王 凡 吳佳楠電子科技大學(xué)中山學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 廣東中山 528402

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計(jì)算機(jī)仿真在電子技術(shù)課程中的應(yīng)用

王 凡 吳佳楠
電子科技大學(xué)中山學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 廣東中山 528402

摘 要：針對(duì)電子技術(shù)課程存在的課堂教學(xué)無(wú)法直觀展示電路特性；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一并容易受元器件影響等問(wèn)題。提出采用計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)應(yīng)用于電子技術(shù)課程，并結(jié)合教學(xué)實(shí)際，展示Multisim在教學(xué)與實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。證明采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以有效地豐富課堂內(nèi)容，增強(qiáng)直觀感受，提高學(xué)生的主動(dòng)探索精神。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)仿真；電子技術(shù)；Multisim

電子技術(shù)是通信、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制等專業(yè)的基礎(chǔ)能力。很多電子線路的效果都需要逐步地保證正確，才能最終發(fā)出正確信號(hào)。如“幅頻”“反饋”等電子抽象性概念多，對(duì)初學(xué)者實(shí)踐綜合能力要求較強(qiáng)。傳統(tǒng)的課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，缺乏直觀的數(shù)據(jù)體現(xiàn)，因此需要進(jìn)一步完善課程體系，使學(xué)生水平與應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)相符合，提升學(xué)科知識(shí)融合能力、工程應(yīng)用實(shí)踐能力以及學(xué)生創(chuàng)新能力[1]。

1 電子技術(shù)課程現(xiàn)狀

電子技術(shù)是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程。目前大部分高校的電子技術(shù)課程的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在對(duì)宏觀現(xiàn)象的微觀分析，而隨著外界因素的改變，如何分析電路狀態(tài)的變化。在傳統(tǒng)的教學(xué)環(huán)節(jié)雖然可以進(jìn)行數(shù)學(xué)方面的推導(dǎo)，但是由于課堂時(shí)間有限，復(fù)雜電路的外界變量眾多，學(xué)生無(wú)法直觀地認(rèn)識(shí)到電路狀態(tài)變化情況。同時(shí)學(xué)生在學(xué)完課堂知識(shí)之后也沒(méi)有手段可以快速實(shí)踐電路理論。

電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)主要集中在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐動(dòng)手操作部分也是以模塊集成化實(shí)驗(yàn)設(shè)備為主，需要?jiǎng)幽X少，僅僅是通過(guò)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的接線方式，把實(shí)驗(yàn)連線搭接完成基本上就可以完成實(shí)驗(yàn)了。只適合做一些有限的和驗(yàn)證性的一些實(shí)驗(yàn)，不利于擴(kuò)展學(xué)生的思維和創(chuàng)新性，也不適合有能力的學(xué)生做進(jìn)一步設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)性的實(shí)驗(yàn)[2]。在學(xué)完實(shí)驗(yàn)課程之后，不少學(xué)生還不能分析和調(diào)試實(shí)際電路，也不能分清集成電路等元器件引腳，甚至不會(huì)用最常用的電子儀器儀表(如萬(wàn)用表和示波器等)。電子實(shí)驗(yàn)又不允許出現(xiàn)過(guò)多的誤操作，將電子元件燒壞或帶來(lái)安全隱患。而學(xué)生無(wú)法根據(jù)自己的興趣和需求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不利于學(xué)生專業(yè)能力的拓展與創(chuàng)新思維的培養(yǎng)[3]。

2 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在電子技術(shù)課程中的應(yīng)用

2.1 電子設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)簡(jiǎn)介

EDA是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(Electronic Design Automation)的縮寫(xiě)，EDA仿真平臺(tái)是應(yīng)用學(xué)生熟悉的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐，親身體驗(yàn)電路的變化情況，能夠?yàn)閷W(xué)生提供一個(gè)直觀、形象的學(xué)習(xí)平臺(tái)[4]。知識(shí)以仿真實(shí)驗(yàn)的方式傳遞，降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。并可以將EDA仿真作為課程設(shè)計(jì)的一部分，在實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限的情況下，可以讓學(xué)生在課余時(shí)間完成實(shí)踐環(huán)節(jié)。

在電子技術(shù)課程中常用的計(jì)算機(jī)仿真軟件包括了Matlab，PSPICE，Multisim等。其中，Matlab有眾多的面向具體應(yīng)用的工具箱和仿真塊，包含了完整的函數(shù)集用來(lái)對(duì)圖像信號(hào)處理、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等特殊應(yīng)用進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。PSPICE可以進(jìn)行各種各樣的電路仿真、激勵(lì)建立、溫度與噪聲分析、模擬控制、波形輸出、數(shù)據(jù)輸出、并在同一窗口內(nèi)同時(shí)顯示模擬與數(shù)字的仿真結(jié)果。Multisim其儀器儀表庫(kù)中的各儀器儀表與操作真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際儀器儀表完全沒(méi)有兩樣，但它對(duì)模數(shù)電路的混合仿真功能卻毫不遜色，幾乎能夠100%地仿真出真實(shí)電路的結(jié)果。因此作為對(duì)課堂或者實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的擴(kuò)展與補(bǔ)充，Multisim就顯得更貼近于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境。

