MultiSim在電磁學實驗CAI中的應用

衡陽師范學院物理與電子信息科學系 王友文 彭江濤 羅湘南 張登玉 周 熠

MultiSim在電磁學實驗CAI中的應用

衡陽師范學院物理與電子信息科學系 王友文 彭江濤 羅湘南 張登玉 周 熠

以電磁學實驗的典型實驗為例，考察了MultiSim在電磁學實驗課程CAI中應用的可行性。結(jié)果表明，在電磁學實驗課程CAI中引入MultiSim，可以擴展電磁學實驗教學CAI的功能，提升課堂教學效率和效果。

電磁學實驗；課程CAI；MultiSim

1.引言

電磁學實驗是物理學及相關(guān)專業(yè)開設的一門基礎實驗必修課程。學生通過該課程的學習，加深對電磁學概念與規(guī)律的認識，掌握物理實驗的基本知識、方法和技能，培養(yǎng)學生良好的實驗習慣，在動手實踐能力和設計創(chuàng)新能力等方面得到訓練和提高[1-2]。CAI（Computer Aided Instruction，計算機輔助教學）具有圖文聲并茂和信息呈現(xiàn)量大等優(yōu)點，在教學中已獲得普遍應用。在實驗教學中CAI也日益受到重視。通過將Multisim等商業(yè)軟件引入到電磁學實驗課程CAI，使課件具備虛擬實驗環(huán)境，即時演示實驗過程和結(jié)果，并通過校園網(wǎng)共享課件方便學生預習，從而提高實驗教學效率，豐富電磁學實驗教學形式，提高學生實驗的積極性和主動性。Multisim在模擬電子技術(shù)等課程中已有應用[3-4]，但應用Multisim于電磁學實驗課CAI未有報道。本文本文以電磁學實驗的典型實驗為例，初步探索Multisim在電磁學實驗CAI中應用。

2.Multisim軟件簡介

Multisim軟件（原名EWB，Electronics Workbench）是加拿大Interactive Image Technologies公司于20世紀80年代末、90年代初推出的電子電路仿真的虛擬電子工作臺軟件。軟件采用直觀的圖形界面創(chuàng)建電路，在計算機屏幕上模仿真實實驗室的工作臺，可繪制電路圖需要的元器件，電路仿真需要的測試儀器均可直接從屏幕上選?。卉浖x器的控制面板外形和操作方式都與實物相似，可以實時顯示測量結(jié)果。軟件帶有豐富的電路元件庫，提供多種電路分析方法。作為設計工具，它可以同其它流行的電路分析、設計和制板軟件交換數(shù)據(jù)[5-6]。

3.MultiSim在電磁學實驗CAI中的應用舉例

3.1 LRC電路暫態(tài)過程實驗

（1）RC電路電源接通與短接過程

根據(jù)基爾霍夫定律，RC電路電源接通過程中電容電量：

其中E為電源電動勢，RC=τ，為RC電路時間常數(shù)。電容器電壓為：

根據(jù)基爾霍夫定律，RC電路短接過程中，若電容初始電量q0=EC時，則電容電量為：

電容器電壓為：

根據(jù)實驗要求，設置元件參數(shù)，取R=100Ω，C=1uF，信號源的頻率1000Hz，幅值為5V的方波。MultiSim軟件中連接的RC電源接通與短接過程電路如圖1（左）所示，其中V2為方波電壓源，XSC1為示波器，相應電容電壓與電源電壓在充放電過程中的波形如圖1（右）所示。從圖中可以看出，充、放電時電容器的電壓不能突變，即電量不能突變，并且充電時電容電壓指數(shù)增長，放電時電容電壓指數(shù)下降。

