Multisim在《電路原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

摘 ? 要：本文針對(duì)《電路原理》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的實(shí)驗(yàn)條件、方式及時(shí)間受限等問題，提出在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中引入Multisim仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)了線性電路原理驗(yàn)證、二階電路零狀態(tài)響應(yīng)以及三相交流電路仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐表明，Multisim仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的引入有利于使學(xué)生從被動(dòng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過渡到主動(dòng)地設(shè)計(jì)和分析電路，從而提高實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)效率，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電路原理 ?Multisim ?仿真實(shí)驗(yàn) ?教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：TP391.9;TM13 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）02（c）-0180-05

Abstract： Aiming at the problem of experimental teaching for circuit principle course， it is proposed to bring in Multisim simulation technology in experimental teaching. It is designed the simulation experimental items of demonstration linear circuit theorems， zero state response for second order circuit and three-phase AC circuit. Best practice indicates that by binging in Multisim simulation in experimental teaching， it is advantage for students to do positive design and analysis circuit rather than doing passive demonstration experiments. Therefore， the experimental teaching efficiency can be increased， and the experiments effect can also be improved.

Key Words： Principle course; Simulation experiment; Linear circuit theorems; Second order circuit; Three-phase AC circuit

《電路原理》課程是高等院校電子與電氣信息類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，是所有強(qiáng)電和弱電專業(yè)的必修課[1]。該課程以研究電路的基本規(guī)律及電路的分析方法為主要內(nèi)容，擔(dān)負(fù)著為后續(xù)專業(yè)課程提供電路理論基礎(chǔ)知識(shí)及電路分析方法的重任。通過本課程的學(xué)習(xí)要求學(xué)生具有扎實(shí)的電路分析能力和解決實(shí)際問題的能力。實(shí)驗(yàn)作為理論課程的配套實(shí)踐環(huán)節(jié)，基于理論課程的性質(zhì)、任務(wù)和要求，旨在鍛煉學(xué)生實(shí)際操作能力，以及電路分析能力。對(duì)于引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力方面有著至關(guān)重要的作用。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)通常在集成有各單元電路模塊的儀器化實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)上完成，學(xué)生僅需按各實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及操作步驟完成基本連線及測(cè)試。然而硬件實(shí)驗(yàn)存在實(shí)驗(yàn)儀器固定化、模式化，電子元器件損耗大、參數(shù)靈活性差，實(shí)驗(yàn)時(shí)間及地點(diǎn)受限等問題。電路仿真實(shí)驗(yàn)通常用于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，以及電路參數(shù)和結(jié)構(gòu)改變較多的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)不受硬件實(shí)驗(yàn)條件的限制，充分發(fā)揮仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)可對(duì)硬件實(shí)驗(yàn)起到促進(jìn)作用[3]。

本文在分析《電路原理》硬件實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)各自優(yōu)劣勢(shì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于Multisim仿真軟件的線性電路原理驗(yàn)證、二階電路零狀態(tài)響應(yīng)，以及三相交流電路仿真實(shí)驗(yàn)。在《電路原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，仿真實(shí)驗(yàn)和硬件實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，硬件實(shí)驗(yàn)開始前，通過仿真實(shí)驗(yàn)使學(xué)生達(dá)到預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募霸?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法及步驟，以及預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的目的;硬件實(shí)驗(yàn)過程中，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以指導(dǎo)硬件實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的正確性。

1 ?《電路原理》硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題

課題組根據(jù)多年《電路原理》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題如下：

（1）實(shí)驗(yàn)室條件受限：受學(xué)校經(jīng)費(fèi)以及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的限制，實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)通常只能滿足2～3人/組;部分學(xué)生缺少積極主動(dòng)性，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程中一人動(dòng)手，其它人圍觀。

（2）實(shí)驗(yàn)方式受限：大部分實(shí)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)箱方式，每次實(shí)驗(yàn)涉及的電路都設(shè)計(jì)連接好固化在實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)。學(xué)生只需按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中要求的實(shí)驗(yàn)步驟完成元器件的基本連線操作，學(xué)生不能對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，更不能改變電路結(jié)構(gòu)。因此不能加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和結(jié)果的理解。

（3）實(shí)驗(yàn)時(shí)間受限：部分學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不熟悉，無法在要求的學(xué)時(shí)內(nèi)完成全部實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而受實(shí)驗(yàn)室管理?xiàng)l例限制，從安全角度考慮，實(shí)驗(yàn)室無法做到在課外對(duì)學(xué)生完全開放。

