基于Multisim的电路原理课程仿真实验设计

2013-05-03宋焱翼谢礼莹李新科

实验技术与管理 2013年5期

颜芳，宋焱翼，谢礼莹，李新科

（重庆大学通信工程学院，重庆 400030）

电路原理是电子信息学科的主干课程，也是高等学校电子信息与电气信息类专业的基础课程，在电类专业学生知识结构中处于关键地位。该课程一般是电类专业学生接触的首门专业基础课程，其特点是理论性强，课堂教学偏重于对电路理论的讲解及具体电路模型的分析，多有冗繁的数学推导，学生对教学内容缺乏感性认识，觉得枯燥无味。另一方面，在实验环节中，现有的电路实验装置大多是模块化设计，很大程度上限制了学生的思维和实际动手能力，实验与理论的联系不够紧密。为把抽象的电路分析简单化、形象化，在实践环节中引入计算机仿真实验不失为一个有效方法，硬件实验和仿真实验的结合，在实验方法和内容上互为补充，更能激发学生的学习兴趣，巩固理论知识，达到更好的教学效果。

在众多的电路仿真软件中，Multisim具有高度互动、易于使用、器件库齐全、电路仿真分析能力丰富等优点，在具备专业软件工具优势的同时，又具有为教学量身定制的教学软件的特性，可以帮助学生深刻理解电路理论与行为。而且Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的问题。学生可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出属于自己的仪表，提高学生的学习热情和积极性。传统的电路原理课程教学通常只有理论教学和实验2个环节，通过引入计算机仿真和虚拟仪器，遵循理论教学—计算机仿真—实验教学的教学流程，便于学生更好地理解课堂教学内容，使理论教学与实验结合得更加紧密。

1 Multisim仿真在实验教学中的应用优势

Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technologics）推出的以 Windows为基础的仿真工具，最早的版本是 Multisim2001，其后陆续推出了升级版本 Multisim7和Multisim8。Multisim被美国国家仪器公司（NI，National Instruments）收购以后，其性能得到了极大提升，目前Multisim12是NI推出的最新版本。

Multisim的元器件库提供数千种电路元器件，具备如信号源、基本元器件、模拟数字集成电路、指示器件、控制部件、机电部件等各种元器件，大多数采用实际模型，确保仿真的真实和实用性，同时用户也可以新建或扩充已有的元器件库，很方便地在工程设计中使用。Multisim的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源等，还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等，而且仪器的操作开关、按键与实际仪器仪表极为相似，非常直观和形象。此外，在电路分析方面，Multisim可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析，可以设计、测试和演示各种电子电路。总之，Multisim集原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真于一体，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”［1－3］。

Multisim仿真软件的虚拟仪器不仅品种齐全，而且技术指标高，随时可以拖放到工作区使用，并能实时显示有关数据和波形，操作简便，易于学习。与传统的硬件实验相比，仿真实验不涉及仪器折旧和更新换代，通过软件升级就能保持实验的先进性。一些因仪器价格昂贵而无法开展的实验，通过仿真就能够容易实现。同时，Multisim电路仿真实验打破了时间和空间的限制，学生可以在不同的时间、地点和领域自主进行实验，增强他们提出问题、分析问题和解决问题的能力，并根据自己的兴趣爱好，选择一些传统实验较少涉及、用传统方法进行实验比较繁琐的实验内容进行仿真实验。仿真实验方式可以满足不同层次学生的需要，从而大大扩展实践空间和实验范围，有利于学生开展探索性、研究性实验［4－5］。

2 基于Multisim的电路原理仿真实验设计

Multisim仿真技术可用于电路定理和电路基本分析方法的验证、具体电路的分析、网络的等效等多个方面。由于电路原理一般是电类专业学生所接触的第一门专业基础课程，因此仿真实验以验证为主、设计为辅，实验目的着重验证电路理论，分析不同电路工作特点［6－8］，加深学生对理论教学内容的理解，在此基础上，可适当引入一些简单的设计性环节。

