基于Multisim模电新型实验教学的探索
中图分类号：TN710.9 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）36-0184-02
模拟电子技术课程是研究各种半导体器件的性能、电路及其应用的学科。课程的任务是使学生获得电子技术的基本理论、基本知识和基本分析方法。培养学生分析、解决问题的能力和初步具备电子线路的设计、应用能力。该课程是电气信息类各专业的技术基础课程，是一门理论性与应用性都很强的课程。课程教学环节包括：理论课教学和实验教学。实验教学的目的是使学生掌握常用电工仪器、仪表及设备的使用，学生通过将仪器测量的实验的结果与Multisim仿真结果对比，分析异同，加深理解、充实、提高理论知识。
Multisim仿真很好地解决模拟电子技术理论教学与实际动手实验相脱节的这一困难问题。学生可以方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，极大地提高了学生的学习热情和积极性，真正的做到了变被动学习为主动学习。但由于Multisim是一款软件模拟，不能真实地反应硬件，有时仿真结果即便正确，可实际操作时却会遇到问题，且单纯的依赖仿真软件，无法提高学生对各种测量仪器的操作技能。因此，Multisim只限作为硬件入门、项目前期选型和仿真分析，笔者建议在模拟电子技术的实验教学中采用虚拟电子实验仿真和传统实际动手操作相结合的教学方式，即要求学生先对要做的实验进行仿真练习，了解实验的仿真结果，然后进实验室做相应的实验，最后将仿真的实验数据和实测的电路数据进行比较，通过查找电子电路故障，分析数据误差的原因，提高学生的动手实践能力和解决问题的能力。在课程实训里，学生在制作实际电路的时候，也可先用这些软件进行仿真，通过不断的调试电路的元器件的参数，得到理想的实验数据，再合理改进电路板的安装与制作，避免了重复制作电路板和购买元器件，将虚拟抽象的电路转变成看得见摸得着的电路。一旦学生制作电路板的成功次数多了，将会进一步增强他们学习的兴趣，提高他们的动手能力和创新能力。
一、Multisim仿真软件的介绍
Multisim有一个完整的集成化设计环境，具有直观的图形界面，庞大的元器件库，强大的仿真能力和分析功能，完善的虚拟仪器功能，从而成为各类学校电工、电子实验教学的首选工具软件。
Multisim10.0是EWB的升级，是目前推出的一款高版本的电路设计与仿真软件。它具有以下一些特点：
（1）直观的图形界面创建电路。在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图时需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取。
（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。
（3）软件带有丰富的电路元件库，提供多种强大的电路分析方法。
（4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。
二、Multisim仿真软件在模电实验教学的辅助应用
针对模拟电子技术实验课程的特点及现状，结合Multisim仿真软件的功能特点，在模电实验教学过程中，把Multisim软件仿真技术引入实验教学中进行辅助，对改善实验课程教学现状起到积极的作用。
1.课案实例
以分析共射极单管放大器静态工作点的实验为例，说明Multisim仿真软件在实验教学的辅助作用。共射极单管放大器的实验电路模块和仿真电路图如图1所示，Vi幅度为10mV，频率为1 kHz的正弦波信号，开关K1、K2闭合，K3打开，RW可调电位器取值为5OKΩ。
（1）共射极单管放大器电路的静态工作点的仿真测量。
应用Multisim10仿真软件测量静态工作点。
设置信号源输出为0 V，打开仿真开关，分别读出万用表“XMMl”，“XMM2”和“XMM3”的电压值，如表1所示，仿真数字万用表的测量结果如图2所示。
实验模块的静态工作点的测量
先用数字万用表判断图2中三极管Q1的是否正常，然后依据所给的电路图接线。由于直流工作点的分析是在电路电感短路、电容开路的前提下，因此只需将图2电路对应的直流通路接好即可，输入信号可不做处理。实验模块实际的测量结果如表2所示。
