Multisim在《電路原理》實驗教學中的應用與設計

摘 ? 要：本文針對《電路原理》課程實驗教學中存在的實驗條件、方式及時間受限等問題，提出在實驗教學環節中引入Multisim仿真技術，設計了線性電路原理驗證、二階電路零狀態響應以及三相交流電路仿真實驗。實踐表明，Multisim仿真實驗環節的引入有利于使學生從被動的驗證性實驗過渡到主動地設計和分析電路，從而提高實驗課堂教學效率，提升實驗教學效果。

關鍵詞：電路原理 ?Multisim ?仿真實驗 ?教學改革

中圖分類號：TP391.9;TM13 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（c）-0180-05

Abstract： Aiming at the problem of experimental teaching for circuit principle course， it is proposed to bring in Multisim simulation technology in experimental teaching. It is designed the simulation experimental items of demonstration linear circuit theorems， zero state response for second order circuit and three-phase AC circuit. Best practice indicates that by binging in Multisim simulation in experimental teaching， it is advantage for students to do positive design and analysis circuit rather than doing passive demonstration experiments. Therefore， the experimental teaching efficiency can be increased， and the experiments effect can also be improved.

Key Words： Principle course; Simulation experiment; Linear circuit theorems; Second order circuit; Three-phase AC circuit

《電路原理》課程是高等院校電子與電氣信息類專業的重要基礎課，是所有強電和弱電專業的必修課[1]。該課程以研究電路的基本規律及電路的分析方法為主要內容，擔負著為后續專業課程提供電路理論基礎知識及電路分析方法的重任。通過本課程的學習要求學生具有扎實的電路分析能力和解決實際問題的能力。實驗作為理論課程的配套實踐環節，基于理論課程的性質、任務和要求，旨在鍛煉學生實際操作能力，以及電路分析能力。對于引導學生學習熱情，提升學生學習興趣，培養學生動手能力和創新能力方面有著至關重要的作用。

實驗教學環節通常在集成有各單元電路模塊的儀器化實驗操作臺上完成，學生僅需按各實驗內容及操作步驟完成基本連線及測試。然而硬件實驗存在實驗儀器固定化、模式化，電子元器件損耗大、參數靈活性差，實驗時間及地點受限等問題。電路仿真實驗通常用于設計性實驗，以及電路參數和結構改變較多的驗證性實驗。仿真實驗不受硬件實驗條件的限制，充分發揮仿真實驗的優勢可對硬件實驗起到促進作用[3]。

本文在分析《電路原理》硬件實驗和仿真實驗各自優劣勢的基礎上，設計了基于Multisim仿真軟件的線性電路原理驗證、二階電路零狀態響應，以及三相交流電路仿真實驗。在《電路原理》實驗教學中，仿真實驗和硬件實驗可以進行優勢互補，硬件實驗開始前，通過仿真實驗使學生達到預習實驗目的及原理、實驗內容、方法及步驟，以及預測實驗結果的目的;硬件實驗過程中，仿真實驗結果可以指導硬件實驗實測數據的正確性。

1 ?《電路原理》硬件實驗教學中存在的問題

課題組根據多年《電路原理》課程實驗教學經驗，總結傳統硬件實驗教學中存在的問題如下：

（1）實驗室條件受限：受學校經費以及實驗場地的限制，實驗設備臺套數通常只能滿足2～3人/組;部分學生缺少積極主動性，導致實驗過程中一人動手，其它人圍觀。

（2）實驗方式受限：大部分實驗采用實驗箱方式，每次實驗涉及的電路都設計連接好固化在實驗箱內。學生只需按實驗指導書中要求的實驗步驟完成元器件的基本連線操作，學生不能對實驗參數進行調節，更不能改變電路結構。因此不能加深學生對實驗內容和結果的理解。

（3）實驗時間受限：部分學生對實驗內容不熟悉，無法在要求的學時內完成全部實驗內容，而受實驗室管理條例限制，從安全角度考慮，實驗室無法做到在課外對學生完全開放。

2 ?Multisim仿真技術的優點

鑒于傳統《電路原理》實驗教學中存在的問題，在實驗教學中引入基于Multisim軟件的電路仿真實驗。Multisim是美國國家儀器（National Instrument，NI）有限公司推出的以Windows為基礎的電路仿真分析工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計。 Multisim 是一個真正的虛擬電路實驗室，為每一位學生提供了專屬的試驗場所，具有豐富的電路仿真分析能力[4-8]。在《電路原理》課程實驗教學中引入基于Multisim的仿真實驗具有如下優點：

（1）Multisim提供了豐富的元器件庫，包含基本元器件庫、電源庫、二極管庫、三極管庫、集成運放庫等數以千計的元器件。在電路參數調節和電路設計方面較之傳統硬件實驗具有明顯優勢。

