基于虛擬仿真技術(shù)的電路分析教學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)

陳麗霞，李 敏，范士勇

(1.河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071002； 2.河北省數(shù)字醫(yī)療工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071002； 3.河北大學(xué) 計(jì)算中心，河北 保定 071002)

電路分析課程作為電子類(lèi)學(xué)科的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，在整個(gè)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案和課程體系中起著承前啟后的作用。該課程涉及的電路原理內(nèi)容抽象，理論性強(qiáng)，學(xué)生理解困難，學(xué)習(xí)興趣不高。隨著新工科理念的提出，教學(xué)改革的深入，為了將電路原理分析形象化，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，將虛擬仿真軟件Multisim引入到教學(xué)中來(lái)[1]，通過(guò)軟件的電路仿真功能，能夠直觀形象地觀察到隨著電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)變化而電路的變化情況。針對(duì)電路分析課程中的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，結(jié)合虛擬軟件的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，能夠改變枯燥的傳統(tǒng)教學(xué)模式，提高教學(xué)效果，加深學(xué)生電子線(xiàn)路知識(shí)的學(xué)習(xí)，更好地應(yīng)用于工程實(shí)踐。通過(guò)分析RLC串聯(lián)諧振電路和RC動(dòng)態(tài)電路，將課堂教學(xué)和Multisim動(dòng)態(tài)仿真結(jié)合起來(lái)[2]。

1 RLC串聯(lián)諧振研究

RLC 串聯(lián)諧振電路是電路分析課程中的典型電路，原來(lái)的教學(xué)方法是讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證諧振特性，但是實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)的測(cè)量方法在測(cè)量時(shí)會(huì)出現(xiàn)諧振頻率不精準(zhǔn)、諧振曲線(xiàn)不對(duì)稱(chēng)、由于信號(hào)源內(nèi)阻及電感和電容的損耗電阻導(dǎo)致學(xué)生在分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)計(jì)算品質(zhì)因數(shù)和理論值有很大的偏差。為了克服傳統(tǒng)電路帶來(lái)的測(cè)量誤差，幫助學(xué)生更好地理解串并聯(lián)諧振電路的理論知識(shí)，將Multisim軟件應(yīng)用于該電路[3]。

在Multisim仿真軟件中畫(huà)出RLC串聯(lián)諧振電路并測(cè)量結(jié)果，如圖1所示：

圖1 RLC串聯(lián)諧振回路諧振曲線(xiàn)Fig.1 Resonance curve of RLC series resonant circuit

在理論分析中，該電路理想情況下的總阻抗值為：

(1)

由歐姆定律可以計(jì)算出電路中的理想情況下的電流為：

(2)

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論教學(xué)過(guò)程中，按照?qǐng)D示參數(shù)值連接電路，改變信號(hào)發(fā)生器的頻率，利用交流毫伏表測(cè)量電阻兩端電壓得到信號(hào)的諧振頻率約為208 kHz，最大的電壓為0.5 V，這樣經(jīng)過(guò)計(jì)算得到最大的電流為5 mA，要比理論值小了將近1倍。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算所得品質(zhì)因數(shù)為Q=4，理論值計(jì)算Q=7.6，測(cè)量出來(lái)的品質(zhì)因數(shù)比理論值偏小。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中就會(huì)感到測(cè)量出現(xiàn)了誤差。實(shí)際上誤差產(chǎn)生的原因是因?yàn)閭鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)是通過(guò)R上電壓的最大值來(lái)判斷諧振頻率，如果測(cè)量過(guò)程中諧振曲線(xiàn)變化不明顯，學(xué)生就很難測(cè)到諧振頻率，并且由于信號(hào)源本身、電感和電容都存在損耗電阻，在實(shí)際測(cè)量中也會(huì)影響測(cè)量的電流、電壓和品質(zhì)因數(shù)。而用虛擬軟件進(jìn)行測(cè)量就避免了這類(lèi)誤差的產(chǎn)生，使學(xué)生能夠更好地理解諧振電路的原理[4]。

2 RC動(dòng)態(tài)電路

在模擬電路和數(shù)字電路中經(jīng)常用到RC電路。時(shí)間常數(shù)τ代表電容充放電速度的快慢，改變時(shí)間常數(shù)以及輸入輸出的關(guān)系能夠?qū)C電路應(yīng)用于不同的場(chǎng)合。在本研究中，改變時(shí)間常數(shù)分析RC構(gòu)成的積分電路，在虛擬仿真平臺(tái)搭建由電容和電阻構(gòu)成的RC動(dòng)態(tài)電路。在RC電路中一般認(rèn)為經(jīng)過(guò)5τ時(shí)間電容完成充電或者放電，設(shè)置方波幅度為10 V，信號(hào)的頻率為1 kHz，周期T為1 ms，觀察時(shí)間常數(shù)τ改變時(shí)輸出波形的變化。

圖2 RC充放電Fig.2 RC charging and discharging

根據(jù)公式τ=RC，可以分析出來(lái)，當(dāng)R=1 K、C=0.01 uF時(shí)，理論情況，利用虛擬仿真軟件可以測(cè)得時(shí)間常數(shù)τ≈0.01 ms，在方波信號(hào)的T/2時(shí)間內(nèi)，電容有足夠時(shí)間充電完成達(dá)到穩(wěn)態(tài)，輸出電壓的幅值和方波的幅值相等。利用仿真軟件觀察時(shí)間常數(shù)的改變對(duì)輸出波形的影響可以讓學(xué)生理解RC電路的暫態(tài)過(guò)程，避免了在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中因?yàn)檫x取RC參數(shù)不合適導(dǎo)致的無(wú)法測(cè)量時(shí)間常數(shù)的等問(wèn)題。RC電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是在實(shí)際電路中應(yīng)用非常廣泛，在學(xué)習(xí)過(guò)程中利用虛擬軟件可以讓學(xué)生開(kāi)拓思維能力，不斷改變參數(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，改變了傳統(tǒng)的驗(yàn)證型教學(xué)項(xiàng)目。

3 結(jié)語(yǔ)

仿真實(shí)例表明，Multisim電路仿真軟件能夠清晰直觀地仿真電路狀態(tài)，可以更加生動(dòng)形象地驗(yàn)證當(dāng)參數(shù)改變時(shí)電路的變化情況，改變了傳統(tǒng)的靜態(tài)教學(xué)模式，融合電路分析理論和電路實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的干擾，能夠反映電路知識(shí)的本質(zhì)。通過(guò)仿真教學(xué)，加深促進(jìn)學(xué)生對(duì)電路理論知識(shí)的理解和掌握，開(kāi)拓學(xué)生的思維能力，有效提高了學(xué)生對(duì)電路知識(shí)的理解，解決了教學(xué)過(guò)程中的難點(diǎn)重點(diǎn)。