2.1 电路定理的验证

电阻电路分析是电路原理中最基础的内容，其中叠加定理、戴维宁定理和诺顿定理是要求学生重点掌握的基本电路定理［3］。该部分内容的仿真实验以验证为主，主要是使学生熟悉Multisim软件，掌握基本的电路图绘制和仿真分析方法，利用Multisim软件强大的电路分析功能，绘制具体电路，通过瞬时分析结果验证叠加定理、戴维宁定理和诺顿定理的正确性。

2.2 电路的暂态响应和稳态响应仿真

动态电路的响应分为暂态和稳态，利用对正弦激励下动态电路的瞬时仿真分析结果，帮助学生理解什么是暂态，什么是稳态。图1为一正弦激励下RC电路的输出波形，由仿真分析波形可知，暂态响应约在0～25ms时间内存在，而稳态响应则一直存在，学生通过波形可以很容易地区分暂态和稳态过程，更好地理解理论教学内容。

图1 正弦激励下RC电路响应

2.3 一阶电路响应的仿真

一阶动态电路响应的分析是电路原理课程中的重点内容，着重于对一阶电路的零输入、零状态和全响应的分析，要求学生掌握电路时间常数的意义以及电路参数对响应的影响。该部分仿真实验的设计可以采用简单的RC或RL一阶电路在矩形波激励下的响应。采用瞬态仿真分析类型，对比电路的输入和输出信号，可区分零输入和零状态响应类型。图2为RC电路及瞬态仿真结果，其中矩形波为激励信号，其低电平为0，并设置电路的时间常数τ≪T／2（T为信号源周期），则在信号源高电平期间电路的响应即为零状态响应，而在信号源低电平期间的响应即为零输入响应。

此外，通过参数扫描分析（扫描参数为电阻R的阻值），还可观察RC电路时间常数的不同对输出结果的影响。随着电阻R的逐渐增大，时间常数τ≫T／2时，电路的输出近似于输入信号的积分，实现了积分电路的功能，而且此时的电路响应类型由图3结果所示的零输入和零状态响应的组合变成了零输入和全响应的组合（信号源高电平期间为全响应，低电平期间为零输入响应）。该实验融合了一阶电路响应类型、时间常数对电路工作过程的影响等多个内容，有利于学生掌握所学理论知识。同时，学生可在此实验基础上自行分析其他复杂的一阶电路。

图2 RC电路的Multisim瞬态仿真结果

图3 RC电路的Multisim参数扫描分析结果

2.4 二阶电路过渡过程的仿真

图4 RLC串联电路图

图5 RLC串联电路无阻尼振荡仿真波形

图6 RLC串联电路欠阻尼振荡仿真波形

图7 RLC串联电路过阻尼情况仿真波形

2.5 三相电路

实际的三相电路实验有一定的危险性，而且一些故障性实验较难进行。采用Multisim仿真软件可对对称和不对称三相电路进行分析，尤其可以对不对称短路故障进行仿真分析，还可以通过仿真分析负载变化对三相电路的影响［12］。该部分实验可根据电气类和电子类教学要求的不同进行实验内容的删减。

3 结论

电路原理课程是电类专业基础课程，它是数学、物理与电子技术、测量与控制技术、计算机等专业技术课程间的桥梁。Multisim软件则是专门用于电路仿真和设计的工具软件，其自动化程度高、功能完善、运行速度快，而且操作界面友善，有良好的数据开放性和互换性，非常适合于电类专业课程的教学和实验。本文基于Multisim软件设计了不同层次的电路仿真实验，不仅使电路理论和实验联系更加紧密，而且突破了实验的时间和空间限制，提高了学生实验的自主性。同时，在学生学习专业基础课程之初就接触仿真软件，能够为后续课程（如电子技术、单片机等）中仿真软件的应用打下良好基础，对激发学生学习兴趣、改革传统教学模式、提高教学质量有着重要意义。

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