基于虚拟仿真技术的电路原理实验教学改革研究*

谢丽萍 ,孝大宇，齐 林

（东北大学 中荷生物医学与信息工程学院，辽宁 沈阳110169）

一、引言

电路原理实验教学多依赖电路实验箱的搭接，依照实验指导书验证电路功能。学生可以自己动手连接电路，培养了动手能力。不足之处在于模块化的实验箱中电路种类和数量有限、价格高、设备更新换代慢、容易损坏。此外，电路实验箱中为连接好的电路模块，学生仅需连接导线，自主发挥的空间有限，限制了学生的思维，不利于学生课外自主学习和创新能力的培养。

为将抽象的电路原理分析形象化，笔者在电路原理实践中引入电路仿真内容，结合基于面包板的硬件搭建，将硬件搭建和仿真分析相结合，既增加了实验的灵活性，又激发了学生的学习兴趣，拓展了学生的学习范围，有利于学生更好地掌握电路原理课程内容，同时降低了教学成本。

二、电路原理实验教学的重要性

电路原理实验可以作为一种重要的实践手段，用以检验和验证电路原理理论教学内容，加深学生对教学内容的理解[1]。《电路原理》课程是一门需要很强的实践支持的课程，电路原理实验作为《电路原理》课程必不可少的实践性教学途径，共同组成了整个电路原理相关课程教学体系。电路原理实验是教授学生掌握电路原理理论的重要手段，同样也能有效地培养学生的动手能力。

多年的教学经验表明，通过电路原理实验，不但可以加深广大学生对电路原理理论的认知，而且能够使他们熟练地掌握并运用电路原理基础理论；可以训练学生理论联系实际，并应用于课程实践，培养学生独立思考和工作能力；可以发挥学生应用电工电子仪器工具进行电路焊接等操作技能，激发学生对电路的爱好和兴趣，调动学生学习的主观能动性，为后续课程学习及科研道路探索打下扎实的基础。

三、Multisim虚拟仿真技术

Multisim虚拟仿真技术是一种以Windows操作系统为基础，本身具备非常强大而又完备功能的电路仿真软件[2]。应用Multisim仿真软件可以并行同步进行设计与仿真，即边设计边实验，因此能够比较方便地修改调试。Multisim仿真软件操作简便，易于实现电子设计和测试，在电路原理实验教学中应用Multisim仿真技术，实现速度较快、应用效率较高，因此能够有效地开展电路原理设计性的实验教学。

Multisim虚拟仿真技术作为实验教学主要有以下几个特点[3]：

（1）直观图形界面。Multisim电路仿真工作区可以形象地替代实际的电子实验工作台，可直接将元器件和测试仪表拖放到屏幕上，再用导线并单击鼠标的方式将它们连接起来，实际操作物与虚拟仿真仪器操作面板相似，甚至相同。电路设计人员能够方便地选择仪器，测试电路特性或波形，实现对多种电路的分析。

（2）丰富的元件库。Multisim虚拟仿真元件库含有丰富的虚拟游离元件、集成电路，并且还含有丰富的实际物元件模型。电路设计人员除了能够编辑上述的元件参数外，还可以应用模型生成器及代码模式自由地创造需要的元件。

（3）多种类的虚拟仪表。目前的Multisim能提供至少22种的虚拟仪器，并可动态交互显示，它们的设置和使用与实际仪表相同。

（4）完善的仿真分析。当前的Multisim虚拟仿真可进行RF/SPICE/MCU/VHDL等仿真。

（5）特有的实虚结合。应用Multisim虚拟仿真中教学实验室虚拟的仪表套件（即ELVIS），设计人员可以在NI ELVIS仿真平台上搭建实物电路，再利用NI ELVIS仪表对实物电路进行波形测试和性能指标分析。

四、基于Multisim虚拟仿真的电路原理实验教学设计原则

设计Multisim虚拟仿真电路原理实验教学的根本目的是为学生提供广泛的虚拟电子实验环境平台，显著降低实验教学成本，有效提高实验教学效率。设计Multisim虚拟仿真电路原理实验教学时，要以学生为中心，充分发挥实验教学的主导性，为学生提供优良的学习环境和简单便捷的实验条件等[4]。

设计Multisim虚拟仿真电路原理实验教学应遵循以下原则：

（1）应具备科学性的电路原理实验教学方法和内容。设计Multisim虚拟仿真电路原理实验的目的应为电路原理教学服务，倡导提供科学教学内容与灵活教学方法，通过Multisim虚拟仿真电路原理实验教学，使学生系统地掌握电路原理知识，培养他们分析问题及解决问题的能力，从而提高学生实验动手能力、创新能力。

（2）低成本、简便的教学模式。设计低成本、简便的Multisim虚拟仿真电路原理实验教学模式，突破传统教学模式在经费、时间、场所等方面的限制，设计Multisim虚拟仿真电路原理实验，应使学生深刻感受到Multisim图形界面直观、一目了然、操作简便，能随时随地进行实验。

