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1、Multisim 在电子线路实验教学中的应用 曳永芳 张清泉 孟红良 山西师范大学现代文理学院 山西师范大学物理与信息工程学院 山西师范大学实验中学 摘 要： 运用 Multisim 仿真软件对电子线路实验中的重、难点内容进行电路设计、分析和仿真。教学实践表明, 将 Multisim 应用在电子线路实验教学中, 有利于将抽象理论具体生动化, 使学生加深对原理知识的理解, 增强学习的积极主动性, 培养自我创新能力, 并提高实验教学效率。关键词： 电子线路实验教学; Multisim; 仿真分析; 设计; 作者简介：曳永芳, 硕士, 讲师。基金：山西师范大学现代文理学院质量工程项目 (编号:WL2
2、015JGXM-YJ-31) Application of Multisim in Electronic Circuit Experiment TeachingYe Yongfang Zhang Qingquan Meng Hongliang Modern College of Humanities and Sciences, Shanxi Normal University; The Experimental Middle School of Shanxi Normal University; Abstract： With the help of Multisim, this paper i
3、ntroduces the circuit design, analysis and simulation of main and difficult content in electronic circuit experiment teaching. In recent years, teaching practice shows that, the application of Multisim in electronic circuit experiment teaching can make the abstract theory of concrete vivid, deepen s
4、tudents, understanding of the theoretical knowledge, enhance students, learning initiative, cultivate students innovation ability, and improve the efficiency of experiment teaching.Keyword： electronic circuit experiment teaching; Multisim; simulation analysis; design; 电子线路是高等院校许多理工科专业的必修课, 是理论与实践性都较
5、强的一门课, 因此实验教学成为电子线路教学过程中不可或缺的组成部分。电子线路实验有助于加深学生对理论知识的理解, 并培养学生的电路分析、设计和创新的能力。随着电子技术的高速发展, 新器件、新电路的不断涌现, 传统实验室的条件已无法满足各种电路的设计, 电路焊接、安装、调试等实验过程费时费力且效果不佳, 这些在一定程度上影响了实验教学效果, 制约了学生电子技术综合实验技能的不断提升1,2。Multisim 这一电子设计自动化软件所创设的虚拟实验室, 既可以弥补传统实验室的条件不足, 又可以缩短实验周期, 提高实验教学效率。1 Multisim 软件介绍Multisim 是用于电路仿真和设计的 E
6、DA 工具软件之一, 是加拿大图像交互技术 (IIT) 公司生产的 EWB 系列软件的高版本。早在 20 世纪 90 年代初, EWB 就以界面直观、分析功能强大和易学易用等特点得到迅速推广和使用。Multisim 继承 EWB 的诸多优点, 同时还拥有相当完备的元器件库和万用表、示波器等多种虚拟仪器仪表, 并能对仿真电路中的元器件设置各种故障以观察其对电路的影响, 是一种应用广泛的优秀电子电路计算机仿真设计软件1,2。2 Multisim 在电子线路实验教学中的仿真应用实例下面先后使用 Multisim 对模拟、数字电路展开分析与设计, 以说明该软件在电子线路实验教学中的应用。2.1 负反馈
7、放大电路稳定性的分析传统的负反馈放大电路实验多是围绕负反馈对放大电路的放大倍数、输入电阻、输出电阻、通频带等动态性能的影响展开的, 而负反馈放大电路的稳定性内容涉及较少。另外如果通过制作实验电路板, 调整电路和仪器参数研究负反馈放大电路产生自激振荡以及稳定条件, 操作不方便且工作量大。在 Multisim 软件中搭建如图 1 所示的负反馈放大电路。开环电路由一个放大倍数为 10 的同相比例运算电路和 3 个增益为 1 的 RC 有源低通滤波电路组成, 该电路有 3 个极点, 其电压放大倍数的传递函数3为图 1 负反馈放大电路 下载原图启动 Simulate 菜单中 Analyses 下的 AC
8、 Analysis 命令, 选择 Output variables 并进行相应设置, 随即可得图 2 所示的开环放大电路输出信号的幅频和相频特性。从图 2 所示的频谱图中可找到相位差为-178.047 9 (约-180) 对应的频率为 39.810 7 k Hz, 电压放大倍数3为 13.466 8。图 2 开环放大电路输出信号频谱图 下载原图图 3 输入输出信号波形图 下载原图根据负反馈放大电路产生自激振荡的起振条件4 可知, 图 1 所示的负反馈放大电路中所接的反馈电阻 R11124.668 k。在图 1 所示开环放大电路的输出端与同相比例运算电路的反相输入端之间接 60.72 k 的反馈
