虚拟仿真电子技术大全11篇

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中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）06-0000-00

电子技术行业的各类设备产品必须具备良好的设计方案才能够保障其工作状态的理想。电子行业具有产品更新快研发周期短的特点。为了满足不断发展的市场需求，加快产品结构的升级，在核心技术领域取得重大突破，电子行业必须采用新的研究方法和技术。虚拟仿真研究是目前电子行业所广泛采用的一种新的方法和技术。本文即以直流稳压电源以及数控机床为切入点，对虚拟仿真技术在上述两个领域中的应用要点及价值进行分析与探讨。

1 虚拟仿真技术概述

虚拟仿真技术即虚拟现实技术，也可称之为模拟技术，技术核心是用一个完全虚拟的系统对另一个真实存在的系统进行模拟。此项技术涉及到多个学科，是计算机图形、人机交互、传感技术、以及人工智能等多个学科的交叉综合领域。虚拟仿真技术主要包括三个方面的含义：第一是借助于计算机所生成环境具有虚拟性的特点；第二是人对这种虚拟环境的感知是高度逼真的；第三则是人可以通过自然的方法与虚拟系统实现交互，系统可响应人的动作并作出合理的反应。

当前虚拟仿真技术被广泛应用于包括汽车制造、道路桥梁、油田矿井、教育教学、电子技术、以及水利电力等在内的多个行业中，体现出了包括交互性、沉浸性、虚幻性、以及逼真性这四个方面的特点。对于电子技术行业而言，虚拟仿真技术的最主要优势是可对产品设计或优化方案在实践前通过高度仿真的模拟环境进行分析，以验证方案的可靠性以及有效性，兼顾实现了提高效率，缩短周期，以及控制费用等方面的性能优势，有推广价值。

2 虚拟仿真技术在直流稳压电源中的应用

直流稳压电源的组成部分包括电源变压器、滤波电路、整流电路、以及稳压电路四个部分。电网供给的交流电压在经过电源变压器降压处理后得到与电路需求相对应的交流电压，然后经由整流电路变化为方向恒定、大小伴随时间变化而变化的单线脉动电压，并经过滤波电路进行滤过（滤过交流分量），通过此环节处理后得到相对平滑的脉动电压。最后经过稳压电路处理，以确保电网电压以及负载水平在发生改变时电压维持在稳定状态下。为更加清晰的了解整个电路的工作原理与运行情况，可以借助于虚拟仿真软件，在软件模拟环境下通过设置开关或调整电路结构的方式观察示波器所呈现出的波形变化。本研究中引入Multisim10虚拟仿真软件，该软件借助于图形方式创建电路，具有界面直观、操作简便、调用方便等优势。本软件提供有包括交流、直流等在内的17种分析方法，虚拟仿真能力强大。

整流电路仿真分析下全波整流与半波整流波形图如下图1所示。结合图1：4个二极管所构成桥式全波整流电路，其核心作用是将正弦变化的电压演变为脉动电压。通过设置开关J1为开启状态的方式，对整流器在二极管损坏状态下所产生的开路情况进行模拟。则全波整流转换为半波整流，半波整流下所对应输出电压为0.45*全波整流电压。

通过对直流稳压电源系统中J2开关进行接通或断开的方式能够对比波形观察得到：在电容接入电路内后，输出电压平滑程度明显提高，波纹得到有效控制，同时输出电压平均值也有一定的增加。其依据是：在电容接入电路内后，电容可有效存储电荷，同时对高频分量而言容抗脚下，从而电流中的交流成分可通过电容C1而被旁路。在电容维持恒定的状态下，可通过调整负载电阻运行仿真的方式，使示波器分别显示滤波器输出波形，仿真结果如下图2所示。结合图2来看，电容放电时间常数为RC。在C为恒定状态下时，R取值越高则意味着放电速度越缓慢，输出波形更加平滑，输出电压值更小；在R为定值状态下时，电容器容量越大则意味着放电越慢，所对应输出波纹越小，输出电压值更大。

除此以外，通过对虚拟仿真软件的合理应用，还能够对直流稳压电路的改进设计效果进行仿真验证，以确保改进方案的实施效果理想。以某直流稳压电路对集成电路以及自保电路的改进方案而言，为验证该方案的可靠性，借助于Multisim10虚拟仿真软件进行实验。操作方法为：在Multisim10虚拟仿真软件按照改进方案构建直流稳压电压仿真点图，以供电电压220V（±10%）为标准进行虚拟仿真。借助于4综虚拟示波器对各点波形进行观察并读值，虚拟仿真实验结果如下图3所示。结合图2可见：经过改进后，直流稳压电路波形脉动被控制在较小范围内，电压输出稳定程度高，可保持在12.036V左右，经计算稳压系数为0.015（符合

3 虚拟仿真技术在数控机床中的应用

数控加工是现代模具CAD/CAM加工体系中不可或缺的重要内容之一。以五轴数控加工技术为例，所对应的模具工件性状复杂，对表面质量要求高，因此对铣削加工提出了非常严格的要求。五轴加工在完成最后一次装夹后，可以从多个面加工工件，其优势在于节约了大量的装夹时间以及辅助测量装置，且加工位置精度更高。在数控机床设计及性能验证中通过对虚拟仿真技术的合理应用，一方面能够使数控机床充分且合理的应用于对模具以及机械产品的加工中，另一方面能够为正确且充分的应用数控机床，完成更多模具以及机械产品加工提供保障。以某单叶片曲面零件数控加工实例为例，采用五轴加工方案，引入五轴五联动编程开发技术，同时对后置技术进行了编程制定。为进一步验证数控机床五轴五联动方案的编程程序正确性以及后置处理结果的可靠性，借助于虚拟仿真技术，在仿真软件所提供虚拟环境下参照数控机床实际配置构建实验模型。虚拟仿真结果显示：所模拟机床在对零件进行加工的全过程中刀具路径未发生偏差，加工零件性状基本与设计要求相符合。

4 结语

本研究中针对虚拟仿真技术在电子技术行业中的应用问题进行分析及探究，通过上述分析不难发现：在电子技术行业中积极应用虚拟仿真技术能够有效解决以往设计方案直接应用于实践中存在的浪费或失误问题，避免了不必要的事故产生，可以有效提高电子技术产品及相关设备的使用寿命与性能，对促进电子技术行业的发展也有重要价值。

参考文献

[1] 陈军，周晓平，郝江涛 等.基于MatLab & Simulink的电工电子技术仿真实验平台[J].中国现代教育装备，2015（3）：57-60.

[2] 赵丽梅.Electronics workbench在电子技术仿真实验中的运用[J].中国远程教育（综合版），2001（12）：58-59.

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情景教学法是适合中职院校学生的一种教学方式，提升学生的学习兴趣，使学生可以更快的融入到课堂教学中，情景的设计可以和实际情况相结合。虚拟仿真技术就是实现可以在课堂上给学生模拟真实环境的平台，培养学生的实际操作能力，改变目前只能进行理论教学的现状。

电子技术教学中更多是进行电路的教学，虚拟仿真技术可以有效的将真实的电路工作情况给学生呈现出来，让学生可以亲自观察所有复杂的电路情况。使教学不再局限于苦思冥想的抽象理论教学中，而是能够更直观、更明了在虚拟平台上给学生展现出来，让学生直白的理解理论知識。例如利用flash动画将PN结的多子的扩散和少子的漂移直观的表现出来，以利于学生对PN结概念、形成过程以及导通条件的理解。

再如将电子技术教学中放大电路的电阻、电容、晶体管、电源通过虚拟技术multisim模拟出来，再采用multisim里模拟测量工具直观的测出电压、电流的关系，从而更好地理解晶体管的放大、饱和、截止，以及放大电路三种组态。有了直观的呈现，学生就会产生学习积极性，学习积极性得到提高就解决了学习的根本问题。

