三维仿真在“电工电子学”教学中的应用

曹玉苹，贺 利，刘润华，任旭虎，张冬至

（中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，山东青岛266580）

0 引言

Multisim是美国国家仪器有限公司NI（National Instruments）推出的在Windows下运行的仿真工具。Multisim用软件模拟电工电子元器件、仪器和仪表，可用于原理图设计和电路功能测试［1］。因为可以测量和演示电工电路、模拟电路和数字电路等，Multisim被广泛应用于理论教学、实验教学和项目式教学。教材［2］在附录中介绍了Multisim的功能操作，列举了典型电路的仿真及运行结果。教材［3］在大部分章设置了仿真测试小节，做到关键技术和关键知识点都用软件仿真。在理论教学中，Multisim仿真能够验证原理和定理，展示典型电路的功能，从而使抽象理论变得具体生动，不仅活跃了课堂气氛，而且解决了实验课安排滞后的问题［4～5］。在实验教学中，Multisim仿真有助于学生熟悉实验过程，从而提高预习效果，减少器件损耗［6～8］。学生可以不受实验室硬件条件限制搭建电路自由探索，从而解决实验课时少、硬件配置有限的问题。Multisim仿真软件不仅促使学生了解更多元器件知识，而且能够激发自学积极性、培养探究能力。在项目式教学中，可以通过 Multisim仿真软件设计、仿真、调试、优化电子产品。不仅安全系数高，而且投入设备少、周期短［9～10］。基于Multisim仿真软件还可以模拟电路故障，开展故障诊断研究［11］。文献［12］将仿真分析能力作为电类专业素质教育的重要内容之一进行培养。

但是，现有Multisim电路仿真几乎全部围绕元器件的二维符号展开，有关三维电路仿真的教学研究文献较少［13］。二维元器件符号不仅抽象而且在管脚分布上与实际器件存在明显差异。由于学生只有在实验或课程设计中才接触到实际器件，因此对它们并不熟悉，器件容易造成接线错误，不仅浪费时间而且容易造成器件损毁。Multisim 10提供了三维元器件库，元器件以实际器件照片的形式出现，形象逼真。为了充分利用三维仿真的特色和优势，本文结合“电工电子学”教学内容，总结了三维仿真的具体应用环节和仿真主题，基于Multisim 10列举了典型功能电路及仿真分析。

1 三维元器件和仪器

对于Multisim 10仿真软件，三维元器件的位置为 Database：Master Database→ Group：Select all groups→Family：3D_VIRTUAL。在主菜单 View→Toolbar中选中3D Components，即可在操作界面显示三维元器件工具栏。系统提供了23个元器件，数目虽然不多，但涵盖了电阻、电容、电感、二极管、三极管、集成运算放大器、计数器等典型元器件。利用这些三维元器件可以设计典型功能电路，从而为理论教学和实践教学提供逼真的仿真素材。

表1列出了Multisim 10仿真软件中部分元器件的二维和三维符号。与二维符号相比，三维符号立体、彩色，跃然纸上。例如整流二极管，学生在三维符号仿真时即可以通过外形识别阴极和阳极。学生常常根据二维符号将电位器误认为滑动变阻器，三维符号就可以避免混淆，它可以区分电位器管脚，掌握调节方法。对于双极型三极管，学生可以根据三维符号掌握发射极、基极和集电极的区分方法，避免接线错误。对于集成运算放大器，可以看出二维符号和实际器件在管脚分布上存在明显差别，利用三维符号进行仿真有助于绘制电路布线图。对于计数器，不仅二维符号的管脚分布与实际不同，而且二维符号中没有电源（VCC）和地（GND）两个管脚。部分学生在实验和实习时常常忘记接电源线和地线，利用三维符号进行仿真也能够避免该类错误。

表1 部分器件的二维和三维符号对比

由于实验操作时间有限，学生对函数信号发生器、示波器等仪器的操作非常不熟悉，常常影响实验进度。Multisim 10提供了几款三维仪器，在主菜单Simulate→Instruments的下拉菜单中可以看到安捷伦系列的Agilent Function Generator，Agilent Multimeter，Agilent Oscilloscope和泰克公司的 Tektronix Oscilloscope。图1是Tektronix示波器界面，接线端子和各旋钮、按键的位置清晰可见。学生可以在Multisim仿真环境下操作示波器，熟悉面板上各旋钮、按键的功能和调节方式。

