Multisim在高中通用技术教学中的应用探索

摘 要:本文在分析了高中通用技术控制与设计课程实践的基础上,认为应充分发挥现代电子信息技术的优势,将Multisim电子仿真软件引入高中通用技术课堂教学中。介绍了使用该软件进行电路设计与仿真的方法,并给出了一个基于通用技术教材的设计案例。

关键词:Multisim电子仿真软件;通用技术;课堂教学

通用技术课程是高中新课改中的一个亮点,课程目标着力于提升高中学生的技术素养,同时该课程也是一个难点,它综合了多学科的知识,除了涉及物理、电子、设计、系统、结构等方面的知识,还包括许多实操课程。对于每一位讲过分科教学且以理论教学为主的通用技术任课教师来说,在驾驭学科综合性与实践性都非常突出的通用技术课堂教学能力等方面都面临着严峻的挑战。

控制与设计作为高中通用技术课程的必修模块之一,电路设计是电子控制设计的一个重要环节,课程标准中提出了使用计算机辅助设计的建议在后续选修课程“电子控制”和“简易机器人制作”中,电子设计辅助工具是教学中一个重要有力的工具,因此教师有必要对电子设计辅助工具有所了解。

一、Multisim软件介绍

Multisim是加拿大IIT(Interactive Image Technologies)公司在EWB基础上推出的电子电路仿真软件,是一个专门用于电子线路仿真与设计的EDA(Electronic Design Automation)工具软件,内含数万种元器件和13种常用的虚拟仪器仪表,用它可以方便地搭建各种电子电路,能完成从电路的设计、仿真的全过程。近年来在国内外高校及电子设计领域得到广泛应用,主要具有如下特点:

1.用户界面友好直观:整个操作界面就像一个电子实验工作台,选用元器件和测试仪表等均可直接从屏幕上器件库和仪表库中直接选取,点击鼠标可将元器件用导线连接起来,与实际操作近乎相同。

2.丰富的元器件库:提供了庞大的元器件库,共有14个元件分类库,每个元件库中又含有多个工具箱,各种元件分门别类地放在这些元件箱中,用户可以随时调用。同时还可以建立自己的元器件库,即对自己研发的新器件编辑、修改和创造新的元件库。丰富的元器件库为学生了解各种器件的性能和参数打下了坚实的基础,并能为创新设计提供用之不尽且无任何经济负担的试验元件。

3.超强的仿真能力:提供了数字万用表、函数信号发生器、示波器等种类齐全的虚拟电子仪表,这些仪表的设置、使用方法和外观与实验室的真实仪表基本一致,其界面友好逼真,如同在实验室亲手操作一样。对于所设计的电路,可以进行通电仿真,既可以对模拟或数字电路进行仿真,也可以将数字元件和模拟元件在一起进行仿真,测量电路工作过程中,各个位置的电量参数。

二、Multisim软件应用于通用技术教学实例

通用技术地质版教材《技术与设计2》在102页“什么是控制”一节中,提到了调光台灯这样一个电子控制案例,下面通过Multisim实现调光台灯的电路设计及仿真,了解Multisim的实际应用。

1.选取并放置元器件

进入Multisim9工作环境界面(如图1所示),Multisim基本界面主要有菜单栏、设计工具栏、使用中的元件列表、仿真开关、元件工具栏、仪表工具栏、电路窗口、状态栏等。与所有的Windows应用软件类似,菜单栏提供了本软件几乎所有的命令,可方便放置元件和仪表。

图1 Multisim工作环境界面

(1)放置电源

用鼠标点击电源工具按钮,在按钮上移动鼠标会显示按钮所代表的元件族的名称。在Family中点击POWER_SOURCES,在Component中点击AC_POWER,然后单击对话框“OK”。将鼠标移动到要放置元件的左上角位置,利用页边界可以精确地确定位置,单击鼠标,电源出现在电路窗口中(如图2所示)。

图2 电源选择界面

(2)放置其它元器件

启动菜单栏Place选项菜单中的Component命令,从“Basic”元件箱中调出需用的电位器、电容;从“Source”元件箱中调出接地符号;从“Diodes”元件箱中调出二极管、可控硅;从“Indicators”元件箱中调出灯泡;按照电路原理图排列各个元件(如图3所示)。