2虚拟仿真技术能架起理论与实践相结合的桥梁

课堂上学生的参与度直接影响着课堂气氛，虚拟仿真技术可以让学生有身临其境的感觉，让学生更主动的参与课堂教学，对知识的掌握更加牢固。中职院校进行电子技术教学时的重点就是电路教学，可以利用虚拟技术将实际的电路操作台在课堂上模拟出来，让学生可以真正的动手将电路中出现的各种问题进行解决，从实际操作中掌握知识点、理解理论知识，将理论教学和实践教学相结合，使学生毕业后更容易接手实际工作，达到出校园就有能力进入社会的培养目标。

3虚拟仿真技术中穿插小组探讨式教学，更有利于学生创造力的培养

探讨式教学可以培养学生的思考能力和自主学习的能力，电子技术教学仅仅依靠教师是不够的，更多的是需要学生自己进行探索，将教师讲授的知识自己实践、验证之后才能更好的掌握，虚拟仿真技术在课堂上的应用就是给学生提供一个自主学习、合作学习探讨的平台。

电子技术教学中对电路的分辨是所有教学的基础，对于电路的理解和学习，可以让学生以小组的形式利用仿真虚拟技术系统来进行自主学习，找到各种电路图之间的区别，加深学生的记忆，从而更好的掌握对电路图的分辨能力。例如同一个电路各组件可以有不同的取值，让学生一小组讨论各取值之间的理论情况，通过Multisim等仿真技术加以验证。

再例如让学生通过学习整流电路理论的学习，各自设计整流电路，最后在Multisim实现出来，以小组的形式讨论谁的设计更成功，成功了，成功在哪？失败了，错在什么地方。通过小组的探讨，与其他同学设计结果的对比，学生能找到自己的问题所在，从而更好地培养学生的创造力。

而且虚拟仿真不需要耗材，在虚拟仿真软件上面可以随意设置原件参数，也不会把设备烧坏，这样更有利于学生大胆的尝试和创新。

4应用虚拟仿真技术存在一定的挑战

目前虚拟仿真技术并没有在所有院校的电子技术教学中得到应用，主要原因就是没有专门的教师对这项技术进行学习，还无法完全掌握这门技术以便应用到实际教学中，因此，想要更好的应用虚拟仿真技术，首要条件就是要在学校内组建一支教师队伍专门进行该技术的研究学习，熟练掌握是基础，还要有能力对其他教师进行指导，使虚拟仿真技术在电子技术教学中得到普及。进行电子技术教学的教师更应该积极主动的进行学习，使课堂教学的气氛更加轻松愉快，学生的学习效果得到提升。

5虚拟的模拟操作应该与实际操作结合起来进行教学

虚拟仿真技术虽然可以在课堂上让学生体会实际操作的感觉，但是却不可以完全代替实际操作，因为模拟操作系统是人工设置的，很多实际操作中会出现的情况在虚拟系统中并不能够完全体现，所以仿真虚拟系统的应用在电子技术教学中只是起到了辅助作用，实际的操作练习也是很重要的，绝不可以将实际操作的重要性忽略掉，而是应该将两者的优点结合起来，进行综合教学，有效的提高学生的电子技术操作水平。

6结束语

我国科技的进步发展在中职教学中得到了充分的体现，尤其在电子技术的教学上更是有着很大的意义，虚拟仿真技术在中职的电子技术教学中得到应用是提升学生实际操作能力的途径之一，使学生未来适应工作的能力得到加强，让学生走出校园就可以得到企业单位的认可，增加学生的就业概率，使学生在竞争力极强的社会上更容易站稳脚跟，获得更大的发展机会。

参考文献：

[1]陈闽蜀.虚拟仿真技术在中职电子技术教学中的应用分析[J].兰州教育学院学报，2015（03）：111-112.

[2]徐冬冬.中职电子技术教学中虚拟仿真技术的运用[J].大东方，2016（04）：195.

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Keywords virtual simulation experiment； electronic technology； teaching reform； application

相对于传统的电子线路实验，虚拟仿真实验的演示结果与理论值之间的误差更小，参数修改更方便，且电路构造灵活，扩展性非常强，故目前高校电子技术教学改革中不约而同地引入了虚拟仿真技术，本文将针对虚拟仿真实验在高校电子技术教学中的应用进行分析与探讨，从而增强虚拟仿真实验在电子技术教学中的应用效果，提高高校电子技术教学的教学质量及满足培养电子技术专业的人才的需要。[1]

1 虚拟仿真技术的优点及应用现状

电子技术是一门实践性非常强的学科，而在课堂上，由于在实验箱上进行实验繁琐且实验数据误差大，教师无法在课堂上演示所有实验。现在一般学校采用的方法是老师讲授完相关理论知识后再由学生在实验室验证，这样容易面造成了理论和实际的分离；另外电子技术高速发展，新电路、新器件不断涌现，而实验室受条件限制无法及时满足各种电路的设计和调试要求，实践环节的缺失影响了学生的学习兴趣与学习效果。

为解决此问题，一味地依靠教师的理论教学是不够的，只有课堂教学与实验结合，才能够从根本上解决。虚拟仿真技术是把Multisim仿真软件运用在PC平台上，作为图形操作的界面，与相似的现实中电子实验工作台连接，工作台能够完成与现实一样的实验操作。[2]由于虚拟仿真技术在电子技术中的应用范围主要是电子电路分析、设计及仿真方面，所以普遍采用的是一种EDA软件，因为其实践效果强，环境模拟逼真，教师对这类软件的操作也比较便利，学生在实验课中也能够灵活地对实验参数、电路改造等进行模拟，能够满足学生的实践操作欲望，对其动手能力进行有效锻炼。

2 Multisim软件的介绍

Multisim软件是目前高校引进虚拟仿真实验的重要工具，实质上Multisim软件是在windows系统环境下开发出的电路仿真软件，能进行电路瞬态分析、稳态分析、时域和频域分析、噪声分析、直流分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析、电路容差分析等，且可以完成故障模拟及数据储存等要求，其功能十分完善。Multisim软件优点：能为用户提供直观的操作界面，便于原理图的设计输入，能够帮助学生进行元件放置及连接、任意拖动引线和进行微调，有利于教师对学生的实践能力评价；元件的划分系列有序，便于学生在数量众多、型号丰富、器件模型繁琐等情况下，快速寻找到所需的元件，节省了实验时间，便于实验的高效进行；丰富了电子设备种类，由于学校对电子实验室的投入限制，电子实验室能够提供的实际设备是有限的，故而很多实验都要因实际原因进行调整，但Multisim软件能够提供与实际功能相同的函数发生器、波特图仪字信号、频率计发生器、示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪、失真度仪、网络分析仪等18种虚拟仪器，以及与实?H完全相同的示波器、数字万用表、信号发生器，既节省了实验室投入成本又便于学生的实践操作； Multisim软件的仿真电路的准确性非常高，比如对比传统的SPICE模型的高频仿真实验， Multisim软件采用了高频电路仿真元件模型库及仪表搭建高频电路所进行的高频电路仿真实验，其数据的准确性远远高于SPICE模型，加之Multisim软件能够从计算机上直接进行实验数据曲线、电路原理图、元件库清单等打印，缩短了实验的时间，能够让学生更为直观地了解到自身实验操作的情况。

3 虚拟仿真实验在电子技术教学中的应用研究

基于虚拟仿真技术的各类优点，高校的教学情况及学生的学习状况等实际情况，虚拟仿真实验在电子技术教学改革中的应用可以从教学模式及学习组织形态这两方面进行，能够更好地加强其应用效果。

3.1 情景式教学

从学习共同体的构建及学生认知特点这两个角度来看，目前电子技术教学所缺乏的是情景式的教学氛围。情景式的教学能够使得学生更快地融入到学习状态、工作环境中，虚拟教学能够较好地营造情景式教学氛围，使得学生在逼真的教学环境中，进行实验操作。学习情景与真实世界的结合，能够提升学生的学习效果 。[3]其具体的应用方式是，在电子技术课堂教学中，使用虚拟仿真技术创设出一个虚拟的真实环境，将实验室操作台，图形等难以表达的事物虚拟变化呈现出来，例如在电路实验中，通过电路仿真模拟呈现出现实的电路工作状态，将电路输出结果转化为一个变化的动态过程，使得学生可以直观地观察整个变化过程。教师通过合理的引导将复杂难懂的理论知识形象化，如此学生既能够得到学习的满足感又能更加深入地投入到学习中，教师通过虚拟仿真技术的应用也能够将难解的理论知识通过图形展示、实践操作，逐步展示给学生，解决学生知识难消化的难题。

