饒珺

摘要：在電子實習中應(yīng)用計算機仿真軟件Multisim有助于學生更透徹地理解理論知識。根據(jù)疊加定理仿真教學中的課堂反饋，提出在電壓電流的基礎(chǔ)上增加功率計算。依照疊加定理的仿真驗證過程，進而提出學生自主完成戴維南定理仿真驗證的實驗要求。學生需選取合適的元器件并完成電路設(shè)計，通過Multisim平臺搭建電路，將仿真結(jié)果與理論計算值進行比對，使戴維南定理得以驗證。經(jīng)過教學試講，引入Multisim取得了較理想的教學效果，由此證明Multisim仿真軟件在電子實習教學中的可行性。

關(guān)鍵詞：電子實習; Multisim仿真;實踐教學;疊加定理;戴維南定理

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）31-0182-03

Application of Multisim Simulation in Electronic Practice Teaching

RAO Jun

（Shanghai University National Training Experimental Teaching Center for Engineering Training， Shanghai 200444， China）

Abstract： Introduce computer simulation software Multisim into electronic practice can help subtends get a deeper understanding of theoretical knowledge. According to the feedback in Superposition theorem simulation course， power calculation is added besides voltage and current. Then according to Superposition theorem simulation， the students are asked to simulate Thevenin theorem independently. The students need to select appropriate components and design the circuit， and compare the measured results with the theoretical values in Multisim， so Tthevenin theorem is verified. After teaching trial， the introduction of Multisim simulation has achieved an ideal teaching effect. Therefore， Multisim introduction is viable in Electronic Practice Teaching.

Key words： electronic practice; Multisim simulation; educational practice; Superposition theorem; Thevenin theorem

1 引言

電子實習是電子類專業(yè)一門重要的實踐教學課程[1]，主要以學生動手為主，培養(yǎng)學生掌握一定的電子操作、設(shè)計創(chuàng)新技能及工藝知識。電子實習是電子產(chǎn)品從電路設(shè)計、印制電路板、焊接、安裝、調(diào)試、結(jié)果分析到最終成品驗收的一個系統(tǒng)過程。內(nèi)容設(shè)置包括焊接工藝基礎(chǔ)訓練;電子產(chǎn)品常用元器件介紹;電子儀器儀表的使用;調(diào)幅收音機的裝配、調(diào)試;印制電路板的設(shè)計等。通過電子實習，可使學生初步了解電子產(chǎn)品的生產(chǎn)、制作、調(diào)試，鞏固所學理論知識，提升專業(yè)技能和實際工作能力[2]。

隨著計算機技術(shù)和集成電路技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電子與電工設(shè)計已經(jīng)步入了自動化的時代，針對目前大學畢業(yè)生就業(yè)的新形勢，單純傳授知識的常規(guī)教學，難以滿足當今企業(yè)的崗位要求。為適應(yīng)就業(yè)新需求，將計算機仿真軟件融入電子實習課程的學習中，可使學生更早接觸計算機仿真軟件，從而達到提升學生專業(yè)技能的目的[3] [4] [5]。

2 Multisim概述

2.1 Multisim軟件的特點

Multisim[6][7]是美國NI公司推出的電子電路仿真設(shè)計軟件，是Electronics Workbench （簡稱 EWB） 的升級版本，具有界面直觀、操作方便等特點，能更好地適應(yīng)當今電子電路的仿真與設(shè)計需求。除了EWB具備的數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、字信號發(fā)生器、示波器、掃頻儀等，Multisim還新增了瓦特表、失真分析儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀，這些虛擬儀器與實物模型的外觀及操作方式都完全相同，為學生創(chuàng)造了使用儀器的訓練機會。此外，Multisim豐富的元器件庫包含了萬余種元器件供調(diào)用。Multisim平臺不僅能實現(xiàn)模擬電路、數(shù)字電路、射頻電路及微控制器和接口電路的仿真實驗，還能通過其強大的分析功能深入了解和探討電路的時域響應(yīng)特性[8][9]。

Multisim計算機仿真軟件還具備功能強大的教學選項。教師可通過定制選用的儀器和分析，控制展示給學生的電路畫面，并進行修改保存[6][10]。其電路限制功能則可以幫助學生快速找出連線錯誤，從而提高實驗效率，節(jié)約調(diào)試時間。

