同时增加学生动手实践的机会，而且在教学环节中我们引入了新的教学方法，新的知识，新的手段，开拓了学生的知识视野，最大限度地将项目教学法落到实处，又能解决理论教学与实践环节相互脱节的老大难问题，另外，提前接触电子类仿真软件对于后续课程中其他软件的学习使用打下良好的基础。

1 NI Multisim简介［4］

NI Multisim10软件是一款基于Windows的交互式仿真软件，由美国国家仪器（NI）有限公司推出。它的操作界面如同电子实验台，将电路中所需的元器件拖至屏幕中，根据原理图连接，虚拟测试仪器跟实物相似，测量完成的数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样直观。另外，元件库中的元器件种类超过17000，也可以很方便地对元件进行各种参数编辑修改，创建自己的元器件；除此以外，NI Multisim10.0还提供22种虚拟仪器进行电路动作测量，如万用表、四踪示波器、函数信号发生器等，同时提供了很多分析功能，如直流分析、交流分析及瞬态分析等。在此完整的集成设计环境下，可以很方便地将学到的理论知识用计算机仿真的方法真实地再现出来，这大大提高了学生的学习兴趣，改善了教学效果。

图1 Multisim 10.0中的扩音机电路仿真电路图

2 扩音机整机电路仿真分析

扩音机电路简称功放，是音响系统中最基本的设备，它的作用就是将来自信号源的微弱电信号进行放大，产生足够大的电流以驱动扬声器发出声音。由前置放大级、音调控制级和功率放大级三部分组成。

2.1 整机电路仿真分析

根据扩音机电路原理图，在电子线路仿真软件NI Multisim 10.0中搭建整机仿真电路，如图1所示。仿真电路中，音频输入信号由信号发生器XFG1提供，其参数设置如图2所示。前置放大级、音调控制级以及功率放大级输出信号波形则通过四踪虚拟示波器观察，仿真结果如图3所示（RP1，RP2，RP3三个电位器均处于中间位置）。其中虚拟示波器的A通道显示信号发生器的输入信号波形，B通道显示前置放大级的输出信号波形，C通道显示音调控制级的输出信号波形，D通道显示功率放大级的输出信号波形。

图2 信号发生器面板参数设置

图3 扩音机整机电路仿真分析波形

2.2 前置放大级电路仿真分析

前置放大级电路由C1，A1，C3，R1，R2，R3，C2组成。集成运算放大器A1开环的电压增益为200 V/mV，R2和R3构成电压串联负反馈；当集成运放的高增益与负反馈电路配合使用时，可以将集成运算放大器当作理想器件来看，那么前置放大级的闭环增益近似为：

调整R2或R3的阻值即可改变前置放大电路增益，此时A1构成同相输入比例放大器。该级电路的输入电阻Ri≈R1，输出电阻Ro≈0。R1是同相端输入偏置电阻，也称为平衡电阻，通常取值为R1= R2// R3=83.3 kΩ，实际电路选择R1为100 kΩ，一般情况下其取值为47 kΩ～100 kΩ之间。它在电路中的作用是保持静态时输入级偏置电流平衡，并让输入级的偏置电流在R2，R3上产生相等的压降。电容C2的作用是防止高频自激。

前置放大级输出仿真波形，如图4所示。在时间T1时刻，A通道的音频交流输入信号幅值为ui=274.866mV；B通道的前置放大级交流输出信号幅值为uo=1.674V。输出波形与输入波形同相，本级的电压放大倍数为Au=1.674/0.274866=6.09，与式（1）估算值基本一致。

图4 前置放大级仿真波形

2.3 音调控制级仿真分析

该扩音机电路采用RC型负反馈高低音调节音调控制电路，RP1是低音调节电位器，RP2是高音调节电位器，分别提升或衰减高音区或低音区，已达到改善音质的作用。

2.3.1 低音调节电路原理

由于C4、C5的容量远远大于C6，C4，C5，C6对于低音信号可视为开路，则低音调节电路由LM741，A2，RP1，RP2，R4，R5，R6，C3，C7组成。

（1）当RP1滑到最左端 低音信号提升最大

输入信号为低频段时，若电位器RP1滑到最左端，C4被短路，C5对低音信号容抗很大，可视为开路；C6很小，C6和R7支路可视为开路。低音信号ui经过R4、R5直接送入集成运算放大器A2的反相端，低音输出信号uo则经过R6、RP1、R5负反馈回送到集成运算放大器反相端，由u+= u-=0（虚地），i+= i-=0（虚断），得到低音最大的提升量为：

