Multisim在元件性能測定實驗中的應用

孫 艷，王姝敏，顏 紅

（蚌埠學院 電子與電氣工程學院，安徽 蚌埠 233030）

電路分析是高等院校電子類專業的一門重要的專業基礎課程，是后續的模擬電子技術、數字電子技術、FPGA原理及應用、信號與系統等課程的基礎［1］.而理解和掌握三種無源元件——電阻、電感、電容的性能及特性，是學好電路分析課程的基礎.

筆者提出將 Multisim軟件應用到電路分析課程的實驗教學中，以元件性能測定實驗為例，通過運用 Multisim軟件對實驗電路進行仿真分析.指導學生應用這種軟件仿真來完成實驗內容，用另一種方式幫助學生理解和掌握相關理論知識，更好地提高學生的學習積極性和主動性.

電阻、電感、電容三種元件是基本的理想無源電路元件，是構成各種實際電路器件電路模型的基礎［2］，掌握這三種元件的特性及性能，了解它們各自的伏安特性，才能更好地學習和掌握電路分析的各個定理定律及各種分析方法.利用Multisim軟件仿真，從直流電路和正弦交流電路兩個方面來分析三種元件的特性及性能，通過仿真過程及結果幫助學生更好地理解相關理論知識，為電路分析及相關課程后續內容的學習打好基礎.

1 直流電路中元件性能的測定

由于理想電感元件在直流電路里相當于短路、理想電容元件在直流電路里相當于斷路，故在直流電路中主要討論電阻元件的性能及特性［3］.電阻元件又分為線性和非線性兩種，利用Multisim軟件仿真分別研究兩種電阻元件的伏安特性.

1.1 線性電阻元件性能的測定

當電阻元件的阻值不隨電壓或電流的大小變化而變化時，則電阻兩端的電壓與流過的電流成正比，符合這種條件的電阻元件稱為線性電阻元件［4］.圖1所示電路為測量線性電阻伏安特性的電路圖，當圖中電源電壓發生變化時，電阻RL兩端的電壓和通過的電流也會跟隨變化.將圖1所示電路用Multisim軟件進行仿真，仿真電路圖如圖2所示.

圖1 測量線性電阻伏安特性

圖2 圖1的仿真電路圖

在圖2仿真電路圖中，通過按鍵A調節可調電阻R2的阻值來實現電阻RL兩端電壓的調節，使RL兩端電壓U從0 V緩慢變化到10 V，記錄下RL兩端電壓U及對應的電流表讀數I，將測得的數據整理在表1中.

表1 線性電阻測量數據

將表1中電壓U和電流I描繪在UI平面中，可得線性電阻的伏安特性曲線，如圖3所示.從所得曲線可以很直觀地看出線性電阻的伏安特性曲線是一條過原點的直線，從而證明了它的線性特性.

圖3 線性電阻伏安特性曲線

1.2 非線性電阻元件性能的測定

非線性電阻的電阻值不是常數，隨電壓或電流值的變化而變化，電壓與電流不成正比［4］.半導體二極管就是典型的非線性電阻元件.這里分別討論半導體二極管的正向特性和反向特性，從而得出非線性電阻的伏安特性.

1.2.1 二極管正向特性的測定

圖4所示電路為測量二極管正向特性的電路，圖5為對應的仿真電路圖.在圖5中同樣通過按鍵A調節可調電阻R2的阻值來實現半導體D1兩端電壓的調節，使D1兩端電壓UZ從0V緩慢變化到0.75 V，記錄下D1兩端電壓UZ及對應的電流表讀數I，將測得的數據整理在表2中.

圖4 測量二極管正向特性

圖5 圖4的仿真電路圖

1.2.1 二極管反向特性的測定

圖6所示電路為測量二極管反向特性的電路，圖7為對應的仿真電路圖.在圖7中同樣通過按鍵A調節來可調電阻R2的阻值實現半導體D1兩端電壓的調節，使D1兩端電壓UZ從0 V緩慢變化到3.5 V，記錄下R2兩端電壓U、D1兩端電壓UZ及電流表讀數I，將測得的數據整理在表3中.

圖6 測量二極管反向特性

圖7 圖6的仿真電路圖

表3 二極管反向特性測量數據

將表2和表3中UZ和I描繪在UI平面中，可得半導體二極管伏安特性曲線，如圖8所示.可以直觀看出二極管（非線性電阻元件）的伏安特性是一條曲線，從而證明它的非線性特性.

圖8 二極管伏安特性曲線

2 正弦交流電路中元件性能的測定

在正弦交流信號作用下，電阻、電感和電容三個元件在電路中的抗流作用與信號的頻率有關，利用Multisim軟件仿真可得出它們的阻抗頻率特性.

2.1 電阻阻抗特性的測定

圖9為測量電阻阻抗特性的電路，圖10為對應的仿真電路圖.將信號源的頻率從200 Hz增長到5 000 Hz，記錄下不同頻率時電阻R0兩端的電壓Ur，計算電路中的電流IR（Ur / R0），由于電阻R0的阻值相比較很小，可以忽略，故直接用信號源電壓U和電流IR計算電阻R的阻值（U/IR），將所有數據記錄在表4中.

圖9 測量電阻阻抗特性

圖10 圖9的仿真電路圖

表4 電阻阻抗特性測量數據

2.2 電感阻抗特性的測定

圖11為測量電感阻抗特性的電路，圖12為對應的仿真電路圖.將信號源的頻率從200 Hz增長到5 000 Hz，記錄下不同頻率時電阻R0兩端的電壓Ur，計算電路中的電流IR（Ur / R0），由于電阻R0的阻值相比較很小，可以忽略，故直接用信號源電壓U和電流IR計算電感L的感抗XL（U/IR），將所有數據記錄在表5中.

圖11 測量電感阻抗特性

圖12 圖11的仿真電路圖

表5 電感阻抗特性測量數據

2.3 電容阻抗特性的測定

圖13為測量電容阻抗特性的電路，圖14為對應的仿真電路圖.將信號源的頻率從200 Hz增長到2 500 Hz，記錄下不同頻率時電阻R0兩端的電壓Ur，計算電路中的電流IR（Ur/R0），由于電阻R0的阻值相比較很小，可以忽略，故直接用信號源電壓U和電流IR計算電容C的容抗XC（U/IR），將所有數據記錄在表6中.

圖13 測量電容阻抗特性

圖14 圖13的仿真電路圖

表6 電容阻抗特性測量數據

根據表4、表5和表6中數據繪制出電阻、電感、電容三個元件的阻抗頻率特性曲線，如圖15所示.從圖中可以看出，三種元件阻抗和頻率的關系：電阻阻抗與頻率無關、電感阻抗與頻率成正比、電容阻抗與頻率成反比，這樣可以更直觀地展示出三種元件的性能特點，有助于學生更好地理解這三種基本元件的阻抗特性.

圖15 元件阻抗特性

3 結論

筆者以元件性能測定實驗為例，運用Multisim軟件對實驗內容進行仿真.通過實驗數據分析，讓學生更直觀地了解電阻、電感、電容三種元件的特性及性能.同時，由于Multisim軟件具有電路元件庫豐富、虛擬儀器功能強大等優點，因此，利用這個軟件進行仿真分析對實驗精度及分析速度都有很大提高［5］.將這種軟件仿真的實驗方式方法，與過去傳統實驗相結合，改變了過去實驗過于單一的缺點，幫助學生更好地理解和掌握相關的理論知識，調動了學生學習的主動性和積極性，增強了學生的學習能力.因此，在電路分析教學中，利用Multisim軟件輔助教學是一種行之有效的措施［6］.