苑廣軍 秦文明 孫繼元

摘 要：為了提高電子信息專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)小信號(hào)模擬電子技術(shù)的應(yīng)用能力，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中融入實(shí)際應(yīng)用電路，并對(duì)典型應(yīng)用電路進(jìn)行模擬仿真，通過(guò)實(shí)例說(shuō)明Multisim12.0仿真軟件在模擬電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。實(shí)踐證明，合理地運(yùn)用仿真技術(shù)，是打破傳統(tǒng)的“固定功能模塊+連線(xiàn)”的新的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：Multisim12.0 電子線(xiàn)路 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 設(shè)計(jì)初探

中圖分類(lèi)號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）09（a）-0170-03

當(dāng)前由于部分學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)弱、知識(shí)掌握不牢固和缺乏毅力，導(dǎo)致他們創(chuàng)新能力偏低，學(xué)習(xí)的效果不盡人意[1]。為改變這一狀況，引入Multisim12.0仿真軟件模擬實(shí)際電路，將多媒體及屏幕廣播應(yīng)用于電子線(xiàn)路課程設(shè)計(jì)教學(xué)中，充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，調(diào)動(dòng)他們的主觀(guān)能動(dòng)性，使學(xué)生了解到模擬電子技術(shù)這門(mén)課程并不抽象，而是與工程實(shí)際緊密聯(lián)系著的，有著十分重要的實(shí)用價(jià)值。

電子線(xiàn)路課程設(shè)計(jì)是為配合模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的教學(xué)而開(kāi)設(shè)的。首先采用EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）技術(shù)中的Multisim12.0軟件來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行仿真運(yùn)行，讓學(xué)生完成EDA技術(shù)方面的初步訓(xùn)練，然后搭接出實(shí)際電路[2]。通過(guò)這一環(huán)節(jié)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、綜合能力素質(zhì)與工程實(shí)踐能力等方面均能進(jìn)行全面的檢驗(yàn)[3]。

1 Multisim12.0軟件簡(jiǎn)介

電子線(xiàn)路課程設(shè)計(jì)所用的Multisim12.0是美國(guó)NI（國(guó)家儀器有限公司）推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作，12.0是目前該軟件的最高版本。它具有更加形象直觀(guān)的人機(jī)交互界面，包含了Source庫(kù)、Basic庫(kù)、Diodes等15個(gè)元件庫(kù)，提供了我們?nèi)粘３Ｒ?jiàn)的各種建模精確的元器件，比如：電阻、電容、電感、三極管、二極管、繼電器、可控硅、數(shù)碼管等等。模擬集成電路方面有各種運(yùn)算放大器、其他常用集成電路。采用圖形方式創(chuàng)建電路，再結(jié)合軟件中提供的虛擬儀器：數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、四蹤示波器等對(duì)電路的工作狀態(tài)進(jìn)行仿真和測(cè)試，設(shè)計(jì)者可以輕松地?fù)碛幸粋€(gè)元件設(shè)備非常完善的虛擬電子實(shí)驗(yàn)室。

2 Multisim12.0軟件應(yīng)用實(shí)例

為了培養(yǎng)學(xué)生在電子線(xiàn)路課程設(shè)計(jì)中對(duì)電路的分析能力、發(fā)現(xiàn)規(guī)律并驗(yàn)證結(jié)果的綜合創(chuàng)新實(shí)踐能力，使學(xué)生掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，選擇了一些既實(shí)用又有代表性的課題：常用波形轉(zhuǎn)換發(fā)生器、雙電源共射極耦合差分放大電路（動(dòng)、靜態(tài)分析）、微積分運(yùn)算電路等。下面以直流串聯(lián)型穩(wěn)壓電源仿真為例，說(shuō)明 Multisim12.0軟件的具體應(yīng)用。

2.1 直流串聯(lián)型穩(wěn)壓電源總體結(jié)構(gòu)

當(dāng)前絕大多數(shù)設(shè)備及裝置都需要直流電源進(jìn)行供電。這些直流電除了少數(shù)直接利用干電池和直流發(fā)電機(jī)外，大多數(shù)是采用把交流電（市電）轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷闹绷鞣€(wěn)壓電源。直流串聯(lián)型穩(wěn)壓電源原理框圖如圖1所示。

直流串聯(lián)型穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路四部分組成。電網(wǎng)供給的交流電壓（220 V，50 Hz）經(jīng)電源變壓器降壓后，得到符合電路需要的交流電壓，然后由整流電路變換成方向不變、大小隨時(shí)間變化的脈動(dòng)電壓，再通過(guò)濾波電路濾去交流分量，得到比較平直的直流電壓，但這樣的電壓會(huì)隨著交流電網(wǎng)電壓的波動(dòng)或負(fù)載變化而變化，故在對(duì)直流供電要求較高的場(chǎng)合，還需要穩(wěn)壓電路，使輸出電壓更加穩(wěn)定。

2.2 直流串聯(lián)穩(wěn)壓電源原理圖輸入

利用Multisim12.0軟件友好的操作界面，建立新文件，新建項(xiàng)目，創(chuàng)建電路圖，連接電路。直流串聯(lián)型穩(wěn)壓電源仿真電路如圖2所示，圖中虛框標(biāo)注了四部分模塊組成。采用橋式整流，電容濾波電路，穩(wěn)壓電路是一個(gè)閉環(huán)的負(fù)反饋控制系統(tǒng)。

