MultiSim在电磁学实验CAI中的应用

衡阳师范学院物理与电子信息科学系 王友文 彭江涛 罗湘南 张登玉 周 熠

MultiSim在电磁学实验CAI中的应用

衡阳师范学院物理与电子信息科学系 王友文 彭江涛 罗湘南 张登玉 周 熠

以电磁学实验的典型实验为例，考察了MultiSim在电磁学实验课程CAI中应用的可行性。结果表明，在电磁学实验课程CAI中引入MultiSim，可以扩展电磁学实验教学CAI的功能，提升课堂教学效率和效果。

电磁学实验；课程CAI；MultiSim

1.引言

电磁学实验是物理学及相关专业开设的一门基础实验必修课程。学生通过该课程的学习，加深对电磁学概念与规律的认识，掌握物理实验的基本知识、方法和技能，培养学生良好的实验习惯，在动手实践能力和设计创新能力等方面得到训练和提高[1-2]。CAI（Computer Aided Instruction，计算机辅助教学）具有图文声并茂和信息呈现量大等优点，在教学中已获得普遍应用。在实验教学中CAI也日益受到重视。通过将Multisim等商业软件引入到电磁学实验课程CAI，使课件具备虚拟实验环境，即时演示实验过程和结果，并通过校园网共享课件方便学生预习，从而提高实验教学效率，丰富电磁学实验教学形式，提高学生实验的积极性和主动性。Multisim在模拟电子技术等课程中已有应用[3-4]，但应用Multisim于电磁学实验课CAI未有报道。本文本文以电磁学实验的典型实验为例，初步探索Multisim在电磁学实验CAI中应用。

2.Multisim软件简介

Multisim软件（原名EWB，Electronics Workbench）是加拿大Interactive Image Technologies公司于20世纪80年代末、90年代初推出的电子电路仿真的虚拟电子工作台软件。软件采用直观的图形界面创建电路，在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，可绘制电路图需要的元器件，电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据[5-6]。

3.MultiSim在电磁学实验CAI中的应用举例

3.1 LRC电路暂态过程实验

（1）RC电路电源接通与短接过程

根据基尔霍夫定律，RC电路电源接通过程中电容电量：

其中E为电源电动势，RC=τ，为RC电路时间常数。电容器电压为：

根据基尔霍夫定律，RC电路短接过程中，若电容初始电量q0=EC时，则电容电量为：

电容器电压为：

根据实验要求，设置元件参数，取R=100Ω，C=1uF，信号源的频率1000Hz，幅值为5V的方波。MultiSim软件中连接的RC电源接通与短接过程电路如图1（左）所示，其中V2为方波电压源，XSC1为示波器，相应电容电压与电源电压在充放电过程中的波形如图1（右）所示。从图中可以看出，充、放电时电容器的电压不能突变，即电量不能突变，并且充电时电容电压指数增长，放电时电容电压指数下降。

（2）RL电路电源接通与短接过程

根据基尔霍夫定律，RL电路电源接通过程中电感电流为：

其中E为电源电压，L/R=τ为RL电路的时间常数。电感两端电压为：

根据基尔霍夫定律，RL电路短接过程中，若电感初始电流I0=E/R时，则电感电流为：

电感电压为：

根据实验要求，设置元件参数，取R=100Ω，L=10mH，信号源的频率1000Hz，幅值为5V的方波。MultiSim软件中连接的RL电源接通与短接过程电路如图2（左）所示，其中V2为方波电压源，XSC1为示波器。相应电感电压与电源电压在充放电过程中的波形如图2（右）所示。从图中可以看出，接通与短接时电感的电压不能突变，电流不能突变，并且与电源接通时电感电压指数下降，短接时电感电压反向指数减弱。

图1 RC电路图（左）及RC电路充放电过程中电源电压与电容电压的波形图（右）

图2 RL电路图（左）及RL电路充放电过程中电源电压与电容电压的波形图（右）

图3 RLC串联电路暂态过程电路图

图4 R2＜4L/C时，RLC串联电路在接源接通与短接过程中电容器电压波形图

（3）RLC串联电路暂态过程

对于RLC串联电路电源接通过程，在初始条件Uc=0，dUc/dt=0情况下，RLC串联电路可能有三种状态。设电源电动势为E，若R2<4L/C，则：

应该进一步完善知识产权的专门立法保护，促使知识产权保护法律、法规和相关管理条例、规章的有机统一。同时，加大执法力度，提高执法水平，建立统一、高效和合理的行政执法体系，改变由于执法中的交叉互相推诿，使执法处于低效率甚至无效率的状态。但也应该考虑到我国经济发展的现实需要，对侵权企业的处理，不能一刀切，而应该根据实际情况，加以引导。

