Multisim仿真及分析在电路教学中的应用

邵阳学院　李海娜　陈　源



Multisim仿真及分析在电路教学中的应用

邵阳学院李海娜陈源

【摘要】Multisim作为一种强大的电子电路仿真软件，同样可以应用于《电路》的教学过程中。当它进入理论教学的课堂以后，学生的学习积极性明显增加，教学效果明显提升。本文通过两个仿真案例展现Multisim仿真在电路教学中的应用，希望此仿真软件能得到更大的推广应用，《电路》教学能得到进一步改革。

【关键词】Multisim仿真；教学改革；电路教学

0　引言

《电路》或《电路分析》作为电类专业的专业基础必修课，一直以来在大学本科的电类专业教学中处于最重要的地位。近二十年来，邵阳学院电气工程系在《电路》教学中采用的教材基本上都是邱关源先生主编的《电路》这本书，这本教材作为大部分院校电类考研招生的指定参考教材，可见它的内容和质量当然是有目共睹的。从近二十年的教学效果来看，虽几经改版，但采用这本教材作为主讲教材一直都取得了不错了教学效果。但近几年来，随着科技的发展和各种高级智能电子产品的普及，90后的大学生在课堂上不再拥有70、80后学生的学习积极性和兴趣，《电路》的教学效果明显存在了下滑趋势，为此，系里和教研室多次举行各种教研活动，申请教改项目，其目的就是把现代化的教育和教学方法及手段应用到《电路》的教学过程中，吸引更广泛的学生产生学习兴趣和主动性，以达到良好的教学效果。[1]

在近一年多的电路教学中，本系的《电路》授课教师，包括笔者在内，一改以前的板书授课的教学模式，积极采用各种现代化的教学手段进行电路的教学改革，最突出的一点是自制了很多与教材中的知识点相对应的Multisim仿真实例。在此，笔者列举一二Multisim仿真及分析在电路教学中的应用实例，希望对大家的教学和学生的学习有所帮助，也希望引起广大教师同仁对《电路》教学改革的进一步思考。

2　KCL、KVL的相量形式的仿真教学

在《电路》的学习和分析中，最重要的约束之一是基尔霍夫定律，它包括基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律，分别简称KCL和KVL，这两个定律可以使用在一切集总参数电路的分析中。[2]在正弦稳态交流电路中采用相量法进行分析时，往往每个题目都需要用到KCL、KVL的相量形式，作为电路的初学者，这是一个比较难以理解的知识点，它们的正确数学表达式分别应该为：，但很多的同学在记忆和使用的过程中往往把这两个表达式应用为：，结果当然是导致计算错误。另外，如果这个知识点没有掌握好，还会严重地影响到后续很多重要的专业课程的学习，想再学好《电机学》、《电力系统分析》等课程的更无从谈起。为了让学生生动形象地牢记这个知识点，我们可以从以下Multisim仿真入手，以KCL的学习为例。

图1　KCL的相量形式仿真电路图

首先在Multisim软件中绘制出一个简单的仿真电路如图1所示，电源采用的正弦交流电，在5条不同电流的支路中串了5个电流表，在仿真中，电流表的“+”、“－”极即代表了电流的参考方向，我们以电流表的编号表示该支路电流的编号，即分别为i1、i2、i3、i4、i5。然后开始进行仿真，其仿真结果如图2所示。

当仿真结果出来后，很多同学都会马上用直流电路中学习的KCL去验证电流表的读数能否满足KCL，比如，电流表1的读数应当为表2和表5读数之和，电流表5的读数应当为表3和表4读数之和。很明显，上述的两组计算都不成立。这时候，很多的学生就是会将注意力转移到这个问题上来：难道KCL在交流电路中不成立了吗？

当然不是！这个时候应当引导学生去复习KCL的内容：在集总电路中，任何时刻，对任一结点，所有流出结点的支路电流的代数和恒等于零，用数学表达表示为。[2]此定律中的电流是时间的函数，在直流电路和交流电路中都是如此，只因直流电路中电流不随时间改变，直流电流又往往用大写字母I表示，所以在直流电路中我们经常把KCL写为。但是交流电路中KCL却不能写作，因为在正弦交流电路中大写字母I只表示正弦电流的有效值，而非时域形式，所以在正弦交流电路中KCL表达式应当写为，电流为瞬时值形式的电流。当学生理解好这一点这后，就可以进行正弦稳态交流电路中KCL相量形式的推导了。

再根据复数的运算定律，可以化为如下表示式：

等号左边的中括号内也化为了一个旋转复数，上式在任何时刻都成立的条件是：，这就是相量形式的KCL的表达式，可以简写为。下面可以用本仿真电路的数据去验证相量形式的KCL是否成立。如图1所示，设电源电压，电源频率为50Hz，由电感、电容元件的相量形式的电压电流关系可得：

