基于Multisim的等效電阻仿真求解方法

李靜

（皖江職業(yè)教育中心學(xué)校,安徽馬鞍山，243000）

0 引言

電工電子技術(shù)課程是相關(guān)專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程，其內(nèi)容包含了基本電路、歐姆定律、基爾霍夫定律、戴維南定理、三相交流電路，發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)等等內(nèi)容[1,2]。而課程中的某些例題或生產(chǎn)實(shí)際中的電路模型往往無法建立其數(shù)學(xué)模型，因此有必要采取其他方式進(jìn)行模型計(jì)算與預(yù)估[3]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，隨之產(chǎn)生的仿真技術(shù)得到了飛速發(fā)展，如基于有限單元法的結(jié)構(gòu)仿真，基于虛擬儀器的界面仿真，基于圖形化模塊的電路仿真等。在電工電子仿真及教研方面，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。沈旭東等針對《電路基礎(chǔ)分析》課程概念多、理論性和實(shí)踐性強(qiáng)且理解起來抽象等特點(diǎn)，提出了可利用Multisim仿真軟件進(jìn)行教學(xué)改革的方法，方法將Multisim軟件仿真技術(shù)融入到課堂教學(xué)中，通過仿真演示+學(xué)生動(dòng)手操作等方式使課堂教學(xué)和仿真技術(shù)相結(jié)合，以使學(xué)生能夠加深對課堂內(nèi)容的理解。郭瓊基于Multisim仿真計(jì)算了電工電子中的難點(diǎn)部分：晶體管放大電路。分析了放大電路的開環(huán)差模增益、輸入偏移電壓、共模抑制比、增益帶寬積等特性，幫助了學(xué)生理解晶體管放大電路理論。

電工電子技術(shù)課程中，經(jīng)常遇到等效電阻的計(jì)算問題，而有些等效電阻電路過于復(fù)雜，學(xué)生往往無法建立其數(shù)學(xué)模型，造成求解困難。由上述分析可知，可采用過Multisim電子電路仿真軟件解決復(fù)雜等效電阻電路的等效電阻求解問題。

1 基于Multisim電子電路仿真方法

Multisim電子電路仿真軟件是一個(gè)比較系統(tǒng)且完整的電子電路設(shè)計(jì)與仿真計(jì)算系統(tǒng)，系統(tǒng)提供了大量的元器件數(shù)據(jù)庫，并通過圖形化接口模式，集成了數(shù)模Spice仿真功能，VHDL設(shè)計(jì)接口，F(xiàn)PGA綜合以及RF設(shè)計(jì)功能等，并擁有強(qiáng)大的后處理模塊。Multisim通過圖形化接口設(shè)計(jì)模式將電路中的具體模型隱藏到了底層，用戶不必過于考慮具體元器件的底層程序，而只需通過設(shè)置調(diào)用參數(shù)調(diào)用模塊即可?？赏瓿蓮脑韴D設(shè)計(jì)輸入、電路仿真分析到電路功能測試等的一系列工作。當(dāng)改變電路連接或改變元件參數(shù)時(shí)，可方便地觀察到各種變化對電路性能的影響。在Multisim中可利用子電路簡化復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，增加電路的可讀性、縮短電路設(shè)計(jì)周期。創(chuàng)建子電路的工作的步驟包括：選擇、創(chuàng)建、調(diào)用、修改等。

如圖1所示的本文將用到的Multisim元器件：直流電源、電阻、萬用表以及接地等元器件。圖中的直流電源電壓為12V，元器件編號為V2；萬用表編號為XMM2，萬用表的正負(fù)兩極可連接在電路的兩端，且可反接；電阻模型的阻值為100歐姆，編號為R9；接地符號與電子電路課程中的地一致；在萬用表中可選擇表的類型是電壓表、電流表、歐姆表和分貝表，圖示顯示了萬用表中的電流表。在課堂教學(xué)或課下擴(kuò)展學(xué)習(xí)時(shí)，教師可通過Multisim軟件手把手教會(huì)學(xué)生如何使用Multisim中的元器件以及元器件參數(shù)的設(shè)置方法，以提高學(xué)生技能。

圖1 Multisim直流電源、電阻等部分元器件圖示

2 等效電阻模型的仿真計(jì)算

通過Multisim軟件搭建田字形電阻電路仿真模型如圖2所示。電路中直流電源的電壓為12V，電阻的阻值均為100歐姆，電路中共有8個(gè)電阻，電流表連接在電路的電源與電阻電路端，通過觀察電流表的數(shù)值，可通過歐姆定律間接知曉電路的等效電阻大小。

圖2 田字形電阻電路Multisim仿真模型

點(diǎn)擊軟件的仿真運(yùn)行按鈕，電路進(jìn)入仿真模式，仿真計(jì)算得到電流表讀書為-180mA，通過歐姆定律可得電阻電路的等效電阻為200/3=66.7歐姆，通過改變R2的阻值觀察電流表讀數(shù)及等效電阻變化如圖3所示。

圖3 電流值與等效電阻隨R2的變化情況

由圖3可知電路的總電流與等效電阻隨R2電阻阻值的變化而變化，在R2的電阻值較小時(shí)，等效電阻的變化較大，并隨著R2的增大，等效電阻的阻值逐漸增大，但增長速度卻一直減小，表明當(dāng)R2增大到一定值后，R2對電路等效電阻的作用就越來越低，直至幾乎沒有影響，同時(shí)電路的總電流也基本趨于穩(wěn)定，電路中的電流變化范圍為：150.968 mA ～284.18 mA，因此等效電阻的變化范圍為：42.2268 Ω ～79.4870Ω。如果想要知曉R2阻值較小時(shí)的等效電阻與電流變化情況，可在R2阻值為0 ～100歐姆之間細(xì)化仿真點(diǎn)，因此可以得到更加光滑的變化曲線，從而更加充分地分析電路性能情況等。通過Multisim仿真方法，可知曉對田字形等輔助電路的等效電阻計(jì)算，以及當(dāng)電路中某些電阻發(fā)生變化時(shí)，觀測等效電阻及總電流的變化情況。

3 結(jié)束語

復(fù)雜電路的等效電路往往較難建立其數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行求解，因此可采用基于Multisim仿真軟件的仿真計(jì)算方法。本文接收了Multisim的基本知識及其直流電源等仿真模型，通過對田字形電路的仿真得到了其等效電阻值，以及隨之電路中某個(gè)電阻變化而變化的等效電阻值及總電流變化情況，可為基于Multisim的等效電阻仿真求解提供參考。