（2）RL電路電源接通與短接過程

根據(jù)基爾霍夫定律，RL電路電源接通過程中電感電流為：

其中E為電源電壓，L/R=τ為RL電路的時間常數(shù)。電感兩端電壓為：

根據(jù)基爾霍夫定律，RL電路短接過程中，若電感初始電流I0=E/R時，則電感電流為：

電感電壓為：

根據(jù)實驗要求，設置元件參數(shù)，取R=100Ω，L=10mH，信號源的頻率1000Hz，幅值為5V的方波。MultiSim軟件中連接的RL電源接通與短接過程電路如圖2（左）所示，其中V2為方波電壓源，XSC1為示波器。相應電感電壓與電源電壓在充放電過程中的波形如圖2（右）所示。從圖中可以看出，接通與短接時電感的電壓不能突變，電流不能突變，并且與電源接通時電感電壓指數(shù)下降，短接時電感電壓反向指數(shù)減弱。

圖1 RC電路圖（左）及RC電路充放電過程中電源電壓與電容電壓的波形圖（右）

圖2 RL電路圖（左）及RL電路充放電過程中電源電壓與電容電壓的波形圖（右）

圖3 RLC串聯(lián)電路暫態(tài)過程電路圖

圖4 R2＜4L/C時，RLC串聯(lián)電路在接源接通與短接過程中電容器電壓波形圖

（3）RLC串聯(lián)電路暫態(tài)過程

對于RLC串聯(lián)電路電源接通過程，在初始條件Uc=0，dUc/dt=0情況下，RLC串聯(lián)電路可能有三種狀態(tài)。設電源電動勢為E，若R2<4L/C，則：

應該進一步完善知識產(chǎn)權(quán)的專門立法保護，促使知識產(chǎn)權(quán)保護法律、法規(guī)和相關(guān)管理條例、規(guī)章的有機統(tǒng)一。同時，加大執(zhí)法力度，提高執(zhí)法水平，建立統(tǒng)一、高效和合理的行政執(zhí)法體系，改變由于執(zhí)法中的交叉互相推諉，使執(zhí)法處于低效率甚至無效率的狀態(tài)。但也應該考慮到我國經(jīng)濟發(fā)展的現(xiàn)實需要，對侵權(quán)企業(yè)的處理，不能一刀切，而應該根據(jù)實際情況，加以引導。

其中τ＝2L/R，下同。

若R2=4L/C，則：

若R2＞4L/C，則：

對于RLC串聯(lián)電路短接過程，在初始條件Uc=E，iL=0情況下，RLC串聯(lián)電路可能有三種狀態(tài)。若R2<4L/C，則：

若R2=4L/C，則：

若R2＞4L/C，則：

在MultiSim中連接RLC串聯(lián)電路如圖3所示。其中信號源為頻率100Hz，幅值5V的方波。設置其他電路元件參數(shù)，可以得到RLC電路電源接通與短接過程中不同情況下電容電壓變化規(guī)律。

對于R2<4L/C，設置R=100Ω，L=80mH，C=1uF。MultiSim軟件模擬RLC串聯(lián)電路電源接通與短接過程電容電壓變化如圖4所示。從圖中可以看出，電容器電壓在與電源接通時振蕩趨于電源電壓的穩(wěn)定值，而在電路短接過程中，電容器電壓振蕩減弱趨于0，表現(xiàn)欠阻尼狀態(tài)，結(jié)果與解析結(jié)果完全相符。

圖5 R2=4L/C時，RLC串聯(lián)電路電源接通與短接過程中電容器電壓波形圖

圖6 R2＞4L/C時，RLC串聯(lián)電路電源接通與短接過程中電容器電壓波形圖

圖7 測定二極管正向伏安特性電路圖

圖8 測定二極管反向伏安特性電路圖

圖9 二極管伏安特性曲線測量結(jié)果

表1 二極管正向電壓與電流模擬值

表2 二極管反向電壓與反向電流模擬值

對于R2=4L/C，選取R=200Ω，L=10mH、C=1uF。MultiSim軟件模擬RLC串聯(lián)電路電源接通與短接過程電容電壓變化如圖5所示。從圖中可以看出，電容電壓在與電源接通時指數(shù)增長趨于電源電壓的穩(wěn)定值，而在電路短接過程中，電容電壓指數(shù)衰減趨于0，表現(xiàn)臨界阻尼狀態(tài)，結(jié)果與解析結(jié)果完全相符。

