Multisim在模拟电子技术教学中的探索与应用

俞　妍，李志勇，付少波

(军事交通学院 基础部，天津 300161)



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Multisim在模拟电子技术教学中的探索与应用

俞妍，李志勇，付少波

(军事交通学院 基础部，天津 300161)

为调动学生学习积极性，有效提升学生的实践能力和设计水平，将Multisim引入模拟电子技术基础课程教学，结合基本放大电路具体教学案例对仿真内容进行设置，并探讨借助仿真软件在培养学生的观察能力、思维能力以及实践能力方面的优越性。

模拟电子；Multisim仿真；理论教学

模拟电子技术(以下简称“模电”)课程是为引导学生从基础技能向专业技能转变，因此，“模电”在整个课程体系中起到了承前启后的作用。传统的理论教学主要采用PPT辅以板书的形式，依托教材结合电路分析的原理，或者根据步骤设计电路。将实践性很强的一门课偏于理论化，无法取得良好的教学效果。由于教学形式单一，学生听起来感到枯燥难懂，更别提会对课程产生学习的兴趣，学习效果不理想[1]。如果将EDA(电子设计自动化)技术引入教学环节，将调动学生的积极性，有效提升学生的实践能力和设计水平，解决传统教学中遇到的诸多问题。

1　Multisim简介

Multisim是一个用于电路设计和仿真的EDA工具，将原理图的创建、电路的测试分析和结果的图表显示等全部集成到同一个电路窗口中。整个操作界面就像一个实验工作台，有存放仿真元器件的元器件库，有存放测试仪器的仪器库，有进行仿真分析的各种操作命令。测试仪器和某些仿真元器件与实物非常接近，操作方法也基本相同。软件简单易学，功能强大，非常适合教师和学生使用。

2　Multisim在模拟电子技术教学中的应用

2.1Multisim引入模拟电子技术教学的必要性

将Multisim仿真软件引入教学，教师相当于拥有了一个虚拟的实验平台，针对课程中的不同内容搭建相应的电路，深入浅出地分析电路的各种特性，演示输入信号的变化或者电路参数的改变对电路输出的不同影响。电路输出可以通过不同颜色的指示灯、数码管直观显示出来，或者通过示波器、逻辑分析仪显示出输出波形。操作速度快，学生能够形象直观地观察到模拟电路的工作情况，了解不同形式的电路功能。在演示过程中，教师可以随时改变电路中的各个参数，让学生直观地看到电路的变化过程，体会不同参数下电路性能的变化。通过课堂演示环节，学生可以很快建立理论和实践的联系，对抽象的课堂讲授建立更加直观的印象。抓住学生的兴趣点，加强教学的互动性，许多难以理解的教学内容通过仿真演示就能轻松解决。学生通过观察也能逐步体会到仿真的魅力，养成善于利用仿真软件的习惯[2]。

2.2Multisim软件在模拟电子技术教学中的应用实例

以讲解“基本放大电路”为例，学生对于三极管放大电路中元器件参数合理选择、输入信号频率的影响等理解较为模糊。由于实际授课过程中难以配备波特图示仪这样昂贵的设备，因而教师在上课过程中也常常感觉到很难处理。但三极管放大是“模电”课程教学的核心内容，对培养学生连接电路的能力、掌握元件在电路中的作用并分析电路的工作特性有很大帮助。在讲授基本放大电路时，可以充分运用Multisim软件，从元件库中调出相应型号的器件，创建Multisim仿真电路，根据Multisim提供的仿真功能，利用仪器仪表观测电路各个物理量。

2.2.1创建Multisim仿真电路

在Multisim中建立电阻分压式工作点稳定的单管放大电路(如图1所示)。在放大器的输入端加入输入信号Ui，那么放大器的输出端可得到一个与Ui相位相反、幅值放大了的输出信号U0,从而实现了电压放大。电路中接入双踪示波器用于观测输入/输出电压波形变化。

图1　电阻分压式工作点稳定放大电路

2.2.2使用Multisim软件进行静态分析

(1)静态工作点理论计算。在图1所示的电路中三极管2N2222A的电流放大系数β为150，流过偏置电阻R1和R2的电流远大于晶体管的基极电流IB，计算结果如下：

(1)

(2)

(3)

UCE≈UCC-(R4+R3)IC≈5.5 V

(4)

(2)静态仿真分析。使用Multisim进行静态仿真分析，设置图1中节点1、5、4和探头1、2，依次执行“仿真/分析/直流工作点分析”命令，可得到静态工作点的分析结果。UB=2.49 V，UC=7.77 V，UE=1.85 V，IB=11.4 μA，IC=1.84 mA，则UBEQ=0.64 V，UCEQ=5.92 V，UBEQ>0.6 V，UCEQ>UBEQ≈6 V ，三极管在直流电源作用下得到合适的静态工作点，保证在整个小信号周期内均工作在放大区。所测参数与式(1)—(4)分析结果一致。

