Multisim在元件性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

孫 艷，王姝敏，顏 紅

（蚌埠學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030）

電路分析是高等院校電子類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是后續(xù)的模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、FPGA原理及應(yīng)用、信號(hào)與系統(tǒng)等課程的基礎(chǔ)［1］.而理解和掌握三種無(wú)源元件——電阻、電感、電容的性能及特性，是學(xué)好電路分析課程的基礎(chǔ).

筆者提出將 Multisim軟件應(yīng)用到電路分析課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以元件性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例，通過(guò)運(yùn)用 Multisim軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行仿真分析.指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用這種軟件仿真來(lái)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，用另一種方式幫助學(xué)生理解和掌握相關(guān)理論知識(shí)，更好地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性.

電阻、電感、電容三種元件是基本的理想無(wú)源電路元件，是構(gòu)成各種實(shí)際電路器件電路模型的基礎(chǔ)［2］，掌握這三種元件的特性及性能，了解它們各自的伏安特性，才能更好地學(xué)習(xí)和掌握電路分析的各個(gè)定理定律及各種分析方法.利用Multisim軟件仿真，從直流電路和正弦交流電路兩個(gè)方面來(lái)分析三種元件的特性及性能，通過(guò)仿真過(guò)程及結(jié)果幫助學(xué)生更好地理解相關(guān)理論知識(shí)，為電路分析及相關(guān)課程后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ).

1 直流電路中元件性能的測(cè)定

由于理想電感元件在直流電路里相當(dāng)于短路、理想電容元件在直流電路里相當(dāng)于斷路，故在直流電路中主要討論電阻元件的性能及特性［3］.電阻元件又分為線性和非線性兩種，利用Multisim軟件仿真分別研究?jī)煞N電阻元件的伏安特性.

1.1 線性電阻元件性能的測(cè)定

當(dāng)電阻元件的阻值不隨電壓或電流的大小變化而變化時(shí)，則電阻兩端的電壓與流過(guò)的電流成正比，符合這種條件的電阻元件稱為線性電阻元件［4］.圖1所示電路為測(cè)量線性電阻伏安特性的電路圖，當(dāng)圖中電源電壓發(fā)生變化時(shí)，電阻RL兩端的電壓和通過(guò)的電流也會(huì)跟隨變化.將圖1所示電路用Multisim軟件進(jìn)行仿真，仿真電路圖如圖2所示.

圖1 測(cè)量線性電阻伏安特性

圖2 圖1的仿真電路圖

在圖2仿真電路圖中，通過(guò)按鍵A調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R2的阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)電阻RL兩端電壓的調(diào)節(jié)，使RL兩端電壓U從0 V緩慢變化到10 V，記錄下RL兩端電壓U及對(duì)應(yīng)的電流表讀數(shù)I，將測(cè)得的數(shù)據(jù)整理在表1中.

表1 線性電阻測(cè)量數(shù)據(jù)

將表1中電壓U和電流I描繪在UI平面中，可得線性電阻的伏安特性曲線，如圖3所示.從所得曲線可以很直觀地看出線性電阻的伏安特性曲線是一條過(guò)原點(diǎn)的直線，從而證明了它的線性特性.

圖3 線性電阻伏安特性曲線

1.2 非線性電阻元件性能的測(cè)定

非線性電阻的電阻值不是常數(shù)，隨電壓或電流值的變化而變化，電壓與電流不成正比［4］.半導(dǎo)體二極管就是典型的非線性電阻元件.這里分別討論半導(dǎo)體二極管的正向特性和反向特性，從而得出非線性電阻的伏安特性.

1.2.1 二極管正向特性的測(cè)定

圖4所示電路為測(cè)量二極管正向特性的電路，圖5為對(duì)應(yīng)的仿真電路圖.在圖5中同樣通過(guò)按鍵A調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R2的阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體D1兩端電壓的調(diào)節(jié)，使D1兩端電壓UZ從0V緩慢變化到0.75 V，記錄下D1兩端電壓UZ及對(duì)應(yīng)的電流表讀數(shù)I，將測(cè)得的數(shù)據(jù)整理在表2中.

圖4 測(cè)量二極管正向特性

圖5 圖4的仿真電路圖

1.2.1 二極管反向特性的測(cè)定

圖6所示電路為測(cè)量二極管反向特性的電路，圖7為對(duì)應(yīng)的仿真電路圖.在圖7中同樣通過(guò)按鍵A調(diào)節(jié)來(lái)可調(diào)電阻R2的阻值實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體D1兩端電壓的調(diào)節(jié)，使D1兩端電壓UZ從0 V緩慢變化到3.5 V，記錄下R2兩端電壓U、D1兩端電壓UZ及電流表讀數(shù)I，將測(cè)得的數(shù)據(jù)整理在表3中.