Multisim的前身是EWB(Electronics Workbench)，具體系統(tǒng)高度集成，界面直觀，操作方便，主要表現(xiàn)在元器件的選取、電路的輸入、虛擬儀器的使用以及各種分析都可以在屏幕窗口上直接操作，與實(shí)物一樣直觀。在升級(jí)到Multisim之后，成為緊密集成，終端對(duì)終端的解決方案，可以利用這一個(gè)軟件完成電子工程項(xiàng)目從最初的概念到最終成品的全過(guò)程。特別是單獨(dú)教育版就提高了近兩萬(wàn)種元器件，這些器件或者設(shè)備與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境完全一致[5]。為學(xué)生提供了虛擬的3D面包板實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和3D元件庫(kù)，學(xué)生可以在此基礎(chǔ)上自己搭建電路。同時(shí)Multisim具有強(qiáng)大的仿真分析能力，利用在仿真平臺(tái)搭建的電路就可以基本確定電路的工作狀態(tài)。Multisim還具有多種常用的虛擬儀器，可以通過(guò)這些儀表觀察電路的狀態(tài)，測(cè)量電路的效果。而且這些儀表的設(shè)置、使用和讀數(shù)與實(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)實(shí)使用的一致，非常有利于學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

2.2 Multisim在電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用

在電子技術(shù)課程教學(xué)中利用計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境，可以迅速地給學(xué)生創(chuàng)立電路運(yùn)用場(chǎng)景。并且可以實(shí)時(shí)調(diào)整電路參數(shù)，利用表格、圖形、曲線等文字不容易描述的方式讓學(xué)生產(chǎn)生直觀的認(rèn)識(shí)，從而給學(xué)生營(yíng)造出真實(shí)的電路分析環(huán)境。

在最基本的共射放大電路中，學(xué)生需要掌握的知識(shí)點(diǎn)包括了直流靜態(tài)工作點(diǎn)的分析測(cè)量，放大器動(dòng)態(tài)指標(biāo)。其工作電路如圖1所示。

圖1 基本共射放大電路

在進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)分析的時(shí)候，主要是確定靜態(tài)工作點(diǎn)的具體數(shù)值以及了解為何要確定靜態(tài)工作點(diǎn)。即通過(guò)計(jì)算得到VB，IEQ，IBQ，UCEQ的值，從而確定電路的工作狀態(tài)。通過(guò)電路圖分析，可得知：

在傳統(tǒng)課堂上一般采用代入具體數(shù)值進(jìn)行計(jì)算后得到工作點(diǎn)數(shù)值，從而判斷電路工作狀態(tài)。但是單憑數(shù)值結(jié)果很難讓學(xué)生產(chǎn)生直觀的認(rèn)知。很難理解由于工作點(diǎn)設(shè)施不當(dāng)所引起的截至失真與飽和失真。

但是利用Multisim平臺(tái)，作為教師可以輕松地調(diào)節(jié)電路中R6的大小。在仿真平臺(tái)，可以實(shí)時(shí)的測(cè)量到工作點(diǎn)的數(shù)值變化，而且利用虛擬儀器展現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)改變之后，輸出波形的失真情況。增大R6的值所產(chǎn)生的截至失真如圖2(a)所示，減小R6所產(chǎn)生的飽和失真如圖2(b)所示。在教學(xué)中，采用Multisim測(cè)量探針功能可以實(shí)時(shí)觀測(cè)到節(jié)點(diǎn)3的電壓以及電流的是如何隨著R6的調(diào)節(jié)而改變。從而讓學(xué)生對(duì)于靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置所引起的電路狀況的變化有了直觀上的認(rèn)識(shí)。

圖2 工作點(diǎn)引起的失真分析

對(duì)于基本共射放大電路的動(dòng)態(tài)分析，是指在靜態(tài)值確定之后分析信號(hào)的傳輸情況。一般包括電壓放大倍數(shù)，輸入電阻，輸出電阻等。

電壓放大倍數(shù)Au反映了電路對(duì)輸入電壓的放大能力，定義為輸出電壓變化量與輸入電壓變化量之比，特別是當(dāng)輸入為正弦信號(hào)時(shí)，可以用有效值向量標(biāo)識(shí)。

在計(jì)算中β為晶體管的電流放大系數(shù)，在小信號(hào)條件下為常數(shù)。rbe為晶體管的動(dòng)態(tài)輸入電阻，表示了晶體管的輸入特性，在小信號(hào)條件下也為常數(shù)。R4為靜態(tài)工作點(diǎn)分壓電阻，一般不會(huì)變化。因此，可以看出負(fù)載R5越小則電壓放大倍數(shù)越低。

在教學(xué)中可以方便地利用Multisim的仿真功能，在電路中的輸入端與輸出端插入萬(wàn)用表直接測(cè)得ui與uo的有效值。并且可以改變負(fù)載R5的值，驗(yàn)證電壓放大倍數(shù)如何隨負(fù)載的變化而改變。