3.2 探究式小组学习

新时代背景下教师不仅要注重学生的理论知识教学，还要对锻炼学生的实践能力，探究式的小组学习，能有效地提升学生的创新实践能力。单个学生对于问题的思考总是有局限性，而多个学生组成学习小组，共同探究问题的解决方法，能够有效地进行创新思维培养，尤其是在电子技术课程中，大部分的知识都需要学生通过实践来验证。例如在模拟电子线路教学中有“三种基本的放大电路分析”的教学内容，教师可以把学生分成三个小组，分别仿真出三种放大电路的输出波形，教师引导学生根据仿真出来的结果对三种组态电路特点进行比较，总结每种电路的优缺点，然后教师提出问题：怎样利用三种基本放大电路构成多级放大电路来改善电路的性能？这样通过对问题探讨的层层深入及师生及学生之间的互动，能够让学生对所学知识的理解更加深刻。

3.3 虚拟仿真实验在电子技术教学中的应用举例

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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. 

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一、引言

模拟电子技术是高等职业院校电类相关专业的一门应用性较强的专业基础课，该课程主要是培养学生在模电方面的基本应用能力，培养其解决、分析与模拟电子技术相关的问题的能力。在以往的教学模式中，理论与实践脱节现象严重，知识点抽象不够直观，学生难以理解吸收，打击了学生学习电子技术的学习积极性。随着计算机仿真技术的发展，在课堂和实践教学中充分利用计算机仿真平台将模拟电子技术中枯燥抽象的理论分析以仿真动画、波形、指示灯等形式直观、生动的表现出来，使模拟电子技术课程的教学内容更加易于吸收。课堂教学不仅仅停留在理论分析，而是与实践紧密结合在一起，丰富了教学内容，帮助学生更好的掌握所学的知识点，激发学生的学习兴趣和自主学习积极性，提高了教学效果。

二、Multisim简介

Multisim是美国NI（National Instruments）公司开发的仿真软件，经过多次更新换代，现在已经在使用Multisim11版本。此软件主要是在PC平台上构成一个利用图形操作界面对一个与实际情况非常类似的电路实验进行虚拟仿真的工作台，它几乎能够仿真在实验室内所进行的大部份的电子电路实验，因此在电子电路分析、设计、仿真等项工作中已被广泛地应用，是目前世界上最受欢迎的EDA软件之一，已被广泛应用于国内外的教育界和电子技术界。

三、Multisim在差分放大电路教学中的应用

（一）过程分析

差分放大电路又名差动放大电路，是集成运算放大器中重要的基本单元电路，广泛地应用于多级直接耦合放大电路的输入级，主要用于拟制“温漂”等“零点漂移”现象，这是差分放大电路的突出优点，而往常的教学中该知识点总是较为抽象且难以理解。而利用“Multisim 仿真手段”，让学生通过温度扫瞄仪和示波器等仿真仪器对比观察共发射级放大电路、差分放大电路仿真测量和温度扫描仿真分析的结果，可简单、形象地检测放大电路的“温漂”（“零点漂移”）特性。通过调节各元件的参数或调整电路结构，观测即时变化的波形和图表，学生可以轻松对比出传统共射放大实验电路和带恒流源的差分放大电路的在不同温度情况下的性能指标。

（二）模型搭建及电路仿真

1. 传统共射放大实验电路的温度扫描分析

在Multisim11仿真平台中，搭建如图1（a）所示共射放大实验电路。单击Multisim11 “仿真分析菜单”中的“温度扫描分析”按钮。在弹出的窗口设置栏中将相关参数设置好，如图1（b）所示。单击“仿真”按钮开始仿真，得到如图1（c）所示共发射级放大电路的温扫分析特性曲线图及相关参数值。

通过观测图1（c）的曲线图及所得数值表，可以看出：首先图1（a）所示实验电路的输出电压负温度系数变化现象明显；然后当测试温度从初始值最终上升到110°C时，此时产生的输出电压最大偏差是DVo=（636.1505-567.4128）mV=68.7377mV，变化了大约10.78%。

2.对改进后的差动放大电路进行温度扫描分析

为了增加以上两种电路的对比性，采用了相同的三极管组成的并按单端输出、单端输入接法的有恒流源（输出交流电阻相当于发射极电阻Re）的差分放大实验电路，且信号源、负载等电路参数都相同，如图2（a）所示。在Multisim11仿真平台中新建文件，按图2（a）所示在平台中构建好新的线路，同时对示波器参数调整，最后开启仿真按钮，得到新的测量波形图，如图2（b）所示。通过理论教学可得，在差分放大电路、特别是单端输出接法的差分放大电路中，可以通过增大发射极电阻Re的阻值，来达到有效抑制任一边电路的温漂，并使得共模抑制比提高。

所以这种以工作在放大内的三极管所组成的恒流源来代替差分电路中的射极电阻Re和集电极电阻Rc的手段在各类集成运放电路中被广泛运用。既使得射极电阻Re的增大了阻值，使集成电路中难以得到大电阻及高电压的问题得到克服，又能够将KCMR（共模抑制比）增加了1~2个级别。

再次进行温度分析扫描。在弹出的窗口对话栏中设置线性的扫描方式；将扫描点数设为两点；设置好分析的起点温度26°C；以及终点温度110°C；调整好瞬态分析类型；然后调节起始点时间值为0Sec，终点时间值改为0.001Sec，也就是信号周期；接着在“输出”项目中将待分析的输出节点设置为节点V；单击仿真开始按钮，随即得到如图3所示此改进电路的温度分析扫描特性曲线图及所得参数值。从图3所示的温度分析扫描特性曲线图及参数列表中可以观测到，当温度从起点26°C上升到终点110°C时，图2（a）所示带恒流源的差分放大电路节点V[6]产生的输出电压最大偏差为：DVo=（5.5103-5.47144）V=0.03886V高温110°C时的输出电压最大值比低温26°C时的输出电压最大值仅仅降低了约0.71%。

3. 对比、剖析、讨论

由图1所示共射放大电路的温度扫描仿真分析及图2所示差分放大电路的仿真测量和图4所示温度扫描仿真分析的结果可知：

（1）Multisim的温度分析扫描能够非常直观地检测放大电路的零点漂移特性。

（2）单端输出接法的差动放大电路的KCMR较双端输出接法的差动放大电路要低；双端输出接法的差动放大电路的电压放大倍数是相应单端输出接法的差动放大电路的电压放大倍数的两倍。

（3）无论是普通放大电路还是差动放大电路，其输出电压都是按负温度系数规律变化的。

四、结论

通过运用Multisim仿真平台，帮助我们缓解了因资金不足导致设备耗材等受限这些因素的限制，使得许多不能进行实物讲解的实验得以通过仿真直观再现，还可进行各种目的不同的训练，使学生的自主分析、设计和应用能力得到培养，高效且低成本。在模电教学过程中，使用Multisim仿真对抽象的理论教学起到了推波助澜的作用，使模电课程的理论与实践完美融合在一起，极大的丰富模拟电子技术的教学内容，并在后继课程的中也有很好的延伸性。

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中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）02-0134-02

一、引言

电力电子技术是目前最活跃、发展最快的一门新兴学科，且广泛应用于工业、交通、IT、通信、国防以及民用电器、新能源发电等领域，它的应用领域几乎涉及国民经济的各个工业部门。

二、电力电子技术课程教学现状

当前高职院校基本都采取理论教学加实践操作的模式进行电力电子技术课程的教学。首先，讲解电力电子器件的工作原理、特性以及使用方法；然后对各种变流电路（包括整流、逆变、斩波和交流变换等）的电路构成、工作原理和波形等进行分析；最后在实验实训台上进行实操、搭建电路、观察波形等进行验证。

