基于Multisim的電路原理課程仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

顏 芳，宋焱翼，謝禮瑩，李新科

（重慶大學(xué) 通信工程學(xué)院，重慶 400030）

電路原理是電子信息學(xué)科的主干課程，也是高等學(xué)校電子信息與電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課程，在電類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)中處于關(guān)鍵地位。該課程一般是電類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生接觸的首門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，其特點(diǎn)是理論性強(qiáng)，課堂教學(xué)偏重于對(duì)電路理論的講解及具體電路模型的分析，多有冗繁的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容缺乏感性認(rèn)識(shí)，覺(jué)得枯燥無(wú)味。另一方面，在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，現(xiàn)有的電路實(shí)驗(yàn)裝置大多是模塊化設(shè)計(jì)，很大程度上限制了學(xué)生的思維和實(shí)際動(dòng)手能力，實(shí)驗(yàn)與理論的聯(lián)系不夠緊密。為把抽象的電路分析簡(jiǎn)單化、形象化，在實(shí)踐環(huán)節(jié)中引入計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)不失為一個(gè)有效方法，硬件實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，在實(shí)驗(yàn)方法和內(nèi)容上互為補(bǔ)充，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鞏固理論知識(shí)，達(dá)到更好的教學(xué)效果。

在眾多的電路仿真軟件中，Multisim具有高度互動(dòng)、易于使用、器件庫(kù)齊全、電路仿真分析能力豐富等優(yōu)點(diǎn)，在具備專(zhuān)業(yè)軟件工具優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，又具有為教學(xué)量身定制的教學(xué)軟件的特性，可以幫助學(xué)生深刻理解電路理論與行為。而且Multisim計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的問(wèn)題。學(xué)生可以很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識(shí)用計(jì)算機(jī)仿真再現(xiàn)出來(lái)，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出屬于自己的儀表，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性。傳統(tǒng)的電路原理課程教學(xué)通常只有理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)2個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)引入計(jì)算機(jī)仿真和虛擬儀器，遵循理論教學(xué)—計(jì)算機(jī)仿真—實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)流程，便于學(xué)生更好地理解課堂教學(xué)內(nèi)容，使理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)結(jié)合得更加緊密。

1 Multisim仿真在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

Multisim是加拿大圖像交互技術(shù)公司（Interactive Image Technologics）推出的以 Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，最早的版本是 Multisim2001，其后陸續(xù)推出了升級(jí)版本 Multisim7和Multisim8。Multisim被美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI，National Instruments）收購(gòu)以后，其性能得到了極大提升，目前Multisim12是NI推出的最新版本。

Multisim的元器件庫(kù)提供數(shù)千種電路元器件，具備如信號(hào)源、基本元器件、模擬數(shù)字集成電路、指示器件、控制部件、機(jī)電部件等各種元器件，大多數(shù)采用實(shí)際模型，確保仿真的真實(shí)和實(shí)用性，同時(shí)用戶也可以新建或擴(kuò)充已有的元器件庫(kù)，很方便地在工程設(shè)計(jì)中使用。Multisim的虛擬測(cè)試儀器儀表種類(lèi)齊全，有一般實(shí)驗(yàn)用的通用儀器，如萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源等，還有一般實(shí)驗(yàn)室少有或沒(méi)有的儀器，如波特圖儀、字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、失真儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等，而且儀器的操作開(kāi)關(guān)、按鍵與實(shí)際儀器儀表極為相似，非常直觀和形象。此外，在電路分析方面，Multisim可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時(shí)域和頻域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析、離散傅里葉分析、電路零極點(diǎn)分析、交直流靈敏度分析等電路分析，可以設(shè)計(jì)、測(cè)試和演示各種電子電路。總之，Multisim集原理電路設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)試的虛擬仿真于一體，實(shí)現(xiàn)了“軟件即元器件”、“軟件即儀器”［1－3］。

