基于Multisim虛擬仿真技術的電工電子實驗室建設

楊 蕊, 王曉燕, 楊 婷

(西安建筑科技大學 機電學院, 陜西 西安 710055)

基于Multisim虛擬仿真技術的電工電子實驗室建設

楊 蕊, 王曉燕, 楊 婷

(西安建筑科技大學 機電學院, 陜西 西安 710055)

針對傳統(tǒng)實驗室建設投入大、設備易損壞、實驗效果不理想等問題,構建了基于Multisim虛擬仿真技術的電工電子實驗室,列舉了應用Multisim仿真進行感性電路功率因數(shù)的改善、三角波發(fā)生器、多諧振蕩器等電工電子實驗教學的實例。實驗表明,虛擬仿真技術有效提高了實驗教學質(zhì)量,推進了實驗教學改革。

電工電子實驗； Multisim； 虛擬仿真技術

西安建筑科技大學電工電子實驗中心自建立以來,堅持“以能力培養(yǎng)為核心,理論教學與實踐教學統(tǒng)籌協(xié)調(diào)”的實驗教學思想,不斷改革創(chuàng)新。在我校新校區(qū)實驗中心建設中,著重解決實驗儀器設備陳舊、實驗教學效果不理想和提高實驗設備利用率等問題,并作為重要課題進行研究[1]。在新校區(qū)的實驗中心建設中,將Multisim仿真軟件引入實驗教學,構建了基于Multisim的虛擬仿真電工電子實驗室,解決了傳統(tǒng)實驗室的諸多問題,有效推進了我校的實驗教學改革[2-3]。

1 Multisim虛擬仿真實驗室的特點

我校現(xiàn)有實驗室雖已投入大量資金,但仍然無法做到學生單人單組實驗,這就使得部分學生不能很好地進行實驗學習,降低了實驗教學效率,實驗效果也不是很理想。此外,由于學生操作實驗不當,使很多舊的實驗設備易被損壞。為了保證每一次實驗的正常進行,教師必須事先花費大量時間排除設備故障,不僅影響了實驗效果,而且大大增加了教師的工作量、降低了實驗效率[4]。相對于傳統(tǒng)實驗室,Multisim虛擬仿真實驗室有以下4方面優(yōu)點。

(1) 儀器儀表齊全。虛擬仿真實驗室的元器件和測試儀器齊全,可以不受傳統(tǒng)實驗室的各種條件限制,完成各種類型的電路設計與電路實驗[5]。

(2) 實驗成本低。有些實驗設備昂貴,在傳統(tǒng)實驗室里很難為學生提供使用機會，但是在虛擬仿真實驗室中所需元器件的種類和數(shù)量不受限制。

(3) 實驗效率高。虛擬仿真實驗室不會因?qū)嶒炘O備損壞、電源接觸不良等問題而影響實驗,從而使實驗過程更加快捷、準確,提高了實驗效率。

(4) 分析方法多樣。虛擬仿真實驗室可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時域分析和頻域分析、線性分析和非線性分析等,使設計與實驗可以同步進行,且修改調(diào)試電路方便。

Multisim軟件的工作界面簡單直觀,元器件調(diào)用方便,儀器儀表形象逼真,學生可以快速掌握軟件的使用方法,所以基于Multisim的虛擬仿真實驗室有著傳統(tǒng)實驗室不可比擬的優(yōu)勢[6]。學生可以方便、快捷地把所學的理論知識用Multisim仿真再現(xiàn)出來,不僅可以克服傳統(tǒng)實驗室各種條件的限制,還可以針對不同的目的進行訓練,使學生的分析、應用、設計和創(chuàng)新能力得到提高[7-8]。

2 基于Multisim的虛擬仿真實驗

2.1 感性電路功率因數(shù)的改善

電力負載大多數(shù)為感性負載,其功率因數(shù)均低于1。為提高功率因數(shù)又不改變負載的工作狀態(tài),通常采用感性負載兩端并聯(lián)電容的方法,用電容的無功功率補償感性負載的無功功率[9]。

改善感性電路功率因數(shù)的實驗是用熒光燈作為感性電路。學生在該實驗中經(jīng)常存在以下問題:

(1) 對實驗目的理解不透徹；

(2) 如果接錯線路,很容易將燈管燒掉；

(3) 儀表使用不熟練。

在Multisim仿真中,筆者用RL串聯(lián)電路代替熒光燈,接入10 μF可調(diào)電容,接線清楚,儀表使用簡單,可解決傳統(tǒng)實驗室中所遇到的問題。

圖1是能改善感性電路功率因數(shù)的Multisim仿真電路圖,通過調(diào)節(jié)10 μF可調(diào)電容的大小,測量不同電容時電路的功率P,電流I、IL、IC以及電壓UL、UR,計算出功率因數(shù)cosφ,測量數(shù)據(jù)如表1所示。分析數(shù)據(jù)可知,當電容為4.7 μF時,功率因數(shù)cosφ最大、電流I最小,并且感性電路的工作狀態(tài)IL、UL和UR都沒有發(fā)生改變。

圖1 改善感性電路功率因數(shù)的電路圖

C/μFP/WcosφI/AIL/AIC/AUL/VUR/V029.90.4310.3160.3160198.594.82.229.90.7150.1900.3160.152198.594.83.329.90.9220.1470.3160.228198.594.84.729.90.9600.1420.3160.325198.594.86.829.90.5930.2300.3160.470198.594.88.229.90.4350.3130.3160.567198.594.810.029.90.3180.4280.3160.691198.594.8