电力电子技术课程本身属于电类各专业课程中较难的课程之一，教学对象又为高职学生，他们理论基础差，计算能力弱，因此教学重心一定偏向实操。然后，在对电力电子电路进行实验实训分析的过程中，由于电力电子器件具有非线性等特点以及电力电子电路的复杂性，造成实验实训结果不明显，单从示波器显示波形不能很好地检测电路的正确性。而且电力电子技术的实验实训都涉及到220V或者380V的高电压，具有一定的危险性。往往造成学生实验实训项目做得迷迷糊糊，不知道结果是否正确，即使知道错误了也很难进行排故，导致学生学习兴趣减低，形成恶性循环。

三、虚拟仿真技术在电力电子技术教学中的应用

虚拟仿真技术是近年来随着计算机技术迅猛发展而逐步形成的一类实验研究的新技术，它在各类专业各种类型的课程当中被广泛应用。虚拟仿真技术的优点主要有：（1）实验硬件门槛低，基本不需要专业的实验设备，只需要普通计算机即可；（2）实验过程安全可靠，不涉及高电压、高电流；（3）实验过程迅速、结果清晰明显，能快速地在计算机屏幕上显示所需要的所有结果，一目了然；（4）纠错排故简单，基本的仿真实验修改只需要在仿真环境下进行器件或者连接的修改。

鉴于以上优点，虚拟仿真技术在电力电子技术课程实验当中进行应用十分合适，并能有效地提高电力电子技术课程的教学效果。目前，可对电力电子电路及系统进行虚拟仿真的软件较多，如Matlab、Pspise、Saber以及Multisim等。这些模拟仿真软件的出现，为电力电子电路及系统的分析提供了方便、有效的手段，大大简化了电力电子电路及系统的设计和分析过程。其中Matlab软件由于其Simulink环境下提供的SimPowerSystems工具箱在电力系统分析、电力电子电路分析中令人满意的表现、友好的界面和模块化的形式受到广大用户的青睐。

根据电力电子技术课程教学的要求，结合课程实验操作内容，我们设计、建立并实现了涵盖高职教学要求的十五个电力电子技术Matlab仿真项目。下面以直流升压斩波电路为例，详细介绍使用Matlab软件进行模拟仿真的方法和步骤。

四、仿真实例

本节以直流升压斩波电路为例，详细介绍使用Matlab软件进行电力电子电路仿真的方法和步骤。直流升压斩波电路是典型的直流斩波电路之一，它通过电容、电感元件的储能以及电力电子器件（此处使用IGBT）的通断控制，使负载上得到比电源电压高的电压，其电路原理图如下所示。

根据电路原理图，在Matlab的Simulink中建立直流升压斩波电路仿真模型，步骤如下：

1.仿真平台建立。启动MATLAB，进入MATLAB环境，点击工具栏中的Simulink选项，进入所需的仿真环境，点击File/New/Model新建一个仿真平台。

2.模块提取。在Simulink环境中拉取所需要的模块到仿真平台中，具体做法是点击左边的器件分类，电力电子仿真实验一般只用到Simulink和SimPowerSystems两个，分别在它们的下拉选项中找到我们所需的模块，用鼠标左键点击所需的模块不放，然后直接拉到仿真平台中。本电路图所需要的模块及提取路径如下表所示。

3.仿真模型建立。将提取的各模块，按照原理图布局好位置并进行连线。具体做法是移动鼠标到一个模块的连接点上，会出现一个“+”字型光标，按住鼠标左键不放，一直拉到所要连接的另一个模块的连接点上，放开左键，连线就完成了。本电路图的仿真模型如下图所示。

4.参数设置。参数设置分为模块参数设置和仿真参数设置。模块参数设置如下：直流电压源的幅值设置为100V。电阻负载设置为1Ω。控制脉冲电压由脉冲发生器产生，电压幅值设置为3V，周期设置为0.001S，脉冲宽度比的大小设置可改变输出负载电压的大小。IGBT、功率二极管、信号分解器、电感和电容可保持默认设置。示波器根据需要输出的波形个数设置输入端口数。仿真参数设置如下：将开始时间设置为0，终止时间设置为0.01，算法设置为ode23tb。

5.仿真。完成以上步骤后便可以开始仿真，仿真结束后双击示波器观察波形。直流升压斩波电路在控制脉冲电压宽度比为80%和40%时的仿真波形如图3所示，与理论分析值一致。

五、小结

虚拟仿真技术随着计算机技术的发展在近些年得到了长足的发展，越来越多的课程在教学中引入了虚拟仿真技术，它对课程教学效果的提供具有较大的作用。文章在分析教学现状的基础上，引入了使用Matlab软件的虚拟仿真技术，并以直流升压斩波电路为例，详细介绍使用Matlab软件进行电力电子电路仿真的方法和步骤。

参考文献：

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引言：

电路虚拟实验作为虚拟实验的组成部分，正在由以仪器仪表为测量工具的传统分析方法逐步向以计算机为工作平台的虚拟分析方法过渡，同时由于社会对网络教育的强烈需求和相关技术的快速发展，使得虚拟电路实验和远程教育日益结合，成为网络虚拟现实研究的新热点。通过对相关技术进行了可行性分析，结合多年的教学实践经验，开发了虚拟电路实验平台，系统分为客户端的用户界面层、服务器仿真引擎的数据处理层、仿真层以及客户端和仿真引擎之间的传输层。其中实时连续仿真则是在开发的过程中遇到的一个技术难点。由于实时性和多用户同时仿真的需求，系统在后台采用了分割时间片的技术，并根据电路状态的连续性，在时间片的结束点保存电路状态，在开始点重置电路状态，从而支持实时连续的远程电路实验。

一 虚拟实验的研究现状

虚拟实验分为有实验室支撑的实验模式和没有实验室支撑的实验模式。前者是一种"虚拟仪器版面一硬件设备"操作的模式。后者没有真实的实验室作为支撑，全部使用仿真技术、虚拟现实技术以及网络技术等高科技手段创造虚拟实验环境，实验者像在真实的环境中完成实验的各个环节，比前者更经济，更容易建立实验系统，也更方便实验者，是目前乃至今后的主要发展方向。电子电路虚拟实验作为虚拟实验的组成部分，也得到了快速的发展。而针对远程教学的仿真软件，或者着重于多媒体演示，功能简单，交互性差，或者没有强大的后台支持。远程教学仿真软件不能利用单机版的仿真软件，建立功能强大，交互性强，能够实时连续仿真的远程虚拟实验平台，使得远程实验教育难以得到有效发展。

二 虚拟电路实验平台的系统构架设计

要设计的"虚拟电路实验平台"系统，硬件构架采用b/s结构，用户通过装有flash插件的浏览器与实验平台交互，搭建电路，并观察输出结果。用户信息和实验信息保存在mysql数据库中，后台的核心xspice仿真软件，进行仿真计算。系统的软件构架设计如下：1）界面层采用多媒体技术构造实验板及各种元器件，用来与用户交互并显示仿真结果。2）传输层通过socket传输xml格式的实验数据，实现客户端与仿真引擎的数据交换。3）数据处理层解析xml格式的用户实验操作的数据，并转换为.cir文件所需的语法格式；构造xspice所需的仿真输入文件（.cir）；分析xspice仿真后的输出文件（.out），提取实验所需数据； 以xml格式封装仿真数据，准备发送。4）仿真层调用xspice进行仿真计算。xspice是一个优秀的电路仿真软件，它把cir文件作为仿真参数文件输入，由仿真程序运算后得到仿真结果，输出到out文件。

三 实时连续仿真技术的实现

在基于仿真的远程电路虚拟实验系统中，往往需要使用电路仿真软件，如spice、xspice等，通过它们的瞬态仿真功能获得电路输出数据，先仿真电路状态变化的全过程，再输出全部仿真结果。在电路实验中，模拟电路虚拟实验往往瞬间就可以达到稳定状态的，之后电路状态就不再变化。像这样的电路，在进行仿真的时候可以只显示电路达到稳定之后的状态，也就是只显示一次。正好符合spice、xspice等仿真软件的要求。类似的还有自动脉冲输入的数字电路。下面以接有自动脉冲输入的时序逻辑电路为例，讨论实时连续仿真技术。

