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虚拟仿真软件在高校电子技术教学中的应用

来源:UC论文网2020-09-04 13:41

摘要:

  摘要:顺应“互联网+”时代教学主体、教学资源与教学媒介等要素的变革与发展,高校教师均在探索符合自己学校需求的线上+线下混合式教学方法。针对中国传媒大学南广学院电子技术类课程目前教学现状和存在的问题,提出了将Multisim仿真软件引入到课程的实验教学中,并通过具体实例来说明Multisim虚拟仿真软件在实际教学中的应用和优势。同时在目前“停课不停教,停课不停学”的网络授课过程中加以应用,为后续...

  摘要:顺应“互联网+”时代教学主体、教学资源与教学媒介等要素的变革与发展,高校教师均在探索符合自己学校需求的线上+线下混合式教学方法。针对中国传媒大学南广学院电子技术类课程目前教学现状和存在的问题,提出了将Multisim仿真软件引入到课程的实验教学中,并通过具体实例来说明Multisim虚拟仿真软件在实际教学中的应用和优势。同时在目前“停课不停教,停课不停学”的网络授课过程中加以应用,为后续的课程教学改革提供了一种教学思路和方法。


  关键词:Multisim;虚拟仿真;电子技术;实验教学


  中图分类号:TP391.9;G712文献标识码:A文章编号:2096-4706(2020)07-0183-04


  ApplicationofVirtualSimulationSoftwareintheTeaching


  ofElectronicTechnologyinUniversities


  CAOHaiyan1,ZHANGDawei2


  (1.SchoolofCommunicationTechnology,CommunicationUniversityofChina,NanguangCollege,Nanjing211172,China;


  2.AcademicDepartmentofCommunicationUniversityofChina,NanguangCollege,Nanjing211172,China)


  Abstract:Conformtothetransformationanddevelopmentofthemainelementsofteaching,teachingresourcesandteachingmediainthe“internetplus”era,mostteachersareexploringonlineandofflinehybridteachingmethodsthatmeettheneedsoftheirownuniversities.Inviewofthecurrentteachingsituationandproblemsofelectronictechnologycoursesinourschool,thispaperpresentsamethodologytoapplyMultisimvirtualsimulationsoftwareintoexperimentalteaching.TheapplicationandadvantagesofMultisimvirtualsimulationsoftwareinpracticalteachingareillustratedbyspecificexamples.Itisappliedinthenetworkteachingprocessof“nostopteaching,nostoplearning”,Italsoprovidesakindofteachingthoughtandmethodforthefollowingteachingreform.


  Keywords:Multisim;virtualsimulation;electronictechnology;experimentalteaching


  0引言


  我校現有电子信息类广播电视工程、通信工程、电子信息工程专业和计算机类计算机科学与技术、数字媒体技术、智能科学与技术共计6个专业,电子技术课程是上述专业的重要专业基础课。是学生硬件类课程的基础,为学生后续专业课学习、毕业设计、创新创业大赛、各类计算机设计竞赛以及从事硬件类工作、科研提供了重要的保障。长期以来,课程的主要任务就是掌握电子电路的基本原理,强调电路的分析方法与设计研究,尤其是注重学生掌握电子电路器件的外部特性与实际应用能力的培养。因此,如何紧跟电子技术的发展,搞好课程教育和教学改革,提高教学质量,是高校教师一直研究的内容文章文结合学校的实际,提出在电子电路课程的教学中引入虚拟仿真软件,辅助理论教学、补充实验设备不足,进一步引导学生应用到课程设计、毕业设计和电子设计竞赛,提高人才培养的质量。