2.2.3使用Multisim软件进行交流分析

(1)电压放大倍数。双击图1中示波器图标，观察示波器输出波形(如图2所示)。

图2　示波器显示波形

其中，曲线1为输出电压波形U0，曲线2为输入电压波形Ui，输入输出反向。U0正负半周对称，最大值为1.5 V；Ui最大值为20 mV，实现了对输入信号U0不失真的放大。根据公式(5)可得到电压放大倍数Au，即

(5)

(2)频率特性分析。频率特性又分为幅频特性和相频特性，前者表示电压放大倍数的模|Au|与频率f的关系；后者表示输出电压相对于输入电压的相位移φ与频率f的关系。

在放大电路中，由于耦合电容随频率降低而容抗增大，信号会在低频段衰减，放大倍数减小。而在高频段由于三极管结电容和电路的分布电容在高频段容抗较小，对信号的分流作用增大，也会使放大倍数减小。只有在某一频率范围内，电压放大倍数最大与频率无关，输出电压相对于输入电压的相位移为180°。

但是如上的内容受到课堂教学及实验室设备难以保证的局限，使得教师在讲授这段内容时只能照搬课本的原话。而通过Multisim软件中动态仿真分析，则可以简便又快速地显示出以上的教学内容。依次执行“仿真/分析/交流分析”命令，设置图1中节点7为输出节点，可得到图3所示的幅频特性和相频特性[1]。

(a)幅频特性曲线

(b)相频特性曲线图3　放大电路交流分析结果

通过图3可以看到频率对放大倍数的影响，图中显示当频率达到300 Hz以上，放大倍数就趋于稳定，基本保持水平。

2.2.4使用Multisim软件进行失真分析

(1)静态工作点偏高。当R6减小时，三极管基极电位UBEQ升高，发射极电流和集电极电流增大，则集电极电阻R4上的压降及发射极电阻R3上的压降增大，使得UCEQ减小，电流的静态工作点上移，接近三极管的饱和区。现调节R6使之取值为0，得到直流工作点数据：UB=4.39 V，UC=3.81 V，UE=3.72 V。则UBEQ=0.68 V，UCEQ=0.09 V，UBEQ>0.6 V，UCEQ

图4　饱和失真输入输出波形

(2)静态工作点偏低。当R6增大时，三极管基极电位UBEQ降低，发射极电流和集电极电流减小，则集电极电阻R4上的压降及发射极电阻R3上的压降减小，使得UCEQ增大，电流的静态工作点下移，接近三极管的截止区。现调节R6使之取值为200 kΩ，得到直流工作点数据：UB=0.96 V，UC=11.1 V，UE=0.37 V。则UBEQ=0.59 V，UCEQ=10.73 V，UBEQ<0.6 V，UCEQ≈12 V，三极管在直流电源的作用下已经进入到截止区，输出信号的正半周会出现失真(如图5所示)。

图5　截止失真输入输出波形

通过仿真分析，清晰直观地讲解了单管放大电路中存在失真这一现象，能够让同学们掌握饱和失真和截止失真的概念，并掌握消除失真的解决办法。

教学实践表明，与传统的“PPT+板书+讲解”的教学模式相比，这种基于Multisim仿真的教学模式具有明显的优势，主要表现在两个方面：一是形式上更加生动和直观，容易调动学生学习的主动性，使学生更容易掌握器件的逻辑功能并理解相关的基本概念；二是拉近了理论和实践的距离，大大节省了实验教学中验证性实验项目所需的时间[3]。

3　结　语

长期的教学实践证明，教师在课堂上适当地运用Multisim软件对电路进行仿真，可以将相对比较难以理解的理论和概念用直观的方式展示出来，使理论更加贴近实际，加深学生对理论和概念的理解，激发学生的学习兴趣，从而提高模拟电路课程的教学效果[3]。

[1]袁晨光，丁海峰.借助仿真软件改善《模拟电子技术》教学方法[C]//军队院校电工电子基础教学协作联席会.2014首届军队院校电工电子基础教学研讨会论文集.杭州：解放军理工大学通信工程学院，2014：100.

[2]贾鹏.浅谈Multisim在《数字电路》教学中的应用[C]//军队院校电工电子基础教学协作联席会.2014首届军队院校电工电子基础教学研讨会论文集.杭州：解放军理工大学通信工程学院，2014：21.

[3]李爱勤，刘瑞婷，张长峰.Multisim在数字电子技术基础教学中的应用[C]//军队院校电工电子基础教学协作联席会.2014首届军队院校电工电子基础教学研讨会论文集.杭州：解放军理工大学通信工程学院，2014：155.

(编辑：凌春霞)

Exploration and Application of Multisim in Analog Electronics Teaching

YU Yan,LI Zhiyong,FU Shaobo

(General Courses Department,Military transportation University， Tianjin 300161,China)

To arouse students’study enthusiasm and promote their practical ability and design level,the paper introduces Multisim in analog electronics teaching,and sets up the simulation content combining with basic magnifying circuit teaching case.It also elaborates the advantages of cultivating students’observation ability,thinking ability and practical ability with the help of simulation software.

analog electronics; Multisim simulation; theory teaching

2014-12-23；

2015-10-13.

俞妍(1984—)，女，硕士，助教.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.01.015

E912

A

1674-2192(2016)01- 0062- 04