圖6 測(cè)量二極管反向特性

圖7 圖6的仿真電路圖

表3 二極管反向特性測(cè)量數(shù)據(jù)

將表2和表3中UZ和I描繪在UI平面中，可得半導(dǎo)體二極管伏安特性曲線，如圖8所示.可以直觀看出二極管（非線性電阻元件）的伏安特性是一條曲線，從而證明它的非線性特性.

圖8 二極管伏安特性曲線

2 正弦交流電路中元件性能的測(cè)定

在正弦交流信號(hào)作用下，電阻、電感和電容三個(gè)元件在電路中的抗流作用與信號(hào)的頻率有關(guān)，利用Multisim軟件仿真可得出它們的阻抗頻率特性.

2.1 電阻阻抗特性的測(cè)定

圖9為測(cè)量電阻阻抗特性的電路，圖10為對(duì)應(yīng)的仿真電路圖.將信號(hào)源的頻率從200 Hz增長(zhǎng)到5 000 Hz，記錄下不同頻率時(shí)電阻R0兩端的電壓Ur，計(jì)算電路中的電流IR（Ur / R0），由于電阻R0的阻值相比較很小，可以忽略，故直接用信號(hào)源電壓U和電流IR計(jì)算電阻R的阻值（U/IR），將所有數(shù)據(jù)記錄在表4中.

圖9 測(cè)量電阻阻抗特性

圖10 圖9的仿真電路圖

表4 電阻阻抗特性測(cè)量數(shù)據(jù)

2.2 電感阻抗特性的測(cè)定

圖11為測(cè)量電感阻抗特性的電路，圖12為對(duì)應(yīng)的仿真電路圖.將信號(hào)源的頻率從200 Hz增長(zhǎng)到5 000 Hz，記錄下不同頻率時(shí)電阻R0兩端的電壓Ur，計(jì)算電路中的電流IR（Ur / R0），由于電阻R0的阻值相比較很小，可以忽略，故直接用信號(hào)源電壓U和電流IR計(jì)算電感L的感抗XL（U/IR），將所有數(shù)據(jù)記錄在表5中.

圖11 測(cè)量電感阻抗特性

圖12 圖11的仿真電路圖

表5 電感阻抗特性測(cè)量數(shù)據(jù)

2.3 電容阻抗特性的測(cè)定

圖13為測(cè)量電容阻抗特性的電路，圖14為對(duì)應(yīng)的仿真電路圖.將信號(hào)源的頻率從200 Hz增長(zhǎng)到2 500 Hz，記錄下不同頻率時(shí)電阻R0兩端的電壓Ur，計(jì)算電路中的電流IR（Ur/R0），由于電阻R0的阻值相比較很小，可以忽略，故直接用信號(hào)源電壓U和電流IR計(jì)算電容C的容抗XC（U/IR），將所有數(shù)據(jù)記錄在表6中.

圖13 測(cè)量電容阻抗特性

圖14 圖13的仿真電路圖

表6 電容阻抗特性測(cè)量數(shù)據(jù)

根據(jù)表4、表5和表6中數(shù)據(jù)繪制出電阻、電感、電容三個(gè)元件的阻抗頻率特性曲線，如圖15所示.從圖中可以看出，三種元件阻抗和頻率的關(guān)系：電阻阻抗與頻率無(wú)關(guān)、電感阻抗與頻率成正比、電容阻抗與頻率成反比，這樣可以更直觀地展示出三種元件的性能特點(diǎn)，有助于學(xué)生更好地理解這三種基本元件的阻抗特性.

圖15 元件阻抗特性

3 結(jié)論

筆者以元件性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例，運(yùn)用Multisim軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行仿真.通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，讓學(xué)生更直觀地了解電阻、電感、電容三種元件的特性及性能.同時(shí)，由于Multisim軟件具有電路元件庫(kù)豐富、虛擬儀器功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，因此，利用這個(gè)軟件進(jìn)行仿真分析對(duì)實(shí)驗(yàn)精度及分析速度都有很大提高［5］.將這種軟件仿真的實(shí)驗(yàn)方式方法，與過(guò)去傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，改變了過(guò)去實(shí)驗(yàn)過(guò)于單一的缺點(diǎn)，幫助學(xué)生更好地理解和掌握相關(guān)的理論知識(shí)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力.因此，在電路分析教學(xué)中，利用Multisim軟件輔助教學(xué)是一種行之有效的措施［6］.