  1虚拟仿真软件在电子技术教学中的可行及必要性


  在电子技术课程的教学中,由于该课程工程实践性强,需要理论教学与实验教学相结合,培养学生的动手能力和科技创新能力。教师既需要在课堂上进行一些简单必要的演示实验来引导学生掌握理论知识点,也需要让学生课后实际动手实验实践。因此,在工科教学过程中实验环境或不可缺。传统的课程教学采取课程实验定制电子技术实验箱,并需要配备相应的信号源和测量仪器等多个仪器。但是定制实验箱的电路元器件参数被限定了,更换不同参数的元器件不方便,对于一些扩展实验,综合设计类实验实训存在一定的局限性;并且由于我校为传媒类院校,对工科专业实验室的投入资金有限,不可能购买所有能用到的实验箱和仪器仪表;而且学生在实验过程中不能够完全掌握元器件在电路中的作用,在实验验证过程中会发生元件参数错误、电路连线错误、仪器仪表使用错误等,导致仪器仪表损坏;由于不可避免的情况,无法正常线下授课学习,只能网络学习的情况下,师生均采购实验设备是不切实际的事情。综合上面几点考虑,如果能有一种虚拟仿真软件,有丰富的元器件库和仪表资源、能够方便修改元器件参数进行电路分析等相关功能的软件,可以针对性地解决上述问题。而Multisim软件能够满足以上实验教学和实验设计需求。


  2Multisim软件主要功能和优点


  Multisim是美国国家仪器(NI)公司推出的电子电路仿真软件,它用软件的方法虚拟电子元器件以及各类电子电工仪表,通过软件将元器件和仪器融为一体,能满足中小规模的模拟、数字逻辑以及混合电路的仿真需要,软件的主要特点如下。


  2.1图形界面直观易用


  该软件的操作界面延续了EWB软件的实验工作台的特点,可以像在纸上绘制电路图一样,利用鼠标直接拖拽电路元件和测试仪器放置在界面上,并可以直接用鼠标划线构成导线连接元件。


  2.2丰富的元器件和测试仪器


  该软件元件和仪表资源非常齐全,提供了当前国际主流元件商提供的一万多种元件,并且可以通过设置修改元件的基本参数,甚至可以在设计过程中创建自己需要的新的元器件。测试仪器库的测试仪器也很齐全,涵盖目前市面常用的测量仪器,并且面板设置跟真实仪器非常相似,使用方法一样。


  2.3强大的仿真和电路分析功能


  该软件具有较强的电路仿真和分析功能,可以提供电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、线性和非线性分析等多种电路分析方法;还可以设计、测试和演示各类电子电路,包括电路基础、模拟电子电路、数字电子电路、高频电子电路及部分微机接口电路等。


  基于该软件的上述特点,在高校电子技术基础课程教学中,可以利用仿真软件检测设计电路的正确与否,及时排查错误。相对于利用实际硬件验证,提高了效率,节省了时间,避免了实际原材料的消耗和浪费,节约成本。并且在仿真的过程中,可以快速修改参数,及时观察出电路的输出情况,理解不同元件、不同参数对整个电路的影响,加深对实验实训内容的理解,掌握理论知识。[2]


  3Multisim在电子技术教学中的应用


  基于Multisim软件在电子技术课程中采用虚拟仿真教学法,不仅可以及时将抽象的概念形象化,还可以将一些学习方法等以动态方式体现出来,降低了学生学习理解的难度,拉近了课程教学目标与市场需求的距离;还可以根据需要随意控制,使實验结果反复重现,大大提高了课堂教学效率,也可以由学生自己动手得到实验结果,提高了学生的工程应用能力,使学生的学习兴趣得到了有效激发和提高。


  3.1基于Multisim软件的实验方法


  学生在电子技术的学习和实验过程中,利用Multisim仿真软件来验证和设计实验实训,需要遵循如下的步骤,如图1所示。


  首先分析实验目的和实验任务需求,根据电路功能确定实验方案并选合适的元件,设计电路原理图。然后在Multisim仿真软件中搭建好电路模型,设置好元件参数并仿真。如果仿真结果不正确,则需要分析错误结果,找出电路设计的问题,修改设计电路图重新仿真完善。如果结果正确,则可以记录实验结果、分析数据、整理实验报告册。同时还可以通过修改电路中元件的参数,来分析总结参数的变化对电路的影响。


