Multisim应用于模拟电子技术课堂教学.pdf

辽宁青年 2023 年 03 月 第 05 期 教育教学087Multisim 应用于模拟电子技术课堂教学刘 颂 李 玲 石 瑶南京工业大学浦江学院 江苏 南京 211222摘要：对于工科类教学，不仅要培养学生能用科学的思维分析问题，还要在不断探索和解决问题中提高学生的学习能力和动手能力。在模拟电子技术课程主要以公式和电路分析过程为主，学生理解起来较为抽象，实验课程和设备也存在一定局限性。Multisim 仿真软件作为电学的教学专用工具，可以实现电路的仿真，并能将电路里输入输出信号通过示波器进行展示。利用仿真软件对基础知识进行仿真实验则可以弥补教学过程中的不足，并能达到提高教学活动的有效性和学生的参与性与积极性的效果。关键词：模拟电子技术；Multisim 仿真；教学改革引言 模拟电子技术是自动化类及电子信息类等课程的一门专业基础学科，在本科学习过程中具有重要地位。模拟电子技术课程具有自身的体系和很轻的实践性，主要通过对常用电子器件、模拟电路及其系统分析和设计的学习，使学生掌握模拟电子技术的基本知识、基本理论和基本技能，培养学生能用科学的思维分析问题，还要在不断探索和解决问题中提高学生的学习能力和动手能力。模拟电子技术课程作为电子技术系列课程中入门性质的一门课程，主要介绍半导体二极管、三极管及场效应管的特性及其应用电路，使学生系统的掌握电子线路的基本概念、组成、基本原理、性能特点和各类放大电路以及信号电路的产生、运算与处理等过程的基本分析方法和工程估算法。模拟电子技术课程现价段教学主要采用理论讲解和实验操作两部分。理论课程主要采用多媒体和板书结合教学方式教学。由于模拟电子技术课程中涉及到大量电路分析和半导体器件特性，实验课程和设备也存在一定局限性，学生理解起来较为抽象，学习过程存在一定难度，学习积极性难以得到激发。现阶段教学手段主要采用多媒体介绍课程基础知识和基本理论，教师板书推导公式和电路特性分析，学生能在一定程度上理解课程内容。但由于模拟电子技术中涉及到半导体特性并且在电路分析过程中常采用工程思维，导致学生在学习过程中难以具象化相关概念和基础理论，难以掌握课程基本理论的应用。所以，模拟电子技术课程在课堂理论教学过程中应该增加新的教学手段，帮助学生更好的理解和掌握课堂内容。1.Multisim仿真软件特点Multisim 仿真软件是美国 NI 公司推出的一种以Windows 为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。而且 Multisim 仿真软件包含多种分析工具，可以实现直流分析、交流分析、时域分析等，通过示波器和万用表可以实现实时测量并显示电路中各项数据指标。Multisim 仿真软件已经广泛应用于高校电路电子类课程教学当中。由于该仿真软件操作方便，不受实验室设备限制，尤其是学生在进行线上课程学习期间，在一定程度上帮助学生完成了电路的实验课程和电子线路设计实训工作。基于以上模拟电子技术课程和 Multisim 仿真软件的特点，仿真软件除了在实践环节可以帮助学生提高理论知识的应用能力，还可以将其融入在理论课堂教学当中。Multisim 仿真软件操作方便，在教师备课期间搭建好电路，可直接在课堂演示验证该课堂内容的理论知识，同时可以引导学生思考，当学生提出问题时可直接进行解答与验证。同时 Multisim 仿真软件可以应用于电路原理、模拟电子技术、数字电子技术和电力电子技术等课程，可系统性使用，为后续电子线路设计等实践课程打下基础。将仿真软件融入课堂可以引发学生思考，提高学生学习自主性，同时帮助学生进一步理解和掌握理论内容并提高学生的实践应用能力。