基于虚拟仿真技术的电路分析教学研究与实验

陈丽霞，李 敏，范士勇

(1.河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071002； 2.河北省数字医疗工程重点实验室，河北 保定 071002； 3.河北大学 计算中心，河北 保定 071002)

电路分析课程作为电子类学科的专业基础课程，在整个专业人才培养方案和课程体系中起着承前启后的作用。该课程涉及的电路原理内容抽象，理论性强，学生理解困难，学习兴趣不高。随着新工科理念的提出，教学改革的深入，为了将电路原理分析形象化，激发学生学习的主观能动性，将虚拟仿真软件Multisim引入到教学中来[1]，通过软件的电路仿真功能，能够直观形象地观察到随着电路结构及参数变化而电路的变化情况。针对电路分析课程中的教学重点和难点，结合虚拟软件的教学内容设计，能够改变枯燥的传统教学模式，提高教学效果，加深学生电子线路知识的学习，更好地应用于工程实践。通过分析RLC串联谐振电路和RC动态电路，将课堂教学和Multisim动态仿真结合起来[2]。

1 RLC串联谐振研究

RLC 串联谐振电路是电路分析课程中的典型电路，原来的教学方法是让学生通过实验来验证谐振特性，但是实验室传统的测量方法在测量时会出现谐振频率不精准、谐振曲线不对称、由于信号源内阻及电感和电容的损耗电阻导致学生在分析实验数据时计算品质因数和理论值有很大的偏差。为了克服传统电路带来的测量误差，帮助学生更好地理解串并联谐振电路的理论知识，将Multisim软件应用于该电路[3]。

在Multisim仿真软件中画出RLC串联谐振电路并测量结果，如图1所示：

图1 RLC串联谐振回路谐振曲线Fig.1 Resonance curve of RLC series resonant circuit

在理论分析中，该电路理想情况下的总阻抗值为：

(1)

由欧姆定律可以计算出电路中的理想情况下的电流为：

(2)

在传统实验验证理论教学过程中，按照图示参数值连接电路，改变信号发生器的频率，利用交流毫伏表测量电阻两端电压得到信号的谐振频率约为208 kHz，最大的电压为0.5 V，这样经过计算得到最大的电流为5 mA，要比理论值小了将近1倍。根据测量数据计算所得品质因数为Q=4，理论值计算Q=7.6，测量出来的品质因数比理论值偏小。学生在实验中就会感到测量出现了误差。实际上误差产生的原因是因为传统实验是通过R上电压的最大值来判断谐振频率，如果测量过程中谐振曲线变化不明显，学生就很难测到谐振频率，并且由于信号源本身、电感和电容都存在损耗电阻，在实际测量中也会影响测量的电流、电压和品质因数。而用虚拟软件进行测量就避免了这类误差的产生，使学生能够更好地理解谐振电路的原理[4]。

2 RC动态电路

在模拟电路和数字电路中经常用到RC电路。时间常数τ代表电容充放电速度的快慢，改变时间常数以及输入输出的关系能够将RC电路应用于不同的场合。在本研究中，改变时间常数分析RC构成的积分电路，在虚拟仿真平台搭建由电容和电阻构成的RC动态电路。在RC电路中一般认为经过5τ时间电容完成充电或者放电，设置方波幅度为10 V，信号的频率为1 kHz，周期T为1 ms，观察时间常数τ改变时输出波形的变化。

图2 RC充放电Fig.2 RC charging and discharging

根据公式τ=RC，可以分析出来，当R=1 K、C=0.01 uF时，理论情况，利用虚拟仿真软件可以测得时间常数τ≈0.01 ms，在方波信号的T/2时间内，电容有足够时间充电完成达到稳态，输出电压的幅值和方波的幅值相等。利用仿真软件观察时间常数的改变对输出波形的影响可以让学生理解RC电路的暂态过程，避免了在传统实验项目中因为选取RC参数不合适导致的无法测量时间常数的等问题。RC电路结构简单，但是在实际电路中应用非常广泛，在学习过程中利用虚拟软件可以让学生开拓思维能力，不断改变参数来进行设计，改变了传统的验证型教学项目。

3 结语

仿真实例表明，Multisim电路仿真软件能够清晰直观地仿真电路状态，可以更加生动形象地验证当参数改变时电路的变化情况，改变了传统的静态教学模式，融合电路分析理论和电路实验项目，克服了传统实验出现的干扰，能够反映电路知识的本质。通过仿真教学，加深促进学生对电路理论知识的理解和掌握，开拓学生的思维能力，有效提高了学生对电路知识的理解，解决了教学过程中的难点重点。