基于Multisim仿真的電路定理實驗教學設計

李墾 曹兆樓

摘?要：實驗教學有效輔助了學生掌握各種電路定理的應用，是高中物理教學不可或缺的環節，但電路器材一般與理想模型存在偏差，存在一定安全隱患，導致實驗偏向于驗證性。基于Multisim軟件仿真的技術能夠模擬測量電路運行過程中的電壓、電流等參數，近年來發展迅速，本文基于該技術設計了常見戴維南定理及疊加定理的實驗方案，可視化電路參數，使實驗教學更加生動直觀，避免了實驗器材對教學效果的影響，通過軟件教學幫助學生積極發揮主觀能動性，設計驗證新的電路，克服了傳統實驗教學的不足，具有較好的教學應用前景。

關鍵詞：Multisim仿真;戴維南定理;疊加定理

電路實驗教學對于學生掌握基礎理論，提高動手能力有重要的輔助作用，是高中電路教學中必不可少的環節。目前有條件的高中一般均開展了實驗教學，但傳統教學一般使用箱式實驗設備進行實驗，雖然操作方便，按照實驗步驟即可進行，但學生難以接觸具體元件，無法獲得感性知識，且存在實驗器材不夠理想、易損壞、安全隱患較多等多種問題，偏向于演示及驗證模式，不利于學生發揮主觀能動性并自行根據電路原理設計電路進行測試，導致難以調動學生學習積極性，教學效果受到了較大影響，難以真正幫助學生根據實際現象理解電路。

隨著計算機技術的發展，近年來模擬仿真技術在航空航天、納米科技、電子科技等領域得到了廣泛的應用，開發了一系列虛擬仿真系統及平臺，其中電路仿真軟件通過數值計算模擬實際電路過程，有益的補充了實驗教學，已在大學模擬電子技術及數字電子技術實驗教學中大量使用[1-3]，顯著降低了實驗室維護與管理的成本，且便于學生自行搭建電路及開展探索性實驗，更體現以學生為主體的學習特點，實現啟發式教學，因此進一步將其應用于高中物理電路實驗教學將有助于改善教學效果，發揮學生主觀能動性。

目前電路仿真軟件已較為成熟，有多款市場化產品，如Multisim、Cadence、Proteus等。這些軟件側重應用不同，各有適用場合，其中美國國家儀器公司的Multisim軟件作為一款專業電子線路仿真與設計的軟件，具有Windows風格界面，與一般Windows軟件操作方式相似，僅需少量培訓即可使用，且使用形象化的萬用表、示波器等虛擬儀器進行參數測量，能夠與實際電路器件及設備直接對應，更適合于高中電路實驗教學，因此本文以該軟件為基礎開發了常見戴維南定理及疊加定理的實驗方案，為開展高中虛擬電路實驗進行了初步的嘗試，并為學生自行設計電子電路并實驗驗證電路理論提供了基礎。

一、戴維南定理實驗方案

戴維南定理指出就端口特性而言，任意有源二端口線性網絡對外部電路均可等效為一個電壓源和電阻串聯的形式，其中電壓源的電壓為開路電壓U0，電阻為除源后二端口網絡的等效電阻，可根據開路電壓除以短路電流進行求解。戴維南定理是電路教學中非常重要的一個定理，也是分析、化簡、求解復雜電路問題的一個重要工具。由于該定理較為抽象，理解較為困難，雖然根據定理可以求解電路，但缺少直觀感性的認識，導致無法深入理解定理的適用場合及限制條件，因此本文設計了戴維南定理的實驗方案，學生一方面可以根據實驗方案比較理論計算與計算機仿真結果進行驗證，另一方面也可以自行更改設計電路觀察現象。

根據戴維南定理定義設計實驗電路如圖1所示，V1及I1分別為恒壓及恒流源，RL為負載電阻，XMM1及XMM2萬用表分別使用電流模式及電壓模式測量，電路中具體參數可任意進行更改，下文中所述測量數據均使用圖1中電路參數獲得。

RL兩端全部電子元件及連線可視為一有源二端口網絡，因此本實驗首先測量二端口網絡的開路電壓U0和短路電流IS，計算獲得等效電阻R0=U0/IS，如表1所示。測量短路電流時可直接將RL阻值賦為0，測量開路電壓時為避免誤差則可刪除RL，完成測量后重新放置負載。

然后改變負載阻值，測量不同負載時兩端電壓情況，并與等效網絡理論計算值進行比較，測量數據如表2所示。

最后要求學生根據戴維南定理定義及測量結果，自己搭建等效電路，如圖2所示，測量等效電路的負載RL伏安特性，數據內容與表2要求一致，并與表2進行比較驗證兩個定理的準確性。

與戴維南定理相似，諾頓定理定義為任意有源二端口網絡對外部電路可以等效為一個理想電流源和電阻并聯的形式，因此上述實驗方案稍作修改后同樣適用于諾頓定理的實驗驗證，可鼓勵學生自行設計諾頓定理的實驗方案，幫助加深理解，舉一反三。

二、疊加定理實驗方案

疊加定理是適用于線性電路的基本規律，體現了線性電路基本電壓、電流物理量的可疊加性，定義為在有多個獨立源共同作用的線性電路中，任一元件的電流與電壓均可視為每一獨立源單獨作用時產生的電流與電壓代數和。對于復雜多電源電路，疊加定理可有效化簡電路，方便求解。

根據定義，設計疊加定理實驗電路如圖3所示，其中XMM1工作在電流模式，XMM2及XMM3均工作在電壓模式。

為方便切換電源，實驗中選擇使用開關短路及斷路電源的方式達到更改工作電源的目的。當V1獨立工作時，關閉S1、斷開S2、斷開S3;當I1獨立工作時，斷開S1，關閉S2，關閉S3;當兩者共同工作時，關閉S1、斷開S2、關閉S3。分別記錄三種電源狀態時，各電路參數的變化情況，如表3所示，可見測量值與計算值兩者相符。

進一步鼓勵學生測量不同開關狀態時的電路參數，理解其物理意義，比如斷開S1、S2，關閉S3與I1獨立工作時電路的區別，幫助理解電壓源與電流源獨立工作的異同，明確電流源獨立工作時電壓源需短路，電壓源獨立工作時電流源與短路的要求。

三、結論

計算機仿真技術已在工業界應用廣泛，顯著提升了電子系統設計效率，但在基礎教學中仍然使用有限，且目前中學物理電路實驗教學偏向于演示及驗證性質，學生只能被動接受，無法發揮學生主觀能動性。本文基于Multisim軟件設計了戴維南定理及疊加定理的實驗方案，教學時學生一方面可根據實驗方案驗證定理的準確性，另一方面也可自行更改電路結構與參數，根據測量結果理解各個定理的特點及適用范圍。電路實驗教學中其余的實驗科目同樣可利用相似方法進行虛擬化設計，有助于幫助學生理論聯系實踐，達到較好的教學效果。

參考文獻：

[1]趙江濤，王強，方開洪，關興彩，蒙萱，張利民.基于Multisim12的直接耦合放大電路分析[J].大學物理實驗，2018，3：75-79.

[2]張承暢，龔昱文，余灑，羅元.Multisim在模電和數電混合實驗案例中的應用[J].實驗技術與管理，2019，6：50-52+62.

[3]冼進，賴曉錚.基于Multisim仿真數字邏輯實驗教學改革[J].實驗室研究與探索，2019，9：228-232+297.

基金項目：江蘇省自然科學基金（BK20150929）

通訊作者：曹兆樓（1988—?），男，副教授，碩士生導師，主要從事模擬電子技術教學研究。