劉 君， 楊曉蘋， 呂聯(lián)榮， 劉津麗， 郭曉倩

（天津理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院薄膜電子與通信器件天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

0 引言

“模擬電子技術(shù)”是電子類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是一門理論聯(lián)系實(shí)際非常緊密的課程［1］，可以視為工科學(xué)生進(jìn)入工程領(lǐng)域的第一門課程，也是聯(lián)系公共基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程的一座重要橋梁。該門課程主要以半導(dǎo)體二極管、半導(dǎo)體三極管和場效應(yīng)管為關(guān)鍵電子器件，包括功率放大電路、運(yùn)算放大電路、反饋放大電路、信號運(yùn)算與處理電路、信號產(chǎn)生電路、電源穩(wěn)壓電路等研究方向，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性［2］。而學(xué)好該門課程，很重要的一個(gè)方法就是理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，在理論學(xué)習(xí)過程中必須以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)［3］，培養(yǎng)學(xué)生自己動手、分析和解決問題的能力。但是作為一門基礎(chǔ)學(xué)科，幾乎所有的院系學(xué)生都要學(xué)習(xí)該門課程，而且隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，新器件、新電路不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室的條件已無法滿足各種電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試要求［4］，在一定程度上影響了本課程的教學(xué)效果，影響了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。如果能夠在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入具有強(qiáng)大分析、仿真電路功能的電路仿真設(shè)計(jì)軟件Multisim11，可以較好地解決這一問題。

1 Multisim11概述

Multisim11是美國國家儀器有限公司最新推出的一款原理圖捕獲和交互式仿真軟件，是早期的Electronic Workbench（EWB）的升級換代的產(chǎn)品，是目前最易用、最直觀的仿真軟件。它主要完成電路設(shè)計(jì)的原理圖輸人、電路仿真和PLD設(shè)計(jì)功能。其人性化的界面、龐大的虛擬器件儀表庫和完善的分析方法，能勝任電路設(shè)計(jì)與仿真的絕大部分場合，可對實(shí)際模擬電路、數(shù)字電路及模數(shù)字混合電路進(jìn)行有效的模擬仿真分析。該軟件特色體現(xiàn)在它將各種虛擬儀表非常逼真地與電路原理圖放置在同一操作界面上進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)和波形的測試，以圖形化的方式消除了傳統(tǒng)電路仿真的復(fù)雜性，幫助教育工作者、學(xué)生和工程師使用先進(jìn)電路分析技術(shù)。

Mulitisim11仿真軟件具有以下主要功能［5］：① 全面集成化的設(shè)計(jì)環(huán)境;②圖形工作界面友好、易學(xué)、易用、操作方便;③ 具有豐富的元件庫;④ 強(qiáng)大的分析功能;⑤ 強(qiáng)大的虛擬儀器儀表功能;⑥ 具有VHDL/Verilog的設(shè)計(jì)和仿真功能;⑦ 高效的“實(shí)時(shí)仿真”模式，在仿真的同時(shí)，允許修改電路的結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)，并且可以立即進(jìn)入新的狀態(tài)開始仿真;⑧提供多種輸入輸出接口（可以與其他EDA軟件結(jié)合使用）;⑨ 新增加了對51系列單片機(jī)、PIC單片機(jī)的支持，可以把單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)直接在計(jì)算機(jī)上模擬運(yùn)行，得到高精度的仿真數(shù)據(jù)，使得大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷脑O(shè)計(jì)和仿真與模擬電路、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)和仿真融為一體，突破了原來大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷o法與普遍電路融為一體仿真的局限。更重要的是，Multisiml1使電路原理圖的仿真與完成PCB設(shè)計(jì)的Uhiboard11仿真軟件結(jié)合起來一起構(gòu)成新一代的EWB軟件，使電子線路的仿真與PCB的制作更為效。Multisim11也可以與NI LabVIEW測量軟件結(jié)合，幫助工程師明確自定義分析，改進(jìn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

鑒于此，如果具備一臺電腦和一套軟件就可以構(gòu)成一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)工作臺［6］。學(xué)生在虛擬環(huán)境下完成電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的選擇元件、創(chuàng)建電路、計(jì)算與調(diào)整參數(shù)以及觀測仿真結(jié)果等中心環(huán)節(jié)，并且設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)同步進(jìn)行，可以邊設(shè)計(jì)邊實(shí)驗(yàn)，修改調(diào)試方便;同時(shí)，利用軟件庫中的測試儀表進(jìn)行測試，可以完成各種類型的電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)。最后進(jìn)行實(shí)物組裝、調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了電路設(shè)計(jì)的優(yōu)化而保證達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2 Multisim 11在模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