1.分段仿真原理。真实情况下的实时连续仿真，实验者只要按下仿真开关，电路就会源源不断地把数据显示在界面上。但是仿真引擎使用的xspice并不是一个实时连续仿真软件，在使用xspice进行电路瞬态仿真计算的时候，必须等到xspice仿真结束才能得到仿真结果，进而分析显示。而xspice的这种功能特性与虚拟实验中所要求的连续不断地计算并显示电路输出数据，并能根据用户的交互实时作出响应是有矛盾的。为此，可以采用分段仿真的方法，即设定一仿真时间段tb，仿真引擎让xspice每次瞬态仿真只计算tb 时间长度的电路输出数据，然后将数

据发送到客户端，客户端则按照结果数据中的时间戳在相应的时间点上改变显示输出。等到tb时间之后，客户端得到的数据显示完毕.仿真引擎再计算下一个tb 时长度的电路数据并发送给客户端。

在电路实验教学中，多数电路并不复杂，输入时钟信号的频率也不太高，因此基本可以满足这一要求。仿真引擎每次仿真一个时间片的数据，并把它传送给客户端，客户端以仿真结果中的时间戳为序，把数据保存在一个fifo队列中，然后根据时间戳依次从队列中取出数据进行显示。当客户端发现队列中的仿真数据即将被显示完时，就发送一个队列空的请求到仿真引擎。考虑到网络传输时间和仿真程序的运行时间的消耗，客户端发送继续仿真的请求需要有一个时间上的提前量，尽量避免出现冒泡fifo队列已空，而客户端还未收到仿真引擎的下个时间片的仿真结果，导致显示出现停顿的情况。

2.电路状态重置。由于时序电路的输出是由电路的输入和当前状态决定的，因此在进行分段仿真时，必须保存每个时间片结束时的电路状态，并在下一个时间片的仿真开始时用它来设置电路的初始状态，从而可以保持在整个仿真过程中电路状态的连续。可以把第i个时间片的t时刻的电路状态表示为：

sit=[αφ]，i∈[i，+∞]，t=[0，tb]其中 α=[α1，α2，…，αn]t 为各触发器状态，n为电路中的触发器数，φ= [φ1，φ2，…，φm ] 为各输入时钟脉冲源的相位，m为电路中的输入源数。那么时间片i中，t时刻的电路状态与0时刻电路状态的关系是：sit=f（si0，t），其中f是由实验电路决定的状态变换函数。

3.用户交互。上述仿真算法中，整个仿真过程被分割成一个个时间片来分段仿真，每一个时间片的仿真结果是在认为这个时间片内没有用户交互，实验电路的结构和参数没有发生变化的情况下得到的。然而，用户有可能在一个时间片的任何时刻对实验电路进行操作，例如调整了信号发生器的信号输出频率或者幅度、按下了电路板上的按钮等。在发生了用户交互的情况下，由于电路已经发生了变化，有可能导致电路的输出也发生变化，因此这个时间片中剩余的还没有显示的数据就将成为无效数据。所以当发生用户交互时，客户端需要清空未显示的数据队列，向仿真引擎发送交互请求，并传送交互时间t1，仿真引擎根据发生交互的时间点，可以根据当前时间片的输出数据计算出t1时刻的电路状态st1i，其中i是发生交互的时间片编号。

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中图分类号：TN29

1 虚拟技术的概念

虚拟技术是一个很广义的概念，我国著名院士汪成为教授把虚拟技术看作人类认识世界的帮手，认为虚拟技术是“在计算机软硬件及各种传感器（如高性能计算机、图形图像生成系统，以及特制服装、特制手套、特别眼镜等）的支持下生成一个逼真的、三维的，具有一定的视、听、触、嗅等感知能力的环境，使用户在这些软硬件设备的支持下，能以简捷、自然的方法与这一由计算机所生成的‘虚拟’的世界中对象进行交互作用。它是现代高性能计算机系统、人工智能、计算机图形学、人机接口、立体影像、立体声响、测童控制、模拟仿真等技术综合集成的成果。目的是建立起一个更为和谐的人工环境”。

而从工程角度定义的话，虚拟技术可看作为通过使用下列一个或几个概念或方法：硬件和软件分区，分时，部分或全部的硬件仿真、模拟，提供服务质量（QoS）等，把计算机资源分成多个执行环境的系统框架和方法论。

上世纪60年代末期，IBM在其7044机上首次实现虚拟技术（IBM M44/44X Project）[3]。计算机技术的快速发展，使得虚拟技术成为重要的研究手段广泛应用于各学科领域的研究与实践中。随着电子技术与计算机技术交叉、综合的程度越来越高，在以物联网络和嵌入式系统为技术发展方向的现代电子技术中，虚拟技术的应用越来越广泛。

2 虚拟技术在电子技术中的应用

电子技术中，虚拟技术的应用可概括为三个方向：一是集成了大量虚拟仪器的软件包的应用，通常称之为EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）技术；二是虚拟硬件技术，即借助于图形图像、仿真和虚拟现实等一切可用的技术，在计算机上虚拟出一个与实际硬件功能相近，且操作方法和实验现象也相近的虚拟实验环境；三是VM（Virtual Machine，虚拟机）技术的应用，比如VMware虚拟机等。

2.1 EDA技术的应用

EDA技术是在20世纪60年代中期从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。利用EDA工具，电子设计师从概念、算法、协议开始设计电子系统，从电路设计、性能分析直到IC版图或PCB版图生成的全过程均可在计算机上自动完成。

作为现代电子系统设计的主导技术，EDA具有两个明显特征：即并行工程（Concurrent Engineering）设计和自顶向下（Top-down）设计。其基本思想是从系统总体要求出发，分为行为描述（Behaviour Description）、寄存器传输级（RTL，Register Transfer Level）描述、逻辑综合（Logic Synthesis）三个层次，将设计内容逐步细化，最后完成整体设计，与传统设计方法比较，这是一种全新的设计思想与设计理念。

EDA软件包在电子技术的虚拟实验教学方面体现出了巨大的优势，最重要的是由于其提供了种类齐全、功能强大、界面真实、设置方式真实的虚拟仪器，诸如万用表，示波器，频率计，LED显示等，一些软件诸如NI公司的Multisim，还包括有安捷伦示波器，安捷伦万用表，安捷伦信号发生器，泰克示波器等实际产品的虚拟界面，其操作界面和操作方式完全与实际器件一样。这些虚拟仪器的使用，较大程度增加了学生在虚拟实验过程中的真实感。

目前，EDA技术更多地指数字集成电路的设计自动化，模拟电路以及混合电路设计自动化的发展尚不够成熟。尤其是射频电路设计，因为要涉及到复杂的数学理论，导致其分析过程更加复杂，所以尚没有成熟的设计自动化软件。

2.2 虚拟硬件技术的应用

虚拟硬件技术在电子技术中的应用，则主要体现为虚拟实验室的建设。虚拟实验室的建设目前主要有纯软件仿真形式、可直接操作远程实验室实验过程的虚拟实验室两种形式。

2.2.1 纯软件仿真形式的虚拟实验室

纯软件仿真形式的虚拟实验室是利用仿真软件来模拟实验的全过程，不涉及具体的实验硬件设备。

与单机版的仿真软件相比，这类实验室采用C/S模式，在其服务器上设计并存储进行实验的仿真代码，用户只需在客户端的实验操作界面上操作，即可实时地发送参数信息、接收仿真结果数据。这类虚拟实验室因其实验界面与仿真算法独立，易于设计与实现，方便操作，成为当今虚拟实验室的主流。

2.2.2 直接操作远程实验室实验过程的虚拟实验室

这种虚拟实验室是通过客户端操作直接控制远程实验室的实验设备运行，获取真实实验数据。

这类实验通常具有视频和音频反馈，使用者通过计算机可以实时地观察实验地运行，也可以调整实验相应的参数，从而远程操控实验室的实验过程。此类实验形式不但有效地利用了有限的实验室资源，而且具有很好的实验效果，成为解决远程教育中实验设备紧缺、实验效果难以保证等问题的一种很好的方法，是目前虚拟实验室研究开发的一个主流方向。

