基于Multisim仿真在電路分析基礎(chǔ)教學(xué)中的實(shí)踐探索

摘要：文章以盧颯主編的《電路分析基礎(chǔ)》為例，詳細(xì)分析了針對(duì)通信工程專業(yè)電路分析基礎(chǔ)課程教學(xué)過(guò)程中，如何利用Multisim軟件將仿真實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)Multisim仿真軟件實(shí)現(xiàn)基爾霍夫定律、網(wǎng)孔電壓法、節(jié)點(diǎn)電流法、疊加原理、戴維南等效、諾頓等效、零狀態(tài)和零輸入響應(yīng)等相關(guān)核心內(nèi)容實(shí)踐驗(yàn)證，通過(guò)理論教學(xué)結(jié)合實(shí)踐仿真，學(xué)生能夠從深層次理解電路的運(yùn)行狀態(tài)以及變化過(guò)程，提高對(duì)復(fù)雜電路的感性認(rèn)識(shí)，為后續(xù)模擬電子技術(shù)等課程做好鋪墊工作。

關(guān)鍵詞：電路分析基礎(chǔ)；Multisim；實(shí)驗(yàn)仿真；實(shí)踐教學(xué)

電路分析基礎(chǔ)課程作為普通本科院校通信類、控制工程類等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課程，以分析電路、研究電路的基本規(guī)律為主要內(nèi)容［1-2］。課程理論嚴(yán)密、邏輯性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的實(shí)踐要求，通過(guò)對(duì)電路分析基礎(chǔ)課程的理論學(xué)習(xí)以及使用Multisim軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，建立對(duì)電路的分析、設(shè)計(jì)能力，為后續(xù)模擬電子技術(shù)等課程準(zhǔn)備必要的知識(shí)及能力［3-4］。

本文以電子工業(yè)出版社出版的盧颯主編的《電路分析基礎(chǔ)》（第2版）為例，通過(guò)理論與仿真相結(jié)合的方式著重講解在通信工程專業(yè)中如何將Multisim融入課堂教學(xué)中，通過(guò)講解理論知識(shí)，使得學(xué)生明白相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)課程通過(guò)仿真相關(guān)重點(diǎn)內(nèi)容及驗(yàn)證部分作業(yè)習(xí)題從而使學(xué)生深刻理解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)仿真更為直觀地看到電路中各個(gè)參數(shù)的具體變化，提升學(xué)生知識(shí)的掌握程度、提高電路設(shè)計(jì)及仿真、解決電路相關(guān)問(wèn)題的能力。

1 基本電路定律

基本電路定律包括基爾霍夫電流定律、基爾霍夫電壓定律，該內(nèi)容高度契合高中電路相關(guān)內(nèi)容，通過(guò)聯(lián)系之前高中學(xué)過(guò)的知識(shí)，通過(guò)相關(guān)內(nèi)容的講解以及仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)其定律有更深入的了解和掌握，具體仿真同后續(xù)疊加定理圖4的驗(yàn)證結(jié)果，能夠?qū)鶢柣舴螂娏鞫伞⒒鶢柣舴螂妷憾捎懈鼮榍逦恼J(rèn)識(shí)。

2 電路的等效變換

電路的等效變換是電路分析中非常重要的概念，也是電路分析中常用的方法，能夠?qū)?fù)雜電路轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的電路，主要包括電阻能效、電源等效以及無(wú)源二端網(wǎng)絡(luò)等效電阻的計(jì)算。理論講解中主要利用串并聯(lián)電路中電流電壓特性、基爾霍夫電流、電壓定律進(jìn)行計(jì)算分析，在仿真實(shí)驗(yàn)中，可以使用外加電源法、開路短路法來(lái)求解等效內(nèi)阻，圖1（a）為原電路圖，需求解電流I，通過(guò)理想電壓源并聯(lián)電阻等效為理想電壓源，理想電流源串聯(lián)電阻等效為理想電流源，電壓源與電阻串聯(lián)可以等效為電流源的等效變換規(guī)則進(jìn)行化簡(jiǎn)，化簡(jiǎn)最終得到圖1（b）與圖1（a）結(jié)果相同，通過(guò)計(jì)算與仿真的聯(lián)系，能夠?qū)Φ刃ё儞Q規(guī)則有更深層次的理解。

3 受控源電路

電壓源電壓或者電流源的電流受電路中其他部分的電壓或者電流控制，從而得到四種受控源，分別是電流控制電流源（CCCS）、電流控制電壓源（CCVS）、電壓控制電流源（VCCS）、電壓控制電壓源（VCVS）。通過(guò)分析電流控制電流源（CCCS）的仿真電路圖來(lái)理解四種受控源類型特點(diǎn)、接線方式，驗(yàn)證相關(guān)習(xí)題對(duì)應(yīng)的求解答案，下圖2表示電流控制電流源（CCCS）的仿真電路圖。

4 網(wǎng)孔電流法、節(jié)點(diǎn)電壓法

作為電路分析中比較重要的兩種電路分析方法，從理論分析中推導(dǎo)網(wǎng)孔電流法及節(jié)點(diǎn)電壓法的內(nèi)在規(guī)律，明了網(wǎng)孔電流法的核心是遵循基爾霍夫電壓定律，閉合回路電壓升之和等于電壓降之和，節(jié)點(diǎn)電壓法是遵循基爾霍夫電流定律，節(jié)點(diǎn)電流流入之和等于節(jié)點(diǎn)電流流出之和。圖3進(jìn)行網(wǎng)孔電流法的仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)理論實(shí)踐相結(jié)合，更為清晰地掌握具體問(wèn)題的分析方法。

