Multisim14仿真软件在《电工学》教学中的应用

陈 瞳

(太原工业学院网络与信息中心，山西 太原 030008)

0 引言

《电工学》是高校工科专业开设的一门专业技术基础课，该课程的理论与实践紧密结合，推动课堂教学从理论走向实践，培养了学生的创新思维和实践能力。本文以直流电路的两个具体教学案例为例，应用Multisim14仿真软件，将虚拟仿真融合到电路实验教学中，帮助学生理解晦涩难懂的理论知识，为电工学教学工作指明了新的发展方向。

1 Multisim软件

随着电子技术的飞速发展，电工电子实验教学需求不断增加，传统的实验室、实验方法已无法满足，利用计算机软件辅助设计、分析电工实验成为重要的发展趋势。Multisim是美国国家仪器(NI)推出的一个电路仿真软件，该软件提供了种类齐全的元器件库，具有十分强大的电路分析功能，至今已经发展至Multisim14。利用Multisim软件对电路进行仿真，将理论知识与硬件实验结合起来，提高课堂效率和教学效果。

2 直流电路的仿真分析

电工学直流电路这一篇中有两个很重要的实验：叠加原理的验证、戴维宁定理的验证[1]。这两个定理在电路及模拟电路中的应用非常广泛，是电工教学的基础和重点。利用Multisim软件，将直流电路的仿真分析结果展示到课堂教学中，既可以帮助学生熟练掌握定理知识，又可以提高课堂趣味性。

2.1 叠加原理的仿真及验证

叠加原理是《电工学》课程中一个非常重要的定理，是研究、分析线性电路的基础。当有多个激励共同作用于线性电路时，任一支路的响应，等于各个激励单独作用于该支路时产生响应的代数和。图1为叠加原理验证电路及仿真图。从仿真结果图中可以看到两个电源同时作用于电路时，电阻R2两端的电压是U=8 V，流过R2的电流是I=4 A。

图1 叠加原理验证电路及仿真图

图2是电压源单独作用时的电路仿真图，可以看到电压源单独作用于电路时电阻R2两端的电压是U1=-1 V，流过R2的电流是I1=-0.5 A，负号表示与验证电路方向相反。

图3是电流源单独作用时的电路仿真图，可以看到电流源单独作用于电路时电阻R2两端的电压是U1=9 V，流过R2的电流是I2=4.5 A，方向与验证电路相同。

图2 电压源单独作用电路仿真图

图3 电流源单独作用电路仿真图

根据叠加原理可得电阻R2两端的电压是U=U1+U2=8 V，流过R2的电流I=I1+I2=4 A，结果与图1的仿真结果相同，叠加原理得到验证。

在运用叠加原理时，当电流源单独作用时，需将不作用的电压源直接除源。在做虚拟仿真实验过程中，学生有可能将电压源直接短路[7]，此时仿真电路仍能够得出正确的数据，但是在物理实验中，是绝对不允许将电压源直接短路的。

2.2 戴维宁定理的仿真及验证

戴维宁定理是电路分析的一种重要方法，是《电工学》课程的重点，也是难点。戴维宁定理指出任何一个有源二端线性网络都可以用一个电动势为E的理想电压源和内阻 R0串联的实际电压源来等效代替[1]。

图4是戴维宁定理验证电路仿真图，从图中可以看到，电阻R2两端的电压是8 V，通过R2的电流是4 A。

1) 有源二端网络的开路电压Uo

从图5的仿真图中可以看到当开关都断开时得到有源二端网络的开路电压U1=64 V。

图4 戴维宁定理验证电路仿真图

图5 开路电压

2) 等效内阻

在计算等效内阻的时候通常有两种方法，第一种就是当无源二端网络比较简单的时候，我们可以直接用电阻的串并联的方法来得到；第二种就是使用开路短路法测量电阻。图6为利用开路短路法测量等效内阻，从图中看到短路电流IS=4.571A，等效内阻R0=Uo/IS≈14Ω。

图6 短路电流

图7 戴维宁等效电路

3) 戴维宁等效电路

通过上面的分析计算，可以画出戴维宁等效电路图，如图7所示。对比图4和图7，可以看出这两个电路对外电路产生的电压、电流完全等效，戴维宁定理得到验证。

3 结束语

本文针对直流电路中的两个重要实验，采用Multisim14仿真软件设计了基本电路，并分析了仿真实验数据，验证了叠加原理和戴维宁定理的基本理论。Multisim仿真软件有效的弥补了《电工学》中晦涩的理论知识，在授课过程中，将理论知识和电路仿真结合起来，加深学生对理论知识的理解，提高了学习的兴趣和积极性，教学效果得到大大提升。