（1）原理分析。

假設(shè)由于負(fù)載電阻的變化（輸入電壓不變）引起輸出電壓瞬時(shí)降低時(shí)，通過(guò)R4、R5，調(diào)節(jié)的取樣電路，引起三極管基極電壓（）B成比例下降，由于三極管的，所以發(fā)射結(jié)電壓（）BE將減小，于是與構(gòu)成的復(fù)合管的基極電流（IQ1）B減小，發(fā)射極電流（I）E隨之減小，管壓降（UQ1）CE增加，由于輸入電壓不變（），這樣輸出電壓就上升，反之，輸出電壓則下降。通過(guò)以上的負(fù)反饋控制，最終使輸出電壓穩(wěn)定，達(dá)到穩(wěn)壓效果。

2.3 輸出電壓調(diào)節(jié)范圍

調(diào)節(jié)取樣電路中的值可改變輸出電壓。輸出電壓的最大值為：

輸出電壓的最小值為：

通過(guò)計(jì)算可以看出，調(diào)節(jié)的阻值就可以控制輸出電壓的范圍。這里，以保證調(diào)節(jié)到合適的阻值時(shí)，穩(wěn)壓輸出6 V。

3 仿真驗(yàn)證

在Multisim12.0 軟件右側(cè)欄的仿真儀表中選擇Multimeter（萬(wàn)用表）XMM1和XMM2分別測(cè)量三極管的集電極與發(fā)射極管壓降VCE和輸出電壓，選擇四蹤示波器XSC1方便測(cè)試各點(diǎn)輸入輸出波形。

3.1 負(fù)反饋穩(wěn)壓仿真

改變負(fù)載阻值，分別調(diào)整為330、100和1K，萬(wàn)用表XMM1和XMM2測(cè)量三極管的集電極與發(fā)射極管壓降VCE和輸出電壓的值如表1所示。

由表1中的測(cè)量值可以看出，當(dāng)負(fù)載變大時(shí)（330調(diào)整為1000），引起輸出電壓瞬時(shí)降低，三極管的集電極與發(fā)射極管壓降VCE變大（39.12 V變?yōu)?9.25 V），導(dǎo)致輸出電壓由6.097V增至6.099V；當(dāng)負(fù)載變小時(shí)（330 調(diào)整為100 ），引起輸出電壓瞬時(shí)升高，三極管的集電極與發(fā)射極管壓降VCE變大（39.12 V變?yōu)?8.68 V），導(dǎo)致輸出電壓由6.097 V降至6.089 V，穩(wěn)壓6 V得以驗(yàn)證。

3.2 穩(wěn)壓系數(shù)測(cè)量

衡量穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓的主要質(zhì)量指標(biāo)有輸出電阻，穩(wěn)壓系數(shù)和紋波系數(shù)。這里選取了穩(wěn)壓系數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。在輸出端接入負(fù)載=330 ，當(dāng)負(fù)載不變時(shí)，輸出電壓和輸入電壓的相對(duì)變化之比，即（式1），調(diào)節(jié)電源輸出值，模擬電網(wǎng)電壓波動(dòng)10%，測(cè)得數(shù)據(jù)和如表2所示。將數(shù)據(jù)帶入（式1），得，可見(jiàn)輸出電壓相對(duì)穩(wěn)定。

3.3 仿真值與理論值對(duì)比

當(dāng)電源電壓為220 V時(shí)，將仿真電路圖2中的滑頭調(diào)整為0%，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量，得=3.628 V（理論值=3.77 V）；滑頭調(diào)整為100%，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量，得=8.546 V（理論值=8.87 V）。與理論計(jì)算值對(duì)比，相對(duì)誤差為0.038%。

3.4 仿真波形

在仿真儀表中選擇四蹤示波器XSC1，測(cè)得直流穩(wěn)壓電源電路各點(diǎn)電壓波形如圖3所示。電源電壓正弦波經(jīng)整流橋整流輸出為，再經(jīng)濾波得到紋波，最后在負(fù)反饋穩(wěn)壓電路作用下輸出比較平滑的直流電壓。通過(guò)觀(guān)測(cè)仿真波形，比較直觀(guān)地驗(yàn)證了直流串聯(lián)穩(wěn)壓電源原理的正確性。

4 結(jié)語(yǔ)

模擬電子技術(shù)是電力工程類(lèi)包括電子信息專(zhuān)業(yè)的一門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)課，它是研究各種半導(dǎo)體器件的性能、電路及其應(yīng)用的學(xué)科，只要與電子行業(yè)有關(guān)的都要用到模擬電路，晶體管，集成運(yùn)放，反饋，直流穩(wěn)壓電源是我們常用的器件和電路。通過(guò)Multisim12.0 仿真軟件在電子線(xiàn)路實(shí)習(xí)中的應(yīng)用，使概念原理多、理論性強(qiáng)、比較抽象、學(xué)生理解起來(lái)很費(fèi)勁的模電課程學(xué)起來(lái)更輕松，學(xué)生能夠獲得成就感，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 苑廣軍，孫繼元.工程對(duì)象教學(xué)法培養(yǎng)創(chuàng)新能力的應(yīng)用研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31（2）：21-22.

[2] 趙瑩.電子系統(tǒng)實(shí)習(xí)教程[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[3] 孫繼元，苑廣軍.論培養(yǎng)電氣信息類(lèi)本科學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力[J].科技信息，2011（24）：506.