2.3 Multisim在電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)完負(fù)反饋的知識(shí)之后，一般會(huì)在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證負(fù)反饋對(duì)阻容耦合二級(jí)放大電路的影響。但是由于線路非常復(fù)雜(如圖4所示)。連線一般都為非屏蔽線，三極管內(nèi)部的極間電容，使得電路通常存在寄生振蕩，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)箱上很難觀察。

圖3 負(fù)反饋?zhàn)枞蓠詈戏糯箅娐?/p>

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，一般要觀察負(fù)反饋對(duì)放大電路輸出的影響，測(cè)量有無(wú)反饋時(shí)的電壓放大倍數(shù)；觀測(cè)負(fù)反饋對(duì)于失真的改善；負(fù)反饋對(duì)于放大電路頻率特性的影響。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要完成復(fù)雜的連線，設(shè)定合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，加入合適小信號(hào)之后再觀察輸出的波形。一方面可能是由于元器件本身的不穩(wěn)定；而另一方面由于學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作不夠熟練。一般在正常實(shí)驗(yàn)課程時(shí)間內(nèi)能觀測(cè)到合理波形的學(xué)生不超過(guò)30%。而采用Multisim進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真之后，在電路連接正確的情況下就可以方的地進(jìn)行結(jié)果的驗(yàn)證，而不需要在意儀器的誤差和元器件的老化。在圖3中可以通過(guò)開(kāi)關(guān)J1設(shè)置電路的反饋情況，J2設(shè)置電路為閉環(huán)還是開(kāi)環(huán)。通過(guò)示波器XSC1可以方便地觀測(cè)到輸入與輸出的波形，并且通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)XFG1的調(diào)節(jié)，而對(duì)有無(wú)反饋情況出最大不失真進(jìn)行對(duì)比。

阻容耦合放大電路的頻率特性也是負(fù)反饋的重要影響。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，需要保證輸入信號(hào)幅度不變的情況下，改變頻率，并記錄輸出波形的幅值。通過(guò)輸出波形幅值的變化而做出幅頻特性曲線，為了曲線的精確需要大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，這樣就導(dǎo)致記錄過(guò)瑣煩瑣耗時(shí)。當(dāng)利用Multisim進(jìn)行分析的時(shí)候，利用交流分析(analysis，AC)是在正弦小信號(hào)工作條件下的一種頻域分析，通過(guò)分析可以得到電路的幅頻特性和相頻特性。Multisim在進(jìn)行交流分析時(shí)，首先分析電路的直流工作點(diǎn)，并在直流工作點(diǎn)處對(duì)各個(gè)非線性元件做線性化處理，得到線性化的交流小信號(hào)等效電路，并用交流小信號(hào)的等效電路計(jì)算電路輸出交流信號(hào)的變化[6]。對(duì)于負(fù)反饋放大電路，只需要在菜單里選擇仿真→分析→交流分析。之后設(shè)置好合適的起止頻率，并將縱坐標(biāo)設(shè)置為線性(默認(rèn)為對(duì)數(shù))，就能方便的觀察到反饋對(duì)阻容耦合放大電路的頻率特性的影響(如圖4所示)。

圖4 負(fù)反饋對(duì)放大電路頻率特性的影響

通過(guò)比較就很容易看出引入負(fù)反饋之后雖然放大倍數(shù)明顯降低，但是通頻帶也明顯變寬。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)電子技術(shù)課程的教學(xué)要求，計(jì)算機(jī)仿真特別是Multisim軟件的引入，可以有效地解決電子技術(shù)課程在課堂上缺乏直觀感受與實(shí)踐經(jīng)歷。同時(shí)，對(duì)于高校實(shí)驗(yàn)環(huán)境的儀器短缺，老化等無(wú)法滿足設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)的情況得到了一定的緩解。

基于Multisim搭建仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，還可以讓學(xué)生在該平臺(tái)進(jìn)行綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以及課程設(shè)計(jì)類項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考，主動(dòng)探索的精神。使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論的同時(shí)，可以驗(yàn)證課題要點(diǎn)，達(dá)到對(duì)電子技術(shù)這門課程的感性認(rèn)知。

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Application of Computer Simulation in Electronics Technology Course

Wang Fan, Wu Jianan
School of Electromechanical Engineering, Zhongshan Institute, University of Electronic Science and Technology of China, Zhongshan, 528402, China

Abstract:The characteristics of the circuit cannot be displayed in the classroom, and components will affect experimental projects in electronics technology course. Computer simulation technology can be used in the Electronics Technology Course. And show the application of Multisim in teaching and experiments with the actual. Computer simulation technology can effectively enrich classroom content, enhanced intuitive feelings of students, and improve student to explore independently.

Key words:computer simulation; electronics technology; Multisim

收稿日期：2015-09-23

作者簡(jiǎn)介：王凡，碩士，實(shí)驗(yàn)師。

基金項(xiàng)目：2 0 1 3年中山市科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2013A3FC0271)；2014電子科技大學(xué)中山學(xué)院高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(編號(hào)：JY201414)；2015電子科技大學(xué)中山學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院教育教學(xué)綜合改革項(xiàng)目(編號(hào)：JDJG201501)。