Multisim仿真及分析在電路教學(xué)中的應(yīng)用

邵陽學(xué)院　李海娜　陳　源

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Multisim仿真及分析在電路教學(xué)中的應(yīng)用

邵陽學(xué)院李海娜陳源

【摘要】Multisim作為一種強(qiáng)大的電子電路仿真軟件，同樣可以應(yīng)用于《電路》的教學(xué)過程中。當(dāng)它進(jìn)入理論教學(xué)的課堂以后，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性明顯增加，教學(xué)效果明顯提升。本文通過兩個(gè)仿真案例展現(xiàn)Multisim仿真在電路教學(xué)中的應(yīng)用，希望此仿真軟件能得到更大的推廣應(yīng)用，《電路》教學(xué)能得到進(jìn)一步改革。

【關(guān)鍵詞】Multisim仿真；教學(xué)改革；電路教學(xué)

0　引言

《電路》或《電路分析》作為電類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課，一直以來在大學(xué)本科的電類專業(yè)教學(xué)中處于最重要的地位。近二十年來，邵陽學(xué)院電氣工程系在《電路》教學(xué)中采用的教材基本上都是邱關(guān)源先生主編的《電路》這本書，這本教材作為大部分院校電類考研招生的指定參考教材，可見它的內(nèi)容和質(zhì)量當(dāng)然是有目共睹的。從近二十年的教學(xué)效果來看，雖幾經(jīng)改版，但采用這本教材作為主講教材一直都取得了不錯(cuò)了教學(xué)效果。但近幾年來，隨著科技的發(fā)展和各種高級(jí)智能電子產(chǎn)品的普及，90后的大學(xué)生在課堂上不再擁有70、80后學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和興趣，《電路》的教學(xué)效果明顯存在了下滑趨勢(shì)，為此，系里和教研室多次舉行各種教研活動(dòng)，申請(qǐng)教改項(xiàng)目，其目的就是把現(xiàn)代化的教育和教學(xué)方法及手段應(yīng)用到《電路》的教學(xué)過程中，吸引更廣泛的學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，以達(dá)到良好的教學(xué)效果。[1]

在近一年多的電路教學(xué)中，本系的《電路》授課教師，包括筆者在內(nèi)，一改以前的板書授課的教學(xué)模式，積極采用各種現(xiàn)代化的教學(xué)手段進(jìn)行電路的教學(xué)改革，最突出的一點(diǎn)是自制了很多與教材中的知識(shí)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的Multisim仿真實(shí)例。在此，筆者列舉一二Multisim仿真及分析在電路教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例，希望對(duì)大家的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望引起廣大教師同仁對(duì)《電路》教學(xué)改革的進(jìn)一步思考。

2　KCL、KVL的相量形式的仿真教學(xué)

在《電路》的學(xué)習(xí)和分析中，最重要的約束之一是基爾霍夫定律，它包括基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律，分別簡(jiǎn)稱KCL和KVL，這兩個(gè)定律可以使用在一切集總參數(shù)電路的分析中。[2]在正弦穩(wěn)態(tài)交流電路中采用相量法進(jìn)行分析時(shí)，往往每個(gè)題目都需要用到KCL、KVL的相量形式，作為電路的初學(xué)者，這是一個(gè)比較難以理解的知識(shí)點(diǎn)，它們的正確數(shù)學(xué)表達(dá)式分別應(yīng)該為：，但很多的同學(xué)在記憶和使用的過程中往往把這兩個(gè)表達(dá)式應(yīng)用為：，結(jié)果當(dāng)然是導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤。另外，如果這個(gè)知識(shí)點(diǎn)沒有掌握好，還會(huì)嚴(yán)重地影響到后續(xù)很多重要的專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，想再學(xué)好《電機(jī)學(xué)》、《電力系統(tǒng)分析》等課程的更無從談起。為了讓學(xué)生生動(dòng)形象地牢記這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，我們可以從以下Multisim仿真入手，以KCL的學(xué)習(xí)為例。

圖1　KCL的相量形式仿真電路圖

首先在Multisim軟件中繪制出一個(gè)簡(jiǎn)單的仿真電路如圖1所示，電源采用的正弦交流電，在5條不同電流的支路中串了5個(gè)電流表，在仿真中，電流表的“+”、“－”極即代表了電流的參考方向，我們以電流表的編號(hào)表示該支路電流的編號(hào)，即分別為i1、i2、i3、i4、i5。然后開始進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖2所示。

