仿真技術(shù)在模擬電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

模擬電路是高校電類相關(guān)專業(yè)的一門重要學(xué)科基礎(chǔ)課，該課程理論復(fù)雜，概念抽象，邏輯性強(qiáng)，在課堂教學(xué)中，對基礎(chǔ)電路推理演繹較多，學(xué)生被動地接受知識，難以將理論與工程實(shí)踐聯(lián)系到一起，導(dǎo)致學(xué)生動手能力差，缺乏創(chuàng)新精神，解決這一問題的最好辦法就是加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。傳統(tǒng)的模擬電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在實(shí)驗(yàn)箱上完成的，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較為單一，僅能在實(shí)驗(yàn)箱上提供的固定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中進(jìn)行選擇；實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生只需參照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書連線、測試，雖然完成了實(shí)驗(yàn)，但對電路工作原理的理解并不深刻，影響了學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的積極性和主動性；此外，由于部分學(xué)生操作不當(dāng)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)設(shè)備或測試儀器損壞，為保證每次實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行，教師必須在課前花費(fèi)大量的時間排除設(shè)備故障，不僅影響了實(shí)驗(yàn)效果，而且大大增加了教師的工作量，降低了實(shí)驗(yàn)效率。仿真技術(shù)是繼數(shù)學(xué)推理與科學(xué)試驗(yàn)之后認(rèn)識世界自然規(guī)律的第三類基礎(chǔ)方法，隨著計算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛速發(fā)展，仿真技術(shù)在設(shè)計制造、教育科研等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。常用的電子類仿真軟件包括Spice、Saber、Multisim及Proteus等，通過提供一種與實(shí)際實(shí)驗(yàn)室相近似的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可以對電路原理及理論進(jìn)行科學(xué)驗(yàn)證，對電路進(jìn)行故障分析和測試，掌握簡單應(yīng)用電路的設(shè)計方法，大大提高了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，同時可有效解決實(shí)驗(yàn)硬件資源緊張的問題[6]。
1 Multisim仿真軟件
Multisim是美國國家儀器公司（NI）推出的基于Windows平臺的交互式電路仿真軟件，由于無可比擬的易用性及其強(qiáng)大的仿真功能，成為業(yè)界最為成功的一款仿真軟件，已得到廣大高校師生、科技工作者和電子愛好者的青睞。它為使用者提供了一個集成的一體化實(shí)驗(yàn)環(huán)境，采用圖形化的輸入方式，只需通過器件選取、儀器選用、導(dǎo)線連接，就可以完成電路的搭建與仿真分析，目前已被廣泛應(yīng)用于各大高校的電子類課程的課堂教學(xué)中。Multisim提供了豐富的資源，以目前較為流行的Multisim12軟件為例，元件庫提供15大類24800余種元件，包括各種信號源、基本元件庫、二極管庫、晶體管庫等，并且支持在線更新；虛擬儀器庫提供萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、示波器、邏輯分析儀等18種虛擬儀器，并且在功能和操作面板上與現(xiàn)實(shí)儀器保持一致；此外，擁有VHDL和Verilog設(shè)計接口和仿真功能、FPGA和CPLD綜合、RF設(shè)計能力和后處理能力，還可以導(dǎo)出制作PCB板的設(shè)計數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與PCB制作軟件的無縫數(shù)據(jù)傳輸；可實(shí)現(xiàn)低頻電路和高頻電路、線性電路和非線性電路、模擬電路和數(shù)字電路、分立元件和集成電路的仿真分析，涉及領(lǐng)域包括電子、通信、航空航天、國防軍事等。該軟件幾乎能夠100%地仿真出真實(shí)電路的結(jié)果，并且容易制作電路模型，借助高級分析功能，可快速分析電路行為，理解電路基本設(shè)計特征。
2 Multisim在模擬電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用
2.1單級共射放大電路仿真實(shí)驗(yàn)
在模擬電路中，單級共射放大電路是基本電路單元，是后續(xù)復(fù)雜放大電路學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，也是教學(xué)過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。作為基本放大電路，只有正確設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)，才能保證無論是在交流信號的正半周還是負(fù)半周，三極管始終能工作在發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的放大狀態(tài)。若靜態(tài)工作點(diǎn)偏高，輸出信號將出現(xiàn)飽和失真，反之，將出現(xiàn)截止失真。
圖1(a)所示為單級共射放大電路，我們可以通過理論計算或Multisim實(shí)驗(yàn)仿真的方式求電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q。

