基于虛擬仿真技術的電路分析教學研究與實驗

陳麗霞，李 敏，范士勇

(1.河北大學 電子信息工程學院，河北 保定 071002； 2.河北省數字醫療工程重點實驗室，河北 保定 071002； 3.河北大學 計算中心，河北 保定 071002)

電路分析課程作為電子類學科的專業基礎課程，在整個專業人才培養方案和課程體系中起著承前啟后的作用。該課程涉及的電路原理內容抽象，理論性強，學生理解困難，學習興趣不高。隨著新工科理念的提出，教學改革的深入，為了將電路原理分析形象化，激發學生學習的主觀能動性，將虛擬仿真軟件Multisim引入到教學中來[1]，通過軟件的電路仿真功能，能夠直觀形象地觀察到隨著電路結構及參數變化而電路的變化情況。針對電路分析課程中的教學重點和難點，結合虛擬軟件的教學內容設計，能夠改變枯燥的傳統教學模式，提高教學效果，加深學生電子線路知識的學習，更好地應用于工程實踐。通過分析RLC串聯諧振電路和RC動態電路，將課堂教學和Multisim動態仿真結合起來[2]。

1 RLC串聯諧振研究

RLC 串聯諧振電路是電路分析課程中的典型電路，原來的教學方法是讓學生通過實驗來驗證諧振特性，但是實驗室傳統的測量方法在測量時會出現諧振頻率不精準、諧振曲線不對稱、由于信號源內阻及電感和電容的損耗電阻導致學生在分析實驗數據時計算品質因數和理論值有很大的偏差。為了克服傳統電路帶來的測量誤差，幫助學生更好地理解串并聯諧振電路的理論知識，將Multisim軟件應用于該電路[3]。

在Multisim仿真軟件中畫出RLC串聯諧振電路并測量結果，如圖1所示：

圖1 RLC串聯諧振回路諧振曲線Fig.1 Resonance curve of RLC series resonant circuit

在理論分析中，該電路理想情況下的總阻抗值為：

(1)

由歐姆定律可以計算出電路中的理想情況下的電流為：

(2)

在傳統實驗驗證理論教學過程中，按照圖示參數值連接電路，改變信號發生器的頻率，利用交流毫伏表測量電阻兩端電壓得到信號的諧振頻率約為208 kHz，最大的電壓為0.5 V，這樣經過計算得到最大的電流為5 mA，要比理論值小了將近1倍。根據測量數據計算所得品質因數為Q=4，理論值計算Q=7.6，測量出來的品質因數比理論值偏小。學生在實驗中就會感到測量出現了誤差。實際上誤差產生的原因是因為傳統實驗是通過R上電壓的最大值來判斷諧振頻率，如果測量過程中諧振曲線變化不明顯，學生就很難測到諧振頻率，并且由于信號源本身、電感和電容都存在損耗電阻，在實際測量中也會影響測量的電流、電壓和品質因數。而用虛擬軟件進行測量就避免了這類誤差的產生，使學生能夠更好地理解諧振電路的原理[4]。

2 RC動態電路

在模擬電路和數字電路中經常用到RC電路。時間常數τ代表電容充放電速度的快慢，改變時間常數以及輸入輸出的關系能夠將RC電路應用于不同的場合。在本研究中，改變時間常數分析RC構成的積分電路，在虛擬仿真平臺搭建由電容和電阻構成的RC動態電路。在RC電路中一般認為經過5τ時間電容完成充電或者放電，設置方波幅度為10 V，信號的頻率為1 kHz，周期T為1 ms，觀察時間常數τ改變時輸出波形的變化。

圖2 RC充放電Fig.2 RC charging and discharging

根據公式τ=RC，可以分析出來，當R=1 K、C=0.01 uF時，理論情況，利用虛擬仿真軟件可以測得時間常數τ≈0.01 ms，在方波信號的T/2時間內，電容有足夠時間充電完成達到穩態，輸出電壓的幅值和方波的幅值相等。利用仿真軟件觀察時間常數的改變對輸出波形的影響可以讓學生理解RC電路的暫態過程，避免了在傳統實驗項目中因為選取RC參數不合適導致的無法測量時間常數的等問題。RC電路結構簡單，但是在實際電路中應用非常廣泛，在學習過程中利用虛擬軟件可以讓學生開拓思維能力，不斷改變參數來進行設計，改變了傳統的驗證型教學項目。

3 結語

仿真實例表明，Multisim電路仿真軟件能夠清晰直觀地仿真電路狀態，可以更加生動形象地驗證當參數改變時電路的變化情況，改變了傳統的靜態教學模式，融合電路分析理論和電路實驗項目，克服了傳統實驗出現的干擾，能夠反映電路知識的本質。通過仿真教學，加深促進學生對電路理論知識的理解和掌握，開拓學生的思維能力，有效提高了學生對電路知識的理解，解決了教學過程中的難點重點。