[摘要] 本文在介绍Multisim9基本功能的基础上,结合电工电子教学实践,进行大胆的尝试,通过一些典型的实例,提出仿真方法和并给出仿真结果,达到了直观教学,一定程度上替代实验实习教学,以达到帮助学生理解原理,提高分析能力的目的。
[关键词] EDA仿真 Mulitisim 电工电子教学
本人从事电工电子教学十数年,深知电工电子理论对于学生的困难,所以在教学中,力求把能开的实验、能上的实习课均尽量开设,虽然因陋就简,或者只是蜻蜓点水,但学生兴致很高,取得了较好的效果。可是学生往往只是满足于好奇心,并不能弄清个中道理。因而直观的实验并不能完全替代理论教学,那么能否兼顾基础理论和直观性呢?笔者选择了仿真的手段,从早期的Electricity WorkBench到后来的Multisim2001,直到现在的Multisim 9,都进行了适时的了解与应用,下面就一些典型的电工电子问题举例说明。
一、Multisim 9的快速入手
启动Multisim9后,首先要绘制出一个电路,建立电路主要用到两个工具栏:元件和仪器,那么我们就要认识这两个工具栏。如果没有这两个工具栏,可以在菜单栏中的“视图”“工具栏”的下拉菜单中勾选“元件”和“仪器”即可。
1.元件工具栏
元件工具栏主要让我们放置一些常用的电路元器件,各图标的含义是:电源元件、模拟元件、基础元件、三极管、二极管、TTL集成电路、CMOS集成电路、机电类元件、指示器和三种杂项元件、射频元件等。其中我们常用到的是电源元件和基础元件,基础元件中包括电阻、电容和电感等。
2.仪器工具栏
仪器工具栏主要用于放置各种虚拟仪器,这些仪器分别是万用表、失真分析仪、功率表、示波器、信号发生器、频率计、四踪示波器、安捷伦信号发生器、波特图示仪、字发生器、逻辑转换器、IV分析仪、逻辑分析仪、安捷伦万用表、网络分析仪、安捷伦示波器、测量探针、频谱分析仪、泰克示波器等。
3.绘制简单电路
我们以最简单的串联电路为例,先单击元件工具栏中的电源元件图标,将弹出选择元件的对话框,在“系列”中选择“POWER_SOURCE”(电源),在“元件”中选择“DC_POWER”(直流电源),再单击“确定”,然后在电路窗口的适当位置单击,就向Multisim仿真软件中引入了一个直流电源,双击它的图标,可以在“参数”中改变其电压(Voltage)大小,或者在“标签”改变它的名称,在这里我们没作任何改动,就用它的默认值。接下来再添加两个电阻:单击元件工具栏中的基础元件图标,同样也弹出选择元件的对话框,在“系列”中选择“RESISTOR”(电阻),在“元件”中分别选择“20Ω”和“30Ω”,放入电路窗口,为美观一点,单击电阻的图标,可在菜单“编辑”的下拉菜单中选择“90°顺时针方向”将它们竖直放置。
Multisim仿真中必须要有接地点以便于仿真分析中计算各节点电位,所以一定要向电路中引入一个接地端,方法和引入电源的基本相同,只是在“元件”中选择“DGND”(数字地)或“GROUND”即可,如果没有引入接地端就会出现“电路没有接地,仿真需要至少一条地线”的错误提示。
为能观察仿真的结果,还必须添加一些测量仪表,这里我们添加两个万用表分别用来测量电路中的电流和R1两端的电压,添加的方法是在仪器工具栏中选择万用表的图标单击,然后在电路窗口适当位置单击便放置了该万用表,双击万用表的图标,会出现该万用表的面板,使万用表XMM1工作于直流(—)电流(A)的测量方式,万用表XMM2工作于直流(—)电压(V)的测量方式(这是默认的工作方式)。
最后将电路元件和测量仪器连接起来,连接它们只要单击其引脚,然后移动鼠标到欲连接的另一引脚并单击即可,很是方便,连好的电路后,打开仿真开关,或按快捷键“F5”便开始运行仿真程序,两表测量出电路中电流为240mA、R1的电压为4.8V,这个结论我们很容易用《电工基础》的知识来验证。 二、基本定理定律的验证
电路原理中有很多定理、定律,这些基本定理、定律的掌握和应用对学生学习电路原理有着莫大的帮助,下面我们通过Multisim9来验证其中的一些定理、定律。下面以叠加原理为例加以说明。
叠加原理是分析线性电路的一个重要规律,它是指多个电源组成的线性电路,各支路电流(或各元件电压)等于各电源单独作用时产生的相应电流(或电压)的代数和。
如图所示电路,两个电压源V1、V2和电阻R1、R2、R3构成复杂电路,两个开关J1和J2用于控制这两个电压源是否起作用,首先按A键使电压源V1起作用,而V2则不接入电路用导线替代,相当于电压源V1单独作用,如(a)图所示,此时测得电流表示数为0.300A,同样使电压源V2单独作用,如(b)图所示,测得电流表示数为0.450A,然后再让两个电压源均起作用,如(c)图所示,测得电流表示数为0.750A。显然0.750A=0.300A+0.450A,故验证了叠加定理。
Multisim9仿真软件的功能非常强大,不仅有大量的元器件库、逼真的虚拟仪器,甚至还具有一些3D效果的元件(笔者使用的是汉化了的Multisim9教育版),仿真分析方法也比较全面,既可在电子教学中充分展示其“才能”,也可以在EDA中“大显身手”。但仿真软件也不是万能的,它只是作为一种辅助手段为我们的教学或设计服务,我们应该将仿真与实践相结合,努力培养出符合社会需要的应用型人才。
参考文献:
[1]周凯.EWB虚拟电子实验室—Multisim7&Ultiboard7电子电路设计与应用[M].北京:电子工业出版社,2005.6.
[2]赵世强,许杰,荆炳礼,王兴亮,王瑜.电子电路EDA技术 [M].西安:西安电子科技术大学出版社,2000.7.
[3]杨欣,王玉凤,刘湘黔.电路设计与仿真—基于Multisim8与Protel2004[M].北京:清华大学出版社,2006.4.