2.2 三角波發(fā)生器

在實際的電路設計中,運算放大器的應用十分廣泛,例如設計信號調(diào)理電路,完成比例、積分、微分、濾波以及信號發(fā)生器等功能[10-11]。以三角波發(fā)生器為例,利用運算放大器組成方波發(fā)生器,然后將輸出的方波進行積分運算就可以成為三角波發(fā)生器。

本實驗采用741芯片。學生在傳統(tǒng)實驗中存在的主要問題是:(1)電路復雜,容易連線錯誤,無法得出正確波形；(2)操作不當,有可能燒毀芯片；(3)示波器使用不熟練。在Multisim虛擬仿真實驗中,電路連接清晰直觀,示波器的使用方便、簡單,解決了傳統(tǒng)實驗室中所遇到的問題。

圖2是Multisim虛擬仿真實驗三角波發(fā)生器的電路圖。通過示波器，可以直觀地看到產(chǎn)生的波形(見圖3)。在圖3中,上方的方波是方波發(fā)生器輸出的波形(U1端口),輸出的方波經(jīng)過積分電路得到三角波(U2端口)。通過調(diào)節(jié)變阻器R2的電阻值,就可以調(diào)節(jié)三角波的幅值。

2.3 多諧振蕩器

555定時器是一種數(shù)字、模擬混合型集成電路器件,外接適當?shù)腞、C元件可構成各種功能的時基電路,如單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器等[12]。以多諧振蕩器為例,它是一種矩形波產(chǎn)生電路,這種電路不需要外加觸發(fā)信號便能連續(xù)、周期性地產(chǎn)生矩形脈沖[13-14]。多諧振蕩器的Multisim仿真實驗電路如圖4所示,用示波器觀察輸出波形如圖5所示,改變電容C1的大小就可以改變輸出方波的頻率。

圖2 三角波發(fā)生器電路圖

圖3 三角波發(fā)生器的波形圖

圖4 多諧振蕩器電路圖

圖5 多諧振蕩器的波形圖

3 結束語

基于Multisim的虛擬仿真實驗能夠有效地解決傳統(tǒng)實驗教學中存在的一些問題,加深學生對專業(yè)理論知識的理解。在我校新校區(qū)實驗中心的建設中,將積極構建基于Multisim虛擬仿真技術的電工電子實驗室,提高實驗教學質(zhì)量,培養(yǎng)學生的綜合能力和創(chuàng)新能力,積極推進我校的實驗教學改革。

References)

[1] 張志友.Multisim在電工電子課程教學中的典型應用[J].實驗技術與管理,2012,29(4):108-110,114.

[2] 王香婷,劉濤,張曉春,等.電工技術與電子技術實驗教學改革[J].實驗技術與管理,2013,30(4):112-114.

[3] 李國麗,應艷杰,盛華,等.電工電子實驗教學改革[J].電氣電子教學學報,2008(10):60-61.

[4] 付揚.Multisim仿真在電工電子實驗中的應用[J].實驗室研究與探索,2011,30(4):120-122,126.

[5] 蒲永紅,余粟,王維榮,等.Multisim輔助電工電子實驗教學的探討[J].實驗室研究與探索,2013,32(9):174-177.

[6] 王爾申,李軒,王相海,等.基于Multisim的電工及工業(yè)電子學課程仿真實驗設計[J].實驗技術與管理,2014,31(10):128-131,140.

[7] 盛蘇英.開放式虛實結合實驗教學探索與實踐[J].實驗科學與技術,2014,12(1):98-101,104.

[8] 萬志平.仿真軟件在電類課程教學中的應用[J].實驗技術與管理,2009,26(4):76-79.

[9] 羅倩.Multisim軟件測量電流的方法及其他改進[J].計算機工程與設計,2009(8):2026-2029.

[10] 桂靜宜.Multisim在模擬電路實驗教學改革中的應用[J].電子科技,2010(1):107-110.

[11] 易靈芝,王根平,李衛(wèi)平,等.Multisim在電類課程實驗教學中的應用[J].計量與測試技術,2009(5):1-3.

[12] 劉沛津,韓行.電工電子技術實驗及實訓教程[M].西安:西安電子科技大學出版社,2014.

[13] 付揚.電路與電子技術實驗教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

[14] 王冠華.Multisim10電路設計及應用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

Construction of electrical and electronic laboratory based on Multisim virtual simulation technology

Yang Rui, Wang Xiaoyan, Yang Ting

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055, China)

Traditional laboratory requires the significant capital investment, the equipment damage is serious, and the the experimental effect is not obvious. The electrical and electronic laboratory is constructed based on Multisim virtual simulation technology. This article lists Multisim simulation examples in the electrical and electronic experimental teaching. Experiments show that the Multisim virtual simulation technology can effectively improve the quality of teaching experiment,and promote the experimental teaching reform in our school.

electrical and electronic experiment; Multisim; virtual simulation technology

2015- 05- 28

陜西省教育廳專項科研計劃項目(14JK1405)

楊蕊(1988—),女,陜西咸陽,碩士,助理工程師,研究方向為信號處理、信息融合、電工技術.

TP391.9；G420

B

1002-4956(2015)10- 0129- 03