此时输入信号量是最大的，负反馈量最小，低音信号得到最大提升。

在电路仿真软件Multisim 10.0中，将50 Hz音频信号输入，在T1时刻，B通道的前置放大级输出信号幅值为ui=-1.7V；C通道的音调控制级交流输出信号幅值为uo=20.348V，输出信号波形与输入信号反相。

低音调节电路电压放大倍数为：

与式②估算值基本一致，仿真波形如图5所示。注意：用Multisim 10.0仿真时，电位器的接入方向要正确，另外，C4，C5，C6存在于电路中时，音调控制级电压放大倍数为7.6，并且两个波形之间存在相位差。

（2）当RP1滑到最右端 低音衰减量最大

若电位器RP1滑到最右端，C5被短路，C4可视为开路。这时低音信号ui经过R4、RP1、R5送入集成运算放大器A2的反相端，低音输出信号uo则经过R6、R5负反馈回送到集成运算放大器A2反相输入端，此时电路增益为：

此时输入信号量最小，负反馈量最大，则低音衰减量最大。

在电路仿真软件Multisim 10.0中，将50Hz音频信号输入，在T1时刻，B通道的前置放大级输出信号幅值为ui=-1.675V；C通道的音调控制级交流输出信号幅值为uo=139.186mV。输出信号波形与输入信号反相。

低音调节电路电压放大倍数为：

与式③估算值基本一致，仿真波形如图6所示。

图6 低音调节等效电路仿真波形（RP1至最右端）

由以上分析可以得到，电位器RP1向左滑动时，提升低音信号，向右滑动时衰减低音信号。另外，由于C4，C5对高音信号可视为短路，无论RP1的滑臂怎样移动，此时对高音信号无任何影响。

2.3.2 高音调节电路原理

输入信号为高频段时，C4，C5，C6对于高音信号可视为短路，C6和R7支路已经起作用。

（1）当电位器RP2滑到最左端，高音输入信号提升最大

将电位器RP2滑到最左端，高音输入信号ui经过R7送到集成运算放大器A2的反相端，而高音输出信号uo则经过RP2，R7回送到集成运算放大器A2的反相端，这时负反馈电压最小，高音输入信号得到最大提升。根据电路参数计算，高音输入信号ui最大的提升量为：

在Multisim 10.0中，选用高频1.5KHZ音频输入信号，在T1时刻，B通道的输出信号幅值为ui= -1.674V；C通道是音调控制级的交流输出信号幅值为uo= 13.925V。输出波形与输入反相，本级的电压放大倍数为：

与式④估算值基本一致，仿真波形如图7所示。

图7 高音调节等效电路仿真波形（RP2至最左端）

当电位器RP2滑到最右端时，高音输入信号衰减量最大

若电位器RP2滑到最右端时，因RP2的数值很大，这里可视为开路， Rc视为开路。高音输入信号ui经过Ra送到集成运算放大器A2的反相端，而高音输出信号uo则经过R7、Rb回送到集成运算放大器A2的反相端，这时负反馈电压最大，高音输入信号衰减量最大。根据电路参数计算，高音输入信号ui提升量为：

在电路仿真软件Multisim 10.0中，将1.5KHZ音频输入信号，在T1时刻，B通道的输出信号幅值为ui=-1.673 V；C通道是音调控制级的交流输出信号幅值为uo=201.149 mV，输出波形与输入反相。本级的电压放大倍数为：

与式⑤估算值基本一致，仿真波形如图8所示。

图8 高音调节等效电路仿真波形（RP2至最右端）

由以上分析可以得到，电位器RP2向左滑动时，提升高音信号，向右滑动时衰减高音信号。另外，无论电位器RP2怎样滑动，由于C3对中低音信号可视为开路，所以此时对中低音信号无任何影响。