當(dāng)仿真結(jié)果出來后，很多同學(xué)都會(huì)馬上用直流電路中學(xué)習(xí)的KCL去驗(yàn)證電流表的讀數(shù)能否滿足KCL，比如，電流表1的讀數(shù)應(yīng)當(dāng)為表2和表5讀數(shù)之和，電流表5的讀數(shù)應(yīng)當(dāng)為表3和表4讀數(shù)之和。很明顯，上述的兩組計(jì)算都不成立。這時(shí)候，很多的學(xué)生就是會(huì)將注意力轉(zhuǎn)移到這個(gè)問題上來：難道KCL在交流電路中不成立了嗎？

當(dāng)然不是！這個(gè)時(shí)候應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生去復(fù)習(xí)KCL的內(nèi)容：在集總電路中，任何時(shí)刻，對(duì)任一結(jié)點(diǎn)，所有流出結(jié)點(diǎn)的支路電流的代數(shù)和恒等于零，用數(shù)學(xué)表達(dá)表示為。[2]此定律中的電流是時(shí)間的函數(shù)，在直流電路和交流電路中都是如此，只因直流電路中電流不隨時(shí)間改變，直流電流又往往用大寫字母I表示，所以在直流電路中我們經(jīng)常把KCL寫為。但是交流電路中KCL卻不能寫作，因?yàn)樵谡医涣麟娐分写髮懽帜窱只表示正弦電流的有效值，而非時(shí)域形式，所以在正弦交流電路中KCL表達(dá)式應(yīng)當(dāng)寫為，電流為瞬時(shí)值形式的電流。當(dāng)學(xué)生理解好這一點(diǎn)這后，就可以進(jìn)行正弦穩(wěn)態(tài)交流電路中KCL相量形式的推導(dǎo)了。

再根據(jù)復(fù)數(shù)的運(yùn)算定律，可以化為如下表示式：

等號(hào)左邊的中括號(hào)內(nèi)也化為了一個(gè)旋轉(zhuǎn)復(fù)數(shù)，上式在任何時(shí)刻都成立的條件是：，這就是相量形式的KCL的表達(dá)式，可以簡(jiǎn)寫為。下面可以用本仿真電路的數(shù)據(jù)去驗(yàn)證相量形式的KCL是否成立。如圖1所示，設(shè)電源電壓，電源頻率為50Hz，由電感、電容元件的相量形式的電壓電流關(guān)系可得：

電感電流：

電容電流：

再根據(jù)相量形式的KCL得：

電流：

所以通過理論計(jì)算，我們可知電流表3、表4、表5的讀數(shù)其實(shí)都是電流的有效值，理論值分別為636.629mA，138.23mA，498.389mA，可見與Multisim仿真結(jié)果相差不大，誤差范圍在2%以內(nèi)，可見相量形式的KCL是成立的。

通過這樣一個(gè)以Multisim仿真為引入，以科學(xué)的證明為依據(jù)，以理論計(jì)算為驗(yàn)證的過程，大部分同學(xué)都深深地理解、記憶并且會(huì)運(yùn)用了相量形式的KCL，即，這樣也就達(dá)到了我們教學(xué)的目的和效果。

當(dāng)然使用同樣的方法，我們也可以推出相量形式的KVL的表達(dá)式，這部分可以留作課下作業(yè)讓學(xué)生自行完成仿真、證明、驗(yàn)證。

3　濾波電路的仿真

濾波器雖然在《電路》或《電路分析》中沒有要求作為重點(diǎn)的內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，但在后續(xù)的電子電路中經(jīng)常用到濾波的知識(shí)，所以在《電路》的學(xué)習(xí)中要求學(xué)生對(duì)濾波或選頻電路要有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，明白其中的含義。在教材中，我們以電路的頻率響應(yīng)為切入點(diǎn)，進(jìn)行濾波器的學(xué)習(xí)，但學(xué)完后，大部分學(xué)生仍感覺濾波器比較抽象，不能理解什么是帶通、高通、低通等。為解決此問題，我們不再進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的求解及幅頻特性和相頻特性的手工繪制，而是通過Multisim仿真直接展現(xiàn)出不同通帶的濾波器，分別如圖4、圖5、圖6，其過程如下。