图1 Multisim 10仿真软件中的泰克示波器界面

2 三维仿真在教学中的应用

本节结合“电工电子学”课程教学内容，总结了三维仿真在理论教学和实践教学中的具体应用环节，如图2所示。

图2 三维仿真在理论教学和实践教学中的具体应用环节

2．1 理论教学

1）元器件展示

在讲授“电工电子学”基本元器件时，传统授课常常只在幻灯片中展示元器件的图片，而Multisim软件的三维展示不仅有元器件图片，还可以演示接线和调节方法。

2）课堂仿真演示

在课堂上进行Multisim三维研究仿真电路，可以让学生观察电压、电流、功率以及功率因数等参数的值以及波形，引导学生分析总结。如二极管应用电路，引导学生分析二极管状态，根据输出信号的特点分析二极管的作用。如共基极放大电路，演示正常放大和失真，引导学生总结引起失真的原因。如集成运算放大器的线性应用，引导学生根据波形分析输入输出电压之间的关系。抽象的电路符号容易使教学枯燥，而三维器件的立体形象使电路更生动逼真。动态变化的波形能够吸引学生的课堂注意力，引导学生分析总结，能够使学生变被动接受为主动认识。

3）仿真作业

为了节省课堂时间，尤其是翻转课堂，可以针对教学内容布置仿真作业。由教师确定Multisim仿真主题，如电源性质的研究、基尔霍夫定律、结点电压分析、实际电源的等效变换、叠加定理、戴维宁定理、最大功率传输、正弦交流电路功率因数的提高、一阶电路的全响应、二极管应用电路和三极管应用电路等。学生根据仿真主题自选电路，提交演示视频。要求介绍仿真目的、电路组成、元器件的功能、操作步骤和仿真结果。仿真作业有助于学生验证定律和定理，探索元器件的功能。对于没有设置实验的课程，仿真作业能够减小实验缺失造成的影响。

4）仿真大作业

在课程结束时，布置Multisim仿真大作业。大作业以解决实际问题为目的，电路具有一定规模。如利用热电阻、集成运算放大器等设计温度检测和报警电路，利用计数器设计电子表等。大作业有助于学生梳理所学知识，了解电工电子学的实际应用，达到学以致用的目的。对于没有设置实习的课程，仿真大作业能够减小实习缺失造成的影响。

2．2 实践教学

1）实验预习

学生在仿真软件中进行实验操作，记录参数、观察波形。实验预习有助于学生熟练复杂仪器的使用，提高动手能力。学生在三维仿真时即可接触实际器件，认识外形和管脚，有助于减少操作失误、减少器件损耗。

2）实习仿真

在实际焊接电路板之前，学生首先对各功能模块先进行仿真，然后再整体联调。学生在Multisim仿真环境下练习电路故障排除方法，增强调试电路的能力。提前发现电路焊接过程中易犯的错误，从而避免不必要的返工，在一定程度上减少器件损毁。

3 Multisim 10三维电路仿真实例

为了充分体现三维电路仿真的优越性，本文结合“电工电子学”课程内容，基于Multisim 10仿真软件搭建了整流电路、暂态电路和计数器电路，并以此为例进行仿真和分析。

3．1 实例1：半波整流电路

整流是二极管的重要应用之一，也是直流负载必备的电源处理电路。图3是在Multisim 10环境下分别搭建的二维和三维电路，可以看出二维仿真电路与书本上的电路模型基本一致，三维仿真电路更接近实际电路。电路中各元器件两端的电压波形如图4所示。图4（a）中上幅为电源电压波形，下幅为负载电压波形，由此可以引导学生观察这些波形的变化规律。图3（b）中XMM2的读数为4．188 V，与理论值0．45Us＝0．45 ×10 ＝4．5 V 存在误差，可以启发学生思考误差的来源并利用示波器进一步观察二极管两端电压。图4（b）中，上幅为电源电压波形，其接线与图3（b）中的XSC1A通道相同。下幅为二极管两端电压波形，其正极接二极管阳极，负极接二极管阴极。学生可以据此观察二极管的正向特性，得出电压误差的来源是二极管的正向导通压降。

