Multisim 10在测控电路实践教学中的应用研究

□覃斌毅，李 芸

（1.玉林师范学院 电子与通信工程学院，广西 玉林 537000；2.玉林师范学院 化学与材料学院，广西 玉林 537000）

Multisim 10在测控电路实践教学中的应用研究

□覃斌毅1，李 芸2

（1.玉林师范学院 电子与通信工程学院，广西 玉林 537000；2.玉林师范学院 化学与材料学院，广西 玉林 537000）

《测控电路》是测控技术与仪器专业的一门重要的专业课，而实践教学则是《测控电路》课程教学中的一个关键环节. 本文通过三个实例展示了如何在实践教学中引入multisim 10软件，multisim 10软件的引入可以很好的解决传统实践教学中对设计性实验支持少和后期维护经费的问题. 同时，还使学生将实践和理论相结合，有效地激发学生学习的积极性和主动.

Multisim 10；测控电路；仿真；教学

1 引言

《测控电路》是测控技术与仪器专业的一门重要的专业课.该课程的主要内容是如何使用电子技术对日常生产生活中的参量进行测量和控制.通过本课程的学习，学生可以运用电子技术知识解决日常生活中测量与控制提出的任务.

实践教学是《测控电路》课程教学中的一个关键环节，通过实践教学，用具体的实验现象，加深学生对书本理论知识的理解，引发学生的学习兴趣.传统实践教学的方法是，使用实验箱进行实践教学.教学所用的实验箱由一些设备公司设计制作，并附带有大量指导学生实验的资料，教师可以根据所提供的资料指导学生实验，大大减少教师准备实验的工作量.但是，实验箱的电路大多都是固定的，无法改变电路的结构，实验内容单一，对于学生设计性实验的支持有限；并且在实验过程中往往因为元器件参数、接触等问题得不到理想的实验效果，甚至由于学生的错误操作，造成器件的损坏，实验箱的后期维护也需要一笔成本开销.Multisim软件只需要一台计算机就可以进行电路设计仿真，无需额外的硬件，节省了对硬件维护的费用.所以，在实践教学中引入Multisim 10软件，可以很好的解决传统实践教学中对设计性实验支持少和后期维护经费的问题.

2 Mutisim10概述

Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出一个款专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件.Multisim将计算机仿真与虚拟仪器技术相结合，解决了理论与实际脱节的问题，学生可把新学的理论知识使用Multisim进行仿真验证.同时，学生还能应用虚拟仪器技术设计属于自己的仪表.

本文所用的实例是在Multisim 10版本上设计的.Multisim 10具有丰富的元件库，同时还提供了种类齐全的虚拟测试仪表.它不但包含了一般实验用的通用仪表，如万用表、函数发生器、双踪示波器、直流电源；而且还包含了有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、失真仪、频谱分析仪、网络分析仪等.此外，Multisim 10还具有详细的电路分析功能，完全可以满足本课程的实验要求.

3 Multisim10在测控电路实践教学中的应用实例

信号的放大、调制、分离是《测控电路》课程中要掌握的重点内容，为了加深学生对这三方面知识的理解，在实践课程中会安排有相应的实验.本文通过信号放大、调制、分离的三个实例，说明如何在《测控电路》这门课程实践教学中引入Multisim10软件.

3.1 同相比例放大电路

信号放大电路是《测控电路》的一个重点内容，一般传感器的输出信号比较微弱，信号放大电路是将传感器输出的信号进行放大，使其满足后期各种转换处理.同相比较放大电路是一种基本的信号放大电路，它具有高的输入阻抗，常用于前置放大级，也用于阻抗变换或隔离电路中.掌握同相放大电路的分析和设计方法，对学习反相放大电路、差动放大电路具有一定的指导作用.

在Multisim软件中绘制同相比例放大电路，如图1所示.输入电压ui通过R3输入到运算放大器的同相端，输出电压uo通过反馈电阻R1反馈到运放的反相端，反相端接入平衡电阻R2=R1//R3到地.由于运放工作在线性区，有根据虚短的特点u+=u-和虚断i+=i-=0，可得所以同相比例放大电路的电压放大倍数为当R1=9KΩ，R2=1 KΩ，R3=1 KΩ，时，电压放大倍数为10.在图1中，输入电压为200mV，从万用表中读出输出电压为2V，与计算结果相吻合.在实验中，还可将反馈电阻R1用滑动变阻器代替，通过改变变阻器的阻值，观察输出信号的变化情况.

通过仿真实验，学生可以直观的观察到在输入电压恒定的情况下，输出电压随R1、R2电阻值的变化而变化，加深对同相比例放大器电压放大倍数计算方法的理解.

图1 同向比例放大电路

3.2 双边带调幅电路

在精密测量中，进入测量电路的除了传感器输出的测量信号外，还会有各种噪声.为了便于区分信号和噪声，往往会对信号进行调制，所以如何对信号进行调制也是《测控电路》研究的一个重点问题.