2.Multisim仿真软件在课堂教学中的应用以差分放大电路为例模拟电子技术理论教学过程当中涉及到多种基本电路，各电路特征明显，均可用 Multisim 仿真软件进行仿真。仿真软件融入课堂可以让学生更加清晰直观地了解各种电路的具体工作状态，本文以在集成电路输入端最常用的差分放大电路为例，在课堂教学中利用仿真工具进行理论知识的验证与展示。具体教学设计思路如下：差分放大电路理论知识讲解具体电路分析仿真手段验证交流讨论以及课后实操。2.1差分放大电路原理差分放大电路是基础放大电路的一种，主要用于放大电路输入端，实现抑制零漂和减少共模干扰信号的作用。2.1.1 电路组成电路如图 1 所示，差分放大电路在结构上具有电路结构和元件参数对称；双端输入、双端输出；双电源供电的结构特点。作者简介：刘颂，女，1992.12，江苏徐州，硕士，助教，城市轨道交通信号、运营管理。项目：2022年南京工业大学浦江学院校级教育教学改革研究课题项目（2022JG033Y）。2023 年 03 月 第 05 期 辽宁青年教育教学088图 1 差分放大电路2.1.2静态分析首先分析差分电路的静态工作点，先画出直流通路，令交流输入为零，即电路中将交流输入端接地。此时得到一个只有直流电源、电阻和三极管的简单电路。估算静态工作点：ICQ1=ICQ2(VEEUBEQ)/2REEUCQ1=VCCICQ1RCUCQ2=VCCICQ2RC通过分析得出：由于电路结构的对称性，交流信号零输入时零输出。即：Uo=UCQ1UCQ2=0当温度发生变化时，正是由于差分放大电路的对称性，两侧电压电流产生相同变化，输出电压仍为 0，故差分放大电路的静态工作点较为稳定且温度漂移量较小。2.1.3动态分析一、信号分析两个输入端之间的电压，称为差模输入电压，用uid 表示。uid=ui1ui2加大小相同、极性相反的输入信号，称为差模输入。ui1=ui2=uid/2加大小相等、极性相同的输入信号，称为共模输入。共模输入电压用 uic表示。ui1=ui2=uic任意输入信号可分解为共模信号和差模信号之和。uo=uod+uoc二、差模输入与差模特性差分放大电路差模输入信号如图 2 所示：图 2 差分放大电路差模输入信号图 2 中，两差模输入端输入信号为：ui1=ui2，差模输入电压则为：uid=ui1ui2=2ui1差模输出电压为：uod=uC1 uC2=2 uo1 差模电压放大倍数为差模输出电压比差模输入电压：Aud=uod/uid=2uo1/2ui1=uo1/ui1=-RC/rbe差模输入电阻：Rid=2rbe差模输出电阻：Ro=2RC三、共模输入与共模抑制比差分放大电路差模输入信号如图 3 所示：图 3 差分放大电路共模输入信号图 3 中，两共模输入端输入信号为：ui1=ui2，共模输入电压则为：uic=ui1=ui2。理想时，共模输入信号为 0。那么共模信号放大倍数也为 0。RE 很强的电流负反馈作用抑制共模信号传递，电路结构的对称性又使双端输出时的共模输出电压相互抵消，因此 uoc 很小，通常可近似为零。零漂可等效为共模信号，被有效抑制。差分放大电路主要用来放大差分信号抑制共模信号。共模抑制比是用来衡量差分放大电路这一能力的重要指标，表示为：dCMRcuuAKA=，dCMRc(dB)20lguuAKA=理想情况下，uoc=0，Auc=0 CMRK，其中增大RE 可抑制共模信号而不影响差模信号，提高 KCMR。2.2差分放大电路的仿真差分放大电路分析过程包含静态分析和动态分析，主要涉及到的静态工作点的估算和共模信号和差模信号的分析。为了更好地帮助学生理解差分放大电路抑制共模信号放大差模信号的作用。采用 Multisim仿真系统进行课堂演示，使学生理解起来更加生动且印象深刻。2.2.1搭建仿真电路课前根据图 1 在 Multisim 中绘制差分放大电路仿真图。如图 4 所示。