Multisim10仿真技術在“電路基礎”教學中的應用與實踐

吳玲敏+王維娜

摘要：將Multisim10計算機仿真軟件引入電路基礎課程的學習中，通過列舉多個運用Multisim10仿真的教學案例，總結教學中運用Multisim10仿真軟件的優勢和取得的成績，進而提高學生對所學理論知識的理解掌握。

關鍵詞：Multisim10；教學；仿真；電路基礎

中圖分類號：G642.1 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）09-0064-03

一、電路基礎課程的教與學現狀分析

電路基礎課程是我系電子類專業的必修課程，傳統的教學方法是：先學習理論知識，待理論知識和實踐經驗積累到一定程度后，學生自己動手畫電路原理圖并搭接電路來驗證所學的理論知識。由于該門課程理論性較強，學生接受困難，在實驗驗證過程中如果沒有達到預期效果，則需要反復調整參數、重新測量，直到電路參數達到預期效果為止。

隨著計算機技術的發展，將計算機仿真引入電路的學習和設計，已取得較好的效果。在學習和設計中加入仿真，能夠更好地理解和預測電路的動作，對電路的結構和參數進行優化，對假設的實驗方便地進行驗證，對難以測量的電路參數進一步探索和研究，從而減少了電路課程的學習時間，也避免了設計中出現的錯誤。

二、Multisim10簡介

Multisim10是美國NI公司最新推出的仿真軟件，它的界面直觀、操作方便，為用戶提供了創建電路所需要的元器件庫及電路仿真需要的虛擬測試儀器儀表，可對各種電路進行仿真分析和設計，并且在操作中不消耗任何元器件，不受元器件種類和數量的限制。在教學中引入仿真技術，不僅改進了電路的學習方法，降低了成本，還激發了學生的學習熱情與興趣。因此，許多國內大學都將其作為電子類課程的輔助教學使用。

三、Multisim10在課堂教學中的實踐

Multisim10是一款很強的實物模型仿真軟件，課堂教學過程中結合理論分析不斷穿插對應的Multisim10仿真電路模型，實驗教學前布置仿真任務，實驗中加入電路的仿真環節，能建立起一種交互式、討論式的教學模式，提升學生對空間實物電路的理解能力，下面結合教學實際，詳細介紹Multisim10仿真技術在疊加定理、網孔電流分析法、直流工作點分析和交流分析、功率因數及其提高方法中的具體應用。

（一）利用Multisim10驗證疊加定理

疊加定理是電路基礎中一個很重要的定理，其定義為：在任何含有多個獨立的線性電路中，每一個支路中的電流值或電壓值等于各個電源單獨作用時，在此支路中所產生的電流值或電壓值的代數和。以1.1所示電路圖為例，通過理論計算和利用Multisim10仿真來驗證此定理求解電壓源、電流源共同作用時通過電阻R3中的電流、電壓及功率。

1.理論計算驗證疊加定理。電流源Is開路，電壓源Us單獨作用時，求得：I″■=■I■=0.5（A）；

U″■=I″■R■=20（V）；P″■=I″■R■=10（W）

電壓源Us短路，電流源Is單獨作用時，計算得：I■=I′■+I″■=0.8（A）；U■=U′■+U″■=32（V）；P■=I■■R■=25.6（W）；P■≠P′■+P″■

應用疊加定理，計算求出：I′■=■=0.3（A）；U′■=I′■R■=12（V）；P′■=I′■R■=3.6（W）

2.仿真軟件驗證疊加定理。①打開Multisim10，從Source庫中選取電壓源、電流源、接地端，從Basic元器件庫中分別選取三個電阻R1、R2和R3，再從Indicators Components庫中選取電壓表、電流表、瓦特表并設置適當的參數，按圖1.2所示連線電路。電壓源US、電流源IS共同作用時，激活仿真軟件后，電流表、電壓表、瓦特表的讀數分別是0.8A，32.000V，25.6W。②將電流源IS，電壓源US單獨作用時，運行仿真開關后，電流表、電壓表、瓦特表的讀數分別為1.3（a，b）圖所示。

即疊加定理不能用于功率的計算，只能用來求解電路中的電流或電壓。講授該定理時，要求學生不僅要記住它的內容，更重要的是能夠靈活地應用該定理。在教學過程中，通過理論計算和利用Multisim10仿真軟件來驗證此定理。因此，采用合適的教學方法，創建直觀的教學情境，讓學生更容易理解疊加定理，進而熟練應用該定理。