對于R2＞4L/C，選取參數(shù)R=800Ω，L=10mH，C=1uF。MultiSim軟件模擬電容電壓變化如圖6所示。從圖中可以看出，電容電壓在與電源接通時指數(shù)增長趨于電源電壓的穩(wěn)定值，而在電路短接過程中，電容電壓指數(shù)衰減趨于0，但過程明顯較R2=4L/C情況延長，表現(xiàn)過阻尼狀態(tài)，結(jié)果與解析結(jié)果完全相符。

3.2 二極管的伏安特性測定實驗

（1）測量二極管的正向特性

因二極管的正向?qū)娮鑂x很小，為減小測量誤差，通常用外接法來測定二極管的正向伏安特性。連接電路如圖7所示。

接通電源，使二極管正向?qū)?。在電流變化緩慢區(qū)電壓間隔取得疏一些，在變化迅速區(qū)，間隔取的疏些。以硅管為例，電壓在0-0.6V區(qū)間每隔0.1V取一個點，而在0.6V-0.8V區(qū)間每隔0.05V取一個點。鍺管電壓在0.3V以內(nèi)，每隔0.1伏取一點，以后每隔0.05伏測一點，測到80mA為止。在測量中不斷選擇電流檔量程。使讀數(shù)在該檔量程1/10以上。模擬測量所得實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

（2）測量二極管的反向特性

圖8所示為測量二極管的反向特性的電路圖。由于二極管的反向電阻Rx較大，用內(nèi)接法來測定二極管的反向伏安特性。

接通電源，使二極管反向?qū)āｋ娫措妷翰灰^所用二極管的擊穿電壓，同時通過觀察確定出電壓的調(diào)節(jié)范圍。測量從0V開始，在1—4V間每1V取一個點，直到電流變化迅速區(qū)間。在電壓大于4V時，測量間隔應取小一些。模擬測量所得實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

將實驗數(shù)據(jù)輸入到Origin的工作表窗口中，選定實驗數(shù)據(jù)，點擊Plot菜單的Line+Symbol項，出現(xiàn)繪圖Graph窗口的二極管的伏安特性曲線如圖9所示。所是結(jié)果與文獻結(jié)果基本相符。

4.小結(jié)

以電磁學實驗的兩個典型實驗為例，探討了MultiSim軟件在電磁學實驗教學CAI中應用的可行性。結(jié)果表明，應用MultiSim軟件于電磁學實驗CAI，使其具備即時演示實驗過程和結(jié)果的功能，從而增強電磁學實驗課堂教學效率和效果，提高學生學習積極性。

[1]楊述武,趙立竹,沈國士.普通物理實驗2:電磁學部分[M].北京:高等教育出版社,2004,20-99.

[2]陶淑芬,李銳,晏翠瓊.普通物理實驗[M].北京:北京師范大學出版社,2010:60-156.

[3]鐘化蘭.Multisim在模擬電子技術(shù)設計性實驗中應用的研究[J].華東交通大學學報,2005,22(4):88-89.

[4]孫曉艷,黃萍.基于Multisim的電子電路課堂教學[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2006,29(24):142-144.

[5]董玉冰.Multisim9在電工電子技術(shù)中的應用[M].北京:清華大學出版社,2010:3-9.

[6]朱彩蓮.Multisim電子電路仿真教程[M].西安:西安電子科技大學,2007:1-3.

教育部第四批高等學校特色專業(yè)建設點項目（TS11635）；衡陽師范學院教學研究課題（Jykt201008）；2006年精品課程項目（84）。

王友文（1972—），男，湖南衡陽人，博士，教授，研究方向：電磁學及實驗方面的教學。