（2）Multisim提供了豐富的電子測量儀器，如函數信號發生器、示波器、萬用表、頻率計、網絡分析儀等虛擬儀器，彌補了實驗室儀器儀表有限、功能單一等缺點。

（3）Multisim電路仿真結果準確度高，能夠排除測量儀器引入的誤差，準確反映電路實際的工作性能。

（4）在計算機上進行仿真實驗，不受時間和場地限制，彌補現有實驗教學形式的不足。

3 ?基于Multisim的《電路原理》實驗教學設計實例

3.1 Multisim驗證線性電路定理

《電路原理》課程中涉及到的基本定理包括基爾霍夫電流定律、基爾霍夫電壓定律、疊加定理、戴維南定理、諾頓定理。采用Multisim軟件進行上述基本定理仿真實驗，學生可獨立完成從電路原理圖繪制到實驗結果測試記錄的所有工作，并且實驗結果準確度高。

圖1為采用Multisim軟件設計的疊加原理仿真實驗電路圖。表1和表2分別為圖1電路圖中通過開關K3接入電阻R5和二極管IN4007的仿真測試結果。分析表1數據，U1單獨作用的響應電壓值/電流值（第一行數據）加上U2單獨作用的響應電壓值/電流值（第二行數據）等于U1 、U2共同作用時的響應電壓值/電流值（第三行數據），滿足疊加原理。分析表2數據，上述關系不成立，原因是通過開關接入非線性電路元件二極管，疊加原理不成立[9]。

3.2 Multisim仿真二階電路

采用Multisim軟件設計的RLC并聯二階電路零輸入響應如圖2所示。取L=4.7mH，C=1000pF，R為可變電阻。改變R大小，使電路滿足過阻尼（R=200Ω）、臨界阻尼（R=1.21kΩ）、欠阻尼（R=4kΩ）條件，通過示波器XSC1可清晰地觀測到B通道輸出電壓波形的整個變化過程，如圖3所示。而此變化過程在硬件實驗中由于受儀器精度限制很難觀察到細節變化[10-11]。

3.3 Multisim仿真三相交流電路

三相交流電路硬件實驗過程中，由于需要施加市電220V高壓，如果學生不熟悉實驗內容盲目操作，存在用電和人身安全問題。在硬件實驗開始前，通過仿真實驗方式預習硬件實驗內容，達到使學生熟悉并掌握硬件實驗內容的目的。采用Multisim軟件設計的三相交流電路負載星形聯接和三角形連接如圖4所示。三相負載接成星形和三角形的三相交流電路仿真結果分別如表3和表4所示。分析實驗數據，滿足對稱三相負載作星形聯接時，線電壓UL等于相電壓Up的倍，即;當對稱三相負載作三角形聯接時，滿足[12]。

4 ?結語

《電路原理》是電類專業的一門重要基礎課程，學生對該課程的掌握程度直接影響后續專業基礎課程的學習。Multisim軟件為每一位學生提供了專屬的電路設計與分析試驗場所，是一個真正的虛擬電路實驗室。本文針對《電路原理》硬件實驗教學環節存在的問題，提出在實驗教學中引入Multisim仿真技術，設計了線性電路原理驗證仿真實驗、二階電路仿真實驗，以及三相交流電路仿真實驗。實踐表明，Multisim仿真實驗環節的引入有利于對學生進行拓展思維訓練，使學生從被動的驗證性實驗過渡到主動地設計和分析電路，從而提高實驗課堂教學效率，提升實驗教學效果。然而，不可否認仿真實驗也存在局限性，仿真不能替代傳統硬件實驗對實驗技能的培養，只有仿真實驗和硬件實驗有機結合、相互促進，才更有利于全面鍛煉學生的電路分析能力和動手能力。

參考文獻

[1] 邱關源.電路[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[2] 顧雯雯.基于專業導向模式的少學時《電工技術》教學改革[J].西南示范大學學報：自然科學版，2015：40（2）： 150-152.

[3] 李國良，張盛耀，段渝龍.Proteus仿真技術在電路及電子技術實驗教學改革中的應用[J].軟件應用，2016（10）： 78-79.

[4] 陳建輝.Multisim軟件在《電工學》教學中的應用[J].信息與電腦，2018（9）： 99-101.

[5] 李海港，張勇，王香婷.Multisim 在電工與電子技術創新性實驗中的應用[J].大學教育，2017（11）：69-70.

[6] 張海寧，白福，王立，等.基于Multisim的虛擬仿真實驗研究[J].計算機與數字工程，2016，44（9）：1842-1844.

[7] 顏芳，宋焱翼，謝禮瑩，等.基于Multisim的電路原理課程仿真實驗設計[J].實驗技術與管理，2013，30（5）：59-62.

[8] 程曉輝.Multisim仿真軟件在電路電子實驗教學中的應用[J].通信電源技術，2018， 35（2）： 95-97.

[9] 祝詩平.電路與電工實驗教程[M]. 北京：科學出版社，2014.

[10]張林麗.Multisim 13在動態電路仿真實驗中的應用[J]. 實驗室科學， 2018， 21（2）： 91-93.

[11]馮清娟.Multisim軟件在二階動態電路分析中的應用[J]. 電腦知識與技術，2017， 13（22）： 245-246.

[12]牟曉明，吳建強，劉冬梅，等. 研究性三相電路實驗教學探討[J].電氣電子教學學報，2016， 38（4）： 121-123.