图3 调光台灯元器件界面

2.电路布线

将鼠标放于元器件管脚上或仪器接口上,鼠标指示变为“+”形状后,移动鼠标至另一元件管脚,即完成两者之间的连结,3条电路线交叉的地方需要放置节点,选择Place/Place Junction菜单命令,鼠标指示已经做好放置节点准备,单击两输入点的连线放置节点。将所有元器件用具有电气意义的导线完成连接起来,构成一个完整准确的电路原理图(如图4所示)。

图4 调光台灯原理图

3.设置参数

用鼠标双击被编辑的元件,在弹出的对话框中设置元件参数。如调出的交流电源频率为60Hz,要将其修改为正常交流电频率50Hz,则只要双击该电源,打开电源特性对话框,电源值标签(Value tab)显示如图5所示,将其中的频率60Hz改为50Hz,单击确认即完成对电源的频率修改。电路生成后要保存电路,以备以后调用。

图5 电源属性菜单

4.电路仿真分析

Multisim软件的最大优点为可以对前端设计的电路进行运行仿真,并用各种仪表测量电路运行过程中的电压、电流等参数。单击设计工具栏中的Instruments按钮进入仪表功能。单击此按钮后会出现仪表工具栏,每个按钮代表一种仪表。如图6所示,首先调出“双踪示波器”“数字万用表”并接入电路,每种虚拟仪表都包含一系列可选设置来控制它的使用。

图6 虚拟仪表栏

双击示波器图标,打开示波器设置对话框,显示如图7所示。选择Y/T时,时间参数(Timebase)控制示波器水平轴(X轴)的标度。为了得到稳定的读数,时间参数设置应与频率成反比――频率越高,时间参数越低。同样双击万用表图标,打开万用表设置对话框进行设置。

图7 示波器显示界面

仿真的开始和停止只需按下该软件右侧的“启动/停止”开关,或选择弹出式菜单中的Run/Stop命令。观察仿真结果的最好方法是用前面添置到电路中的示波器和万用表进行观察。仿真界面如图8所示,虚拟仪表示波器和数字万用表与普通实验室实际的示波器和数字万用表面板相似,本例是一个双踪示波器,有A、B两个通道,可用来比较两个波形图,两个通道分别用来测量电压和灯泡两端的波形,并形成对比,依次调节电位器R1连入电路的电阻百分比(反复按键盘上的A键),观察数字万用表示数变化,并对示波器A、B两个通道的波形对比。通过调节电位器R1可以调节灯泡两端的电压,也就是调节灯泡的亮度。

图8 调光台灯电路仿真图

三、结束语

由此可以看出,把Multisim引入通用技术课程的教学中,提高了技术内容的先进性,丰富了技术的学习方式,降低了技能学习的难度,提高了技术学习的效率,并成为表达设计方案和进行交流的有力工具。教师的电路设计工作可以通过计算机完成,灵活运用设计仿真软件可将实验与修改过程合二为一,大大缩短了电路设计的周期。用Multisim设计仿真电路,如同在实验室的线路板上进行设计和仿真,而且它不受元器件种类、数量、测试仪器以及实验场地的限制。在平常的教学实践中,合理地引入该软件对各类典型的电路进行模拟仿真,可加深学生对电路的工作原理、特性的理解,而且可节省实验场地与经费,弥补了很多学校硬件实验设施的不足。

Multisim软件对于电路设计仿真功能强大,但也具有局限性。如电子设计实验对于培养学生实际动手能力的重要性:电子焊接、基本元器件的测试应用、电路调试等实际操作是该软件无法实现的。从培养学生运用现代信息技术和实际操作能力出发,应将Multisim软件设计仿真和传统实践教学有机结合,取其所长,充分发挥虚拟设计仿真与实训的各自优势,达到最佳教学效果。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中技术课程标准(实验)[M].北京:人民教育出版社,2003

[2]通用技术编写组.普通高中课程标准实验教科书 技术与设计2[M].北京:地质出版社,2004

[3]李良荣.现代电子设计技术[M].北京:机械工业出版社,2004

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