電路原理課程仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

付揚(yáng)

摘? 要 電路原理課程是一門(mén)非常重要的電類(lèi)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，為了提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，在課后延續(xù)中將Multisim仿真引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛實(shí)結(jié)合。介紹Multisim仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和優(yōu)勢(shì)，以電路原理課程的典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，介紹Multisim仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。實(shí)踐表明，Multisim仿真能提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，有利于加深學(xué)生對(duì)電路定理和電路方法的理解和應(yīng)用，提升學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞 電路原理;Multisim;戴維寧定理;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）15-0129-03

1 前言

電路原理課程是理論性和邏輯性很強(qiáng)的課程，同時(shí)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。北京工商大學(xué)電路原理課程開(kāi)在大一下學(xué)期，學(xué)生普遍反映本課程學(xué)習(xí)難度大，對(duì)定理、定律理解不透，方法應(yīng)用缺乏靈活性。為了使學(xué)生理解學(xué)會(huì)該課程，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課、專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)，應(yīng)加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)。由于該課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)資源有限，長(zhǎng)期以來(lái)增加實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)教學(xué)不能得以有效改善。以學(xué)校綜合教學(xué)改革為契機(jī)，增加課后延續(xù)教學(xué)環(huán)節(jié)，為提高學(xué)生的分析設(shè)計(jì)能力和實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作的效率，引進(jìn)Multisim仿真設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將抽象理論知識(shí)通過(guò)直觀仿真實(shí)驗(yàn)展示，仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，在加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)理解的同時(shí)，加強(qiáng)實(shí)踐訓(xùn)練，有效地培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力以及實(shí)踐創(chuàng)新能力。

2 Multisim仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和優(yōu)勢(shì)

Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器公司推出的虛擬仿真軟件，能夠進(jìn)行原理電路設(shè)計(jì)和電路功能測(cè)試的仿真。Mu1tisim設(shè)計(jì)環(huán)境全面集成化，提供了多個(gè)元器件庫(kù)的數(shù)千個(gè)元器件，可以方便快捷地選定元器件完成設(shè)計(jì)的電路圖;提供了齊全的虛擬電子儀器，包括實(shí)驗(yàn)室常用儀器和實(shí)驗(yàn)室不具備的儀器;提供了全面的仿真分析工具，方便快捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的各種分析。Multisim仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是：首先明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，根?jù)實(shí)驗(yàn)原理，創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)電路;再根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，選定分析方法和仿真儀器進(jìn)行仿真分析;最后根據(jù)仿真分析得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

Multisim實(shí)驗(yàn)操作如同真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣，相比實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)具有以下優(yōu)勢(shì)。

1）提升了學(xué)生的興趣和積極性。學(xué)生對(duì)電腦操作上手快，愿意在電腦上操作，因?yàn)閰?shù)修改方便且不擔(dān)心接錯(cuò)電路，器件選擇范圍廣，實(shí)驗(yàn)猶如娛樂(lè)十分有趣，而不是一種負(fù)擔(dān)。

2）時(shí)間和地點(diǎn)不受限制。教室、宿舍、圖書(shū)館、機(jī)房等只要有電腦，學(xué)生隨時(shí)可以進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，靈活且方便，有效增加了實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。

3）節(jié)省實(shí)驗(yàn)器材。Multisim仿真減少了實(shí)驗(yàn)室器件和儀器的損壞，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)開(kāi)支。Multisim下接線(xiàn)不對(duì)或操作不當(dāng)，不會(huì)造成儀器損失。

4）Multisim軟件安全可靠。對(duì)于交流電路，如三相電路、功率因數(shù)提高等，電壓380 V/220 V，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中教師會(huì)特別提醒大家注意安全，并在實(shí)驗(yàn)中特別注意看管學(xué)生，以防觸電;但在Multisim仿真中，不必有任何安全方面的擔(dān)心。

電路原理課程主要包含直流電路和交流電路兩個(gè)部分，下面分別以直流和交流兩個(gè)部分的典型電路“戴維寧定理”和“功率因數(shù)提高”進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)舉例。

3 直流電路仿真實(shí)驗(yàn)舉例：戴維寧定理

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1）掌握測(cè)量有源一端口網(wǎng)絡(luò)等效參數(shù)的方法;

2）驗(yàn)證戴維寧定理的正確性。

實(shí)驗(yàn)原理? 工程實(shí)際中常常碰到只需研究某一支路的電壓、電流或功率的問(wèn)題，對(duì)所研究的支路來(lái)說(shuō)，電路的其余部分就成為一個(gè)一端口有源網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)含獨(dú)立電源、線(xiàn)性電阻和受控源的一端口網(wǎng)絡(luò)，對(duì)外電路來(lái)說(shuō)，可以用一個(gè)電壓源和電阻的串聯(lián)組合來(lái)等效置換;此電壓源的電壓等于外電路斷開(kāi)時(shí)端口處的開(kāi)路電壓uoc，而電阻等于的全部獨(dú)立電源置零后的輸入電阻或等效電阻Req，其示意圖如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一端口網(wǎng)絡(luò)如圖2虛線(xiàn)框內(nèi)所示，設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)步驟如下。