调幅是测量中最常见的调制方式，其特点是调制方法和解调电路比较简单.调幅就是用调制信号x去控制高频载波信号的幅值. 调幅信号的一般表达式为us=(Um+mx)coswct，假设调制信号x=XmcosΩt，那么调幅信号可表示为它包含有三个不同频率的信号：角频率为ωc的载波信号Umcosωct和角频率分别为ωc±Ω的上下边频信号.若令载波信号中不含调制信号，即Um=0则只保留两个双边频信号，这种信号称为双边带调制信号.从双边带调制信号的表达式，可以看出双边带调制信号可以由两个信号相乘获得.在Mutisim软件中绘制双边带调制信号的调制电路，如图2所示.调制信号的频率为100Hz，载波信号的频率为1KHz，分别输入模拟乘法器的X和Y输入端，从虚拟示波器可以看到两路波形如图3所示，其中第一路信号为乘法器输出的双边带调制信号，第二路信号为乘法器Y输入端的信号.修改调制信号的频率，当调制信号与载波信号相近时，会产生频率混叠现象.将调制信号的频率改为500Hz，从虚拟示波器中可看到混叠现象如图4所示.

通过双边带信号调制的仿真实验，便于学生理解双边带调制信号产生的原理，并懂得当调制信号和载波信号的频率相近时，会发生频谱混叠.

图2 双边带调制电路

图3 双边带调制信号

图4 频谱混叠现象

3.3 有源滤波器设计

信号分离电路是《测控电路》课程中的一个重点内容，信号分离的实现思想是使用滤波器，所以滤波器的设计方法是学生必须掌握的重点.滤波器的种类繁多，其中有源滤波器以其良好的频率选择特性得到广泛的应用.

对于有源滤波器的设计，学生可以首先通过参数计算，然后将计算结果转化为电路，最终在Multisim10中仿真，通过仿真结果对最初的设计进行验证.这为学生理解掌握有源滤波器的设计提供了一种很好的方法.

比如，要设计一个通带增益Kp=-2，转折频率fc=650Hz的无限增益多路反馈型二阶巴特沃斯低通滤波器.

设计步骤：(1)选取C1的值，查表1得出C1=0.01uF；（2）计算电阻换标系数K，K=100/（fc*C1）=15.38；（3）查表2得归一化电阻值，r1=2.565kΩ，r2=3.292kΩ，r3=5.130kΩ.（4）求实际电阻值，用电阻换标系数和归一化电阻值相乘，可得实际电阻值，R1=39.46 kΩ，R2=50.65 kΩ，R3=78.92 kΩ.（5）选取C2的值，C2=1500pF.（5）确定电阻标称值，电阻选用标称值R1=39kΩ，R2=51kΩ，R3=82 kΩ.

电路的参数计算完后，在Multisim10中绘制出电路，电路如图4所示.使用Multisim10自带的波特图仪可以查看所设计的滤波器的频响特性曲线.滤波器的幅频响特性曲线如图5所示，由曲线可得知，信号功率衰减到3dB是的频率fc1=656.693Hz，与设计要求基本吻合.

通过滤波器的设计仿真实验，学生可自行设计所需的滤波器，并对设计的电路进行验证，加深对滤波器设计的理解.

表1 二阶有源滤波器设计电容选择表

表2 二阶无限增益多路反馈巴特沃斯低通滤波器设计表

图5 二阶巴特沃斯低通滤波器

图6 幅频响应

4 结束语

在测控电路实践教学中引入Multisim 10进行仿真，可以很好的解决传统实验箱实验内容单一的问题，并节省了硬件维护的费用.同时，Multisim 10提高了学生创新意识和创新能力，学生通过仿真软件对电路中各个元器件参数的改变，更清楚地了解了电路性能的改变情况，使得实践和理论有机结合，还有效地激发学生学习的积极性和主动. ■

[1]李瑞贤. 基于Multisim软件的电子测量技术课程的教学改革[J]. 中国科教创新导刊，2012，（25）：197-198.

[2]谢迎娟，邓立华，陈俊风. 仿真技术在“电路”课程教学中的设计及应用[J].中国电力教育，2014，（8）：73-75，79.

[3]林涛. 电子工作台EWB在电子测量技术课程教学中的应用[J]. 湖南工业职业技术学院学报，2009，9，（6）：128-129.

[4]吴卫华，朱小芹. NI Multisim 12.0 在电学物理实验中的应用[J]. 实验技术与管理，2013，30，（11）：120-121，125.

[5]张国雄. 测控电路（第三版）[M]. 北京：机械工业出版社，2008.

【责任编辑 谢明俊】

Application of Multisim 10 in the Practice Teaching of “Measurement and Control Circuit”

QIN Bin-yi1，LI Yu2
（1. School of Electronic & Communication Engineering, Yulin Normal University, Yulin, Guangxi 537000; 2. School of Chemistry & Materials, Yulin Normal University, Yulin, Guangxi 537000）

“Measurement and Control Circuit” is an important professional course in the specialty of Measurement and Control Technology and Instrument, and the practice teaching is a key link in the teaching of“Measurement and Control Circuit”. In this paper, shows how to introduce multism 10 into practical teaching by using three examples. Introduction of Multisim 10 software in the practical teaching can well solve the problems of inadequate support and maintenance funding in traditional practice teaching. At the same time, it can help the students combine the practice and theory, and effectively stimulate students’ learning enthusiasm and initiative.

Multisim 10; “Measurement and Control Circuit”; simmulation; teaching

G642.0

A

1004-4671（2015）02-0035-05

2015-01-05

覃斌毅（1985～），男，广西玉林人，玉林师范学院电子与通信工程学院助教，硕士研究生。研究方向：自动测试总线与系统、分布式测控技术。