2.2 Multisim軟件應(yīng)用于教學的優(yōu)越性

Multisim仿真軟件界面簡單，像一個實驗工作臺[11][12]，包含各種進行仿真分析的操作命令，軟件中元件箱用于存放仿真元器件，儀表庫用于存放測試儀器儀表。通過屏幕抓取的方式可選用元器件、創(chuàng)建電路、連接測試儀器儀表。Multisim可以交互控制電路的測量及運行過程，并實時顯示測試結(jié)果。其直觀的圖形界面、簡單的操作步驟、強大的測試分析功能，將虛擬儀表技術(shù)的靈活性擴展到了電子設(shè)計者的工作平臺上[6]。將Multisim仿真軟件應(yīng)用于教學，可替代電子實習中的各種傳統(tǒng)儀器儀表，在實驗項目的開發(fā)上具有靈活多樣性，使電子線路的仿真更高效，當改變電路連接或改變器件參數(shù)時，學生可以清楚地觀察到該變化對電路性能的影響。因此，將計算機仿真技術(shù)融入電子實習課程中，能讓學生充分發(fā)揮主觀能動性，激發(fā)學生學習創(chuàng)新，提高學生對理論知識的理解及動手實踐能力。

3 Multisim在電子實習中的應(yīng)用

電子實習教學過程中，采用“理論基礎(chǔ)—仿真實驗”的教學模式，教師首先介紹相關(guān)概念、原理等知識，學生再根據(jù)實驗內(nèi)容要求，選擇合適的元器件進行原理圖設(shè)計，并分析實驗結(jié)果。這種教學模式實現(xiàn)了課上課下學習的完美結(jié)合，激發(fā)了學生的學習熱情。下文先介紹了利用Multisim驗證疊加定理[5]，然后提出同學自主設(shè)計電路對戴維南定理進行仿真驗證[13][14]。

3.1 疊加定理的仿真與分析

3.1.1 疊加定理

疊加定理[15]是電工技術(shù)中一個重要定理，內(nèi)容為：在任何含多個獨立電源的線性電路中，任一支路中的電流（或電壓）等于各個電源單獨作用時，在該支路中所產(chǎn)生的電流（或電壓）的代數(shù)和。疊加定理只能用來求電路中的電流或電壓，而不能用于計算功率。

3.1.2 利用Multisim驗證疊加定理

學習疊加定理，不僅僅是記住它的內(nèi)容，更重要的要能夠靈活地應(yīng)用。在教學過程中，通過利用 Multisim仿真來驗證此定理，可以創(chuàng)建更直觀的教學情境，讓學生更容易理解。

實驗電路如圖1，U_S1=5V，I_S2=1A。利用疊加定理先計算圖1（a）電路中各支路電流和電壓U₁、U₂，過程如下：

圖1（b）為電壓源單獨作用時的電路，此時電流源作斷路處理，電流計算結(jié)果為：

圖1（c）為電流源單獨作用時的電路，此時電壓源作短路處理，有：

如圖2（a），在實驗電路中并聯(lián)電壓表XMM1、XMM2分別測量電壓U₁、U₂;在電路中串聯(lián)電流表XMM3、XMM4分別測量電流I₃、I₄，讀數(shù)如圖2（b）所示。由此可知仿真結(jié)果與計算值相等，滿足疊加定理。

實驗難點

通過教學反饋，學生能充分理解疊加定理中電流、電壓相關(guān)闡述，但對定理所說“不能用于計算功率” [15]理解不夠深入。在實驗中增加對功率的計算，以R3為例：

3.2 自主設(shè)計電路并驗證戴維南定理

3.2.1 戴維南定理

任何一個線性含源二端網(wǎng)絡(luò)N，如圖4（a）所示，就其兩端鈕a、b來看，可等效為一個電壓源和一個電阻的串聯(lián)組合，即電壓源模型，如圖4（b）所示。其中，電壓源的電壓值uoc等于該含源二端網(wǎng)絡(luò)端口的開路電壓，如圖4（c）所示;串聯(lián)電阻Req等于該含源二端網(wǎng)絡(luò)中所有獨立源為零值時，所得無源二端網(wǎng)絡(luò)N0的等效電阻，如圖4（d）所示[15]。