图 4 差分放大电路仿真图图中输入信号采用信号发生器产生输入信号。本例中输入为幅值为 10mV，频率为 2KHz 的正弦波。2.2.2课堂演示（一）根据绘制好的差分放大电路，观察输入、输出波形辽宁青年 2023 年 03 月 第 05 期 教育教学089单击运行按钮，双击示波器如图 5 所示，图 5 中示波器通道 A 用红色线接入输入端，示波器中红色波形即表示输入信号。通道 B 用绿色线接入输入端，示波器中绿色波形即表示输出信号。图 5 输入、输出波形移动光柄 1 可以看出输入信号幅值为 19.686 约为20mV，由此可以验证差模信号为 1 端的 10mV 与 2 端的-10mV 之差。（二）静态工作点将输入信号接地，测静态工作点，可以验证 UCQ1=UCQ2=9.213V，如图 6 所示。同理也可以验证 ICQ1=ICQ2。图 6 静态工作点电压值（三）差模特性输入端接入信号发生器，输出信号可以从图 5 直接获取，也可以用万用表测量两输入端之间和输出端交流电压的有效值。用万用表测量数据如图 7 所示。输入电压 Uid=14.141mV，输出电压 Uod=734.916mV。图 7 输入、输出电压有效值移除负载电阻，测量 4 与 6 端电压 uot=1.47V。两 输 入 端 与 信 号 发 生 器 之 间 各 串 联 一 个 的 电阻 Rs/2=500，再 次 测 量 1 与 2 端 电 压，记 为Uid1=13.428mV。计算差模电压放大倍数：Aud=-52差模输出电阻：RO=（uot/Uod-1）R4=20k差模输入电阻：Rid=Uid1/(Uid-Uid1)Rs=18.371k（四）共模特性两输入端输入同样的信号。用万用表测量 4 和 6两端点电压值，如图 8 所示。图 8 共模信号测量图 8 中显示输出电压几乎为 0。可见，双端输出的差分放大电路共模电压放大倍数为 0，共模干扰信号得到有效抑制，共模抑制比接近无穷。总结差分放大电路特性。引导学生课后对双端输出单端输入、单端输出双端输入、单端输出单端输入进行仿真验证。记录相关数据便于后期与实验室模拟数据进行对比分析。2.3预期取得成果通过课前备课加入仿真模块、课堂仿真演示和课后作业布置，帮助学生进一步了解课堂中抽象的原理，以及课堂内容知识的验证和应用，并通过课后作业完善学生的知识架构和实操能力。培养学生工程性思维，为后续电路类课程学习打下基础。3结束语通过实际课堂证，采用仿真软件融入理论教学方式，与传统教学方式相比较，学生的整体学习积极性、对理论知识的掌握和动手能力都得到提高。与传统教学方式相比，采用该课题教学方式的学生后期相关课程或者工程应用能力普遍提高。采用该课题教学方式，学生的探究精神、解决问题的能力得到发展，自我效能感得到强化，增强了学习过程中的兴趣和自信心。参考文献1 景远.仿真软件在高校电工电子实验教学中的应用 J.电子技术与软件工程,2022(003):000.2 蒲恬,彭真明.依托虚拟仿真平台的 光电图像处理 课程实验教学改革探索以成像目标检测与跟踪实验为例 J.工业和信息化教育,2022(10):5.3 陈素娟.“翻转课堂”模式在高校历史学课程教学中的应用研究 J.赤峰学院学报:汉文哲学社会科学版,2022,43(9):94-97.4 张丽媛,杨子禹,梁春蕾.信息化教学在高校课程中的应用研究 J.教育现代化,2020,v.7(19):151-153.5 Sun C.Research on the Application of SPOC Online and Offline Hybrid Teaching Mode in College English CurriculumC/Microelectronics Systems Education.IOP Publishing,2020.