Multisim10仿真技術(shù)在“電路基礎(chǔ)”教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐

吳玲敏+王維娜

摘要：將Multisim10計(jì)算機(jī)仿真軟件引入電路基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)中，通過列舉多個(gè)運(yùn)用Multisim10仿真的教學(xué)案例，總結(jié)教學(xué)中運(yùn)用Multisim10仿真軟件的優(yōu)勢和取得的成績，進(jìn)而提高學(xué)生對所學(xué)理論知識的理解掌握。

關(guān)鍵詞：Multisim10；教學(xué)；仿真；電路基礎(chǔ)

中圖分類號：G642.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）09-0064-03

一、電路基礎(chǔ)課程的教與學(xué)現(xiàn)狀分析

電路基礎(chǔ)課程是我系電子類專業(yè)的必修課程，傳統(tǒng)的教學(xué)方法是：先學(xué)習(xí)理論知識，待理論知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累到一定程度后，學(xué)生自己動手畫電路原理圖并搭接電路來驗(yàn)證所學(xué)的理論知識。由于該門課程理論性較強(qiáng)，學(xué)生接受困難，在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程中如果沒有達(dá)到預(yù)期效果，則需要反復(fù)調(diào)整參數(shù)、重新測量，直到電路參數(shù)達(dá)到預(yù)期效果為止。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將計(jì)算機(jī)仿真引入電路的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)，已取得較好的效果。在學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)中加入仿真，能夠更好地理解和預(yù)測電路的動作，對電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對假設(shè)的實(shí)驗(yàn)方便地進(jìn)行驗(yàn)證，對難以測量的電路參數(shù)進(jìn)一步探索和研究，從而減少了電路課程的學(xué)習(xí)時(shí)間，也避免了設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

二、Multisim10簡介

Multisim10是美國NI公司最新推出的仿真軟件，它的界面直觀、操作方便，為用戶提供了創(chuàng)建電路所需要的元器件庫及電路仿真需要的虛擬測試儀器儀表，可對各種電路進(jìn)行仿真分析和設(shè)計(jì)，并且在操作中不消耗任何元器件，不受元器件種類和數(shù)量的限制。在教學(xué)中引入仿真技術(shù)，不僅改進(jìn)了電路的學(xué)習(xí)方法，降低了成本，還激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情與興趣。因此，許多國內(nèi)大學(xué)都將其作為電子類課程的輔助教學(xué)使用。

三、Multisim10在課堂教學(xué)中的實(shí)踐

Multisim10是一款很強(qiáng)的實(shí)物模型仿真軟件，課堂教學(xué)過程中結(jié)合理論分析不斷穿插對應(yīng)的Multisim10仿真電路模型，實(shí)驗(yàn)教學(xué)前布置仿真任務(wù)，實(shí)驗(yàn)中加入電路的仿真環(huán)節(jié)，能建立起一種交互式、討論式的教學(xué)模式，提升學(xué)生對空間實(shí)物電路的理解能力，下面結(jié)合教學(xué)實(shí)際，詳細(xì)介紹Multisim10仿真技術(shù)在疊加定理、網(wǎng)孔電流分析法、直流工作點(diǎn)分析和交流分析、功率因數(shù)及其提高方法中的具體應(yīng)用。

（一）利用Multisim10驗(yàn)證疊加定理

疊加定理是電路基礎(chǔ)中一個(gè)很重要的定理，其定義為：在任何含有多個(gè)獨(dú)立的線性電路中，每一個(gè)支路中的電流值或電壓值等于各個(gè)電源單獨(dú)作用時(shí)，在此支路中所產(chǎn)生的電流值或電壓值的代數(shù)和。以1.1所示電路圖為例，通過理論計(jì)算和利用Multisim10仿真來驗(yàn)證此定理求解電壓源、電流源共同作用時(shí)通過電阻R3中的電流、電壓及功率。

1.理論計(jì)算驗(yàn)證疊加定理。電流源Is開路，電壓源Us單獨(dú)作用時(shí)，求得：I″■=■I■=0.5（A）；

U″■=I″■R■=20（V）；P″■=I″■R■=10（W）

電壓源Us短路，電流源Is單獨(dú)作用時(shí)，計(jì)算得：I■=I′■+I″■=0.8（A）；U■=U′■+U″■=32（V）；P■=I■■R■=25.6（W）；P■≠P′■+P″■

