仿真軟件在《電路理論》課程教學(xué)中的應(yīng)用

張慧穎

吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022

仿真軟件在《電路理論》課程教學(xué)中的應(yīng)用

張慧穎

吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022

本文簡要介紹Multisim10軟件特點(diǎn)，說明了在該軟件提供的虛擬平臺(tái)上將虛擬軟件引入電路理論課堂教學(xué)，不僅豐富了課堂的教學(xué)內(nèi)容，使電路理論教學(xué)更為形象、靈活，及時(shí)幫助學(xué)生理解課程內(nèi)容，取得了良好的教學(xué)效果。

Multisim10；電路理論；理論教學(xué)

引言

電路理論是高校工科電類的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程不但要求學(xué)生掌握基本的分析方法，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電路的分析、設(shè)計(jì)及其應(yīng)用，為電專業(yè)學(xué)生后續(xù)課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。由于該課程自身存在內(nèi)容繁多、理論性強(qiáng)、抽象性強(qiáng)，要做到理論聯(lián)系實(shí)際，對(duì)于電類大學(xué)一年級(jí)的學(xué)生來說無疑增加了該課程的難度。如何將該門課程講好，做到復(fù)雜的知識(shí)簡單化，抽象的知識(shí)形象化，提高教學(xué)效果發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生勇于創(chuàng)新的精神，本人在課堂上引入美國NI公司Multisim10軟件，通過軟件的演示與仿真，幫助學(xué)生理解課堂內(nèi)容，變抽象理論為感性認(rèn)識(shí)，彌補(bǔ)課堂理論教學(xué)的不足。

1 Multisim10軟件的主要特點(diǎn)

Multisim10是美國NI公司推出的Multisim新版本。它是一個(gè)完整的設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)，提供了一個(gè)龐大的元件數(shù)據(jù)庫，并提供原理圖輸入接口、全部的數(shù)模SPICE仿真功能、VHDL/Verilog設(shè)計(jì)接口與仿真功能、FPGA/CPLD綜合、RF射頻設(shè)計(jì)功能和后處理功能，還可以進(jìn)行從原理圖到PCB布線工具包的無縫數(shù)據(jù)傳輸。

Multisim10用軟件仿真的方法虛擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提供了數(shù)千種元器件供實(shí)驗(yàn)使用，同時(shí)也可以創(chuàng)建或擴(kuò)展已有的元器件庫，而且該軟件的虛擬測試儀器/儀表種類齊全，因?yàn)樵撥浖梢酝瓿奢^為詳細(xì)的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析等各種電路分析方法，該軟件還可以設(shè)計(jì)、測試和演示各種電子電路[1]。

2 Multisim10仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用

Multisim10軟件具有強(qiáng)大的元器件庫，提供了較強(qiáng)的仿真分析能力，不僅能替代實(shí)驗(yàn)室中的許多傳統(tǒng)儀器，界面友好，操作方便，運(yùn)行環(huán)境逼真，用戶可以比在實(shí)驗(yàn)室更加靈活的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中搭建實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了“虛擬實(shí)驗(yàn)室”的要求。

2.1 Multisim10在三相電路中的應(yīng)用

三相電路是由三相電源、三相負(fù)載和三相輸電線組成。三相電路在聯(lián)接方式上有Y-Y，Y-△，△-Y， △-△四種，根據(jù)電源和負(fù)載的對(duì)稱程度又分為對(duì)稱三相電路和不對(duì)稱三相電路。對(duì)于三相電路的這部分知識(shí)存在抽象性而且與實(shí)際生活息息相關(guān)，在課堂上僅憑借教師的講解，學(xué)生理解起來存在很大的困難，因此可以通過Multisim10仿真教學(xué)，將復(fù)雜問題形象化，使學(xué)生一目了然。

設(shè)計(jì)電路如圖1所示，通過開關(guān)J1、J2的斷開和閉合實(shí)現(xiàn)三相四線制、三相三線制電路的對(duì)稱和非對(duì)稱情況。當(dāng)開關(guān)J1、J2閉合時(shí)，構(gòu)成的是對(duì)稱的三相四線制電路[2][5]。