其中τ＝2L/R，下同。

若R2=4L/C，则：

若R2＞4L/C，则：

对于RLC串联电路短接过程，在初始条件Uc=E，iL=0情况下，RLC串联电路可能有三种状态。若R2<4L/C，则：

若R2=4L/C，则：

若R2＞4L/C，则：

在MultiSim中连接RLC串联电路如图3所示。其中信号源为频率100Hz，幅值5V的方波。设置其他电路元件参数，可以得到RLC电路电源接通与短接过程中不同情况下电容电压变化规律。

对于R2<4L/C，设置R=100Ω，L=80mH，C=1uF。MultiSim软件模拟RLC串联电路电源接通与短接过程电容电压变化如图4所示。从图中可以看出，电容器电压在与电源接通时振荡趋于电源电压的稳定值，而在电路短接过程中，电容器电压振荡减弱趋于0，表现欠阻尼状态，结果与解析结果完全相符。

图5 R2=4L/C时，RLC串联电路电源接通与短接过程中电容器电压波形图

图6 R2＞4L/C时，RLC串联电路电源接通与短接过程中电容器电压波形图

图7 测定二极管正向伏安特性电路图

图8 测定二极管反向伏安特性电路图

图9 二极管伏安特性曲线测量结果

表1 二极管正向电压与电流模拟值

表2 二极管反向电压与反向电流模拟值

对于R2=4L/C，选取R=200Ω，L=10mH、C=1uF。MultiSim软件模拟RLC串联电路电源接通与短接过程电容电压变化如图5所示。从图中可以看出，电容电压在与电源接通时指数增长趋于电源电压的稳定值，而在电路短接过程中，电容电压指数衰减趋于0，表现临界阻尼状态，结果与解析结果完全相符。

对于R2＞4L/C，选取参数R=800Ω，L=10mH，C=1uF。MultiSim软件模拟电容电压变化如图6所示。从图中可以看出，电容电压在与电源接通时指数增长趋于电源电压的稳定值，而在电路短接过程中，电容电压指数衰减趋于0，但过程明显较R2=4L/C情况延长，表现过阻尼状态，结果与解析结果完全相符。

3.2 二极管的伏安特性测定实验

（1）测量二极管的正向特性

因二极管的正向导通电阻Rx很小，为减小测量误差，通常用外接法来测定二极管的正向伏安特性。连接电路如图7所示。

接通电源，使二极管正向导通。在电流变化缓慢区电压间隔取得疏一些，在变化迅速区，间隔取的疏些。以硅管为例，电压在0-0.6V区间每隔0.1V取一个点，而在0.6V-0.8V区间每隔0.05V取一个点。锗管电压在0.3V以内，每隔0.1伏取一点，以后每隔0.05伏测一点，测到80mA为止。在测量中不断选择电流档量程。使读数在该档量程1/10以上。模拟测量所得实验数据如表1所示。

（2）测量二极管的反向特性

图8所示为测量二极管的反向特性的电路图。由于二极管的反向电阻Rx较大，用内接法来测定二极管的反向伏安特性。

接通电源，使二极管反向导通。电源电压不要超过所用二极管的击穿电压，同时通过观察确定出电压的调节范围。测量从0V开始，在1—4V间每1V取一个点，直到电流变化迅速区间。在电压大于4V时，测量间隔应取小一些。模拟测量所得实验数据如表2所示。

将实验数据输入到Origin的工作表窗口中，选定实验数据，点击Plot菜单的Line+Symbol项，出现绘图Graph窗口的二极管的伏安特性曲线如图9所示。所是结果与文献结果基本相符。

4.小结

以电磁学实验的两个典型实验为例，探讨了MultiSim软件在电磁学实验教学CAI中应用的可行性。结果表明，应用MultiSim软件于电磁学实验CAI，使其具备即时演示实验过程和结果的功能，从而增强电磁学实验课堂教学效率和效果，提高学生学习积极性。

[1]杨述武,赵立竹,沈国士.普通物理实验2:电磁学部分[M].北京:高等教育出版社,2004,20-99.

[2]陶淑芬,李锐,晏翠琼.普通物理实验[M].北京:北京师范大学出版社,2010:60-156.

[3]钟化兰.Multisim在模拟电子技术设计性实验中应用的研究[J].华东交通大学学报,2005,22(4):88-89.

[4]孙晓艳,黄萍.基于Multisim的电子电路课堂教学[J].现代电子技术,2006,29(24):142-144.

[5]董玉冰.Multisim9在电工电子技术中的应用[M].北京:清华大学出版社,2010:3-9.

[6]朱彩莲.Multisim电子电路仿真教程[M].西安:西安电子科技大学,2007:1-3.

教育部第四批高等学校特色专业建设点项目（TS11635）；衡阳师范学院教学研究课题（Jykt201008）；2006年精品课程项目（84）。

王友文（1972—），男，湖南衡阳人，博士，教授，研究方向：电磁学及实验方面的教学。