基于Multisim的電子技術課程虛擬實驗環(huán)境創(chuàng)設
摘要: 利用EDA仿真工具Multisim,搭建實驗仿真電路,在課堂教學中創(chuàng)設虛擬實驗環(huán)境,并在此環(huán)境下采用理論與實踐相結合的教學模式開展教學,以解決傳統教學模式下存在的問題。
Abstract:
Key words :
電子技術課程實踐性強,必須用大量的實驗來輔助和加深理論學習,但受到實驗學時分配和實驗室資源配置的限制,教學過程中存在理論教學與實踐教學脫節(jié)的問題,課堂教學的效果不好,效率不高。
利用EDA仿真工具Multisim,搭建實驗仿真電路,在課堂教學中創(chuàng)設虛擬實驗環(huán)境,并在此環(huán)境下采用理論與實踐相結合的教學模式開展教學,以解決傳統教學模式下存在的問題。
1 Moltisim簡介
Multisim是最新EDA工具之一,是以Windows為基礎的仿真工具,包含原理圖和硬件描述語言輸入工具,具有豐富的仿真分析能力,用于板級的電子電路設計。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內容,設計者無需深入了解SPICE技術就可進行仿真、分析和設計。
Multisim的重要特征包括:通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境,輕松設計電路;通過交互式SPICE仿真,迅速了解電路行為;借助高級電路分析,理解基本設計特征;通過一個工具鏈,無縫地集成電路設計和虛擬測試;通過改進、整合設計流程,減少建模錯誤并縮短建模時間。
Multisim經過多個版本的發(fā)展,目前普遍使用Multisim 10。Multisim與Labview完美結合,用戶可以根據需求制造出屬于自己的儀器,教育工作者可以方便地把理論知識用計算機仿真真實的再現出來,解決理論教學與實驗相脫節(jié)的問題。
2 電子技術虛擬實驗環(huán)境創(chuàng)設
電子技術課程理論系統性強,概念抽象,對學生實踐能力要求高。利用EDA工具,選擇課程中的重點和難點內容進行實驗仿真,創(chuàng)設虛擬實驗環(huán)境,開展以模擬、仿真實驗為基礎的計算機輔助課堂教學,通過實驗驗證理論和“實驗結果”的反復重現,增強抽象概念的直觀性,加強學生的認知、理解和記憶強化;通過學生參與實驗過程,增強課堂的互動性和趣味性,達到培養(yǎng)能力,提高教學效果的目的。
模擬電子技術課程可創(chuàng)設的虛擬實驗環(huán)境有:阻容耦合放大電路、差分放大電路、兩級阻容耦合放大電路、負反饋放大電路、電壓比較器、互補功率放大電路、正弦波振蕩電路、和整流-濾波-串聯穩(wěn)壓電路。
數字電子技術課程教學中可以創(chuàng)設:集成門電路、組合邏輯電路、觸發(fā)器、時序邏輯電路、555定時器及其應用、D/A及A/D轉換器。
3 應用舉例
本文以單級阻容耦合共射放大電路為例,介紹基于Multisim技術的虛擬實驗環(huán)境的創(chuàng)設。
通過阻容耦合放大電路實驗環(huán)境,可以開展工作在放大狀態(tài)下三極管電流分配關系,靜態(tài)工作點與三極管飽和、放大、截止三個狀態(tài)之間的關系,工作點與溫度的關系,元件參數對放大倍數、輸入電阻和輸出電阻的影響等實驗演示教學。
根據教學需求,創(chuàng)設實驗環(huán)境,在Multisim上搭建測試電路,圖1為單級阻容耦合共射放大電路,圖2為靜態(tài)測試電路。設置實驗所需的信號發(fā)生器、電流表和示波器,調整好測試參數。
利用EDA仿真工具Multisim,搭建實驗仿真電路,在課堂教學中創(chuàng)設虛擬實驗環(huán)境,并在此環(huán)境下采用理論與實踐相結合的教學模式開展教學,以解決傳統教學模式下存在的問題。
1 Moltisim簡介
Multisim是最新EDA工具之一,是以Windows為基礎的仿真工具,包含原理圖和硬件描述語言輸入工具,具有豐富的仿真分析能力,用于板級的電子電路設計。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內容,設計者無需深入了解SPICE技術就可進行仿真、分析和設計。