圖1 單級共射放大電路
2.1.1理論計算
畫出圖1(a)所示電路的直流通路，如圖1(b)所示。根據(jù)基極回路方程可得：

2.1.2Multisim實(shí)驗(yàn)仿真
（1）創(chuàng)建仿真電路
在Multisim12環(huán)境中創(chuàng)建仿真電路時，需根據(jù)電路原理圖從元件庫中選取合適的元器件，利用快捷菜單中的旋轉(zhuǎn)、水平、垂直翻轉(zhuǎn)命令適當(dāng)調(diào)整元件方向并進(jìn)行合理布局，用導(dǎo)線將元件按實(shí)驗(yàn)電路要求進(jìn)行連接，同時設(shè)置必要的元件參數(shù)。實(shí)驗(yàn)中晶體管采用虛擬晶體管，直流電源采用虛擬電源，設(shè)置VCC為+15V，輸入信號ui為正弦波，其峰值為1mV、頻率為1kHz，電容C1、C2設(shè)置為10μF。設(shè)置虛擬晶體管的模型參數(shù)BF=100，然后從儀器欄中選擇信號源和雙蹤示波器，放置到合適的位置并連接到電路中，仿真電路如圖2所示。

圖2 單級共射放大仿真實(shí)驗(yàn)電路
（2）測試靜態(tài)工作點(diǎn)Q
在Multisim12中，可通過兩種方法測量電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。第一種方法與實(shí)物實(shí)驗(yàn)測試方法相同，即將交流信號源置零，電容開路，電感短路，用虛擬儀器欄中的萬用表進(jìn)行測量；第二種方法是利用Multisim12提供的圖形分析窗口快速地分析電路的直流工作點(diǎn)。為使學(xué)生更好地掌握實(shí)驗(yàn)過程，要求同時用兩種不同的方法測量電路的直流工作點(diǎn)，這里給出第二種測量方法和測量結(jié)果。在Multisim12中執(zhí)行菜單命令Simulate/Analysis/DCOperatingPointAnalysis，在彈出的對話框中確定需測量的電路變量ic、ib、V(1)、V(2)，即ICQ、IBQ、UBEQ、UCEQ，單擊Simulate按鈕即可得到仿真結(jié)果，如圖3所示。

圖3 直流工作點(diǎn)分析結(jié)果
從圖中可以看出，仿真分析得到的ICQ、IBQ、UBEQ、UCEQ值與理論分析結(jié)果有一定的誤差，產(chǎn)生誤差的原因主要是由于實(shí)際晶體管發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓值與估算時采用的電壓值有差別。
2.2文氏橋振蕩器仿真實(shí)驗(yàn)
振蕩器可以產(chǎn)生穩(wěn)定的周期性頻率信號，在無線電廣播、衛(wèi)星通信、收音機(jī)、電視機(jī)等電子設(shè)備中有著廣泛應(yīng)用。文氏橋振蕩器又稱為RC橋式正弦波振蕩器，能夠輸出周期性的正弦波信號，是模擬電路中的一個基本電路，其仿真電路如圖4所示。圖中，R1和C1串聯(lián)構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)，R2和C2并聯(lián)構(gòu)成正反饋網(wǎng)絡(luò)，兩個網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成橋路，同時引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋。文氏橋振蕩器起振過程分為起振、選頻放大、限幅和穩(wěn)定輸出幾個階段，其振蕩頻率為11f=1/(2_RC)，放大倍數(shù)為43A=1+R/R，只要保證A略大于3，電路即可正常起振。

圖4 文氏橋振蕩仿真實(shí)驗(yàn)電路
在Multisim12中創(chuàng)建圖5所示的仿真電路后，執(zhí)行菜單命令Simulate/Analysis/ParameterSweep，將打開參數(shù)掃描分析設(shè)置對話框，以R3作為待掃描元件，以電阻值作為元件參數(shù)，設(shè)置掃描的變量類型為List，值為900，1000，1100，單擊對話框中的Simulate按鈕啟動參數(shù)掃描分析，得到如圖5所示的掃描分析結(jié)果。

圖5 參數(shù)掃描分析結(jié)果
從圖中可以看出，當(dāng)R3取值為1000時，電路可以正常起振，而且沒有明顯的失真；當(dāng)R3取值為900時，電路起振時間短，但失真很大；當(dāng)R3取值為1100時，電路不能起振。
3 結(jié)論
在傳統(tǒng)的模擬電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，部分實(shí)驗(yàn)操作難度大，實(shí)驗(yàn)耗時多，難以在有限的時間內(nèi)穿插演示，實(shí)現(xiàn)即時驗(yàn)證。將Multisim仿真軟件應(yīng)用于模擬電路的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以快速構(gòu)建電路原理圖，利用虛擬儀器，構(gòu)建完整的實(shí)驗(yàn)過程，得到貼近實(shí)際的仿真結(jié)果，可有效提高實(shí)驗(yàn)效率。學(xué)生通過搭建仿真電路，對電路的組成及工作原理將有一個更好的認(rèn)知，改變了僅依靠實(shí)驗(yàn)箱上固定電路完成實(shí)驗(yàn)的弊端。同時，仿真實(shí)驗(yàn)可以完全避免因操作不當(dāng)而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)設(shè)備、器件損壞的風(fēng)險，降低了實(shí)驗(yàn)成本，提高了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開出率，有利于學(xué)生實(shí)踐動手能力、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，可有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，從而取得更好的教學(xué)效果。