Multisim仿真及分析在電路教學中的應用

邵陽學院　李海娜　陳　源

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Multisim仿真及分析在電路教學中的應用

邵陽學院李海娜陳源

【摘要】Multisim作為一種強大的電子電路仿真軟件，同樣可以應用于《電路》的教學過程中。當它進入理論教學的課堂以后，學生的學習積極性明顯增加，教學效果明顯提升。本文通過兩個仿真案例展現Multisim仿真在電路教學中的應用，希望此仿真軟件能得到更大的推廣應用，《電路》教學能得到進一步改革。

【關鍵詞】Multisim仿真；教學改革；電路教學

0　引言

《電路》或《電路分析》作為電類專業的專業基礎必修課，一直以來在大學本科的電類專業教學中處于最重要的地位。近二十年來，邵陽學院電氣工程系在《電路》教學中采用的教材基本上都是邱關源先生主編的《電路》這本書，這本教材作為大部分院校電類考研招生的指定參考教材，可見它的內容和質量當然是有目共睹的。從近二十年的教學效果來看，雖幾經改版，但采用這本教材作為主講教材一直都取得了不錯了教學效果。但近幾年來，隨著科技的發展和各種高級智能電子產品的普及，90后的大學生在課堂上不再擁有70、80后學生的學習積極性和興趣，《電路》的教學效果明顯存在了下滑趨勢，為此，系里和教研室多次舉行各種教研活動，申請教改項目，其目的就是把現代化的教育和教學方法及手段應用到《電路》的教學過程中，吸引更廣泛的學生產生學習興趣和主動性，以達到良好的教學效果。[1]

在近一年多的電路教學中，本系的《電路》授課教師，包括筆者在內，一改以前的板書授課的教學模式，積極采用各種現代化的教學手段進行電路的教學改革，最突出的一點是自制了很多與教材中的知識點相對應的Multisim仿真實例。在此，筆者列舉一二Multisim仿真及分析在電路教學中的應用實例，希望對大家的教學和學生的學習有所幫助，也希望引起廣大教師同仁對《電路》教學改革的進一步思考。

2　KCL、KVL的相量形式的仿真教學

在《電路》的學習和分析中，最重要的約束之一是基爾霍夫定律，它包括基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律，分別簡稱KCL和KVL，這兩個定律可以使用在一切集總參數電路的分析中。[2]在正弦穩態交流電路中采用相量法進行分析時，往往每個題目都需要用到KCL、KVL的相量形式，作為電路的初學者，這是一個比較難以理解的知識點，它們的正確數學表達式分別應該為：，但很多的同學在記憶和使用的過程中往往把這兩個表達式應用為：，結果當然是導致計算錯誤。另外，如果這個知識點沒有掌握好，還會嚴重地影響到后續很多重要的專業課程的學習，想再學好《電機學》、《電力系統分析》等課程的更無從談起。為了讓學生生動形象地牢記這個知識點，我們可以從以下Multisim仿真入手，以KCL的學習為例。

圖1　KCL的相量形式仿真電路圖

首先在Multisim軟件中繪制出一個簡單的仿真電路如圖1所示，電源采用的正弦交流電，在5條不同電流的支路中串了5個電流表，在仿真中，電流表的“+”、“－”極即代表了電流的參考方向，我們以電流表的編號表示該支路電流的編號，即分別為i1、i2、i3、i4、i5。然后開始進行仿真，其仿真結果如圖2所示。

當仿真結果出來后，很多同學都會馬上用直流電路中學習的KCL去驗證電流表的讀數能否滿足KCL，比如，電流表1的讀數應當為表2和表5讀數之和，電流表5的讀數應當為表3和表4讀數之和。很明顯，上述的兩組計算都不成立。這時候，很多的學生就是會將注意力轉移到這個問題上來：難道KCL在交流電路中不成立了嗎？

當然不是！這個時候應當引導學生去復習KCL的內容：在集總電路中，任何時刻，對任一結點，所有流出結點的支路電流的代數和恒等于零，用數學表達表示為。[2]此定律中的電流是時間的函數，在直流電路和交流電路中都是如此，只因直流電路中電流不隨時間改變，直流電流又往往用大寫字母I表示，所以在直流電路中我們經常把KCL寫為。但是交流電路中KCL卻不能寫作，因為在正弦交流電路中大寫字母I只表示正弦電流的有效值，而非時域形式，所以在正弦交流電路中KCL表達式應當寫為，電流為瞬時值形式的電流。當學生理解好這一點這后，就可以進行正弦穩態交流電路中KCL相量形式的推導了。

再根據復數的運算定律，可以化為如下表示式：

等號左邊的中括號內也化為了一個旋轉復數，上式在任何時刻都成立的條件是：，這就是相量形式的KCL的表達式，可以簡寫為。下面可以用本仿真電路的數據去驗證相量形式的KCL是否成立。如圖1所示，設電源電壓，電源頻率為50Hz，由電感、電容元件的相量形式的電壓電流關系可得：