2 ?Multisim仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

鑒于傳統(tǒng)《電路原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入基于Multisim軟件的電路仿真實(shí)驗(yàn)。Multisim是美國國家儀器（National Instrument，NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的電路仿真分析工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)。 Multisim 是一個(gè)真正的虛擬電路實(shí)驗(yàn)室，為每一位學(xué)生提供了專屬的試驗(yàn)場(chǎng)所，具有豐富的電路仿真分析能力[4-8]。在《電路原理》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入基于Multisim的仿真實(shí)驗(yàn)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）Multisim提供了豐富的元器件庫，包含基本元器件庫、電源庫、二極管庫、三極管庫、集成運(yùn)放庫等數(shù)以千計(jì)的元器件。在電路參數(shù)調(diào)節(jié)和電路設(shè)計(jì)方面較之傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

（2）Multisim提供了豐富的電子測(cè)量?jī)x器，如函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、示波器、萬用表、頻率計(jì)、網(wǎng)絡(luò)分析儀等虛擬儀器，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)室儀器儀表有限、功能單一等缺點(diǎn)。

（3）Multisim電路仿真結(jié)果準(zhǔn)確度高，能夠排除測(cè)量?jī)x器引入的誤差，準(zhǔn)確反映電路實(shí)際的工作性能。

（4）在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，不受時(shí)間和場(chǎng)地限制，彌補(bǔ)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式的不足。

3 ?基于Multisim的《電路原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 Multisim驗(yàn)證線性電路定理

《電路原理》課程中涉及到的基本定理包括基爾霍夫電流定律、基爾霍夫電壓定律、疊加定理、戴維南定理、諾頓定理。采用Multisim軟件進(jìn)行上述基本定理仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可獨(dú)立完成從電路原理圖繪制到實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)試記錄的所有工作，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確度高。

圖1為采用Multisim軟件設(shè)計(jì)的疊加原理仿真實(shí)驗(yàn)電路圖。表1和表2分別為圖1電路圖中通過開關(guān)K3接入電阻R5和二極管IN4007的仿真測(cè)試結(jié)果。分析表1數(shù)據(jù)，U1單獨(dú)作用的響應(yīng)電壓值/電流值（第一行數(shù)據(jù)）加上U2單獨(dú)作用的響應(yīng)電壓值/電流值（第二行數(shù)據(jù)）等于U1 、U2共同作用時(shí)的響應(yīng)電壓值/電流值（第三行數(shù)據(jù)），滿足疊加原理。分析表2數(shù)據(jù)，上述關(guān)系不成立，原因是通過開關(guān)接入非線性電路元件二極管，疊加原理不成立[9]。

3.2 Multisim仿真二階電路

采用Multisim軟件設(shè)計(jì)的RLC并聯(lián)二階電路零輸入響應(yīng)如圖2所示。取L=4.7mH，C=1000pF，R為可變電阻。改變R大小，使電路滿足過阻尼（R=200Ω）、臨界阻尼（R=1.21kΩ）、欠阻尼（R=4kΩ）條件，通過示波器XSC1可清晰地觀測(cè)到B通道輸出電壓波形的整個(gè)變化過程，如圖3所示。而此變化過程在硬件實(shí)驗(yàn)中由于受儀器精度限制很難觀察到細(xì)節(jié)變化[10-11]。

3.3 Multisim仿真三相交流電路

三相交流電路硬件實(shí)驗(yàn)過程中，由于需要施加市電220V高壓，如果學(xué)生不熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容盲目操作，存在用電和人身安全問題。在硬件實(shí)驗(yàn)開始前，通過仿真實(shí)驗(yàn)方式預(yù)習(xí)硬件實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，達(dá)到使學(xué)生熟悉并掌握硬件實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的目的。采用Multisim軟件設(shè)計(jì)的三相交流電路負(fù)載星形聯(lián)接和三角形連接如圖4所示。三相負(fù)載接成星形和三角形的三相交流電路仿真結(jié)果分別如表3和表4所示。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，滿足對(duì)稱三相負(fù)載作星形聯(lián)接時(shí)，線電壓UL等于相電壓Up的倍，即;當(dāng)對(duì)稱三相負(fù)載作三角形聯(lián)接時(shí)，滿足[12]。

4 ?結(jié)語

《電路原理》是電類專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，學(xué)生對(duì)該課程的掌握程度直接影響后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)。Multisim軟件為每一位學(xué)生提供了專屬的電路設(shè)計(jì)與分析試驗(yàn)場(chǎng)所，是一個(gè)真正的虛擬電路實(shí)驗(yàn)室。本文針對(duì)《電路原理》硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問題，提出在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入Multisim仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)了線性電路原理驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn)、二階電路仿真實(shí)驗(yàn)，以及三相交流電路仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐表明，Multisim仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的引入有利于對(duì)學(xué)生進(jìn)行拓展思維訓(xùn)練，使學(xué)生從被動(dòng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過渡到主動(dòng)地設(shè)計(jì)和分析電路，從而提高實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)效率，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。然而，不可否認(rèn)仿真實(shí)驗(yàn)也存在局限性，仿真不能替代傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)，只有仿真實(shí)驗(yàn)和硬件實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合、相互促進(jìn)，才更有利于全面鍛煉學(xué)生的電路分析能力和動(dòng)手能力。

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