通常模擬電子技術(shù)課程基本分為10幾個(gè)單元模塊，各個(gè)模塊分析方法和研究內(nèi)容也不同，學(xué)生學(xué)習(xí)起來感覺內(nèi)容多、亂，難以掌握透徹，甚至有學(xué)生把它稱為“魔鬼電路”［7］。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法多采用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行練習(xí)，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)往往囫圇吞棗，很少去研究為什么;然而采用Multisim11作為實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的輔助教學(xué)手段和實(shí)驗(yàn)工具，不僅彌補(bǔ)了由于實(shí)驗(yàn)場地、儀器設(shè)備和經(jīng)費(fèi)缺乏等因素帶來的不足，避免了因誤操作而對儀器造成的損壞，而且對于某些實(shí)驗(yàn)中不易觀察到的現(xiàn)象，也可以進(jìn)行模擬仿真?？梢灶A(yù)見將Multisim11仿真與操作引入課堂輔助教學(xué)可以發(fā)揮重要的作用［8］。

2.1 負(fù)反饋的引入

在放大電路的設(shè)計(jì)中，引入負(fù)反饋以改善放大電路的性能，其性能的改善取決于反饋深度，反饋越深［9］，放大電路的性能越優(yōu)良，對于運(yùn)放電路有無反饋會有著巨大的差別。在Multisim11的電路窗口中建立如圖1所示電路。

圖1 負(fù)反饋放大電路

該電路以集成運(yùn)放 LM307為核心［10］，用一個(gè)開關(guān)來控制電路有無負(fù)反饋的存在。用示波器來觀察反饋時(shí)的情況。其中，輸入信號V1是一個(gè)交流電壓源信號。示波器的A通道接輸入信號，B通道接輸出信號。開關(guān)打向左邊時(shí)，沒有負(fù)反饋，輸入、輸出的信號波形如圖2所示：上部分為A通道的波形（輸入波形）;下部分為B通道的波形（輸出波形）?？梢钥吹?，此時(shí)輸出波形已經(jīng)嚴(yán)重失真。開關(guān)打向右邊時(shí)，加入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入、輸出的信號波形如圖3所示，上部分為A通道的波形（輸入波形），下部分為B通道的波形（輸出波形）?？梢钥闯觯藭r(shí)輸出信號波形沒有失真，但輸出信號的幅度減小了，與理論上引入負(fù)反饋放大倍數(shù)降低了，減少非線性失真是相符合的。通過引入Multisim11，利用仿真演示實(shí)驗(yàn)，通過虛擬儀器直觀地反映出來負(fù)反饋引入后電路的改善情況，可以有效地提出問題、解決問題，學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí)可以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

圖2 無負(fù)反饋輸出波形

圖3 有負(fù)反饋輸出波形

2.2 反饋組態(tài)的討論

在課堂上將組態(tài)的時(shí)候都是采用框圖的方式進(jìn)行講解，這種方式從理論角度進(jìn)行了分析，但是講課速度慢、枯燥、不夠形象，如果能夠有實(shí)際的電路在教學(xué)中進(jìn)行輔助會取得意想不到效果。在Multisim11中，我們可以畫出如圖4所示的負(fù)反饋電路，分別在電路的輸入和輸出端加入開關(guān)用于鑒別反饋的組態(tài)，將開關(guān)S1打開、S2閉合時(shí)，此時(shí)輸出端短路，由示波器可以看到反饋信號消失，可以判定為電壓負(fù)反饋，相反的如果仍然有負(fù)反饋信號，則為電流負(fù)反饋;同理將開關(guān)S1閉合、S2打開時(shí)，輸入端信號短路，由示波器可以觀測負(fù)反饋信號，如果仍然有負(fù)反饋信號，可以判定該電路為串聯(lián)反饋，相反的，如果負(fù)反饋信號消失，表明該負(fù)反饋為并聯(lián)負(fù)反饋。以此類推利用Multisim11可以對電壓并聯(lián)負(fù)反饋、電流串聯(lián)負(fù)反饋、電流并聯(lián)負(fù)反饋電路得到相同的結(jié)論。利用Multisim11的實(shí)時(shí)仿真結(jié)果，能夠更好的表現(xiàn)具體電路的工作原理，可以簡潔、清晰地將電路規(guī)律展示出來，避免了繁瑣的推證，使學(xué)生更容易理解和掌握知識，從而使原本枯燥的理論知識學(xué)習(xí)起來妙趣橫生。