電感電流：

電容電流：

再根據相量形式的KCL得：

電流：

所以通過理論計算，我們可知電流表3、表4、表5的讀數其實都是電流的有效值，理論值分別為636.629mA，138.23mA，498.389mA，可見與Multisim仿真結果相差不大，誤差范圍在2%以內，可見相量形式的KCL是成立的。

通過這樣一個以Multisim仿真為引入，以科學的證明為依據，以理論計算為驗證的過程，大部分同學都深深地理解、記憶并且會運用了相量形式的KCL，即，這樣也就達到了我們教學的目的和效果。

當然使用同樣的方法，我們也可以推出相量形式的KVL的表達式，這部分可以留作課下作業讓學生自行完成仿真、證明、驗證。

3　濾波電路的仿真

濾波器雖然在《電路》或《電路分析》中沒有要求作為重點的內容進行學習，但在后續的電子電路中經常用到濾波的知識，所以在《電路》的學習中要求學生對濾波或選頻電路要有一個初步的認識，明白其中的含義。在教材中，我們以電路的頻率響應為切入點，進行濾波器的學習，但學完后，大部分學生仍感覺濾波器比較抽象，不能理解什么是帶通、高通、低通等。為解決此問題，我們不再進行網絡函數的求解及幅頻特性和相頻特性的手工繪制，而是通過Multisim仿真直接展現出不同通帶的濾波器，分別如圖4、圖5、圖6，其過程如下。

在此，我們首先在Multisim中建立一個簡單的RLC串聯電路如圖4左側電路進行仿真，參數取電阻為1Ω，電感為10mH，電容為。在Multisim中選Simulate-analyses-AC analysis，彈出圖3所示的對話框，選擇頻率參數如圖3所示，然后我們以電阻的電壓即節點電壓V2作為輸出，點擊Simulate，即可得到如圖4右側的仿真結果。這種幅頻響應曲線對應的濾波電路稱為帶通濾波器，它的特點是中間高，兩頭低，中間頻率段被選擇，兩端的頻率被抑制。曲線最高的點對應的頻率，就是本RLC串聯電路的諧振頻率，通過本仿真，可以讀出其值為1.6026kH，本電路的諧振頻率理論值為：

理論值與仿真值基本一致。

圖3　AC Analysis對話框

圖4　電阻電壓的幅頻特性曲線

同樣的方法仿真RLC串聯電路中以電容電壓作為輸出，其電路和結果如圖5所示，可以看出，電容電壓的幅頻特性曲線為低頻部分曲線高，高頻部分曲線低，具有這種輸出特性的濾波電路稱為低通濾波器，即低頻段被選擇，高頻段被抑制。

圖5　電容電壓的幅頻特性曲線

最后仿真RLC串聯電路中以電感電壓作為輸出，其電路和結果如圖6所示，電感電壓的幅頻特性曲線為低頻部分曲線低，高頻部分曲線高，具有這種輸出特性的濾波電路稱為高通濾波器，即高頻段被選擇，低頻段被抑制。

圖6　電感電壓的幅頻特性曲線

通過這三幅圖，學生可以清晰明了地理解濾波器的含義，同時也可以看出，同一個電路，以不同地方的電壓值或電流值作為輸出，就可以得到不同類型的濾波電路。

4　結束語

Multisim作為一款功能強大的電子電路仿真軟件，不僅可以應用在電子電路的理論和實踐教學中，同樣可以應用于《電路》或《電路分析》的教學，從上面的兩個應用實例可以看出，Multisim仿真使得電路的學習變得直觀和有趣。通過一年的教學過程也證明了Multisim仿真進入《電路》課堂教學使得學生的學習興趣明顯增加，教學效果得以提升。

如果說《電路》教材中講述的理論知識是一幅人體骨架的話，那么仿真就相當于人體的血肉，把理論知識和仿真融合在一起，使得《電路》課程的學習變得有血有肉，充滿生機，摒棄掉只進行理論教學的枯燥無味。當然，除了Multisim仿真軟件外，我們還可以借助Proteus或Matlab等仿真軟件對電路進行仿真，如何能做到把這幾種軟件融會貫通地應用于每堂課的《電路》教學中，那么電路理論的學習將會是另外一番風光。

參考文獻

[1]李海娜,陳源,劉祥民.“電路”課程教學改革的探索與實踐[J].中國電力教育,2014(21):8-9.

[2]邱關源.電路(第5版)[M].北京:高等教育出版社,2012.

李海娜（1984—），山東菏澤人，碩士，邵陽學院電氣工程系講師，主要研究方向為電工電子的教學與改革及測控系統的研究。

作者簡介：

基金項目：本文系邵陽學院教改項目“《電路》課程內容練習的研究與設計”（項目編號：2015JG22）。