Multisim在電子技術設計性實驗中的應用

朱延楓，周志強，耿大勇

（1.遼寧工業(yè)大學電氣工程學院，遼寧 錦州 121001；2.中國人民解放軍65663部隊，遼寧 錦州 121000）

Multisim在電子技術設計性實驗中的應用

朱延楓1，周志強2，耿大勇1

（1.遼寧工業(yè)大學電氣工程學院，遼寧 錦州 121001；2.中國人民解放軍65663部隊，遼寧 錦州 121000）

該文基于Multisim仿真軟件，建立了電子技術實驗課中直流穩(wěn)壓電源的仿真電路。通過預先對實驗電路的仿真分析，幫助學生深刻理解電路理論與行為，克服了硬件實驗電路易出錯誤、易發(fā)生設備事故和人身事故，以及實驗設備不足的限制，提高了實驗效率，并激發(fā)了學生對實驗內容的深入思考，調動了學習積極性。通過對仿真波形和數(shù)據(jù)的分析，證明了應用該軟件的可行性。

電子技術；設計性實驗；電路仿真軟件；直流穩(wěn)壓電源

電子技術實驗是電子技術課程的重要教學環(huán)節(jié)，通?？煞譃檠菔拘詫嶒?、驗證性實驗、綜合性實驗和設計性實驗四種。設計性實驗是學生根據(jù)給定的實驗任務，利用所學的理論知識設計實驗方案、實驗電路圖，選擇電路參數(shù)，獨立進行實驗測試和調整各參數(shù)值，得出符合實驗任務要求的測試電路［1］。通常，在電子技術實驗課程或其他的實驗課程中都會安排至少一個設計性實驗，從而使實驗教學由單純驗證性實驗向設計性實驗轉化，提高學生對實驗教學環(huán)節(jié)的興趣，調動學生學習的積極性和主動性，培養(yǎng)學生的工程實踐能力。但在遼寧工業(yè)大學近幾年的電子技術課程設計性實驗教學中，我們也發(fā)現(xiàn)了一些問題。學生在進入實驗室之前一般是按照所學的相關理論知識畫出電路圖，選擇參數(shù)，并沒有用其他方法驗證所設計的內容是否可行，這樣在硬件實驗時很容易出錯。那么有沒有什么辦法讓學生在進入實驗室之前就對自己的設計內容進行驗證呢？隨著各種電路仿真軟件的出現(xiàn)，對于設計性實驗可以采用這些電路仿真軟件進行預先驗證。一方面，可以使學生充分理解所要進行的實驗的目的、內容、預期效果，進而避免在真正實驗中出現(xiàn)某些錯誤，提高實驗效率和成功率；另一方面，可以避免因誤操作而對儀器設備造成的損壞，從而降低實驗成本。

在眾多的電路仿真軟件中，Multisim具有高度互動、易于使用、元器件庫較齊全、電路仿真分析能力豐富等優(yōu)點；在具備專業(yè)軟件工具優(yōu)勢的同時，又具有為教學量身定制的教學軟件的特性，可以幫助學生深刻理解電路理論與行為［2］。該軟件配備有較豐富的元器件庫，有一般實驗室常見的通用儀器，如萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、雙蹤示波器和直流電源；還有一般實驗室少有或沒有的專用儀器，如波特圖儀、邏輯分析儀、失真儀、頻譜分析儀和字信號發(fā)生器等［3］。應用Multisim進行仿真實驗具備以下優(yōu)點：1）可彌補實驗器材的不足，完成無法進行的實驗；2）擴展實驗的深度和廣度，為硬件電路的實現(xiàn)提供了正確的理論依據(jù)和設計方案，使課程實驗朝著“方案設計—軟件仿真—電路設計和制作—系統(tǒng)調試”這一工程實踐的流程發(fā)展［4］；3）不受時間和空間限制；4）與傳統(tǒng)的硬件實驗相比，仿真實驗不會造成實驗儀器的折舊和更新?lián)Q代。

本文針對遼寧工業(yè)大學電子技術實驗課程中的“直流穩(wěn)壓電源”這一設計性實驗，闡述基于Multisim仿真軟件的應用。

1 直流穩(wěn)壓電源實驗的設計

1.1 設計任務與要求

給出1個變壓器、4個二極管（或整流橋堆）、若干個電解電容、若干個一般電容、1個三端集成穩(wěn)壓器LM317、1個電位器、若干個電阻、1個交流電源，設計一個直流穩(wěn)壓電源（以上元器件的參數(shù)可自行選擇）。要求：1）設計并畫出電路原理圖；2）繪制實驗數(shù)據(jù)表格，計算穩(wěn)壓系數(shù)Sr；3）連接實驗線路；4）通過實驗驗證所設計內容的正確性。

1.2 確定實驗方案

直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路4個部分組成，如圖1所示［5］。

圖1 直流穩(wěn)壓電源原理圖

2 基于Multisim的仿真分析

2.1 整流電路的設計

整流電路是利用二極管的單向導電性來實現(xiàn)的，將大小和方向都隨時間變化的工頻交流轉換成單方向的脈動直流［6］。本次設計采用的是單相橋式整流電路。啟動Multisim，在其元件庫中找出相應的元器件，連接好仿真模型，如圖2所示。仿真后得到變壓器二次側的電壓ui與輸出電壓uo的波形如圖3所示。仿真結果和理論分析基本一致。