Multisim仿真軟件的虛擬儀器不僅品種齊全，而且技術(shù)指標(biāo)高，隨時(shí)可以拖放到工作區(qū)使用，并能實(shí)時(shí)顯示有關(guān)數(shù)據(jù)和波形，操作簡(jiǎn)便，易于學(xué)習(xí)。與傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)相比，仿真實(shí)驗(yàn)不涉及儀器折舊和更新?lián)Q代，通過(guò)軟件升級(jí)就能保持實(shí)驗(yàn)的先進(jìn)性。一些因儀器價(jià)格昂貴而無(wú)法開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)仿真就能夠容易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，Multisim電路仿真實(shí)驗(yàn)打破了時(shí)間和空間的限制，學(xué)生可以在不同的時(shí)間、地點(diǎn)和領(lǐng)域自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)他們提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，并根據(jù)自己的興趣愛(ài)好，選擇一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)較少涉及、用傳統(tǒng)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較繁瑣的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)方式可以滿足不同層次學(xué)生的需要，從而大大擴(kuò)展實(shí)踐空間和實(shí)驗(yàn)范圍，有利于學(xué)生開(kāi)展探索性、研究性實(shí)驗(yàn)［4－5］。

2 基于Multisim的電路原理仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

Multisim仿真技術(shù)可用于電路定理和電路基本分析方法的驗(yàn)證、具體電路的分析、網(wǎng)絡(luò)的等效等多個(gè)方面。由于電路原理一般是電類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生所接觸的第一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，因此仿真實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證為主、設(shè)計(jì)為輔，實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹仳?yàn)證電路理論，分析不同電路工作特點(diǎn)［6－8］，加深學(xué)生對(duì)理論教學(xué)內(nèi)容的理解，在此基礎(chǔ)上，可適當(dāng)引入一些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)。

2.1 電路定理的驗(yàn)證

電阻電路分析是電路原理中最基礎(chǔ)的內(nèi)容，其中疊加定理、戴維寧定理和諾頓定理是要求學(xué)生重點(diǎn)掌握的基本電路定理［3］。該部分內(nèi)容的仿真實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證為主，主要是使學(xué)生熟悉Multisim軟件，掌握基本的電路圖繪制和仿真分析方法，利用Multisim軟件強(qiáng)大的電路分析功能，繪制具體電路，通過(guò)瞬時(shí)分析結(jié)果驗(yàn)證疊加定理、戴維寧定理和諾頓定理的正確性。

2.2 電路的暫態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)仿真

動(dòng)態(tài)電路的響應(yīng)分為暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)，利用對(duì)正弦激勵(lì)下動(dòng)態(tài)電路的瞬時(shí)仿真分析結(jié)果，幫助學(xué)生理解什么是暫態(tài)，什么是穩(wěn)態(tài)。圖1為一正弦激勵(lì)下RC電路的輸出波形，由仿真分析波形可知，暫態(tài)響應(yīng)約在0～25ms時(shí)間內(nèi)存在，而穩(wěn)態(tài)響應(yīng)則一直存在，學(xué)生通過(guò)波形可以很容易地區(qū)分暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)過(guò)程，更好地理解理論教學(xué)內(nèi)容。

圖1 正弦激勵(lì)下RC電路響應(yīng)

2.3 一階電路響應(yīng)的仿真

一階動(dòng)態(tài)電路響應(yīng)的分析是電路原理課程中的重點(diǎn)內(nèi)容，著重于對(duì)一階電路的零輸入、零狀態(tài)和全響應(yīng)的分析，要求學(xué)生掌握電路時(shí)間常數(shù)的意義以及電路參數(shù)對(duì)響應(yīng)的影響。該部分仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)可以采用簡(jiǎn)單的RC或RL一階電路在矩形波激勵(lì)下的響應(yīng)。采用瞬態(tài)仿真分析類(lèi)型，對(duì)比電路的輸入和輸出信號(hào)，可區(qū)分零輸入和零狀態(tài)響應(yīng)類(lèi)型。圖2為RC電路及瞬態(tài)仿真結(jié)果，其中矩形波為激勵(lì)信號(hào)，其低電平為0，并設(shè)置電路的時(shí)間常數(shù)τ?T／2（T為信號(hào)源周期），則在信號(hào)源高電平期間電路的響應(yīng)即為零狀態(tài)響應(yīng)，而在信號(hào)源低電平期間的響應(yīng)即為零輸入響應(yīng)。

