Multisim 软件在电子测量技术课程中的应用

2021-11-06何宁业宁仁霞

黄山学院学报 2021年5期

何宁业，宁仁霞，孙剑，刘琦

（黄山学院信息工程学院，安徽黄山 245041）

1 引言

人们日常生活生产处处离不开测量技术，随着计算机、电子等行业的飞速发展，电子测量成为测量的主要手段[1]。电子测量技术课程作为高校电子信息类的专业课，是一门理论性和实践性都很强的专业基础课程。

黄山学院信息工程学院电子测量技术课程由32课时理论课程和12课时的实验课程组成，课时有限但囊括的内容却很广泛。该理论课程包括误差与分析、信号发生器、时频测量、电压测量等多方面知识点，涉及多种测量测试仪器仪表的原理，其中不乏一些复杂的公式、原理图，学生学习起来有一定难度，容易打退堂鼓。

实验课程要求学生利用有限的几次实验，熟练掌握信号发生器、示波器、电压表等各种常见电子测量仪器的操作使用。大多数实验课程仍然是以验证性实验为主，注重对各种仪器的基本操作训练，缺乏典型的工程实例设计，对学生创新及实践能力的培养差强人意。

传统的理论授课以填鸭式向学生灌输电子测量技术课程中的理论知识，课程内容比较枯燥难理解，学生提不起学习的劲头，往往得过且过，一知半解。所以教师必须与时俱进，应用电子测量领域最前沿知识，实时更新教学内容，探索先进的教学方法，以激发课堂活力，获得更好的教学效果。

2 Multisim简介

当前利用计算机进行电子仿真设计已成为时代潮流[2]，随之涌现出诸如Multisim、Protel、Proteus、Hspice、HFSS等一批实用仿真工具。如何有效利用仿真工具辅助高校课程教学，提高教学质量，已成为高校教师探讨的新课题[3]。

Multisim 软件是美国NI 公司推出的一个完整的设计工具系统，可同时完成原理电路设计和电路功能测试。它利用软件构建虚拟电子与电工元器件以及各种常用的电子仪器仪表，并将他们有机地融为一体。Multisim 软件内含数千种电路元器件，还配有齐全的虚拟测试仪器，包括一般实验室用的通用仪器，甚至有实验室少有的波特图仪、逻辑分析仪等[4]。

利用Multisim软件进行仿真不需要真实电路环境的介入，因此从一定程度上节约了电路设计成本，提高了工作效率。该软件易学易用，便于电类专业学生学习和进行综合性设计实验。同时也可将Multisim 软件植入电子测量技术理论课堂，利用该软件自带的虚拟仪器功能，进行仿真演示。

3 Multisim软件在信号发生器教学中的应用

本文以信号发生器的相关教学内容为例，阐述如何充分利用Multisim软件进行电子测量技术课程的辅助教学。

3.1 基本函数信号发生器

函数信号发生器作为信号发生器的一种，能自动产生正弦波、方波、三角波及锯齿波、阶梯波等特定的电压波形。基本函数发生器可以产生方波、三角波、正弦波3种电压波形，实际设计电路时可采用分立元件或运放级联构成，也有由专用集成电路直接得到。本次课程中生成该信号的函数信号发生器电路是基于555 定时器芯片搭建而成，可借助Multisim 软件演示常见的方波、三角波、正弦波3 种波形的生成过程，电路原理图如图1 所示。仿真时可利用Multisim自带的虚拟示波器从电路中各波形测试中成功测得，并显示方波、三角波、正弦波3 种波形图像。

图1 基于555芯片的函数信号发生器原理图

学生通过观看整个函数信号发生器电路的仿真演示过程，一方面对Multisim 软件中的虚拟仪器可实时观测所得波形颇感兴趣，另一方面对函数发生器生成各基本波形的生成原理了然于胸。

保证学生做到心中有数后，再到实验室动手搭建实际电路，部分学生可能会遇到电路搭建顺利但部分波形调试不出的问题，比如有方波，但没有三角波和正弦波。这时就需要回顾理论课上仿真过程，依次检测3种波形测试点附近的电路元件，对电路问题进行排查，最终实现电路功能。Multisim 软件在此作为桥梁，有效地协助教师将理论和实验课连接起来。

3.2 任意波形信号发生器

在完成上述教学内容后，可趁热引出下一主题任意波形信号发生器。教师在课堂上积极引导学生思考如何实现“任意波形”的想法，并给予一定的提示。比如之前讲过的利用数字频率合成法生成方波等特殊波形的原理，其核心步骤是将反应信号特征的编码（方波是一连串的0 和1）提前存入计算机的只读存储器中。由此很容易推想，如果把反应任意波形特征的编码按规律存入存储器中，待需要时按一定规则读取即可生成该波形，这过程有点类似于描点作图的思想。

为了让学生更直观地了解任意波形信号发生器生成波形的原理，同样可以利用Multisim 软件仿真实现，任意波形信号发生器仿真电路图如图2所示。

图2 任意波形信号发生器仿真电路图

该任意波形信号发生器电路中利用字信号发生器XWG1 代替计算机，实现存储和控制编码输出的功能。字信号发生器的编码设置如图3所示。编码采用十六进制内循环的方式进行叠加输出，信号输出频率设置为1KHz。设定好的数字编码按照规律，通过总线Bus1 输出送至数模转换器DAC，由DAC 将输入的数字信号转变为模拟电压信号，最后利用软件自带的虚拟示波器观测到信号输出波形如图4所示，本次设计实现了锯齿波信号的生成。

图3 字信号发生器的编码设置

图4 任意波形信号发生器电路输出波形

按照任意波形发生器的原理，可通过修改编码，改变DAC 的输入信号D0-D7，从而实现输出电压的改变，生成不同的模拟波形。因此可以给学生预留课后仿真作业，鼓励他们灵活运用Multisim 对任意波形信号发生器进行仿真模拟，积极思考并合理设置字信号发生器XWG1 编码，以实现方波、三角波、正弦波及其他复杂波形。由于该仿真实验可重复，易操作，极大地激发了学生学习的积极性和主动性，达到了良好的学习效果。

3.3 TFG6020DDS函数信号发生器

通过有效利用Multisim软件对信号发生器进行仿真演示，学生对基本函数信号发生器和任意波形信号发生器的组成原理有了更直观更深入的理解，紧接着为其介绍电子测量技术实验中所采用的TFG6020DDS 函数信号发生器。教师着重讲解该函数信号发生器所具备的基本功能及其使用方法，并在实验课上针对如何用好此仪器进行教学演示。同时为了观测波形自然少不了示波器，可指导学生依据实验讲义完成示波器相关内容的自学，并按要求完成实验，实现各种基本波形的生成与显示，促使学生熟练掌握函数信号发生器和示波器的使用。