圖1 對(duì)稱三相四線制仿真電路

從仿真電路可以看出，每個(gè)小燈泡上的電壓為119.97V左右，達(dá)到了其額定電壓，小燈泡正常工作；由于是Y-Y聯(lián)接方式，由電壓表U1，U4，U5，U6，U8，U10可以看出線電壓與相電壓滿足倍的關(guān)系，驗(yàn)證了理論推導(dǎo)出的結(jié)論。由U9電壓表及U11電流表測出，中線上的電壓等于0，電流近似等于0，這說明對(duì)于對(duì)稱的三相電路存在這樣的特點(diǎn)：電源中點(diǎn)與負(fù)載中點(diǎn)兩點(diǎn)等電位，可將其短路，且其中電流為零。這樣便可將三相電路的計(jì)算化為單相電路的計(jì)算[4]。

當(dāng)J1閉合，J2打開時(shí)構(gòu)成的是對(duì)稱三相三線制電路，仿真電路如圖2所示，可以看出對(duì)稱的三相四線制和三相三線制的工作狀態(tài)是一致的。

圖2 對(duì)稱三相三線制仿真電路

當(dāng)J1打開，J2閉合時(shí)，構(gòu)成的電路是非對(duì)稱三相四線制電路，此時(shí)由仿真電路圖可以看出X1小燈由于開關(guān)J1斷開而不亮，中線上存在中線電壓大小為9.167nV，中線電流大小為0.833A，X2、X3燈的電壓為119.97V。這說明：對(duì)于三相四線制電路如果中線上阻抗約為0時(shí)，可強(qiáng)使電源中點(diǎn)與負(fù)載中點(diǎn)等電位，使各相負(fù)載保持獨(dú)立性，各相工作狀態(tài)互不影響，但是值得注意的是，中性線電流不為0。

圖3 非對(duì)稱三相四線制仿真電路

當(dāng)J1、J2打開時(shí)，構(gòu)成的電路是非對(duì)稱三相三線制電路，由仿真電路圖4可以看出存在中線電壓U01=60V，UX2=UX3=103.902V，沒有達(dá)到負(fù)載小燈的額定工作電壓120V，因此造成小燈的工作狀態(tài)不正常[3]。

圖4 非對(duì)稱三相三線制仿真電路

在學(xué)習(xí)三相電路時(shí)，學(xué)生普遍感到難以理解，引入虛擬實(shí)驗(yàn)十分接近實(shí)物，從直觀上加深了學(xué)生對(duì)三相電路知識(shí)的理解。

2.2 Multisim10在RLC串聯(lián)電路中的應(yīng)用

圖5 RLC串聯(lián)諧振電路

由圖5可以看出，在上述電路中L和C的選取恰好使電路發(fā)生了串聯(lián)諧振。發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，L、C相當(dāng)于短路，而都不等于零，但兩者模相等且反相，相互抵消，由此電阻上獲得最大電壓約為電源電壓。調(diào)出庫中提供的波特圖示儀對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行幅頻特性和相頻特性分析，分析測試圖分別如圖6、圖7所示。

圖6 RLC串聯(lián)諧振幅頻特性測試

圖7 RLC串聯(lián)諧振相頻特性測試

3 結(jié)語

Multisim10易學(xué)易懂，將其引入電路理論課堂教學(xué)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，可以豐富傳統(tǒng)的理論授課內(nèi)容，彌補(bǔ)PPT教學(xué)和板書授課所帶來的不足，進(jìn)而提高課堂學(xué)習(xí)效率，同時(shí)可以做到理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，有助于學(xué)生理解課本中的抽象內(nèi)容。另外學(xué)生還可以利用Multisim10充足的元件資源和虛擬儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，拓展實(shí)踐領(lǐng)域，也有利于開發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能，培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力，提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力，因此將Multisim10軟件在電路理論教學(xué)改革中起著越來越重要的作用。

[1 ]趙威威. 基于NI Multisim10的仿真研究[J].電腦與信息技術(shù),2008,16（6）:82-84.

[2 ]邱光源.電路[M].北京:高等教育出版社,2006

[3]盛桂珍,蔡長青.基于Multisim10的新型教學(xué)方法的研究[J].長春工程學(xué)院學(xué)報(bào),2011,12(3):90-92

[4]陳希有,李冠林,劉蘊(yùn)紅,董維杰.虛擬實(shí)驗(yàn)在“電路理論”教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(6):72-76

[5]張新喜,許軍,王新忠.Multisim10電路仿真及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010

TM132

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.164

張慧穎（1982-），女，吉林市人，吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院，講師，主要從事電路理論、電子技術(shù)等方面教學(xué)與應(yīng)用。