在此，我們首先在Multisim中建立一個(gè)簡(jiǎn)單的RLC串聯(lián)電路如圖4左側(cè)電路進(jìn)行仿真，參數(shù)取電阻為1Ω，電感為10mH，電容為。在Multisim中選Simulate-analyses-AC analysis，彈出圖3所示的對(duì)話框，選擇頻率參數(shù)如圖3所示，然后我們以電阻的電壓即節(jié)點(diǎn)電壓V2作為輸出，點(diǎn)擊Simulate，即可得到如圖4右側(cè)的仿真結(jié)果。這種幅頻響應(yīng)曲線對(duì)應(yīng)的濾波電路稱為帶通濾波器，它的特點(diǎn)是中間高，兩頭低，中間頻率段被選擇，兩端的頻率被抑制。曲線最高的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率，就是本RLC串聯(lián)電路的諧振頻率，通過本仿真，可以讀出其值為1.6026kH，本電路的諧振頻率理論值為：

理論值與仿真值基本一致。

圖3　AC Analysis對(duì)話框

圖4　電阻電壓的幅頻特性曲線

同樣的方法仿真RLC串聯(lián)電路中以電容電壓作為輸出，其電路和結(jié)果如圖5所示，可以看出，電容電壓的幅頻特性曲線為低頻部分曲線高，高頻部分曲線低，具有這種輸出特性的濾波電路稱為低通濾波器，即低頻段被選擇，高頻段被抑制。

圖5　電容電壓的幅頻特性曲線

最后仿真RLC串聯(lián)電路中以電感電壓作為輸出，其電路和結(jié)果如圖6所示，電感電壓的幅頻特性曲線為低頻部分曲線低，高頻部分曲線高，具有這種輸出特性的濾波電路稱為高通濾波器，即高頻段被選擇，低頻段被抑制。

圖6　電感電壓的幅頻特性曲線

通過這三幅圖，學(xué)生可以清晰明了地理解濾波器的含義，同時(shí)也可以看出，同一個(gè)電路，以不同地方的電壓值或電流值作為輸出，就可以得到不同類型的濾波電路。

4　結(jié)束語

Multisim作為一款功能強(qiáng)大的電子電路仿真軟件，不僅可以應(yīng)用在電子電路的理論和實(shí)踐教學(xué)中，同樣可以應(yīng)用于《電路》或《電路分析》的教學(xué)，從上面的兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例可以看出，Multisim仿真使得電路的學(xué)習(xí)變得直觀和有趣。通過一年的教學(xué)過程也證明了Multisim仿真進(jìn)入《電路》課堂教學(xué)使得學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣明顯增加，教學(xué)效果得以提升。

如果說《電路》教材中講述的理論知識(shí)是一幅人體骨架的話，那么仿真就相當(dāng)于人體的血肉，把理論知識(shí)和仿真融合在一起，使得《電路》課程的學(xué)習(xí)變得有血有肉，充滿生機(jī)，摒棄掉只進(jìn)行理論教學(xué)的枯燥無味。當(dāng)然，除了Multisim仿真軟件外，我們還可以借助Proteus或Matlab等仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，如何能做到把這幾種軟件融會(huì)貫通地應(yīng)用于每堂課的《電路》教學(xué)中，那么電路理論的學(xué)習(xí)將會(huì)是另外一番風(fēng)光。

參考文獻(xiàn)

[1]李海娜,陳源,劉祥民.“電路”課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].中國電力教育,2014(21):8-9.

[2]邱關(guān)源.電路(第5版)[M].北京:高等教育出版社,2012.

李海娜（1984—），山東菏澤人，碩士，邵陽學(xué)院電氣工程系講師，主要研究方向?yàn)殡姽る娮拥慕虒W(xué)與改革及測(cè)控系統(tǒng)的研究。

作者簡(jiǎn)介：

基金項(xiàng)目：本文系邵陽學(xué)院教改項(xiàng)目“《電路》課程內(nèi)容練習(xí)的研究與設(shè)計(jì)”（項(xiàng)目編號(hào)：2015JG22）。