  3.2Multisim软件在电子技术教学中的应用实例


  负反馈放大电路是模拟电子技术中比较典型的基础验证性实验,在实验室中,需要进行基本放大电路和负反馈放大电路两种电路的连接和改接。学生在连线和仪器使用方面还比较生疏,很难在有限的实验时间熟练达到实验并验证的目的。可先用Multisim仿真该实验,能够使学生更好地理解实验内容,有条件的情况下再进行实验箱实物操作连接验证。既保护了实验仪器,也提高了学生电路设计的能力,也在特殊情况下解决了没有实验设备的缺点。


  本例中建立的负反馈放大电路是一个带有电压串联负反馈的两极阻容耦合放大电路,如图2所示。


  将图2电路图改接,将Rf断开后分别并在Rf1和RL上,其他连接不动,构成不含负反馈的基本放大电路,如图3所示。


  3.2.1放大电路输出失真的观察


  将上述电路图的输入信号的幅度提高10倍,使负反馈放大电路Ui=100mV,基本放大电路Ui=10mV。用示波器观察输出波形,如图4、图5所示。由输出波形图可以看出,如果输入信号的幅度设置过大,超出了放大器的放大区,输出波形将产生失真。图5的基本放大电路产生了饱和(削底)失真,图4的负反馈放大电路顶部和底部都产生了失真。


  3.2.2放大电路动态参数的测量


  调整输入信号幅度,在保证示波器监视下的输出波形Uo不失真的情况下,分别测量上述两幅图的中频电压放大倍数AV、输入电阻Ri和输出电阻Ro。


  计算公式为AV=Uo/Ui;Ri=R1*Ui/(Us-Ui);Ro=(Uo/UL-1)RL,其中R1=5.1kΩ,RL=2.4kΩ。测量及计算后的数据如表1所示。


  根据表1的计算数据分析,可以验证到:


  (1)与无任何反馈的基本放大电路相比较,此带有电压串联负反馈的两极阻容耦合放大电路的动态性能的变化:极大地提高了输入电阻,降低了输出电阻,降低了放大倍数。


  (2)将输入信号幅度控制在一定的范围内,放大后的输出波形均保持为不失真的状态,如图6、图7所示。


  在实验的过程中,还可以让学生利用直流电压表测量三极管三个极的静态电压参数;试着改变一些元器件的参数,看看输出和静态工作点有什么变化;分别增大两个电路信号源的输出幅度至产生输出失真,观察反馈对非线性失真的改善情况等等。而这些在没有电路箱的时候也很容易实现,甚至操作上比有电路箱更方便实现。学生亲自动手画图,改动电路,亲眼看到示波器值的变化,然后启发他们用理论知识去解释所发生的现象,就能引起他们对理论学习的兴趣,激发动手实验的乐趣,提高分析问题、解决问题的能力,增加自行设计电路的信心。[3]


  4结论


  总而言之,在高校电子技术类课程的教学过程中,可以充分利用虚拟仿真Multisim软件到理论和实验的教学中去。Multisim软件界面清晰,使用简单,元器件和仪器等电子资源丰富,且可以定期更新下载较新的元器件库和仪器仪表。在线上、线下的理论、实验教学过程中均可以进行使用,并可以先进行预先仿真设计和分析,排查问题后再结合硬件实际操作,加深学生对知识的理解。


  参考文献: 

  [1] 俞志英.Multisim仿真软件在模拟电子技术实验教学中的应用 [J].信息技术与信息化,2019(4):113-114+117. 

  [2] 豆玉杰,张霞.Ewb在电子电路教学中的作用 [J].农业网络信息,2007(2):109-110. 

  [3] 刘景艳,李玉东.Multisim仿真软件在电工电子实验教学中的应用 [J].中国现代教育装备,2018(19):36-39. 

  [4] 王衍凤,韩淑玲,李海玉,等.混合式教学模式下《电子技术基础》课程教学内容的设计 [J].时代农机,2019,46(4):83-84. 

  作者简介:曹海燕(1984—),女,汉族,江苏南通人,讲师,硕士,主要研究方向:计算机视觉、多媒体通信;张大维(1984—), 男,汉族,江苏淮安人,工程师,本科,主要研究方向:网络信息安全、计算机图形学。

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