3.2.2 設(shè)計電路驗證戴維南定理

學習戴維南定理后，同學自主設(shè)計電路，選擇適當?shù)闹绷麟娫础㈦娮?、電壓表、電流表在Multisim中搭建電路進行仿真實驗。參照圖5，實驗步驟如下[16]：

1） 理解有源二端網(wǎng)絡(luò)等效電路的含義，深入學習戴維南定理;

2） 按照實驗要求，選取元器件并設(shè)計電路;

3） 在Multisim中正確連接電路，并根據(jù)設(shè)計電路對應(yīng)設(shè)置元器件參數(shù);

4） 通過仿真儀表測量有源二端網(wǎng)絡(luò)的電流、電壓和等效電阻;

5） 將仿真實驗的測量數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果進行對比，判斷仿真實驗操作是否正確。

4 結(jié)論

Multisim計算機仿真將實驗電路可視化，使原本乏味抽象的學習變得生動形象，既能鍛煉和深化學生的基本理論知識，強化學生的實踐動手能力，還能培養(yǎng)學生的學習興趣。通過教學試講，課堂反應(yīng)效果明顯，學生在電路設(shè)計過程中，不僅能充分發(fā)揮個人能動及創(chuàng)新思維能力，也能提升計算機操作和應(yīng)用能力;調(diào)試電路環(huán)節(jié)，同學展示了各自排除電路故障的技能，能根據(jù)實驗結(jié)果調(diào)整電路，最終達到實驗?zāi)康?。由此證明在電子實習課程中引入Multisim教學方案的可行性。

參考文獻：

[1] 琚生根，陳潤，師維，等.基于虛擬儀器仿真軟件Multisim設(shè)計電子技術(shù)實驗教學電路[J].實驗技術(shù)與管理，2017，34（8）：7-8.

[2] 胡維，張方櫻.電工電子實習教學改革的探索[J].實驗科學與技術(shù)，2015，13（1）：213-214.

[3] 李清芬. Multisim 10在中職《電力電子技術(shù)》教學中的應(yīng)用[D].云南：云南師范大學，2013：1-6.

[4] 楊靜，張曉輝.淺析當前大學生電子實習存在的問題與對策[J].科技展望，2015，25（5）：293.

[5] 楊曉雷. Multisim 11在《電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能》教學中的應(yīng)用研究[D].上海：上海師范大學，2013：48-50.

[6] 張新喜，許軍，王新忠，等. Multisim 10電路仿真及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016：15-19.

[7] 劉竹.Multisim在數(shù)字電路教學中的應(yīng)用研究[EB/OL].[2017-12-22]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/10.1108.TP.20171222.1519.168.html.

[8] 劉君，楊曉萍，呂聯(lián)榮，等. Multisim 11在模擬電子技術(shù)實驗中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2013，32（2）：96.

[9] 程曉輝.Multisim仿真軟件在電路電子實驗教學中的應(yīng)用[J].通信電源技術(shù)，2018，35（2）：95-96.

[10] 白玉成.基于MULTISIM仿真電路的設(shè)計與分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010：3-4.

[11] 冼凱儀.基于虛擬儀器仿真軟件Multisim設(shè)計電子技術(shù)實驗教學電路[J].教育現(xiàn)代化，2016，24：170-172.

[12] 楊蕊，王曉燕，楊婷.基于Multisim虛擬仿真技術(shù)的電工電子實驗室建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理，2015，32（10）：129-130.

[13] 梅燁，羅敏，田艷芳，等.Multisim在電路分析教學中的應(yīng)用[J].教育現(xiàn)代化，2016，4（3）：113-114.

[14] 何新霞，王艷松，馬文忠，等.“電路分析實驗”課程融合設(shè)計性和研究性的探索[J].電氣電子教學學報，2016，38（3）：120-122.

[15] 王玫，宋衛(wèi)菊，徐國峰，等.電路原理[M].北京：中國電力出版社，2011：67-74.

[16] 馮清娟.如何做好戴維南定理的教學設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2016，12（15）：149-150.