仿真技术在模拟电路实验教学中的应用研究

模拟电路是高校电类相关专业的一门重要学科基础课，该课程理论复杂，概念抽象，逻辑性强，在课堂教学中，对基础电路推理演绎较多，学生被动地接受知识，难以将理论与工程实践联系到一起，导致学生动手能力差，缺乏创新精神，解决这一问题的最好办法就是加强实验教学。传统的模拟电路实验教学是在实验箱上完成的，实验项目较为单一，仅能在实验箱上提供的固定实验项目中进行选择；实验过程中，学生只需参照实验指导书连线、测试，虽然完成了实验，但对电路工作原理的理解并不深刻，影响了学生进行实验研究的积极性和主动性；此外，由于部分学生操作不当，导致实验设备或测试仪器损坏，为保证每次实验的正常进行，教师必须在课前花费大量的时间排除设备故障，不仅影响了实验效果，而且大大增加了教师的工作量，降低了实验效率。仿真技术是继数学推理与科学试验之后认识世界自然规律的第三类基础方法，随着计算机技术、信息处理技术和虚拟现实技术的飞速发展，仿真技术在设计制造、教育科研等领域得到了越来越广泛的应用。常用的电子类仿真软件包括Spice、Saber、Multisim及Proteus等，通过提供一种与实际实验室相近似的实验环境，学生可以对电路原理及理论进行科学验证，对电路进行故障分析和测试，掌握简单应用电路的设计方法，大大提高了学生的动手能力和创新能力，同时可有效解决实验硬件资源紧张的问题[6]。
1 Multisim仿真软件
Multisim是美国国家仪器公司（NI）推出的基于Windows平台的交互式电路仿真软件，由于无可比拟的易用性及其强大的仿真功能，成为业界最为成功的一款仿真软件，已得到广大高校师生、科技工作者和电子爱好者的青睐。它为使用者提供了一个集成的一体化实验环境，采用图形化的输入方式，只需通过器件选取、仪器选用、导线连接，就可以完成电路的搭建与仿真分析，目前已被广泛应用于各大高校的电子类课程的课堂教学中。Multisim提供了丰富的资源，以目前较为流行的Multisim12软件为例，元件库提供15大类24800余种元件，包括各种信号源、基本元件库、二极管库、晶体管库等，并且支持在线更新；虚拟仪器库提供万用表、函数信号发生器、示波器、逻辑分析仪等18种虚拟仪器，并且在功能和操作面板上与现实仪器保持一致；此外，拥有VHDL和Verilog设计接口和仿真功能、FPGA和CPLD综合、RF设计能力和后处理能力，还可以导出制作PCB板的设计数据，实现与PCB制作软件的无缝数据传输；可实现低频电路和高频电路、线性电路和非线性电路、模拟电路和数字电路、分立元件和集成电路的仿真分析，涉及领域包括电子、通信、航空航天、国防军事等。该软件几乎能够100%地仿真出真实电路的结果，并且容易制作电路模型，借助高级分析功能，可快速分析电路行为，理解电路基本设计特征。
2 Multisim在模拟电路实验教学中的应用
2.1单级共射放大电路仿真实验
在模拟电路中，单级共射放大电路是基本电路单元，是后续复杂放大电路学习的基础，也是教学过程中的重点和难点。作为基本放大电路，只有正确设置静态工作点，才能保证无论是在交流信号的正半周还是负半周，三极管始终能工作在发射结正偏、集电结反偏的放大状态。若静态工作点偏高，输出信号将出现饱和失真，反之，将出现截止失真。
图1(a)所示为单级共射放大电路，我们可以通过理论计算或Multisim实验仿真的方式求电路的静态工作点Q。

