计算机仿真在模拟电子技术课程教学实验中的应用

曹兆楼

摘 要： 模拟电子技术教学中增强学生的感性认识，将抽象概念具体化能够有效提高学生的学习兴趣。计算机仿真以直观地形式展现了模拟电路的特点，便于研究不同参数对电路的影响，结合多媒体教学教学能够显著加深学生对电路分析问题和解决问题的能力。本文介绍了Multisim仿真软件的功能特点，以实际案例说明了如何在教学中应用Multisim软件，从而达到启发学生思考的效果。

关键词： 计算机仿真；模拟电子技术；教学实验

中图分类号 TN11

1 引言

模拟电子技术课程是光电类学生必修的专业基础课程。由于课程同时具有很强的理论性和实践性，学生不但需要掌握基本的理论知识还要学会基本电子器件的识别应用、常用电子仪表的使用以及具备分析问题和解决问题的能力。课程内容非常丰富，包含了元器件特点、基本放大电路、集成芯片及反馈电路分析设计等。此课程是后续电类专业课程的基础课程，也是学生后续在电学方向发展提高的关键。但传统的课堂教学侧重于理论体系的系统及完整，只能提供给学生抽象的概念，导致学生只能照着例题去解答习题，忽视了课程的工程实践性，使得学生无法建构自身对于模拟电路感性的认识和理解。

虽然模拟电子技术课程一般均配有实验课时，但出于安全和成本考虑，实验内容大多为验证性实验，学生照着步骤说明开展实验，限制了学生探索性的发展。计算机仿真技术的迅速发展为课堂教学提供了新的途径。通过计算机仿真，无需硬件成本即可达到实验学习的效果，且学生可自行在软件中搭建电路、改变参数来探索电路特性，发挥其主观能动性。Multisim为美国National Instruments公司开发的电路仿真软件，操作方便，电路形式形象直观，用户可自行设计电路，分析结果[1，2]，包含了原理图分析和PCB分析两模块，教学中主要侧重于原理性验证，因此主要使用原理图分析模块，对于有求知欲的学生，可鼓励其自学PCB分析模块。在课程中我们基于Multisim软件开展了一系列教学实验，帮助学生加深了对电路的理解。本文以共射放大电路的特性分析为例进行说明

2 Multisim仿真

基于Multisim仿真的前提是合理建模电路，Multisim软件本身提供了一系列的电子器件，由于共射放大电路中均为常用器件，因此我们使用Multisim自带器件，电路图如图1所示，主要包含电压源、信号源、晶体管、电容电阻及测量设备如万用表、示波器及频谱分析仪等，选定器件后按照共射放大电路原理连接好对应器件即可，其中频谱分析仪及示波器的均是"+"级接需测量的信号，"-"极接地。

图1 共射放大电路建模

静态工作点的合理设置是放大电路正常工作的前提，按照图中参数的设置，将交流电压源幅值设置为0 V，使用虚拟万用表进行测量：UCE = 6.35 V， IBQ = 8.23 A， ICQ = 1.61 mA。 UCE的范围决定了电路输入信号的动态范围，本电路中UCE接近Vcc/2 = 6V，尽可能拓宽了输入信号范围。学生可通过改变元器件参数可调整静态工作点，加深了解。

我们进一步分析了电路的动态特性。电路的放大倍数在选定晶体管型号后主要有负载电阻R3决定，可使用双踪示波器或频谱分析仪进行分析。将示波器通道的正负极接到需要测量的信号节点上，双击示波器调整时间轴及通道A、B的比例可观察波形。当输入信号幅值较小时，输出信号较好的保持了正弦波的形状，但由于共射放大电路的特点，两者之间存在反相的关系。随着输入信号幅值的增大，受到静态工作点的限制，输出信号可能出现失真，本电路中首先出现了截止失真，即输出信号的最大值达到了Vcc，无法继续增大。当R3 = 3 k时，中频放大倍数为39 dB。设置R3分别为1 k及5 k时，中频放大倍数分别为33 dB及41 dB，显然R3增加时电路放大倍数增加。为了分析静态工作点对失真特性的影响，我们将R2设置为10 k，此时UCE = 0.65 V。显然此时随着输入信号的增加，输出信号将首先达到0 V，意味着此时晶体管的集电极与发射极近似短路，电路达到饱和状态，发生了饱和失真。

放大电路的频率特性由多种因素决定，包含了输入输出耦合电容，旁路电容及晶体管的结电容，分析频率影响时可改变输入信号源的频率，通过观察示波器中波形幅值计算电路的放大倍数实现，但较为繁琐，使用频谱分析仪可直接获得波特图。一般电路下截止频率由输入输出耦合及旁路电容决定，上截止频率由晶体管结电容决定。观察波特图，通过移动光标可知本电路中下截止频率约为10 kHz，上截止频率约为3 MHz。

为了进一步了解电容对电路频率特性的影响，我们首先将C3设置为2 F，C1及C2设置为1 F，此时电路的下截止频率约为4.9 kHz，上截止频率约为3 MHz。然后将C1及C2设置为2 F，C3设置为1 F，此时电路的下截止频率约为10 kHz，上截止频率约为3 MHz。可见下截止频率主要决定了旁路电容，而与输入输出电容的关系不大。上截止频率则不受到外部电容的影响，主要决定于晶体管本身的结电容。模拟结果有效体现了书本知识，能够帮助学生更加直观的理解模拟电路的结构特点，具有较好的教学效果。

3 总结

本文以实际案例说明了如何在讲解共射放大电路时使用Multisim软件进行辅助。在软件中我们可以实际改变元件值观察其对电路的影响，帮助学生较为直观地理解放大倍数、失真及频率特性的特点，学生也可自行改變电路，发挥其主观能动性，而不是被动的学习。经过两个班级的实践，取得了较好的效果。■

参考文献

[1] 李文秀，刘春艳.Multisim在电工电子技术实验教学中的应用[J].青海大学学报，2010（28）： 92-95.

[2] 沙春芳.Multisim10在模拟电子技术教学中的应用[J].中国现代教育装备，2011（3）： 125-126.