電路原理課程仿真實驗設計

付揚

摘? 要 電路原理課程是一門非常重要的電類專業基礎課程，為了提升學生的學習效率，在課后延續中將Multisim仿真引入實驗教學，使實驗教學虛實結合。介紹Multisim仿真實驗設計方法和優勢，以電路原理課程的典型實驗項目為例，介紹Multisim仿真實驗設計。實踐表明，Multisim仿真能提高學生實驗興趣，有利于加深學生對電路定理和電路方法的理解和應用，提升學生的實踐能力和創新能力。

關鍵詞 電路原理;Multisim;戴維寧定理;實驗教學

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）15-0129-03

1 前言

電路原理課程是理論性和邏輯性很強的課程，同時具有很強的實踐性。北京工商大學電路原理課程開在大一下學期，學生普遍反映本課程學習難度大，對定理、定律理解不透，方法應用缺乏靈活性。為了使學生理解學會該課程，為后續專業基礎課、專業課學習打下良好基礎，應加強實踐環節。由于該課程實驗學時和實驗資源有限，長期以來增加實驗環節教學不能得以有效改善。以學校綜合教學改革為契機，增加課后延續教學環節，為提高學生的分析設計能力和實際實驗操作的效率，引進Multisim仿真設計進行實驗，將抽象理論知識通過直觀仿真實驗展示，仿真和實際實驗實現虛實結合，在加深學生對理論知識理解的同時，加強實踐訓練，有效地培養學生分析問題、解決問題的能力以及實踐創新能力。

2 Multisim仿真實驗設計方法和優勢

Multisim是美國國家儀器公司推出的虛擬仿真軟件，能夠進行原理電路設計和電路功能測試的仿真。Mu1tisim設計環境全面集成化，提供了多個元器件庫的數千個元器件，可以方便快捷地選定元器件完成設計的電路圖;提供了齊全的虛擬電子儀器，包括實驗室常用儀器和實驗室不具備的儀器;提供了全面的仿真分析工具，方便快捷地實現對電路的各種分析。Multisim仿真實驗設計方法是：首先明確實驗目的，根據實驗原理，創建實驗電路;再根據實驗內容，選定分析方法和仿真儀器進行仿真分析;最后根據仿真分析得出實驗結論。

Multisim實驗操作如同真實實驗一樣，相比實驗室實驗具有以下優勢。

1）提升了學生的興趣和積極性。學生對電腦操作上手快，愿意在電腦上操作，因為參數修改方便且不擔心接錯電路，器件選擇范圍廣，實驗猶如娛樂十分有趣，而不是一種負擔。

2）時間和地點不受限制。教室、宿舍、圖書館、機房等只要有電腦，學生隨時可以進行設計仿真實驗，靈活且方便，有效增加了實驗學時。

3）節省實驗器材。Multisim仿真減少了實驗室器件和儀器的損壞，節省了實驗室經費開支。Multisim下接線不對或操作不當，不會造成儀器損失。

4）Multisim軟件安全可靠。對于交流電路，如三相電路、功率因數提高等，電壓380 V/220 V，實驗室實驗中教師會特別提醒大家注意安全，并在實驗中特別注意看管學生，以防觸電;但在Multisim仿真中，不必有任何安全方面的擔心。

電路原理課程主要包含直流電路和交流電路兩個部分，下面分別以直流和交流兩個部分的典型電路“戴維寧定理”和“功率因數提高”進行仿真實驗舉例。

3 直流電路仿真實驗舉例：戴維寧定理

實驗目的

1）掌握測量有源一端口網絡等效參數的方法;

2）驗證戴維寧定理的正確性。

實驗原理? 工程實際中常常碰到只需研究某一支路的電壓、電流或功率的問題，對所研究的支路來說，電路的其余部分就成為一個一端口有源網絡。一個含獨立電源、線性電阻和受控源的一端口網絡，對外電路來說，可以用一個電壓源和電阻的串聯組合來等效置換;此電壓源的電壓等于外電路斷開時端口處的開路電壓uoc，而電阻等于的全部獨立電源置零后的輸入電阻或等效電阻Req，其示意圖如圖1所示。