此外，通過(guò)參數(shù)掃描分析（掃描參數(shù)為電阻R的阻值），還可觀察RC電路時(shí)間常數(shù)的不同對(duì)輸出結(jié)果的影響。隨著電阻R的逐漸增大，時(shí)間常數(shù)τ?T／2時(shí)，電路的輸出近似于輸入信號(hào)的積分，實(shí)現(xiàn)了積分電路的功能，而且此時(shí)的電路響應(yīng)類(lèi)型由圖3結(jié)果所示的零輸入和零狀態(tài)響應(yīng)的組合變成了零輸入和全響應(yīng)的組合（信號(hào)源高電平期間為全響應(yīng)，低電平期間為零輸入響應(yīng)）。該實(shí)驗(yàn)融合了一階電路響應(yīng)類(lèi)型、時(shí)間常數(shù)對(duì)電路工作過(guò)程的影響等多個(gè)內(nèi)容，有利于學(xué)生掌握所學(xué)理論知識(shí)。同時(shí)，學(xué)生可在此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上自行分析其他復(fù)雜的一階電路。

圖2 RC電路的Multisim瞬態(tài)仿真結(jié)果

圖3 RC電路的Multisim參數(shù)掃描分析結(jié)果

2.4 二階電路過(guò)渡過(guò)程的仿真

圖4 RLC串聯(lián)電路圖

圖5 RLC串聯(lián)電路無(wú)阻尼振蕩仿真波形

圖6 RLC串聯(lián)電路欠阻尼振蕩仿真波形

圖7 RLC串聯(lián)電路過(guò)阻尼情況仿真波形

2.5 三相電路

實(shí)際的三相電路實(shí)驗(yàn)有一定的危險(xiǎn)性，而且一些故障性實(shí)驗(yàn)較難進(jìn)行。采用Multisim仿真軟件可對(duì)對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)三相電路進(jìn)行分析，尤其可以對(duì)不對(duì)稱(chēng)短路故障進(jìn)行仿真分析，還可以通過(guò)仿真分析負(fù)載變化對(duì)三相電路的影響［12］。該部分實(shí)驗(yàn)可根據(jù)電氣類(lèi)和電子類(lèi)教學(xué)要求的不同進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的刪減。

3 結(jié)論

電路原理課程是電類(lèi)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，它是數(shù)學(xué)、物理與電子技術(shù)、測(cè)量與控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)等專(zhuān)業(yè)技術(shù)課程間的橋梁。Multisim軟件則是專(zhuān)門(mén)用于電路仿真和設(shè)計(jì)的工具軟件，其自動(dòng)化程度高、功能完善、運(yùn)行速度快，而且操作界面友善，有良好的數(shù)據(jù)開(kāi)放性和互換性，非常適合于電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)。本文基于Multisim軟件設(shè)計(jì)了不同層次的電路仿真實(shí)驗(yàn)，不僅使電路理論和實(shí)驗(yàn)聯(lián)系更加緊密，而且突破了實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和空間限制，提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的自主性。同時(shí)，在學(xué)生學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程之初就接觸仿真軟件，能夠?yàn)楹罄m(xù)課程（如電子技術(shù)、單片機(jī)等）中仿真軟件的應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)，對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、改革傳統(tǒng)教學(xué)模式、提高教學(xué)質(zhì)量有著重要意義。

（

）

圖8 方波激勵(lì)的RLC串聯(lián)電路參數(shù)掃描分析結(jié)果

［1］黃培根，任清褒.Multisim10計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［2］王冠華.Multisim10電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

［3］邱關(guān)源.電路［M］.5版.北京：高等教育出版社，2006.

［4］公茂法，劉慶雪，劉寧.淺談 Multisim在電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用［J］.中國(guó)電力教育，2011（7）：125－126.

［5］梁雪松，張容.Multisim仿真軟件在電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用［J］.四川教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，27（3）：116－118.

［6］符強(qiáng)，任風(fēng)華.Multisim 10在《電路與電子學(xué)》理論課程中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2011（12）：32－34.

［7］俎云霄，李巍海，張軼.Multisim在電路分析基礎(chǔ)課程教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2010（15）：28－30.

［8］李季，唐鶯，翁飛兵.Multisim在電工與電路基礎(chǔ)課程教學(xué)中的應(yīng)用探索［J］.中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2010（23）：95－96.

［9］祁國(guó)權(quán).RLC串聯(lián)電路諧振特性的Multisim仿真［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（1）：39－41.

［10］張志立.基于 Multisim技術(shù)的電路實(shí)驗(yàn)［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2010，8（1）：15－18.

［11］屈保中，張繼濤，劉藝柱.基于Multisim的電路仿真分析與設(shè)計(jì)［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，28（3）：329－332.

［12］紀(jì)明霞，陳世夏，高玉章.Multisim在三相電路中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（1）：189－194.