2.2 整流、濾波電路的設計

整流電路輸出脈動的直流電，其中含有很大的交流成分，為了使輸出電壓接近于理想的直流電壓，需濾除它的交流成分，此過程稱為濾波［7］。本文采用的是電容濾波電路，仿真模型如圖4所示。仿真后，得到變壓器二次側的電壓ui與輸出電壓uo的波形如圖5所示。

圖3 整流電路的輸入輸出電壓波形

圖4 整流、濾波電路的仿真模型

圖5 整流、濾波電路的輸入、輸出電壓波形

2.3 穩(wěn)壓電路的設計

將不穩(wěn)定的直流電轉換成穩(wěn)定且可調的直流電的電路稱為直流穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓環(huán)節(jié)能夠在交流電源電壓波動或負載變動時，使直流輸出電壓穩(wěn)定［8］。本次設計采用三端集成穩(wěn)壓器LM317構成穩(wěn)壓電路，仿真模型如圖6所示。圖中，電容C3用來消除電路可能產生的自激振蕩，電容C2可以改進電路的瞬態(tài)響應。仿真后，得到變壓器二次側的電壓ui與輸出電壓uo的波形如圖7所示。

圖6 穩(wěn)壓電路的仿真模型

圖7 穩(wěn)壓電路的輸入輸出電壓波形

從仿真波形可見，220 V電源電壓經(jīng)降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后，在負載兩端可以得到一穩(wěn)定的直流電壓。

2.4 穩(wěn)壓系數(shù)Sr的計算

穩(wěn)壓系數(shù)Sr定義為在負載不變的條件下，穩(wěn)壓電路輸出電壓的相對變化量與輸入電壓的相對變化量之比［9］。利用Multisim中的萬用表可以很容易地測得當電源電壓波動±10時，穩(wěn)壓器輸入、輸出的電壓值，進而計算出穩(wěn)壓系數(shù)Sr。測得結果為：電源電壓波動±10時，穩(wěn)壓器輸入、輸出的電壓值分別為25.573 V、19.914 V和12.296 V、12.184 V。計算得到穩(wěn)壓系數(shù)：

借助圖6所示的仿真電路，學生還可以做簡單改進，從而方便地計算出電路的電壓調整率、輸出電阻等參數(shù)。

2.5 存在的問題

在應用Multisim進行仿真實驗時發(fā)現(xiàn)，當R2調整的百分比比較小時，輸出電壓會出現(xiàn)紋波電壓。這個問題的解決方法是可以在R2兩端并聯(lián)一個合適的電容；再有，當輸出端短路時，如何保護穩(wěn)壓器呢？整流、濾波電路中R1C1的選取與理論分析并不完全一致。其實，諸如以上在仿真中出現(xiàn)的問題都可以讓學生考慮解決的辦法，這樣即拓展了實驗的深度，又培養(yǎng)了學生思考問題、解決問題的能力。

3 結束語

從基于Multisim的電子技術設計性實驗仿真分析可以看出，進行預先仿真實驗不僅安全，而且電路易于操作，參數(shù)易于修改。從仿真電路中可以很直觀地觀察所要的波形，仿真結果與理論分析基本一致。通過Multisim的引入提高了學生獨立思考問題和解決問題的能力，為學生開展如課程設計、電子設計大賽等創(chuàng)新型科技活動營造了良好的條件，激發(fā)了學生的學習積極性和主動性。這些都勢必會對提高電子技術實驗課程的教學質量起到促進作用。因此，Multisim仿真軟件在電子技術課程設計性實驗中的應用是可行的；但同時也應注意到它作為一種電路仿真軟件的局限性。由于Multisim元件庫中的元件都是實際電路元件的理想化模型，與實際元件是有一定差別的，仿真結果可能與實際電路的測量結果有一定的差別。所以，應用該軟件進行電路仿真時，仿真結果是選擇元件，搭建實際電路的主要參考，但并不能完全代替電路的最終設計。

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Application of Multisim in Designing Experiment of Electronic Thechique

ZHU Yanfeng1，ZHOU Zhiqiang2，GENG Dayong1
（1.Electrical Engineering College，Liaoning University of Technology，Jinzhou 121001，China；2.Troops 65663 of PLA，Jinzhou 121000，China）

In this paper，a simulative circuit for the DC regulated voltage source in designing experiment of electronic technique is proposed based on Multisim simulation software.From the analysis of the simulative circuit in advance，this experiment can help students understand the circuit theory and behavior，avoid errors in the process of real experiment，the device damage，personal injure and insufficient devices in lab，improve the efficiency of experiments，inspire the students to think deeply about the experiment content and arouse the enthusiasm of their learning.Through the analysis of the simulative curves and data，the feasibiliety of applying the software is proved.

electronic technique；designing experiment；circuit simulation software；DC regulated power supply

TM133

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.028

2015－03－05；修改日期：2015－03－18

遼寧省2014年度普通高等學校本科教育教學改革研究基金（UPRP20140307）。

朱延楓（1977－），女，碩士，副教授，主要從事控制理論、電工電子技術方面的研究工作。