电感电流：

电容电流：

再根据相量形式的KCL得：

电流：

所以通过理论计算，我们可知电流表3、表4、表5的读数其实都是电流的有效值，理论值分别为636.629mA，138.23mA，498.389mA，可见与Multisim仿真结果相差不大，误差范围在2%以内，可见相量形式的KCL是成立的。

通过这样一个以Multisim仿真为引入，以科学的证明为依据，以理论计算为验证的过程，大部分同学都深深地理解、记忆并且会运用了相量形式的KCL，即，这样也就达到了我们教学的目的和效果。

当然使用同样的方法，我们也可以推出相量形式的KVL的表达式，这部分可以留作课下作业让学生自行完成仿真、证明、验证。

3　滤波电路的仿真

滤波器虽然在《电路》或《电路分析》中没有要求作为重点的内容进行学习，但在后续的电子电路中经常用到滤波的知识，所以在《电路》的学习中要求学生对滤波或选频电路要有一个初步的认识，明白其中的含义。在教材中，我们以电路的频率响应为切入点，进行滤波器的学习，但学完后，大部分学生仍感觉滤波器比较抽象，不能理解什么是带通、高通、低通等。为解决此问题，我们不再进行网络函数的求解及幅频特性和相频特性的手工绘制，而是通过Multisim仿真直接展现出不同通带的滤波器，分别如图4、图5、图6，其过程如下。

在此，我们首先在Multisim中建立一个简单的RLC串联电路如图4左侧电路进行仿真，参数取电阻为1Ω，电感为10mH，电容为。在Multisim中选Simulate-analyses-AC analysis，弹出图3所示的对话框，选择频率参数如图3所示，然后我们以电阻的电压即节点电压V2作为输出，点击Simulate，即可得到如图4右侧的仿真结果。这种幅频响应曲线对应的滤波电路称为带通滤波器，它的特点是中间高，两头低，中间频率段被选择，两端的频率被抑制。曲线最高的点对应的频率，就是本RLC串联电路的谐振频率，通过本仿真，可以读出其值为1.6026kH，本电路的谐振频率理论值为：

理论值与仿真值基本一致。

图3　AC Analysis对话框

图4　电阻电压的幅频特性曲线

同样的方法仿真RLC串联电路中以电容电压作为输出，其电路和结果如图5所示，可以看出，电容电压的幅频特性曲线为低频部分曲线高，高频部分曲线低，具有这种输出特性的滤波电路称为低通滤波器，即低频段被选择，高频段被抑制。

图5　电容电压的幅频特性曲线

最后仿真RLC串联电路中以电感电压作为输出，其电路和结果如图6所示，电感电压的幅频特性曲线为低频部分曲线低，高频部分曲线高，具有这种输出特性的滤波电路称为高通滤波器，即高频段被选择，低频段被抑制。

图6　电感电压的幅频特性曲线

通过这三幅图，学生可以清晰明了地理解滤波器的含义，同时也可以看出，同一个电路，以不同地方的电压值或电流值作为输出，就可以得到不同类型的滤波电路。

4　结束语

Multisim作为一款功能强大的电子电路仿真软件，不仅可以应用在电子电路的理论和实践教学中，同样可以应用于《电路》或《电路分析》的教学，从上面的两个应用实例可以看出，Multisim仿真使得电路的学习变得直观和有趣。通过一年的教学过程也证明了Multisim仿真进入《电路》课堂教学使得学生的学习兴趣明显增加，教学效果得以提升。

如果说《电路》教材中讲述的理论知识是一幅人体骨架的话，那么仿真就相当于人体的血肉，把理论知识和仿真融合在一起，使得《电路》课程的学习变得有血有肉，充满生机，摒弃掉只进行理论教学的枯燥无味。当然，除了Multisim仿真软件外，我们还可以借助Proteus或Matlab等仿真软件对电路进行仿真，如何能做到把这几种软件融会贯通地应用于每堂课的《电路》教学中，那么电路理论的学习将会是另外一番风光。

参考文献

[1]李海娜,陈源,刘祥民.“电路”课程教学改革的探索与实践[J].中国电力教育,2014(21):8-9.

[2]邱关源.电路(第5版)[M].北京:高等教育出版社,2012.

李海娜（1984—），山东菏泽人，硕士，邵阳学院电气工程系讲师，主要研究方向为电工电子的教学与改革及测控系统的研究。

作者简介：

基金项目：本文系邵阳学院教改项目“《电路》课程内容练习的研究与设计”（项目编号：2015JG22）。