2.3 VM技术的应用

VM技术，是指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。 利用VM技术，能够在一台真实的计算机上虚拟出多台计算机，还可以同时运行两个或更多的操作系统，比如运行DOS、各个版本的Windows、各个版本的Linux、BeOS、Mac OS等等。虚拟机具有跨平台性，装载在硬件平台上的虚拟机，它和宿主机好像是连接在同一个网络中一样。用户通过虚拟机提供的标准接口访问异构资源，而标准接口的具体实现由各异构资源提供者负责落实，因此用户感觉不到请求资源的异构性。Java VM和PVM是比较成功的采用虚拟机技术实现跨平台、屏蔽异构性的典型例子。

3 虚拟技术对电子技术发展的重要意义

近几年来，虚拟技术在我国的应用研究和发展都十分迅速，结合虚拟技术在电子技术三个方向的应用，其重要意义可概述为以下几个方面：

第一，虚拟技术给电子技术的工程实践带来了革命性的变革。

传统电子系统的设计方法，主要基于自底向上的设计思想，设计人员必须利用底层功能模块的组装，才能构成较复杂系统的设计，系统调试难度高，设计效率低，设计周期较长。但EDA技术的出现，特别是自顶向下的设计思想，极大的提高了电子系统设计的效率，缩短了设计周期，使得电子设计进入了一个全新的时代。

第二，虚拟技术给电子技术教学带来了革命性的变革。

传统电子技术的教学是理论教学和实验教学分开进行的，由于电子技术的实践性强，人为地把完整的教学过程分离成了两个环节，极大地破坏了教学完整性。而EDA软件或虚拟实验系统，通过计算机把教学内容、实验设备、教师指导、学生操作等有机地融合为一体，还原了一个完整的课堂，提高了教学的有效性。

第三，虚拟技术给电子技术的应用解决了实际问题。

随着物联网和嵌入式系统的发展，传统电子技术的发展受到了很大程度上的制约，一些诸如通信协议异构、数据格式异构等问题，给电子技术设计人员带来了极大的困扰。而虚拟技术的出现，给电子技术解决上述困难提供了最为有利的帮助，使得电子设计人员更为专注电子技术本身的功能实现。

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中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）15-0034-03

一、前言

《电力电子技术》是一门面向机械电子、自动化等专业开设的实践性很强的应用技术型专业基础课程。其主要研究内容为电能的变换和控制，涉及各种电力半导体器件及变流装置，如整流、逆变、直流斩波、交-交变换等电能变换及PWM控制和软开关技术等内容[1-2]。在该课程的课堂理论教学中，有大量的电路波形分析及电量计算内容，需要画出相应的电压、电流信号波形图并作相关电量的数学公式推导及谐波分析。在传统教学模式中主要采用PPT动画及课堂板书等教学方式，不仅费力费时，且电路波形的动态变化表现不足，交互性很差，尤其对电路的谐波分析非常抽象、复杂而不易理解。特别是当需要改变电路参数及负载性质时，所有的波形图必须重新画出，非常不方便，不仅使得教学课时紧张，而且内容单调枯燥，大大降低了学生的学习兴趣，难于达到理想的教学效果。为了克服传统课堂教学模式的缺点，形象直观地进行教学，变抽象为具体，变枯燥为生动，激发学生的学习兴趣，提高教学质量，有必要将MATLAB/SIMULINK及PSIM等计算机仿真技术引入到课堂教学中，作为传统课堂教学手段的补充，对现有课堂教学模式进行改进及完善[3-6]。

《电力电子技术》课程具有很强的实践性，实验教学在整个课程教学中占有非常重要的地位。实验不仅可以验证课堂教学讲授的理论、加深对课堂理论知识的理解，而且可以锻炼学生的动手能力及解决实际问题的能力，在整个课程教学中具有不可或缺的作用。本课程所开设的实验均是依托“电力电子技术及电机控制实验装置”完成的。由于该实验装置操作复杂，加之每个实验学时有限，使得学生不易熟练掌握装置的使用，在实验中存在以下几方面的问题：（1）由于操作不当容易造成器件损坏，查找故障及更换损坏器件又会减少学生的实验时间，影响实验效果。（2）由于每台实验装置只配备了一台双踪示波器，同一时刻只能观察分析最多俩路电压、电流或驱动控制信号波形，难于对实验电路的各处波形有一个全面的观察，影响对电路工作情况的整体理解。（3）实验设备及元器件的老化等问题可能使得实验结果与理论分析出现较大差异甚至异常情况，从而影响实验效果。（4）每次的实验结果及观察的波形需先记录在实验数据记录表中，实验结束时由指导教师检查实验数据及波形是否正确并给出成绩。但若实验结果不正确，则学生没有时间去纠正，还需另约时间重新完成实验，不利于提高实验效率。针对实验中存在的问题，需要对传统的实验教学模式加以改进和完善，在实验教学中引入计算机仿真技术，开发对应实验项目的MATLAB仿真虚拟实验，并提供给学生，作为学生实验时的辅助实验手段，达到及时解决实验中出现问题的目的，提高实验教学质量[7-10]。

二、《电力电子技术》课程课堂教学及实验教学模式改革的思路

基于传统课堂理论教学及实验教学中存在的问题和不足，引入计算机仿真技术，对《电力电子技术》课程课堂教学模式及实验教学模式进行改革。

1.课堂教学模式改革思路。在传统的PPT加板书授课的基础上，引入专用电力电子仿真软件MATLAB/SIMULINK和PSIM，针对课程主要教学知识点和重要电路开发若干课堂教学计算机仿真实例。通过在课堂教学中引入MATLAB及PSIM教学仿真实例，对关键的电力电子电路进行交互式动态波形分析，帮助学生理解课堂所讲理论内容。采用PPT动画+课堂板书+计算机仿真等三位一体的教学模式，提高课堂利用率，调动学生学习兴趣。将相关MATLAB及PSIM教学仿真实例提供给学生，以便学生能够在课前熟悉及课后复习课堂讲授内容，达到提高学习兴趣和教学质量的目的，同时让学生熟悉电力电子电路的计算机仿真方法，为以后在实际工作的应用打下基础。

2.实验教学模式改革思路。在传统装置实验的基础上，利用MATLAB仿真软件中的SIMULINK工具箱开发每一个实验项目的MATLAB仿真虚拟实验，在实验前提供给学生，使学生对所做实验的电路及需要观察的波形有一个直观、感性的认识。将MATLAB仿真虚拟实验程序预存在实验室计算机上并对学生开放，以使学生随时能够针对实验中出现的问题进行仿真，观察正确的波形，以便于帮助确定问题所在，达到快速解决问题的目的，提高实验效率。通过虚拟实验+装置实验的实验教学模式，达到激发学生的学习兴趣，提高电力电子技术实验教学质量的目的。为了配合实验教学改革，还需编写一套内容完整、难易度适中、针对不同专业特点的《电力电子技术实验指导书》，以使不同专业的学生能有针对性地选择不同的实验项目，从而使学生更好地得到实验技能的训练，提高专业技术水平。

三、《电力电子技术》课堂教学模式的改革

根据《电力电子技术》课堂教学改革的思路及渐进式的设计思想，从易到难，从简到繁，利用计算机仿真软件MATLAB/SIMULINK及PSIM开发设计了12个相关的教学仿真实例[11-12]。分别为单相桥式全控整流电路、三相半波可控整流电路、三相桥式全控整流电路、三相半波有源逆变电路、三相桥式有源逆变电路、BUCK降压斩波电路、BUCK滤波降压斩波电路、BOOST升压斩波电路、升降压斩波电路、CUK斩波电路、单相电压型PWM逆变电路及三相电压型SPWM逆变电路等课堂教学仿真实例。这12个实例基本涵盖了《电力电子技术》课程的主要教学内容和重要知识点，通过在课堂教学中加以应用，能够直观、动态、形象及交互地对电力电子电路进行动态电压、电流波形分析，提供了一种图形化的交互环境，从而使得复杂的电力电子电路仿真和分析及波形观察变得十分容易，改进及完善了以往仅用PPT动画及课堂板书的教学方式，构成了PPT动画+课堂板书+计算机仿真等三位一体的新课堂教学模式。为达到更好的教学效果，进一步提高课堂的教学效率及教学质量，在课程开始时，就将教学仿真实例的源程序提供给学生，使得学生可以课前进行预习，课后进行复习，不仅可以提高学生的学习兴趣，而且还可培养学生的自学能力，同时使学生逐步熟悉和掌握MATLAB和PSIM这两种常见的电力电子电路仿真设计软件的使用，为以后在实际工作的应用打下基础。