5 疊加定理

疊加定理作為電路分析的另一種方法，靈活使用會(huì)使得問(wèn)題進(jìn)一步簡(jiǎn)化，當(dāng)線性電路中同時(shí)存在電流源和電壓源時(shí)，如果要計(jì)算電路中電流或者電壓，可以將電路分成兩個(gè)部分計(jì)算，第一部分單獨(dú)計(jì)算電壓源的作用效果，將電流源當(dāng)開路處理。第二部分單獨(dú)計(jì)算電流源的作用效果，將電壓源用導(dǎo)線代替，之后根據(jù)所要計(jì)算內(nèi)容以參考方向?yàn)榛A(chǔ)進(jìn)行計(jì)算求解。圖4是疊加定理仿真圖，通過(guò)基爾霍夫電流定律及基爾霍夫電壓定律可驗(yàn)證其正確性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真及實(shí)際平臺(tái)測(cè)試更加感性地對(duì)定理有明確認(rèn)識(shí)。

6 戴維南定理、諾頓定理

當(dāng)外電路電阻存在變化時(shí)，通過(guò)戴維南、諾頓等效可以快速解決可變電阻參數(shù)計(jì)算問(wèn)題，將可變電阻視作外電路，從可變電阻兩端看進(jìn)去，求解內(nèi)電路的等效電壓和等效內(nèi)阻，即可得到戴維南等效結(jié)果，同樣從可變電阻兩端看，求解內(nèi)電路的等效電流和等效電阻即可得到諾頓等效的結(jié)果，戴維南等效是電壓源串聯(lián)等效內(nèi)阻，諾頓等效是電流源并聯(lián)等效內(nèi)阻，同樣兩個(gè)等效之間的規(guī)律是電壓源的電壓等于電流源的電流與等效內(nèi)阻相乘。圖5通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真及與原電路圖的比較，能夠精準(zhǔn)理解相關(guān)定理的規(guī)則及使用方法。

7 低通、高通濾波電路

通過(guò)公式推導(dǎo)講解低通、高通濾波電路，明了其中各個(gè)參數(shù)的具體含義，取頻率為1Hz，驗(yàn)證幅頻、相頻特性曲線的正確性，正確理解低通、高通濾波電路的實(shí)現(xiàn)方法以及波形特點(diǎn)，圖6為RC低通濾波電路仿真結(jié)果。

8 零狀態(tài)響應(yīng)、零輸入響應(yīng)、全響應(yīng)

動(dòng)態(tài)電路的時(shí)域分析作為電路分析基礎(chǔ)課程中的重點(diǎn)內(nèi)容，零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)分別對(duì)應(yīng)高等數(shù)學(xué)中齊次方程和非齊次方程相關(guān)內(nèi)容，通過(guò)電容電感特點(diǎn)分別推導(dǎo)在零輸入和零狀態(tài)條件下的響應(yīng)，引出具體公式，通過(guò)零輸入和零狀態(tài)之和得到全響應(yīng)結(jié)果，進(jìn)而引出三要素法。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚯逦乜吹诫娏鳌㈦妷旱认嚓P(guān)參數(shù)在零輸入、零狀態(tài)下的變化規(guī)則，進(jìn)而明白電路工作特點(diǎn)，理解實(shí)際應(yīng)用，圖7是RC電路零狀態(tài)響應(yīng)仿真圖。

結(jié)語(yǔ)

電路分析基礎(chǔ)作為電子信息類專業(yè)學(xué)生的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課，本門課程的掌握程度直接影響后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，通過(guò)理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)仿真的教學(xué)方式，從深層次改善學(xué)生對(duì)電路課程的畏難情緒，更加感性地理解電路工作過(guò)程中各個(gè)參數(shù)的具體變化，增加學(xué)生使用仿真軟件驗(yàn)證問(wèn)題的能力，提升自主學(xué)習(xí)及解決相關(guān)問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)：

［1］盧颯.電路分析基礎(chǔ)［M］.第二版.北京：電子工業(yè)出版社，2022.

［2］庫(kù)瓦特拜克·馬木提，伊力亞爾·加爾木哈買提，霍加·托合塔森.Multisim仿真軟件在電路分析基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用效果探索［J］.伊犁師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，14（04）：67-74.

［3］沈旭東，吳湘蓮，秦國(guó)棟.基于Multisim仿真的電路分析基礎(chǔ)課程教學(xué)改革與實(shí)踐［J］.電子制作，2020（20）：46-47.

［4］趙文杰.Multisim仿真實(shí)驗(yàn)在電路分析中的應(yīng)用［J］.電子制作，2020（01）：45-46.

基金項(xiàng)目：新疆理工學(xué)院2023年校級(jí)教改課題：面向新工科培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的“PBL+競(jìng)賽”教學(xué)體系研究（PT-2023026）

作者簡(jiǎn)介：張?jiān)瓐@（1996—），男，漢族，陜西人，碩士，助教，研究方向：通信信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)；李龍（1996—），男，漢族，湖南人，碩士，助教，研究方向：人工智能、自動(dòng)控制。

通訊作者：楊珺菲（1997—），女，漢族，新疆人，碩士，助教，研究方向：信息與通信工程。