基于Multisim仿真的电工技术实验教学的改革与实践

李建军 黎运宇

摘要：针对地方高校选修电工技术及实验的相关专业学生的现状，即基础差，动手能力弱和缺乏创新意识，将Multisim仿真到电工实验的教学中，在实验前进行必要的原理性仿真，有助于学生对理论知识的理解和为实验室实物操作提供必要的基础。通过实验前的仿真使学生养成设计初期必须进行仿真验证的习惯，即进行前仿真的“工作习惯”。同时，教师在学生仿真过程中通过有意识的提问和提示，鼓励学生在电路原理和设计思路方面进行改进，培养学生初步的创新意识。

关键词：电工技术；仿真；Multisim；实验总结

中图分类号：TP391.9 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）31-0079-03

电工技术实验是高等学校部分电类与非电类专业都要学习的一门重要的基础课程，相对于电子相关专业课程而言，其内容包括了《电路分析》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《电力电子》、《电机拖动技术》、《传感器技术》等多门专業课程的知识。课程涉及内容广，具有很强的理论性和实践性，只有注重理论与实践的相互融合才能有效提高学生学习的效果。通过实验设计与验证可以培养学生发现问题、思考问题、解决问题的能力，同时也可以锻炼学生的动手能力。学生通过设计方案、验证实验、修改设计等过程不仅可以加深对理论知识的理解而且还可以提高对后续学习的兴趣。

传统的电工实验课程的一般流程为：实验器材准备→理论原理讲解→实验原理说明→实验电路设计→实验结果预计→教师操作验证→学生实验。在这样的模式下，教师几乎完成了所有工作，整个实验过程中学生基本不参与实验的设计，其没有独立思考的过程，对于验结果的差异也基本不考虑，因此这样的电工实验课程不利于学生思维的拓展和创新能力的培养。

当前，随着计算机技术的迅速发展，软件仿真已经被广泛应用于电子电路系统的设计，几乎所有的电子电路系统在设计研发过程中都要经历初始阶段的电子仿真过程，而仿真一般分为两个过程，即前仿真（原理仿真）和后仿真（模拟电路为电磁仿真、数字电路为时序仿真）。只有在仿真通过的基础上才能进行样机系统的试制。根据高校教学学活动的特点与重点，这里主要针对前仿真任务阶段。

模仿电子电路设计研发的过程可以将电工实验的内容作为一个个简单的电子电路系统进行处理，在这种思想的基础上电工实验课程的模式就可以变为：理论原理讲解→实验原理（方案）设计→实验结果预计→仿真验证→实验器材准备→学生实验→教师点评。在这种加入仿真验证的模式下教师只负责理论原理的讲解、实验方案的可行性和实验后的点评，甚至学生可以根据实验预计结果与仿真结果的差异独自对实验方案做出合理的修改，这时教师只负责理论原理的讲解和实验后的点评。这样在充分利用EDA技术的基础上提高了学生的学习独立性和对知识的理解水平。

一、Multisim软件的优势

虽然实验过程中不可避免地会将实验耗材和实验设备损坏，比如：电阻、电容、晶体管、逻辑器件、示波器、信号源等，但如果学生能在实验前认真思考实验原理和实验过程则这种损坏的概率将大大降低。通过Multisim仿真便可以使学生在实验前对实验原理进行必要思考并且对实验过程也会有初步的规划。Multisim仿真软件为电子电路仿真提供了丰富的元件数据库，也提供了种类多样且标准化的仿真仪器，包括万用表、示波器、逻辑分析仪、失真度分析仪、波特图测试仪等[1，2]。

二、Multisim软件仿真教学

教学过程包括理论原理、软件仿真、实验验证等环节[3]。其中理论原理是指课堂上讲解的概念等原理性的内容；软件仿真是指在Multisim环境下依据实验原理学生自行设计搭建的虚拟电路模型及其结果；实验验证是指根据仿真结果学生在实验室中搭建实物电路及结果验证和实验后的教师点评。由于实验方案和实验电路由学生自行设计验证，因此会出现各种各样不同形式的电路设计方案，甚至可能会出现教师都没有考虑到的方案。这种模式的好处在于检验学生理论的理解程度、锻炼学生的动手能力、培养学生设计电路的思维的养成、激发学生的想象力与创造力、提高教师业务水平。

三、基于Multisim的电工技术实验的仿真

（一）基本放大电路实验

1.学生在传统实验中的问题：（1）对静态工作点作用的理解不够深刻，普遍认为静态工作点必须大于0；（2）对放大电路的本质没有掌握，不考虑在能量守恒定理的前提下功率如何放大；（3）不清楚电压放大与电流放大的适用场合。

2.实验前问题：（1）有静态工作点的电路效率如何？（2）为什么不是“能量放大”而是“功率放大”？

3.基本放大电路的Multisim电路仿真及结果。根据课本上的基本电路学生完成电路搭建，很多学生都改变了电路参数，并依据相关原理对电路进行理论计算和软件仿真，甚至有少数学生会改变电路结来验证自己的想法。