下面以三相电压型SPWM逆变电路仿真实例为例介绍计算机仿真技术在课堂教学中的应用。三相电压型SPWM逆变电路是《电力电子技术》课程非常重要的一个教学内容。该教学知识点除了需要介绍电路工作原理外，还包括大量的波形分析、公式推导及谐波分析和相关电量的计算。采用传统的PPT+板书教学模式时，学生普遍反映内容复杂、抽象、枯燥、不易理解，教学效果不理想。为了弥补传统课堂教学模式的不足，利用MATLAB/SIMULINK开发了三相电压型SPWM逆变电路教学仿真实例，其MATLAB仿真电路模型如图1所示，相应的仿真结果示于图2中。

MATLAB仿真软件具有丰富的电路波形分析功能，可方便地利用MATLAB/SIMULINK的Scope示波器观察多路指定信号随时间变化的动态波形。图2中示出了三相对称的SPWM输出电压ua、ub、uc的波形及三相对称输出电流ia、ib及ic的波形。通过仿真波形可清楚地动态观察到对应波形间的幅值及相位关系，并可根据需要放大局部波形，而这在传统教学模式中是难于做到的。MATLAB软件另一个优势是具有强大的数学计算能力，特别适合电力电子电路的谐波分析及相关电量计算。利用FFT功能模块可对输出SPWM电压波形作指定次数谐波的幅值及相角计算，利用RMS功能模块可对信号进行有效值计算。图1中示出了利用FFT模块及RMS模块对输出电压ua进行谐波分析及有效值计算的方法，相应的动态计算结果通过Display数字显示器可直接给出。通过以上实例可以看出，在课堂教学中，利用计算机仿真作为教学的辅助手段，可有助于将烦琐、枯燥、抽象的理论分析及推导变得生动、直观且易于理解，可有效引起学生的关注和学习兴趣，达到提高教学效率及教学质量的目的。

四、电力电子技术实验教学模式的改革

依据实验教学模式改革思路并结合实验室的具体情况，本课程共开设4个实验：三相半波可控整流电路实验、三相半波有源逆变电路实验、三相桥式全控整流及有源逆变电路实验、直流变换电路实验等。所有实验均可在“电力电子技术及电机控制实验装置”实验成。不同专业的学生可根据专业需要选择其中3个作为必做实验，1个为选做实验。针对该实验设备操作复杂、实验学时有限的问题，编写了与实验设备配套的《电力电子技术实验指导书》，对每一个实验均详细说明了实验要求、电路的工作原理及实际操作过程等内容。利用MATLAB仿真软件中的SIMULINK工具箱开发了每一个实验项目的MATLAB仿真虚拟实验程序。分别为：三相半波可控整流电路虚拟实验、三相半波有源逆变电路虚拟实验、三相桥式全控整流及有源逆变电路虚拟实验、BUKE降压斩波电路虚拟实验、BOOST升压斩波电路虚拟实验、升降压斩波电路虚拟实验及CUK斩波电路虚拟实验等，对应每一个实验，均编写了虚拟仿真实验指导。在实验前，将相应的虚拟实验仿真程序提供给学生，使学生对实验电路的结构、电路元器件连接关系、相关的电压、电流波形等有一个直观、感性的认识，以提高实验效率和实验效果。所开发的所有虚拟实验程序均安装在实验室计算机中，学生在实验中可随时调用相关仿真程序，通过对相应电路波形的对比，帮助确定实验中出现问题的原因，找到解决问题的方法。图3为三相桥式全控整流电路虚拟实验MATLAB仿真模型，其仿真波形示于图4中。

由图4中虚拟实验仿真波形可以看出，学生可以同时观察到相位依次相差120°的对称三相电源线电压uab、ubc、uca的波形，三相电流ia、ib、ic的波形，6个晶闸管依次相位相差60°的门极触发信号ug1～ug6的波形，整流输出电压ud及输出电流id的波形等。通过仿真波形，可观察到全部相关信号之间的相位关系。尤其重要的是可仿真当某个晶闸管的门极触发信号缺失或是晶闸管故障时电路相应节点的波形，当实验中出现相应故障时，可以帮助学生确定故障原因，提高学生独立解决实际问题的能力，而这是实际装置实验中仅利用双踪示波器观察波形时无法实现的。从三相桥式整流电路的MATLAB仿真虚拟实验的例子可以看出，虚拟实验具有装置实验所不能实现的功能，是装置实验的重要辅助手段。采用计算机仿真虚拟实验+实际装置实验的实验教学模式可以达到提高实验效率和实验教学质量的目的。

五、结束语

本文针对传统课堂教学及实验教学中存在的问题和不足，在课程教学中引入计算机仿真技术，对《电力电子技术》课程教学模式进行了改革。提出了PPT动画+课堂板书+计算机仿真三位一体的课堂教学模式，基于MATLAB/SIMULINK及PSIM电路仿真软件开发了教学仿真实例应用到课堂教学中，可以实现对电力电子电路进行电路原理及波形的交互式动态分析，形象直观，便于理解和掌握。基于MATLAB/SIMULINK开发了虚拟实验程序，提出了虚拟实验+装置实验的实验教学模式，提高了学生独立解决实际问题的能力。计算机仿真技术应用到课程教学中，提高了学生的学习兴趣及教学的效率，让学生逐步熟悉电力电子电路的计算机仿真方法，为以后在实际工作的应用打下基础，是一种值得肯定和进一步发展完善的教学改革方向。

参考文献：

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中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2012） 16-0141-01

电子技术是一门基础学科，为学生学习电子知识打下坚实的基础，然而传统的电子技术教学存在着较多的问题，教学效果不明显，主要是因为理论知识枯燥，不利于调动学生的积极性，同时对于电路的分析过多的强调理论，增加了学生学习的难度，同时实验课的教学不规范，造成了仪器的损坏或者是不足，难以培养学生的动手能力和解决问题的能力。为了改变电子技术教学效率低的现状，需要引进新的教学方法和手段，其中计算机仿真软件的应用对提高电子技术教学质量起了巨大的促进作用。

一、计算机仿真软件的概述

近年来，电子技术的教学在计算机仿真软件的推动下获得了很大的进步，对于提高电子技术的教学质量起了积极的促进作用，特别是电路仿真软件和EWB仿真软件。

电路仿真软件是具有丰富的元器件库，能够对及时的对直流和交流的特征进行分析，并提供复杂电路的性能参数，进而将结果以文本或者是曲线的方式呈现出来，大大的提高了电路分析的稳定性和高效性。在电路仿真软件提供的性能参数的比对下，对理论的数据进行检验，给学生以更加直观的认识，大大的提高了教学的效果。另外，在电路仿真软件的作用下，学生可以对线路的工作效果进行观察，进而提高其理解和分析复杂电路的能力。

EWB仿真软件作为一种电子线路仿真软件，具有直观和操作方便、设备齐全的特点。在该软件的帮助下，使电子技术教学更加生动具体，不仅能够反映出电路的仿真测试，还可以对线路的故障进行设计，同时提供多种分析的工具，提高了分析线路性能的有效性。凭借着其直观性和有效性，EWB在电子技术的教学中得到了广泛的应用，并发挥了积极的促进作用。

