摘要本文结合电工电子课程教学以及课程设计实践，对传统的教学模式进行改革和创新，将虚拟仿真软件Multisim10应用于“电工电子技术”课程教学中，并通过基本共射放大电路等实例介绍了Multisim10软件在课堂教学和课程实践中的应用。教学实践表明，仿真技术能弥补传统实验的不足，优化电路设计，提高学生设计与开发电路的能力。
关键词 虚拟仿真 电工电子 教学 实践
中图分类号：G420文献标识码：A
The Application of Virtual Simulation Technology in
"Electrical and Electronic Technology" Teaching
YU Ruihong, LIU Shucong, WANG Quansheng
(Institute of Disaster Prevention, Sanhe, Hebei 065201)
AbstractSome reform and innovation were done on the traditional teaching model, combining with electrical and electronics teaching and curriculum design practice. Virtual simulation software Multisim10 were applied to the "electric and electronic technology" teaching, and the application of software Multisim10 in classroom teaching and curriculum practice were introduced, through the basic common-emitter amplifier and other examples. The teaching practice showed that simulation technology can compensate for the lack of traditional experiments, optimize circuit design, and improve the level of student to design and develop circiuts.
Key wordsvirtual simulation; electrical and electronic; teaching; practice
0 引言
电工电子技术是一门实践性很强的专业基础课，实验教学在这门课程中占有举足轻重的地位，它着重培养学生的实验操作技能和严谨踏实的科学作风，是提高学生分析问题、解决问题以及理论联系实际能力的重要环节。目前，传统的电工电子实验是学生在实验室根据给定的电路图和元器件搭建实验电路，用仪器测量数据，得出结论。传统实验教学在学生增加实物电子元器件知识、培养正确使用仪器仪表的方法及掌握基本的工程测量技术等方面有着无可替代的优势。但是，传统实验也存在实验器件老化，调试不方便，读数误差大，综合性和设计性实验比例偏少等缺点，不利于促进学生综合能力和创新能力的培养。
随着计算机技术的发展，现在已出现利用计算机仿真技术来完全或部分模拟实验设备的情况，运用电路设计仿真软件设计电路，是提高电子线路设计水平和能力的有效方法。利用虚拟仿真技术，教师在用电子教案教授理论知识的同时，可用仿真软件教学，使理论和实践相结合，让学生亲自感受到实际动手操作的乐趣，有效地提高了学生的学习兴趣和效率。
1 仿真技术在教学中的应用
仿真教学是现代教学中的一种全新的教学模式，它既是一种重要的教学方法、教学手段，又是一种新的教学理念。它在教学中显示出来不受时间、空间、经费、组织形式制约的优点和作用是传统教学无法比拟的。Multisi10仿真软件具有友好的用户界面，操作方便，具有数字、模拟及数字/模拟混合电路的仿真能力。它提供的测试仪器和某些仿真元器件的外形与实物非常接近，操作方法也基本相同，是一款非常好用的电子电路仿真软件。将Multisim软件应用于电子技术的教学中，有利于改善教学方法和提高教学效果，有利于学生理解抽象的知识，激发学生的学习兴趣，提高学生综合设计能力。下面结合具体的实例说明Multisim软件在课堂教学中的应用。
1.1 共射放大电路分析
图1基本共射放大电路
图2射极电压图3共射放大电路三极电压
在三极管的基本电路分析这一节中，有不少知识点学生感到难于理解，在做实验时所测得的数据也不一定与理论符合，而我们通过仿真可以很好地掌握各个知识点。首先，依照所设计的电路图搭建电路，如图1所示，接入电压表，编辑完元件(元件参数及标签，快捷键等)后进行电路仿真；然后双击万用表（XMM1）图标，就可以观察三极管e端对地的直流电压，如图2所示。
（1）静态分析。在前面搭建好的电路之上，调节滑动变阻器的阻值，使万用表的数据为2.2V。执行菜单栏中simulate/analyses/DC Operating Point，这样便可得到三极管的三个极的静态电压，即基极，射极，集电极的直流电压，如图3所示。