應(yīng)用疊加定理，計(jì)算求出：I′■=■=0.3（A）；U′■=I′■R■=12（V）；P′■=I′■R■=3.6（W）

2.仿真軟件驗(yàn)證疊加定理。①打開Multisim10，從Source庫中選取電壓源、電流源、接地端，從Basic元器件庫中分別選取三個(gè)電阻R1、R2和R3，再從Indicators Components庫中選取電壓表、電流表、瓦特表并設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)，按圖1.2所示連線電路。電壓源US、電流源IS共同作用時(shí)，激活仿真軟件后，電流表、電壓表、瓦特表的讀數(shù)分別是0.8A，32.000V，25.6W。②將電流源IS，電壓源US單獨(dú)作用時(shí)，運(yùn)行仿真開關(guān)后，電流表、電壓表、瓦特表的讀數(shù)分別為1.3（a，b）圖所示。

即疊加定理不能用于功率的計(jì)算，只能用來求解電路中的電流或電壓。講授該定理時(shí)，要求學(xué)生不僅要記住它的內(nèi)容，更重要的是能夠靈活地應(yīng)用該定理。在教學(xué)過程中，通過理論計(jì)算和利用Multisim10仿真軟件來驗(yàn)證此定理。因此，采用合適的教學(xué)方法，創(chuàng)建直觀的教學(xué)情境，讓學(xué)生更容易理解疊加定理，進(jìn)而熟練應(yīng)用該定理。

（二）網(wǎng)孔電流分析法仿真實(shí)驗(yàn)

仿真電路如圖2.1所示。

理論計(jì)算

有網(wǎng)孔電流分析法，可列KVL方程：

80I1-20I2=40

-20I1+60I2-40I3=10

-40I2+80I3=40

聯(lián)立上述方程，解得：

I1=0.786A，I2=1.143A，I3=1.071A

比較仿真分析與理論計(jì)算結(jié)果相同。

（三）直流工作點(diǎn)分析和交流分析

直流工作點(diǎn)分析（DC）用于電路靜態(tài)工作點(diǎn)的確定，是其他分析方法的基礎(chǔ)，在仿真分析中，交流電壓源和電感被視為短路；交流電流源和電容被視為開路；交流（AC）電源輸出為零，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)。利用Multisim10進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析的步驟：A.在電路工作窗口建立待分析的電路原理圖如圖3.1所示電路。B.執(zhí)行Option→Sheet Properties命令，在Circuit選項(xiàng)卡下，選定Net Names中的Show All，把電路中的節(jié)點(diǎn)標(biāo)志顯示到電路圖上。C.執(zhí)行Simulate＼Analysis＼DC Operating Point命令，即打開直流工作點(diǎn)分析對話框，該對話框包括Output、Analysis Option及Summary共三個(gè)選項(xiàng)卡。在Output選項(xiàng)卡上，從左側(cè)備選欄已羅列的電路結(jié)點(diǎn)和變量中，選擇需要分析的結(jié)點(diǎn)或變量，通過“Add”按鈕添加到右側(cè)的分析欄中即可，當(dāng)系統(tǒng)自動選中的電路變量不能滿足用戶要求時(shí)，可通過“Output”選項(xiàng)卡中的其他選項(xiàng)添加或刪除需要的變量。完成相關(guān)分析設(shè)置后，點(diǎn)擊Simulate按鈕即可進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果由圖形窗口輸出。如圖3.2所示。

交流分析（AC）是一種頻域分析，是對幅頻特性和相頻特性進(jìn)行分析。進(jìn)行交流分析時(shí)程序自動將所有直流電源置零，交流信號源、電容及電感等元件用交流模型代替，非線性元器件使用交流小信號模型。無論用戶在電路的輸入端輸入哪一種信號，交流分析時(shí)都將自動以正弦波替換，并且以設(shè)定的頻率范圍掃描。