Multisim的重要特征包括:通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境,輕松設計電路;通過交互式SPICE仿真,迅速了解電路行為;借助高級電路分析,理解基本設計特征;通過一個工具鏈,無縫地集成電路設計和虛擬測試;通過改進、整合設計流程,減少建模錯誤并縮短建模時間。
Multisim經過多個版本的發(fā)展,目前普遍使用Multisim 10。Multisim與Labview完美結合,用戶可以根據需求制造出屬于自己的儀器,教育工作者可以方便地把理論知識用計算機仿真真實的再現出來,解決理論教學與實驗相脫節(jié)的問題。
2 電子技術虛擬實驗環(huán)境創(chuàng)設
電子技術課程理論系統性強,概念抽象,對學生實踐能力要求高。利用EDA工具,選擇課程中的重點和難點內容進行實驗仿真,創(chuàng)設虛擬實驗環(huán)境,開展以模擬、仿真實驗為基礎的計算機輔助課堂教學,通過實驗驗證理論和“實驗結果”的反復重現,增強抽象概念的直觀性,加強學生的認知、理解和記憶強化;通過學生參與實驗過程,增強課堂的互動性和趣味性,達到培養(yǎng)能力,提高教學效果的目的。
模擬電子技術課程可創(chuàng)設的虛擬實驗環(huán)境有:阻容耦合放大電路、差分放大電路、兩級阻容耦合放大電路、負反饋放大電路、電壓比較器、互補功率放大電路、正弦波振蕩電路、和整流-濾波-串聯穩(wěn)壓電路。
數字電子技術課程教學中可以創(chuàng)設:集成門電路、組合邏輯電路、觸發(fā)器、時序邏輯電路、555定時器及其應用、D/A及A/D轉換器。
3 應用舉例
本文以單級阻容耦合共射放大電路為例,介紹基于Multisim技術的虛擬實驗環(huán)境的創(chuàng)設。
通過阻容耦合放大電路實驗環(huán)境,可以開展工作在放大狀態(tài)下三極管電流分配關系,靜態(tài)工作點與三極管飽和、放大、截止三個狀態(tài)之間的關系,工作點與溫度的關系,元件參數對放大倍數、輸入電阻和輸出電阻的影響等實驗演示教學。
根據教學需求,創(chuàng)設實驗環(huán)境,在Multisim上搭建測試電路,圖1為單級阻容耦合共射放大電路,圖2為靜態(tài)測試電路。設置實驗所需的信號發(fā)生器、電流表和示波器,調整好測試參數。
課堂教學中,借助創(chuàng)設的實驗環(huán)境,運行電路仿真,可以開展如下的實驗演示教學。
在圖2電路中,接通直流電源,觀察三極管的工作狀態(tài),加深學生對靜態(tài)工作狀態(tài)的理解,消除在靜態(tài),即沒有變化信號輸入時,三極管沒有工作電流的認識誤區(qū)。
在圖2電路中,改變電路元件R1,R2和V2的參數,觀察靜態(tài)工作點Q的變化,加強學生對電路參數決定靜態(tài)工作點位置的掌握。
在圖1電路中,信號發(fā)生器輸入變化信號,通過雙通道示波器觀察實際電路波形輸出結果,如圖3所示,使學生加深對共射放大電路放大情況,輸出與輸入相位關系的理解與認識。
在圖1電路中,調節(jié)負載電阻RL,觀察負載對放大倍數的影響,加深理解。調節(jié)R1,改變靜態(tài)工作點位置,使波形發(fā)生失真,讓學生直觀形象地了解放大器的非線性失真的情況。
4 結論
單級阻容耦合共射放大電路是模擬電子技術課程講授的第一個電路,正確理解并牢固建立靜態(tài)工作點、放大倍數、波形失真等有關概念,掌握這些概念之間以及它們與電路參數之間的關系,對整個課程的學習是至關重要的。學生對動態(tài)放大、波形失真與靜態(tài)工作點關系的理解,既是教學的重點,又是教學的難點。在本例的教學活動中,通過創(chuàng)設的實驗環(huán)境仿真分析電路,測試電路參數和觀察波形,并通過反復的演示和觀察,開展充分的互動教學,就可達到消除學生的認知誤區(qū),深化對上述概念的理解和掌握,取得良好的教學效果。
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