（3）具备强大的数据库功能。Multisim虚拟仿真具备完善而强大的多种数据库功能，从而可以取代多种传统电路原理实验教学，能够使学生独立自主地进行实验、设计和测试。

五、基于Multisim虚拟仿真的电路原理实验教学优点

与传统的电路原理实验相比，基于Multisim虚拟仿真的电路原理实验主要具备以下优点：

（1）能够克服物理故障等客观因素对实验测量造成不精确的影响。在传统的电路原理实验中，操作面板一般为实际物体。而基于Multisim虚拟仿真的电路原理实验、虚拟仿真操作面板和实验仪器等，其测量准确度比传统实验相对较高。

（2）提高了实验速度及实验效率。学生在虚拟仿真实验过程中，只需通过电路调试，进一步电路封装，就完成了电路设计，有效节约了实验时间，实现快捷性地开展电路设计性实验。同时在Multisim虚拟仿真实验中，能够直接打印实验数据和测试曲线等，通过打印电路原理图、实验数据及测试曲线，能够使学生对测试结果的分析更加便利。

（3）节约教学实验室空间及成本。学生能在Multisim虚拟仿真实验中，仿真使用多种实验仪器及工具，便利地进行综合性实验。所以基于Multisim的虚拟仿真电路原理实验相比传统电路原理实验，解决了综合性实验方面的实验室空间大、实验仪器巨资配备、器材耗损、仪器折旧、实验室的日常管理及维护等方面的问题[5]。

六、基于Multisim虚拟仿真的电路原理实验教学的应用

在进行Multisim虚拟仿真电路原理实验教学时，最主要的就是使学生利用Multisim虚拟仿真软件进行电路原理实验的仿真，应充分考虑虚拟仿真的主要步骤，Multisim虚拟仿真电路原理实验过程如图1所示。

图1 Multisim虚拟仿真电路原理实验过程

1.三相交流电路仿真应用

三相电路由于复杂的电路结构连接，学生对这一章的理论分析往往难以彻底理解和掌握。本部分以三相交流电路虚拟仿真分析为实例，介绍Multisim虚拟仿真电路原理实验方法，以一种直观的方式使学生掌握三相电路的理论。三相交流电路是由三相交流电源供电的电路。典型居民照明电路的虚拟仿真分析电路如图2所示，在中线中设置一开关，用以模拟实际电路的中线断开故障，从而研究三相四线制供电方式中性线的重要性，此外在负载处并联一个电容，用以模拟不对称三相负载情况。仿真数据如表1所示，可得出如下结论：星型对称三相电路（S2开），中线无电流通过，因此使用中线与不使用中线效果相同，所以可以不加中线。在星形不对称三相电路中（S2合），中线的作用是通过避免负载中中性点发生位移使各个不对称负载分得电压相等，若无此中线，负载中中性点电位就会发生位移，而中性点电位发生位移则会导致负载电压不平衡，其中可能会有负载电压超过电器的额定电压(在极端情况下会接近380V)，轻则烧毁电器，重则引起火灾等重大事故。在不对称三相电路中，中线不可省略。

图2 三相交流电路负载星型连接实验Multisim电路图

2.微分电路仿真应用

通过仿真实验掌握基本微分电路的功能和结构特征，以微分电路的Multisim仿真为例，介绍使用仿真分析掌握微分电路对输入波形的变换作用。微分电路由RC构成（如图3），输出信号从R上取得。使用Multisim仿真，示波器的通道接输入信号，显示输入信号的波形（此图中接地线采用空置形式）。示波器的B通道接在电阻R上，用以测量输出电压波形。输入信号（周期1ms、幅度10V）经过RC电路后，输出信号为尖脉冲信号，通过仿真变化R、C的参数，可让学生直观并深刻地理解RC电路的基本结构和功能。

微分电路的工作过程是：如RC的乘积，即时间常数很小，在t=0+即方波跳变时,电容器C被迅速充电，电阻两端分压降低，在输入信号为0时，电容器C被迅速放电，电阻两端电压升高。电容器的充放电速度取决于时间常数（RC的乘积）。通过仿真实验，学生可自己操作调节，并随时查看波形，通过实际观测不同的RC参数时,电阻R两端输出电压波形的不同变化，可以帮助学生理解和掌握微分电路的结构和功能。进一步结合基于面包板硬件电路的搭建，实现相应硬件结构，测试实际电路与理论仿真分析的结果，这种仿真结合硬件实验既可以增强学生的理解，又锻炼了学生的动手能力、拓展了研究思维。

图3 RC微分电路与仿真图形

表1 三相交流电路负载星型连接Multisim仿真实验数据

七、结论

Multisim虚拟仿真技术结合基于面包板的硬件实现在电路原理实验教学中的应用，对降低实验教学成本、加快教学设备更新速度、开拓学生创新思维的培养、提高学生对电路原理知识理解、培养学生对电路原理相关课程的学习兴趣等方面有着诸多优点，因此能够有效地对高校电路原理实验的教学提供支持和指导，并且在其他电子与电路专业课的教学中也有着广泛的应用价值。