（二）網孔電流分析法仿真實驗

仿真電路如圖2.1所示。

理論計算

有網孔電流分析法，可列KVL方程：

80I1-20I2=40

-20I1+60I2-40I3=10

-40I2+80I3=40

聯立上述方程，解得：

I1=0.786A，I2=1.143A，I3=1.071A

比較仿真分析與理論計算結果相同。

（三）直流工作點分析和交流分析

直流工作點分析（DC）用于電路靜態工作點的確定，是其他分析方法的基礎，在仿真分析中，交流電壓源和電感被視為短路；交流電流源和電容被視為開路；交流（AC）電源輸出為零，電路處于穩定狀態。利用Multisim10進行直流工作點分析的步驟：A.在電路工作窗口建立待分析的電路原理圖如圖3.1所示電路。B.執行Option→Sheet Properties命令，在Circuit選項卡下，選定Net Names中的Show All，把電路中的節點標志顯示到電路圖上。C.執行Simulate＼Analysis＼DC Operating Point命令，即打開直流工作點分析對話框，該對話框包括Output、Analysis Option及Summary共三個選項卡。在Output選項卡上，從左側備選欄已羅列的電路結點和變量中，選擇需要分析的結點或變量，通過“Add”按鈕添加到右側的分析欄中即可，當系統自動選中的電路變量不能滿足用戶要求時，可通過“Output”選項卡中的其他選項添加或刪除需要的變量。完成相關分析設置后，點擊Simulate按鈕即可進行仿真分析，分析結果由圖形窗口輸出。如圖3.2所示。

交流分析（AC）是一種頻域分析，是對幅頻特性和相頻特性進行分析。進行交流分析時程序自動將所有直流電源置零，交流信號源、電容及電感等元件用交流模型代替，非線性元器件使用交流小信號模型。無論用戶在電路的輸入端輸入哪一種信號，交流分析時都將自動以正弦波替換，并且以設定的頻率范圍掃描。

建立如圖3.3所示的RLC串聯電路，執行Simulate/Analyses/AC Analysis命令，設置交流分析的初始頻率、終止頻率、掃描方式、采樣數量、選擇輸出波形的縱坐標刻度，點擊Reset to default 按鈕，可把所有設置恢復為程序默認值，用戶也可以自己重新設置。在Output輸出窗口中，選擇I（l1）為輸出量，點擊Simulate仿真按鈕，可得到如圖3.4所示的交流分析結果。

（四）提高功率因數的方法

應用Multisim10仿真軟件，對日光燈電路進行測試。在電路窗口中放置萬用表、瓦特表，并設置相應參數，執行仿真開關后測得該電路的電流為415.623mA，功率為34.563W，功率因數為0.378。如果想得到功率因數為0.82左右的日光燈電路，通過理論計算的方法可以得到并聯電容值的大小。

C=■（tgφ-tgφ′）

=■■-■

=■×■-■

=4.04μF

為得到日光燈電路的功率因數為0.82，在Multisim10窗口中搭建圖4.1所示的仿真實驗連線圖，執行仿真開關后，不斷調節可變電容的容量，將功率表指示的功率因數值達到0.82左右，測得并聯電容后，通過觀察萬用表、瓦特表的讀數得到為190.806mA，功率為34.54W，功率因數為0.823，如圖4.2所示，觀察可變電阻的容量仿真結果與理論計算值一致。

四、結論

1.借助于Multisim10仿真軟件可實現理論教學與實踐同步進行，實現理論與實踐教學的一體化，激發了學生的學習興趣，同時加深了理解力，也提高了分析問題的能力。

2.Multisim10仿真軟中擁有一個元器件齊全、設備精良的實驗室，學生可以根據需要任意搭接各種電路，接上虛擬實驗儀器和儀表，運行仿真就可以測試到精確的數據和直觀的波形，使實驗做得既快又準，從而提高實驗效率。

3.利用Multisim10仿真軟件對電路課程進行仿真，并將仿真結果直接顯示出來，具有形象又直觀的特點，使學生直觀感受、理解課程知識，并且操作中不消耗實際的元器件，所需元器件的種類和數量不受限制。

4.學生可以利用Multisim10仿真軟件，課前先在計算機上做仿真實驗，觀察“實驗結果”。這樣能夠很好地調動學生的思維，帶著問題聽老師講解電路原理課程。

5.采用“學中做，做中學，教學做一體化”模式，將虛擬仿真技術與真實實驗結合，在動手操作實踐過程中，全面掌握知識，形成技能。同時，仿真軟件借助計算機，不受時間地點的限制，特別適合學生自主學習，使學習過程從被動變為主動。

雖然電路仿真軟件有它的種種優勢，但從培養學生運用基礎理論知識和實際操作能力角度出發，仿真軟件并不能完全代替傳統的實驗方法，應將仿真教學和傳統的實驗教學相互結合起來，取長補短，充分發揮各種教學的優勢，讓學生從中更多地受益。

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Multisim10 Simulation Technology in the Application of "Circuit Basis" Teaching and Practice

WU Ling-min，WANG Wei-na

（Department of Electrical and Mechanical Engineering，Hetao College，Bayannur，Inner Mongolia 015000）

Abstract：This paper puts Multisim10 computer simulation software in the study of basic courses of circuit，by listing multiple use Multisim10 simulation teaching cases，summarizes the advantages and achievements in teaching of using simulation software Multisim10，and improves the students have mastered theoretical knowledge understanding.

Key words：multisim10；teaching；the simulation；circuit basis