用開(kāi)路電壓、短路電流法測(cè)定戴維寧等效電路參數(shù)UOC

和Req。在圖2所示一端口網(wǎng)絡(luò)中，仿真只需直接接入一只萬(wàn)用表即可，仿真運(yùn)行后可得到測(cè)定的開(kāi)路電壓UOC和短路電流ISC，如圖2所示，即可算得Req=UOC/ISC=4.068 V/

12.189 mA=333.74 Ω。

2）一端口負(fù)載實(shí)驗(yàn)。按圖3一端口接入負(fù)載R6，測(cè)量其外特性。選擇合適的電流表和電壓表，調(diào)R6測(cè)量其負(fù)載的電流和電壓，如圖3所示，當(dāng)R6=5 kΩ時(shí)，其電流為0.764 mA，電壓為3.813 V。

3）驗(yàn)證戴維寧定理。將圖3的一端口用戴維寧定理等效，在元器件庫(kù)中選擇電源，其值等于一端口的開(kāi)路電壓UOC;選擇一電阻，其值為Req，負(fù)載仍接R6，其電路如圖4所示。同上調(diào)節(jié)R6，測(cè)其電壓和電流。當(dāng)R6=5 kΩ時(shí)，測(cè)量結(jié)果如圖4所示，其電壓表和電流表與圖3一樣，且當(dāng)R6從1 kΩ到10 kΩ變化時(shí)，圖3和圖4表的讀數(shù)都一樣，說(shuō)明虛框內(nèi)兩個(gè)電路對(duì)外電路R6等效，從而驗(yàn)證戴維寧定理。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論? 通過(guò)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1），實(shí)現(xiàn)有源一端口網(wǎng)絡(luò)等效參數(shù)的測(cè)量;通過(guò)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2）、3），驗(yàn)證戴維寧定理。

4 交流電路仿真實(shí)驗(yàn)舉例：功率因數(shù)提高

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1）熟悉日光燈電路的工作原理和電路模型;

2）理解提高功率因數(shù)的意義，掌握提高功率因數(shù)的方法。

實(shí)驗(yàn)原理? 功率因數(shù)低帶來(lái)如下弊端：

其一是供電電源設(shè)備容量不能充分利用;

其二是線(xiàn)路總電流大，導(dǎo)致電能損耗增加。

這些都是很不經(jīng)濟(jì)的，因此需要提高功率因數(shù)。提高功率因數(shù)的原則是保證負(fù)載的原來(lái)正常工作狀態(tài)不變。

電感式鎮(zhèn)流器的日光燈電路是感性負(fù)載電路，鎮(zhèn)流器看作電感與電阻的串聯(lián)，點(diǎn)燃的日光燈管看成是電阻元件，其電路的功率因數(shù)低。在日光燈電路上并聯(lián)電容可以在保證日光燈正常工作的情況下，提高整個(gè)電路的功率因數(shù)，減少線(xiàn)路的總電流。電路由功率因數(shù)cosφ1提高到cosφ2，其并聯(lián)的電容值為，P、U、ω分別為日光燈功率、額定電壓和交流電的角頻率。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1）構(gòu)建日光燈電路模型，選擇測(cè)試儀器。標(biāo)稱(chēng)值為30 W

日光燈電路日光燈正常工作后，實(shí)際測(cè)量其等效電阻和電感為R=489.27 Ω和L=2.148 H。則日光燈在Multisim下的模型等效為電阻R和電感L的串聯(lián)，其構(gòu)建電路模型如圖5所示，選擇并聯(lián)可變電容，兩塊電流表分別測(cè)量總電流和電容支路電流，XWM1為功率表，測(cè)量有功功率和功率因數(shù)。

2）改變并聯(lián)電容值的電路測(cè)試。改變電容值測(cè)量電路功率因數(shù)、總電流和電容電流，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

3）數(shù)據(jù)分析。根據(jù)表1數(shù)據(jù)能清楚看到隨著C在0～

3 μF之間逐漸增大，功率因數(shù)增大，總電流減小，電路呈感性;當(dāng)C=3.1 μF時(shí)，功率因數(shù)增大到最大值1，電流減小到最小值0.152 A，如圖5所示;當(dāng)C在3.2～6.5 μF之間逐漸增大時(shí)，功率因數(shù)隨之減小，總電流增大，電路為容性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論? 在保證負(fù)載工作狀態(tài)不變的前提下，并聯(lián)電容可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的提高，總電流減小;為保證經(jīng)濟(jì)效

益，提高功率因數(shù)并聯(lián)電容應(yīng)使電路處于欠補(bǔ)償狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

電路原理課程通過(guò)引入Multisim仿真實(shí)驗(yàn)，使電路理論和實(shí)驗(yàn)聯(lián)系更加緊密，豐富了電路實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，有利于對(duì)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用，化解了課程學(xué)習(xí)難度，提升了教學(xué)質(zhì)量。通過(guò)實(shí)踐可以看出，Multisim仿真突破了時(shí)間和空間限制，提高了學(xué)生實(shí)踐的興趣和自主性，是對(duì)電路原理課程實(shí)踐教學(xué)的有益補(bǔ)充，有效提升了學(xué)生的分析設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

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