（2）动态分析。在图1中在输入端加入幅值为 10mV的正弦电压信号，输出端分别接1.5k负载和空载。单击仪表工具栏中的第四个按钮（即：示波器Oscilloscope），并将其接入电路中。单击工具栏中运行按钮，便进行数据的仿真。然后双击示波器图标，得放大电路在接1.5k负载和空载时的输出电压波形，如图4和图5所示。
根据以上仿真结果，学生们可得出如下结论：①静态时基极和射极间电压UBEQ为0.6V~0.8V；②输出电压比输入电压幅值大，电路具有电压放大作用；③输出电压与输入电压在相位上相差 1800，共射极电路具有反相作用；④放大电路的放大倍数与负载有关，负载越大，放大倍数越大。
学生通过观察仿真结果、思考、总结归纳得这些结果，因此印象深刻，理解较透彻。
1.2 低通二阶滤波电路分析
图6 低通二阶滤波电路
图7低通二阶滤波电路特性
2 仿真技术在课程实践中的应用
有源滤波器在信号处理中有广泛的应用，尤其是去除传输过程中无用或者有害信号的频率分量。以前通过理论计算分析有源滤波器的幅频特性，现在利用Multisim仿真软件可得到各种滤波器的幅频特性曲线图，与理论分析对比，学生能够更加形象地掌握各种滤波电路的功能和特性。搭建如图6所示的低通二阶滤波电路，进行仿真之后得到图7所示的频率特性，可以比较直观地看出此滤波电路就是低通滤波电路。通过仿真实验，学生可以自由改变系统的结构、参数，通过观察各个节点的波形来了解模型中每一部分对结果的影响，直到找到满意的理论模型和相应的参数，将呆板的实验变为研究性的学习。
将虚拟仿真技术应用于电工电子技术理论课教学，借助电子线路仿真功能，随时改变电路结构和参数，动态演示电路的特性变化，将原来非常抽象复杂的理论知识变得直观形象，增强了学生的感性认识，加深了对所学知识的印象，降低了学习难度，提高了课堂效率和教学效果。
在课程综合设计和实践中，受实验经费、实验场地、实验耗材等条件的限制，综合性、设计性实验比例偏少，不利于促进学生自主创新意识和创新能力的培养。Multisim软件如同一个大的电工电子实验室，不受器件种类、数量和实验设备的限制，教师可以指导学生做一些综合性、设计性实验，比如数字电路中的数字钟，多功能抢答器，频率计，信号发生器等综合性的实验，这些都能够很好地提高学生的能力，促进学生自主创新意识和创新能力的培养。下面以数字钟为例简单说明数字钟的设计原理。
2.1 设计要求
要求设计一个具有“时”、“分”、“秒”的十进制数字显示(小时从00~23)的计时器，具有手动校时、校分的功能，用74系列中小规模集成器件去实现。
2.2 数字计时器的基本设计原理
数字计时器一般都由振荡器、分频器、译码器、显示器等几部分组成。其中，振荡器和分频器组成标准秒信号发生器，由不同进制的计数器、译码器和显示器组成计时系统。秒信号送入计数器进行计数，把累计的结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。“时”显示由二十四进制计数器、译码器和显示器构成；“分”和“秒”显示分别由六十进制计数器、译码器和显示器构成。数字钟原理框图如图8所示，主要设计部分分析如下：
（1）振荡器:通常选用石英晶体来构成振荡器电路。一般来说，振荡器的频率越高，计时的精度就越高。
（2）分频器:功能主要有两个：一是产生标准秒脉冲信号；二是可提供功能扩展电路所需要的信号。选用中规模计数器74LS90D,每片为1/10分频器,选择合适的片数级连即可获得1Hz标准秒脉冲信号。如果振荡频率为100kHz，就得需要5片74LS90D进行级连。
（3）计数器：根据图8所示，显示“时”、“分”、“秒”需要6片中规模计数器。其中，“分”、“秒”位计时各为六十进制计数器，“时”位计时为二十四进制计数器。六十进制计数器和二十四进制计数器都选用74LS90D集成块，采用反馈清零法。
（4）校时电路：当刚接通电源或计时出现误差时，都需要对时间进行校正。将各模块连接成完整的电路，就能方便地设计出数字钟电路，使得学生们能够学以致用，激发了他们的学习兴趣，另外通过不断的改变控制逻辑电路部分，可以使电子钟表的功能不断地得到完善，使得学生们的创新能力得到了锻炼和提高。
图8数字钟设计原理图
3 结束语
Multisim软件如同一个大的电工电子实验室，可以弥补实验设施的不足,为实验提供了极大的便利，极大地提高了实践教学环节的质量；Multisim软件还可以辅助理论教学，教师可以在讲解完理论后直接进行实验和演示，使得物理过程更为形象直观；此外，Multisim软件用户界面直观，操作方便，学生在课后可自己设计电路，加理解电路功能及仪器仪表的使用，还可激发学生的学习兴趣，有效地调动学生的主观能动性，学生可以自主开发和设计一些电路，激发了学生的创新意识，培养了学生的创新能力。
利用Multisim软件提供的虚拟电子工作平台，可以方便地完成各项实验和教学工作。 但是仿真软件的操作不能代替实际电路，要充分发挥传统实验和虚拟实验各自的优势，在保留传统硬件实验的前提下，将以计算机仿真技术为主的仿真实验融合到传统的实验教学中来，构建一个新型的实践教学体系，以提高学生动手能力、分析问题解决问题的能力，提高学生自主创新意识和创新能力，全面提升学生的综合素质。
参考文献
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