2.4 功率放大级仿真分析

在OCL功率放大电路中，输出级由集成功率放大器A3，电容C8、C9、C10、C15和C16、电阻R8、R9、R10和R11，电位器RP3以及二极管VD1和VD2组成。其中A3是由TDA2030A构成OCL功率放大电路，推动扬声器发声，该级增益为：

A3是理想集成运放，虚短，反相端与同相端对地电压相等，反相端对地电压是（R9/R9+R10）*输入端电压 UO，整理后 A3的增益就是 33.35。

为了提高电路稳定性，减小输出波形失真，功率放大级通过R9，R10和C9引入深度直交流电压串联负反馈，对于直流而言实现全反馈，目的是使A3的4脚输出端的静态电位稳定为零伏。对于交流而言，C9足够大则对通频带内的输入信号可视为短路，电路的电压增益由R9，R10的分压比决定，改变R9，R10的比值就可以调节该级电路增益。R9一般为1～2 kΩ，不可太小以免产生交流声，对于R10在不产生自激和失真条件下，为了提高输出功率，可将其适当加大。C8是输入耦合电容，电位器RP3调节输入信号大小，也就是音量调节电位器。R8同相端的偏置电阻作用同电阻C15，C15，C16是电源高频旁路作用，防止电路产生自激振荡。VD1和VD2接在电源与输出端之间，防止输出电压峰值损坏集成块，起到保护作用。C10，R11是对感性负载进行相位补偿避免自激和过电压，保证高频稳定性。C11，C12，C13，C14为电源高频旁路作用，防止电路产生自激振荡。R12，R13为退耦电路。VD3和VD4是防止电源反接的保护元件。

在电路仿真软件Multisim10.0中，功率放大级仿真波形，如图9所示。在T1时刻，C通道的交流输入信号幅值为ui=65.679mV；D通道的交流输出信号幅值为uo=2.189 V。输出波形与输入同相，本级的电压放大倍数为：

与式⑥估算值相符合。注意，本次仿真的输入信号是由C8的正极加入，若从电位器RP3作为信号输入端，那么随着电位器的调整引起Ui信号的衰减，测试数据计算得到的电压放大倍数，会比估算值要小。

图9 OCL功率放大电路仿真波形

3 结论

借助电子线路仿真软件Multisim 10.0，对扩音机电路的单元电路逐一分析，从仿真波形中可以看到，该级电路的电压放大倍数，波形的失真程度；通过调节电路中的相关参数，可以看到不同设计条件下的电路性能，这样增强了教学过程的直观性，提高了学生的学习兴趣，增加了电路分析的手段。另外，在项目教学过程中融入了新知识，新方法，使得教学过程最大程度的与工程实践内容保持一致性，同时教学效果较以往传统教学方式好了许多。

［1］ 陈曙光.项目教学法在低频电子线路课程教学中的应用［J］.徐州建筑职业技术学院学报，2010（2）：61-62.

［2］ 郑文.基于Multisim的高频功率放大器仿真分析［J］.实验科学与技术，2014（1）：22-23.

［3］ 甄立常.基于仿真软件的高职单片机课程项目式教学研究［D］.保定：河北大学，2010.

［4］ sunzhen_222.Multisim ［EB/OL］. http：//baike.baidu.com/link？u rl=ANIqvxColvEHfFFyVBDdw3XQ0DP7lDgIji8XcZkcm6RpD pGSSxsUVY4QqVi-sQULuaDbbYL3LBz0Bk0CRgWw-q.

Application of Simulation Software in Project Based Teaching Approach of Analog Electronic Technology

Chen Shuguang

Jiaxing Vocational Technical College， Jiaxing， 341036， China

Simulation software NI Multisim10.0 can let the Megaphone principle truly reappear，making the boring theory become intuitive，vivid，and easy to accept. It also contributes to students' interest in learning. Furthermore， the problem of the disconnection between theory and practice can be solved. Meanwhile， new knowledge and teaching methods will be brought into class.

NI Multisim10.0； megaphone principle； simulation results

2015-07-27

陈曙光，硕士，副教授。