建立如圖3.3所示的RLC串聯(lián)電路，執(zhí)行Simulate/Analyses/AC Analysis命令，設(shè)置交流分析的初始頻率、終止頻率、掃描方式、采樣數(shù)量、選擇輸出波形的縱坐標(biāo)刻度，點(diǎn)擊Reset to default 按鈕，可把所有設(shè)置恢復(fù)為程序默認(rèn)值，用戶也可以自己重新設(shè)置。在Output輸出窗口中，選擇I（l1）為輸出量，點(diǎn)擊Simulate仿真按鈕，可得到如圖3.4所示的交流分析結(jié)果。

（四）提高功率因數(shù)的方法

應(yīng)用Multisim10仿真軟件，對日光燈電路進(jìn)行測試。在電路窗口中放置萬用表、瓦特表，并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，執(zhí)行仿真開關(guān)后測得該電路的電流為415.623mA，功率為34.563W，功率因數(shù)為0.378。如果想得到功率因數(shù)為0.82左右的日光燈電路，通過理論計(jì)算的方法可以得到并聯(lián)電容值的大小。

C=■（tgφ-tgφ′）

=■■-■

=■×■-■

=4.04μF

為得到日光燈電路的功率因數(shù)為0.82，在Multisim10窗口中搭建圖4.1所示的仿真實(shí)驗(yàn)連線圖，執(zhí)行仿真開關(guān)后，不斷調(diào)節(jié)可變電容的容量，將功率表指示的功率因數(shù)值達(dá)到0.82左右，測得并聯(lián)電容后，通過觀察萬用表、瓦特表的讀數(shù)得到為190.806mA，功率為34.54W，功率因數(shù)為0.823，如圖4.2所示，觀察可變電阻的容量仿真結(jié)果與理論計(jì)算值一致。

四、結(jié)論

1.借助于Multisim10仿真軟件可實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐同步進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐教學(xué)的一體化，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)加深了理解力，也提高了分析問題的能力。

2.Multisim10仿真軟中擁有一個(gè)元器件齊全、設(shè)備精良的實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以根據(jù)需要任意搭接各種電路，接上虛擬實(shí)驗(yàn)儀器和儀表，運(yùn)行仿真就可以測試到精確的數(shù)據(jù)和直觀的波形，使實(shí)驗(yàn)做得既快又準(zhǔn)，從而提高實(shí)驗(yàn)效率。

3.利用Multisim10仿真軟件對電路課程進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果直接顯示出來，具有形象又直觀的特點(diǎn)，使學(xué)生直觀感受、理解課程知識，并且操作中不消耗實(shí)際的元器件，所需元器件的種類和數(shù)量不受限制。

4.學(xué)生可以利用Multisim10仿真軟件，課前先在計(jì)算機(jī)上做仿真實(shí)驗(yàn)，觀察“實(shí)驗(yàn)結(jié)果”。這樣能夠很好地調(diào)動學(xué)生的思維，帶著問題聽老師講解電路原理課程。

5.采用“學(xué)中做，做中學(xué)，教學(xué)做一體化”模式，將虛擬仿真技術(shù)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)合，在動手操作實(shí)踐過程中，全面掌握知識，形成技能。同時(shí)，仿真軟件借助計(jì)算機(jī)，不受時(shí)間地點(diǎn)的限制，特別適合學(xué)生自主學(xué)習(xí)，使學(xué)習(xí)過程從被動變?yōu)橹鲃印?/p>

雖然電路仿真軟件有它的種種優(yōu)勢，但從培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)理論知識和實(shí)際操作能力角度出發(fā)，仿真軟件并不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，應(yīng)將仿真教學(xué)和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，充分發(fā)揮各種教學(xué)的優(yōu)勢，讓學(xué)生從中更多地受益。

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Multisim10 Simulation Technology in the Application of "Circuit Basis" Teaching and Practice

WU Ling-min，WANG Wei-na

（Department of Electrical and Mechanical Engineering，Hetao College，Bayannur，Inner Mongolia 015000）

Abstract：This paper puts Multisim10 computer simulation software in the study of basic courses of circuit，by listing multiple use Multisim10 simulation teaching cases，summarizes the advantages and achievements in teaching of using simulation software Multisim10，and improves the students have mastered theoretical knowledge understanding.

Key words：multisim10；teaching；the simulation；circuit basis