實驗內容? 實驗設計的一端口網絡如圖2虛線框內所示，設計仿真實驗步驟如下。

用開路電壓、短路電流法測定戴維寧等效電路參數UOC

和Req。在圖2所示一端口網絡中，仿真只需直接接入一只萬用表即可，仿真運行后可得到測定的開路電壓UOC和短路電流ISC，如圖2所示，即可算得Req=UOC/ISC=4.068 V/

12.189 mA=333.74 Ω。

2）一端口負載實驗。按圖3一端口接入負載R6，測量其外特性。選擇合適的電流表和電壓表，調R6測量其負載的電流和電壓，如圖3所示，當R6=5 kΩ時，其電流為0.764 mA，電壓為3.813 V。

3）驗證戴維寧定理。將圖3的一端口用戴維寧定理等效，在元器件庫中選擇電源，其值等于一端口的開路電壓UOC;選擇一電阻，其值為Req，負載仍接R6，其電路如圖4所示。同上調節R6，測其電壓和電流。當R6=5 kΩ時，測量結果如圖4所示，其電壓表和電流表與圖3一樣，且當R6從1 kΩ到10 kΩ變化時，圖3和圖4表的讀數都一樣，說明虛框內兩個電路對外電路R6等效，從而驗證戴維寧定理。

實驗結論? 通過實驗內容1），實現有源一端口網絡等效參數的測量;通過實驗內容2）、3），驗證戴維寧定理。

4 交流電路仿真實驗舉例：功率因數提高

實驗目的

1）熟悉日光燈電路的工作原理和電路模型;

2）理解提高功率因數的意義，掌握提高功率因數的方法。

實驗原理? 功率因數低帶來如下弊端：

其一是供電電源設備容量不能充分利用;

其二是線路總電流大，導致電能損耗增加。

這些都是很不經濟的，因此需要提高功率因數。提高功率因數的原則是保證負載的原來正常工作狀態不變。

電感式鎮流器的日光燈電路是感性負載電路，鎮流器看作電感與電阻的串聯，點燃的日光燈管看成是電阻元件，其電路的功率因數低。在日光燈電路上并聯電容可以在保證日光燈正常工作的情況下，提高整個電路的功率因數，減少線路的總電流。電路由功率因數cosφ1提高到cosφ2，其并聯的電容值為，P、U、ω分別為日光燈功率、額定電壓和交流電的角頻率。

實驗內容

1）構建日光燈電路模型，選擇測試儀器。標稱值為30 W

日光燈電路日光燈正常工作后，實際測量其等效電阻和電感為R=489.27 Ω和L=2.148 H。則日光燈在Multisim下的模型等效為電阻R和電感L的串聯，其構建電路模型如圖5所示，選擇并聯可變電容，兩塊電流表分別測量總電流和電容支路電流，XWM1為功率表，測量有功功率和功率因數。

2）改變并聯電容值的電路測試。改變電容值測量電路功率因數、總電流和電容電流，測量結果如表1所示。

3）數據分析。根據表1數據能清楚看到隨著C在0～

3 μF之間逐漸增大，功率因數增大，總電流減小，電路呈感性;當C=3.1 μF時，功率因數增大到最大值1，電流減小到最小值0.152 A，如圖5所示;當C在3.2～6.5 μF之間逐漸增大時，功率因數隨之減小，總電流增大，電路為容性。

實驗結論? 在保證負載工作狀態不變的前提下，并聯電容可實現功率因數的提高，總電流減小;為保證經濟效

益，提高功率因數并聯電容應使電路處于欠補償狀態。

5 結語

電路原理課程通過引入Multisim仿真實驗，使電路理論和實驗聯系更加緊密，豐富了電路實驗內容，有利于對理論知識的理解和應用，化解了課程學習難度，提升了教學質量。通過實踐可以看出，Multisim仿真突破了時間和空間限制，提高了學生實踐的興趣和自主性，是對電路原理課程實踐教學的有益補充，有效提升了學生的分析設計能力和創新能力。

參考文獻

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