9、电阻3, 并设置输入信号的频率为 1 k Hz, 幅度为 500 m V (有效值为 354 m V) , 运用 Multisim 软件提供的虚拟示波器可直观地看出闭环放大电路输入与输出信号的波形如图 3 所示。借助 Multisim 软件的傅里叶分析工具可对图 1 所示负反馈放大电路的时域输出信号进行离散傅里叶变换, 图 4 所示为输出信号的幅频图。从图 3 和图 4 可看出, 输出信号含有 2 个大幅值的频率分量 (5 k Hz 和 40 k Hz) , 其中 5 k Hz 信号是将输入信号放大得到的 (输出信号与输入信号同频率) , 40 k Hz 信号是电路自激振荡产生的 (波形近似为
10、正弦波) 。由于输出信号还含有其他一些幅值较小的频率成分, 所以电路自激振荡产生的波形与理想正弦波有差别。改变图 1 所示负反馈放大电路中反馈电阻的阻值, 输出振荡波形的幅度随之发生变化。当反馈电阻增大到一定值时, 自激振荡消失, 图 5 所示是反馈电阻R11=125 k 时, 闭环放大电路输入与输出信号的波形。图 4 负反馈放大电路输出信号幅频图 下载原图图 5 R11=125 k 时输入与输出信号波形 下载原图2.2 八路数显抢答器设计数显抢答器是电子线路实验中的一个设计范例。八路数显抢答器供 8 组选手使用, 电路具有优先抢答和复位功能, 且能够显示优先获得抢答权的选手编号。在传统实验教
11、学中, 教师会要求学生先完成电路总体方案和内部各模块的设计, 然后再进行元器件选择, 电路安装、调试、测试等才能完成实验, 过程反复且耗时耗材。使用 Multisim 软件可预先在设计阶段对电路原理图进行反复调试、验证, 以使电路性能最优, 这样省时、省材料, 也提高了实验效率5。以下设计的八路数显抢答器的总电路主要由抢答电路 (抢答按键、输入信号锁存电路) 、定时电路、数字显示电路、状态显示电路和控制电路组成。信号锁存电路为图 6 所示的 9 路输入, 10 路输出模块。该电路主要采用了 2 个四路 D 锁存器 4042, 8 输入或非门和 8 输入与非门接受是否有人按键, 后作用于锁存器的
12、使能端 E1 以阻止其他抢答者按键。其中 IO18 和 IO19 可用于抢答违规的判断。图 6 信号锁存电路 下载原图图 7 定时器电路 下载原图定时器电路是图 7 所示的 3 路输入, 9 路输出模块, 主要完成 30 秒的倒计时。本电路由 2 个可逆十进制计数器 40192 接成三十进制的减法计数器。U18, U19分别接数码管的十位、个位。主持人按下复位键后, 数码管将从 30 依次减到 0直至有选手抢答为止。编码电路为图 8 所示的 8 路输入, 5 路输出的模块。此电路采用 3-8 线优先编码器 4532 对信号锁存电路传来的抢答组数进行编码。为区分无人抢答和第一组抢答 (编码皆为
13、000) , 电路使用了四位加法器 4008, 并将编码器的 GS 端作为加 1 的信号输入端。其中 IO10IO13 接四位十六进制的数码管以显示抢答选手编号。图 8 编码电路 下载原图图 9 控制电路 下载原图控制电路是图 9 所示的 4 路输入、3 路输出的模块。控制电路接收主持人及抢答者的信号, 控制定时器计数及状态显示, 输出包括了 2 个状态显示控制信号和是否允许抢答者抢答的信号。八路数显抢答器的总电路如图 10 所示。双掷开关 J2 作为主持人控制复位开关, 不允许抢答时该开关接地, 允许抢答时开关与电源相连。8 路开关 J1 模拟 8 组选手的抢答按键。状态显示电路由红色发光二
14、极管 LED1 和绿色发光二极管LED2 组成, 用于显示抢答者抢答是否有效。图 10 中数码管显示的状态表明 2号选手在还剩 15 秒时抢答, 此时绿色发光二极管 LED2 亮, 表示抢答有效。图 1 0 八路数显抢答器总电路 下载原图通过在 Multisim 中对电路原理图的搭建、测试和调整, 8 路数显抢答器的理论设计已经完成, 接下来就可进行布线设计、元器件的安装焊接以及整体电路的调试了。借助 Multisim 辅助电路设计可降低实验成本, 节省设计时间, 提高设计质量和效率6。3 结语基于 Multisim 对电子线路实验教学中的重、难知识点进行辅助分析, 重要实验内容进行辅助设计。
15、实例应用和实践教学表明, 将 Multisim 适度引入电子线路实验教学中, 有助于促进实验教学的改革, 提升学生的专业素质和综合能力。参考文献1毛新宇, 王志军.实验课研讨式教学实际问题探讨:以北京大学电子线路实验课为例J.实验技术与管理, 2015, 32 (2) :32-35. 2曳永芳.EDA 技术在电子信息工程专业教学中的应用研究J.中国现代教育装备, 2014 (5) :12-14. 3吴贞焕, 钟庆宾, 张新莲.负反馈放大电路稳定性动态仿真研究J.实验室研究与探索, 2011, 30 (7) :34-36, 53. 4苗红宇.Multisim 在负反馈放大器性能测试中的应用J.实验室科学, 2016 (2) :67-69, 75. 5刘文武.基于 Multisim 10 的 16 路竞赛抢答器设计与仿真J.现代电子技术, 2011, 34 (23) :178-181. 6曳永芳, 行小帅, 景彦君.Multisim10 仿真软件在电子线路教学中的应用J.中国现代教育装备, 2010 (10) :56-58.