二、计算机仿真软件在电子技术教学中的应用

（一）计算机仿真软件对于电子技术教学的促进作用

首先，计算机仿真软件具有很强的分析功能。在电子技术的教学中，单纯的理论堆积不易于学生对知识的理解和接受，但是计算机仿真软件具有强大的分析功能，通过直观的体现引起学生对知识的思考，进而提高学生的分析能力。计算机仿真软件的元件数量很多，可以根据教学的需要进行选用并对随意的进行更改，在课堂的仿真教学中，学生可以对电路的每一个步骤进行观察，进而加深了对知识的理解和应用能力。

其次，加强学理解基础知识的同时培养了学生的综合能力。在计算机仿真软件的帮助下，学生和教师处于一种特殊的教与学中，给学生以身临其境的感觉，进而使学生加强了对理论概念的理解。由于可以利用仿真软件进行故障设定，这样可以为学生设定学习难题，进而在课堂的练习中增强学生排除故障和分析问题的能力。

另外，在仿真软件的帮助下，教师与学生进行了深入的交流，便于教师及时的了解学生的接受情况，进而为教学进度的制定提供借鉴，即在保证教学质量的同时，合理调整教学的进度。

（二）计算机仿真软件在电子技术教学中应用的策略

1.发挥仿真软件优势，提高学生兴趣

在计算机仿真软件的协助下，克服了实际元件不足的情况，在大量的仿真实验练习中，使学生明确仿真实验和传统实验的区别，使学生在虚拟的环境中进行实验的学习，不仅要完成实验的任务，还要进行交流，分析实验的结果和电路的规律，进而提高学生学习电子技术的兴趣和热情。

2.正确处理虚拟实验与实物实验的关系

电子技术具有很强的操作性，需要加强对实验的重视，进而培养学生的动手能力。虚拟的实验只是作为教学的辅助手段，学生的最终目的是运用所学的知识解决实际生活的难题，因此，电子技术的教学离不开实物教学。在电子技术的教学中，虚拟实验要与实物实验相互配合、相互促进，共同提高电子技术教学的质量和效果。在电子技术的教学中，既要重视对基本功的训练，促进学生动手能力的增强，还要学生掌握现代的实验手段，进而培养出符合需要的创新型人才。

总之，电子技术作为一门基础性课程，是学生综合能力培养的基础和前提，需要加强对该课程的重视，既要重视电子技术教学的理论性，又要重视其实践性。

计算机仿真软件的应用对提高电子技术教学起了积极的促进作用，使理论得到了验证。因此，在电子技术教学中，教师要加强对计算机仿真软件的应用，创设积真实的学习环境，同时加强对虚拟实验和实物实验的结合，确保学生在掌握坚实的理论基础的前提下，重视学生动手能力的培养。

参考文献：

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中图分类号：TN702-34 文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2011)17-0188-02

Establishment of Virtual Experimental Environment Based on

Multisim for Electronics Curriculum

WANG Quan-yu

(School of Electronics and Information Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

Abstract： The EDA simulation tool Multisim is introduced to solve the problem that the curriculum teaching is apart from practice. On the basis, taking a RC coupled single stage common emitter amplifier circuit as an example, circuit is built and virtual experimental environment is created. By running the simulation, the teaching process under this environment is described, and the establishment of virtual experimental environment for electronics curriculum is discussed. Through the teaching activities which combining electronics theory and practice under the environment, problems existed in traditional classroom teaching are solved and the teaching effect is improved.

Keywords： Multisim; virtual experimental environment; electronics; teaching; simulation

电子技术课程实践性强，必须用大量的实验来辅助和加深理论学习，但受到实验学时分配和实验室资源配置的限制，教学过程中存在理论教学与实践教学脱节的问题，课堂教学的效果不好，效率不高。

利用EDA仿真工具Multisim，搭建实验仿真电路，在课堂教学中创设虚拟实验环境，并在此环境下采用理论与实践相结合的教学模式开展教学，以解决传统教学模式下存在的问题［1］。

1 Multisim简介

Multisim是最新EDA工具之一，是以Windows为基础的仿真工具，包含原理图和硬件描述语言输入工具，具有丰富的仿真分析能力，用于板级的电子电路设计。

Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，设计者无需深入了解SPICE技术就可进行仿真、分析和设计。Multisim的重要特征包括：通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路；通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为；借助高级电路分析, 理解基本设计特征；通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试；通过改进、整合设计流程，减少建模错误并缩短建模时间。

Multisim经过多个版本的发展，目前普遍使用Multisim 10。Multisim与Labview完美结合，用户可以根据需求制造出属于自己的仪器，教育工作者可以方便地把理论知识用计算机仿真真实的再现出来，解决理论教学与实验相脱节的问题［2］。

2 电子技术虚拟实验环境创设

电子技术课程理论系统性强，概念抽象，对学生实践能力要求高。利用EDA工具，选择课程中的重点和难点内容进行实验仿真，创设虚拟实验环境，开展以模拟、仿真实验为基础的计算机辅助课堂教学，通过实验验证理论和“实验结果”的反复重现，增强抽象概念的直观性，加强学生的认知、理解和记忆强化；通过学生参与实验过程，增强课堂的互动性和趣味性，达到培养能力，提高教学效果的目的。

模拟电子技术课程可创设的虚拟实验环境有：阻容耦合放大电路、差分放大电路、两级阻容耦合放大电路、负反馈放大电路、电压比较器、互补功率放大电路、正弦波振荡电路、和整流-滤波-串联稳压电路。

数字电子技术课程教学中可以创设：集成门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、555定时器及其应用、D/A及A/D转换器［3-5］。

3 应用举例

本文以单级阻容耦合共射放大电路为例，介绍基于Multisim技术的虚拟实验环境的创设。

通过阻容耦合放大电路实验环境，可以开展工作在放大状态下三极管电流分配关系，静态工作点与三极管饱和、放大、截止三个状态之间的关系，工作点与温度的关系，元件参数对放大倍数、输入电阻和输出电阻的影响等实验演示教学。

根据教学需求，创设实验环境，在Multisim上搭建测试电路，图1为单级阻容耦合共射放大电路，图2为静态测试电路。设置实验所需的信号发生器、电流表和示波器，调整好测试参数。

课堂教学中，借助创设的实验环境，运行电路仿真，可以开展如下的实验演示教学。

在图2电路中，接通直流电源，观察三极管的工作状态，加深学生对静态工作状态的理解，消除在静态，即没有变化信号输入时，三极管没有工作电流的认识误区。

在图2电路中，改变电路元件R1，R2和V2的参数，观察静态工作点Q的变化，加强学生对电路参数决定静态工作点位置的掌握［6-8］。

在图1电路中，信号发生器输入变化信号，通过双通道示波器观察实际电路波形输出结果，如图3所示，使学生加深对共射放大电路放大情况，输出与输入相位关系的理解与认识［9-10］。

在图1电路中，调节负载电阻RL，观察负载对放大倍数的影响，加深理解。调节R1，改变静态工作点位置，使波形发生失真，让学生直观形象地了解放大器的

非线性失真的情况。

4 结 论

单级阻容耦合共射放大电路是模拟电子技术课程讲授的第一个电路，正确理解并牢固建立静态工作点、放大倍数、波形失真等有关概念，掌握这些概念之间以及它们与电路参数之间的关系，对整个课程的学习是至关重要的。学生对动态放大、波形失真与静态工作点关系的理解，既是教学的重点，又是教学的难点。在本例的教学活动中，通过创设的实验环境仿真分析电路，测试电路参数和观察波形，并通过反复的演示和观察，开展充分的互动教学，就可达到消除学生的认知误区，深化对上述概念的理解和掌握，取得良好的教学效果。

参 考 文 献

［1］路而红.虚拟电子实验室［M］.北京：人民邮电出版社,2005.

［2］常华，袁钢,常敏嘉.仿真软件教程：Multisim和Matlab［M］.北京：清华大学出版社,2006.

［3］侯建军.电子技术基础实验、综合设计实验与课程设计［M］.北京：高等教育出版社,2007.

［4］康华光.电子技术基础(模拟部分)［M］.5版.北京：高等教育出版社,2006.

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［8］王全宇.环形移位计数器在彩灯控制电路中的应用［J］.电子科技,2010(1):62-64.

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