图1 单级共射放大电路
2.1.1理论计算
画出图1(a)所示电路的直流通路，如图1(b)所示。根据基极回路方程可得：

2.1.2Multisim实验仿真
（1）创建仿真电路
在Multisim12环境中创建仿真电路时，需根据电路原理图从元件库中选取合适的元器件，利用快捷菜单中的旋转、水平、垂直翻转命令适当调整元件方向并进行合理布局，用导线将元件按实验电路要求进行连接，同时设置必要的元件参数。实验中晶体管采用虚拟晶体管，直流电源采用虚拟电源，设置VCC为+15V，输入信号ui为正弦波，其峰值为1mV、频率为1kHz，电容C1、C2设置为10μF。设置虚拟晶体管的模型参数BF=100，然后从仪器栏中选择信号源和双踪示波器，放置到合适的位置并连接到电路中，仿真电路如图2所示。

图2 单级共射放大仿真实验电路
（2）测试静态工作点Q
在Multisim12中，可通过两种方法测量电路的静态工作点。第一种方法与实物实验测试方法相同，即将交流信号源置零，电容开路，电感短路，用虚拟仪器栏中的万用表进行测量；第二种方法是利用Multisim12提供的图形分析窗口快速地分析电路的直流工作点。为使学生更好地掌握实验过程，要求同时用两种不同的方法测量电路的直流工作点，这里给出第二种测量方法和测量结果。在Multisim12中执行菜单命令Simulate/Analysis/DCOperatingPointAnalysis，在弹出的对话框中确定需测量的电路变量ic、ib、V(1)、V(2)，即ICQ、IBQ、UBEQ、UCEQ，单击Simulate按钮即可得到仿真结果，如图3所示。

图3 直流工作点分析结果
从图中可以看出，仿真分析得到的ICQ、IBQ、UBEQ、UCEQ值与理论分析结果有一定的误差，产生误差的原因主要是由于实际晶体管发射结导通电压值与估算时采用的电压值有差别。
2.2文氏桥振荡器仿真实验
振荡器可以产生稳定的周期性频率信号，在无线电广播、卫星通信、收音机、电视机等电子设备中有着广泛应用。文氏桥振荡器又称为RC桥式正弦波振荡器，能够输出周期性的正弦波信号，是模拟电路中的一个基本电路，其仿真电路如图4所示。图中，R1和C1串联构成选频网络，R2和C2并联构成正反馈网络，两个网络构成桥路，同时引入电压串联负反馈。文氏桥振荡器起振过程分为起振、选频放大、限幅和稳定输出几个阶段，其振荡频率为11f=1/(2_RC)，放大倍数为43A=1+R/R，只要保证A略大于3，电路即可正常起振。

图4 文氏桥振荡仿真实验电路
在Multisim12中创建图5所示的仿真电路后，执行菜单命令Simulate/Analysis/ParameterSweep，将打开参数扫描分析设置对话框，以R3作为待扫描元件，以电阻值作为元件参数，设置扫描的变量类型为List，值为900，1000，1100，单击对话框中的Simulate按钮启动参数扫描分析，得到如图5所示的扫描分析结果。

图5 参数扫描分析结果
从图中可以看出，当R3取值为1000时，电路可以正常起振，而且没有明显的失真；当R3取值为900时，电路起振时间短，但失真很大；当R3取值为1100时，电路不能起振。
3 结论
在传统的模拟电路实验教学中，部分实验操作难度大，实验耗时多，难以在有限的时间内穿插演示，实现即时验证。将Multisim仿真软件应用于模拟电路的实验教学，可以快速构建电路原理图，利用虚拟仪器，构建完整的实验过程，得到贴近实际的仿真结果，可有效提高实验效率。学生通过搭建仿真电路，对电路的组成及工作原理将有一个更好的认知，改变了仅依靠实验箱上固定电路完成实验的弊端。同时，仿真实验可以完全避免因操作不当而导致实验设备、器件损坏的风险，降低了实验成本，提高了实验项目的开出率，有利于学生实践动手能力、创新精神和创新能力的培养，可有效提高学生学习的积极性和主动性，从而取得更好的教学效果。