圖4 電壓串聯(lián)負(fù)反饋

2.3 負(fù)反饋放大電路對電路的影響

通過對Multism11中的電路的分析，利用示波器可以得到加入負(fù)反饋前后的輸出波形，通過對比我們發(fā)現(xiàn)：沒有負(fù)反饋時(shí)，電路輸出信號失真;加入負(fù)反饋后輸出信號波形沒有失真，但輸出信號的幅度減小了，與理論上引入負(fù)反饋放大倍數(shù)降低了，減少非線性失真是相符合的。那么除了有這種影響，負(fù)反饋的加入對電路性能還有什么影響呢?我們可以繼續(xù)用Multisim11進(jìn)行分析。我們可以利用波特儀分析分析其幅頻特性曲線，通過對比引入負(fù)反饋前后的幅頻特性曲線圖可以得到“展寬通頻帶是以降低增益為代價(jià)”的結(jié)論;通過溫度掃描的瞬態(tài)分析波形可以得到“由于負(fù)反饋對電路的作用提高了電路的穩(wěn)定性的結(jié)論”，通過對參數(shù)的掃描的瞬態(tài)分析，可以得到“電壓串聯(lián)負(fù)反饋提高了電路的穩(wěn)定性，降低了器件的精度要求”的結(jié)論［11-13］。

模擬電子技術(shù)課程中涉及到很多知識，僅靠教材和參考書不可能全面理解，通過將Multisim11引入實(shí)驗(yàn)課堂，將典型電路在實(shí)驗(yàn)課堂上進(jìn)行分析測試，對實(shí)際參數(shù)進(jìn)行測量［14］，并將仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)的展示，一方面能開闊學(xué)生視野，引發(fā)學(xué)習(xí)興趣，鞏固和加深理解所學(xué)知識，拓寬專業(yè)知識面，促使其將理論與實(shí)際相聯(lián)系;另外也能夠促使學(xué)生能夠自主學(xué)習(xí)，自主實(shí)踐，提高綜合運(yùn)用能力，培養(yǎng)基本的科研技能和創(chuàng)新能力以適應(yīng)現(xiàn)代電子信息技術(shù)發(fā)展和市場經(jīng)濟(jì)對人才培養(yǎng)的迫切需求［15-17］。

3 基于Multisim11的綜合應(yīng)用

在2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽中E題中有一個(gè)模擬濾波器的設(shè)計(jì)，如果采用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)濾波器，從選器件到電路設(shè)計(jì)，然后焊接電路，再進(jìn)行調(diào)試。這樣做必然會浪費(fèi)許多時(shí)間，特別是在有限的競賽時(shí)間內(nèi)如何快速準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)相關(guān)電路并進(jìn)行調(diào)試一直是一個(gè)難題，Multisim的出現(xiàn)很好的解決了這一過程。

根據(jù)題意：設(shè)計(jì)3個(gè)低通濾波器，用來模擬傳輸信道的幅頻特性：①每個(gè)濾波器帶外衰減不少于40 dB/十倍頻程;② 三個(gè)濾波器的截止頻率分別為100、200、500 kHz，截止頻率誤差絕對值不大于10%;③ 濾波器的通帶增益AF在0.2～4.0范圍內(nèi)可調(diào)。根據(jù)條件①可以選擇三階低通濾波器;根據(jù)條件②則－3 db處的截止頻率應(yīng)控制在10%;根據(jù)條件③所設(shè)計(jì)的濾波器電路增益為1，可在濾波器的輸出端外接一個(gè)放大倍數(shù)可調(diào)的運(yùn)放電路。綜上所述，為了能夠在較短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)好濾波器并達(dá)到題目要求Multisim11能夠提供我們很大的幫助。如圖5所示，采用一個(gè)一階有源低通濾波器和一個(gè)二階有源低通濾波器級聯(lián)而成，從而避免了前后級輸入輸出電阻的相互影響，根據(jù)已知條件通過查表可以很快的計(jì)算出電阻和電容的值，通過Multisim11自帶的波特儀可以很快地測量出在截止頻率附近的衰減情況，如圖6所示，符合滿足設(shè)計(jì)條件，達(dá)到濾波的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖5 濾波器設(shè)計(jì)電路

圖6 波特儀分析結(jié)果

4 結(jié)語

利用Multisim11可以大幅度增加了課堂教學(xué)的內(nèi)容，學(xué)生可以隨時(shí)隨地在電腦上的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和練習(xí)，內(nèi)容也可以任意選擇，還可以在多媒體環(huán)境下進(jìn)行實(shí)課前預(yù)習(xí)，提高了教學(xué)效果。通過Multisim11促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，為學(xué)生開展創(chuàng)新科技活動營造了良好的條件，學(xué)生通過仿真軟件對電路中各個(gè)元器件參數(shù)的不斷改變，更清楚地了解了電路性能的改變情況，不僅讓學(xué)生學(xué)會調(diào)試電路和設(shè)計(jì)電路，提高了對電路的認(rèn)知能力，還激發(fā)了學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性和主動性，能在更深、更廣、更自如的環(huán)境內(nèi)探索。

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