图3 半波整流电路的仿真电路

在电路分析中，学生经常混淆瞬时值、有效值和平均值。结合该电路仿真可以很好地介绍这些概念的差别。以电压为例，示波器显示瞬时值，可以看出电路中的电压瞬时值是变化的。万用表直流电压档测量平均值，从XMM3可以看出交流电压的平均值近似为0。一般采用有效值衡量交流电压的大小，从XMM1可以看出电压有效值近似为10 V。整流之后的电压是直流量，一般采用平均值衡量直流电压的大小，所以用万用表直流电压档进行测量。

3．2 实例2：RC暂态电路

电容是储能元件，利用其充放电暂态特性可以设计定时电路。图5（a）是根据电容的暂态特性设计的三维仿真电路，操作过程如下：单刀双掷开关J1右侧闭合，将电位器R2调至10%，点击运行按钮开始仿真。切换单刀双掷开关J1，左侧闭合，电源通过电阻R1给电容C充电。当电容电压达到50 V时，充电完毕，切换单刀双掷开关，右侧闭合，电容通过发光二极管LED和电位器R2放电，灯点亮。过一段时间，灯自动熄灭。将电位器R2调至30%，重复上述操作过程。放电电路如图5（b）所示，理论上，时间常数τ＝R2C与电阻R2成正比，R2越大，放电越慢。电容电压uC和放电电流i的变化趋势如图6所示，通过对比图6（a）和图6（b）可以看出，随着电位器比例的增大，放电变慢，与理论一致。发光二极管参数为Ion＝5 mA，Vf＝1．66 V。若在t＝0 时刻进行开关动作，根据三要素法可以得出电流

图4 半波整流电路各通道波形

当i（t）≤5 mA时，灯熄灭。理论计算可以得出，当电位器分别为10%和30%时，灯亮时间分别为148 mS和280 mS。从图6中可以读出（电流探针的设置是1 V／mA），从开关动作到电流降至5 mA所用时间与理论计算一致。

图5 RC暂态电路

图6 RC暂态电路电容电压的变化趋势

3．3 实例3：六进制计数器电路

计数器对脉冲的个数进行计数，可以用于计数、定时和分频。基于同步十进制加法计数器74LS160利用反馈复位法设计六进制计算器，其Multisim 10三维仿真电路如图7所示。利用函数信号发生器产生频率为5 Hz、占空比为50%的脉冲信号，计数器输出端接译码显示器用于观察。启动仿真之后，译码显示器循环显示数字“0”～“5”，实现六进制计数。

搭建二维仿真电路仅能用于仿真，而搭建三维电路的过程也是绘制接线图的过程。对于集成芯片，学生在实验或焊接电路板时容易出现的错误有：不熟悉管脚分布导致管脚号弄错，忘记接地线和电源线，管脚虚焊，短路等。利用三维元器件进行仿真，学生可以不受硬件条件限制提前认识和熟悉芯片的外形和管脚分布。在实践中电路运行出现异常，学生往往求助于教师或其他学生。由于受到实践时间、观测仪表等设备的限制，大部分学生没有掌握故障排除方法。为了锻炼和增强排查电路异常的能力，教师可以设置排除故障环节。即在Multisim 10仿真环境下模拟电路故障，由学生通过观察和分析排除故障。

图7 六进制计数器的三维仿真电路

4 结语

本文结合“电工电子学”课程内容总结了三维仿真的具体应用环节，列举了典型功能电路及仿真分析。与二维仿真电路相比，三维仿真电路更具体形象，有利于调动学生的学习兴趣。特别是三维仿真器件有助于学生认识实际器件的外形和管脚，减少接线错误造成的器件损耗；三维仿真仪表有助于学生熟悉复杂仪表的操作，缩短实际操作时间。对于没有设置实验和实习的课程，三维仿真能够减小实验和实习缺失造成的影响。