将仿真数据和实测结果比较
共发射极放大电路属于音频放大电路，或者叫做低频放大电路，这种电路的频率特性是对于50Hz-20000Hz之间的频率信号有正常的放大作用。在这个频带以外的频率不能正常放大。低频电路通常布线简单，电路稳定，所以仿真的实验数据和实测的电路数据仅存在较小的误差，主要原因之一：由于万用表内阻的存在，有时会使得实验结果出现一定的误差；原因二：硅管UBE的导通电压为0.5V―0.7V，锗管的导通压降0.2-0.3V，不同的导通压降的值也会导致实验结果出现误差。
（2）共射极单管放大器电路静态工作点设置对输出波形的影响。
转移特性曲线的仿真。建立如图3（1）所示的仿真电路，将电流表I1的起始值设置为0A，终止值为1A，增加的电流值为0.5A；将电压表V1的起始值设置为0V，终止值为12V，增加的电压值为0.1V。IB和VCE的转移特性曲线如图3（2）所示。仿真后，结果表明，当负载电阻为3 kΩ时，输出特性曲线作交流负载线 ，估算出Q点的位置。当输入信号较大时，Q点取的过高，容易产生饱和失真，反之，产生截止失真。 调试实际电路模块寻求最佳静态工作点：第一步，初调静态工作点时，应在断开输出端，空载下进行。首先，调节上偏电阻Rw使得VC=9V左右，然后由信号发生器在输入端加入幅度为10mV，频率为1 kHz的正弦波信号，慢慢增加输入信号的幅度，用示波器观察输出波形VO，会出现单边失真。单边失真分两种，即截止失真和饱和失真，如图4（1）和图4（2）所示，可调节Rw使之消除。截止失真时示波器的波形会出现底部削平的波形，原因通常都是，静态工作点设置的太低，需要调节三极管基极增大下拉电阻的阻值，或降低上拉电阻的阻值；饱和失真时示波器的波形会出现顶部削平的波形，原因通常都是，静态工作点设置的太高，需要调节三极管基极降低下拉电阻的阻值，或增大上拉电阻的阻值。第二步，再加大Vi，若还出现比较明显的单边失真，继续调节Rw消除之。反复调节，直至加大Vi出现的输出波形是双向对称失真，如图4（3）所示。此时，减小Vi，使输出得到最大不失真波形。第三步，关闭低频输入信号，测量静态工作点，即为最佳静点。
（1）单边失真（截止失真）
（2）单边失真―饱和失真
（3）双向对称失真
图4 失真波形
分析仿真结果和实测结果。仿真和实测均能很好反映静态工作点对输出波形的影响，即静态工作点过高，则输出的波形饱和失真；静态工作点过低，则输出的波形截止失真。最佳静点的确定，仿真与实测值会存在一定的误差，其原因主要是由于温漂引起。
2.Multisim仿真技术应用于模拟电子技术实验教学的优势
（1）在不增加实验总学时的前提下，可实现Multisim仿真技术与模电实验教学的有机结合，让学生先做仿真实验，观察“实验结果”，然后带着问题做实验，加深学生对知识点的理解。
（2）Multisim提供了两种电路的分析方法：一种是虚拟的仪器仪表测量，另一种是仿真电路的分析工具。仿真软件的使用可以提前让学生熟知实验需用的仪器仪表及测量的理论结果，从而提高实验的成功率。
（3）在设计性实验中，学生采用仿真技术可设计不同的方案，使设计更灵活，从而提高学生的应用设计能力和创新能力。
（4）按照“理论教学――软件仿真――实验环节”的教学模式，可以改善学生将理论知识转化为实际动手实验的能力，通过虚拟的仪器仪表将实验的理论结果再现，使学生在做实验时能有的放矢。
（5）Multisim拓展了实验教学内容的广度和深度，丰富了实验教学的方法。
三、结束语
模拟电子技术的实验教学中引入Multisim仿真，可以使得整个实验的目的性更强，通过仿真、实验验证和结果比较三环节，能有效地培养学生观察分析、计划组织和问题解决的能力。Multisim仿真软件的运用，不仅提高了实验课的上课效果，也为实验的教学改革提供了便利。Multisim仿真可以供学生做电路设计、实验验证，培养学生的创新思维、个性和独创能力；传统硬件实验中接触的各种测量仪器、设备可让学生学会其操作和使用方法，提高学生的操作技能，以全面提高学生素质。因此，实验教学与Multisim仿真的有效结合，是对模电实验教新型有益的探索。