4.实验结论。通过仿真验证学生总结出：（1）静态工作点即直流放大，其作用是消除PN节单向导通和节电压效应对交流信号产生的失真；（2）静态工作点未必大于零（当放大信号本身能克服PN节内建电场），静态工作点不为零时电路中产生无用功即能量效率较低；（3）功率放大电路必须有额外的能量输入才能实现放大，本质上为比例控制电路；（4）电压是电路正常工作的必要条件，电路驱动需要考虑电流因素。

（二）RC振荡电路的实验

振荡电路是一种不需要外接输入信号就能将直流电能转换成具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出电路。按照输出波形分为正弦振荡和非正弦振荡，而RC振荡电路又是正弦振荡电路中最基本的一种。

1.学生在传统实验中的问题。（1）实验方案与实验原理之间的关系认识不清晰；（2）电路器件不熟悉，电路连线错误，部分学生根本不懂如何连接电路；（3）实验过程中出现的问题过度依赖老师；（4）对实验结果的准确性无法判断。

2.实验前问题。（1）振蕩电路起振的条件是什么？（2）起振后振荡波形是否理想？

3.RC振荡电路的Multisim电路仿真及结果。根据课本上的基本电路学生完成电路搭建，很多学生都改变了电路参数，并且依据相关原理对电路进行理论计算和软件仿真，甚至少数学生改变电路结构，验证自己的想法。图1是学生改变电路参数后RC正弦振荡电路原理图；图2是RC振荡电路的起振过程。

4.实验结论。通过仿真验证学生总结出：（1）当反馈电阻R4：R3>2时，起振迅速但波形失真不稳定；（2）当反馈电阻R4：R3≈2时，起振较慢，波形较好但非理想的正弦；当反馈电阻R4：R3<2时，不能起振[4]。

图3、图4分别为结构改变后的原理图与波形图。

通过电路结构的改变学生总结出：（1）正反馈是电路起振并保持稳定的必要条件；（2）只有正反馈存在的条件下电路能够起振快几乎看不到起振过程，且饱和输出；（3）只有正反馈存在下的情况下振荡频率不稳定。

（三）差动放大电路的Multisim电路仿真及结果

1.学生在传统实验中的问题。（1）差动放大电路输出的条件理解不清；（2）差模输入与共模输入的意义理解不深；（3）共模验证与差模验证是分别验证，不够直观。

2.实验前问题。讨论：能否在差动放大实现同时验证差模输入和共模输入。

3.电路的Multisim电路仿真及结果。在老师给出提示考虑稳压管的情况下，学生设计出电路一，如图5所示。通过示波器可以看到在输入电压小于2.5v是放大电路两端输入相同即只有共模输入，当电压大于2.5v后，由于稳压电路的存在，放大电路两端电压出现差异即差模与共模同时存在。

从示波器看暂时满足了对信源的要求，但此时两路信号缺少公共的参考地，因此不能达到预想的效果。问题的关键就变为如何将信号共地，通过查资料，有同学提出电路二，如图6所示。

电路二是基于惠斯通电桥的原理，理论上是可以解决问题，但在实际电路中发现效果并不理想，通过分析发现原因出在电桥的平衡问题，于是又将电路修改为电路三（如图7）。

4.实验结论。通过实验学生对于电桥电路、稳压电路和差模、共模的理解更加深刻，差模输入、共模输入的意义在于简化电路分析的工作量，本质上差模输入、共模输入均被放大[5]，由于电路中电压是相对存在的，结合高中电势的概念，学生对于电压量的输出有了新的认识。同时通过输出端的测量，理解差动放大电路单边分析的理论依据。

四、总结

电工技术是一门电类和非电类专业都要学习的基础课程，通过对利用Multisim软件对电工实验的改革尝试，发现相对于没有改革的学生来看有很大程度的提高，主要体现在三方面：一是从学生上课的积极性和课堂讨论的参与程度上看，大多数的学生对实验前的准备工作都很充足，讨论问题都积极发言，课堂气氛活跃；二是从学生对老师的评教结果看，改革的班级学生对教师的评价普遍高于未改革的班级；三是教师也明显地感到改革班的课程任务相对轻松。

参考文献：

[1]黄培根，任清褒.Multisim10计算机虚拟仿真实验室[M].北京：电子工业出版社，2008.

[2]梁雪松，张容.Multisim10仿真软件在电子电路实验教学中的运用[J].四川教育学院学报，2011，27（3）：116-118.

[3]张志立.基于Multisim技术的电路实验[J].实验科学与技术，2010，8（1）：15-18.

[4]公茂法，刘庆雪，刘宁.浅谈Multisim在电路实验教学中的作用[J].中国电力教育，2011，（7）：125-126.

[5]陈俊红，胡俊祥，孙维连.电工技术课程教学改革与实践[J].河北农业大学学报（农林教育版），2010，12（2）：259-262.