Multisim10仿真技术在“电路基础”教学中的应用与实践

吴玲敏+王维娜

摘要：将Multisim10计算机仿真软件引入电路基础课程的学习中，通过列举多个运用Multisim10仿真的教学案例，总结教学中运用Multisim10仿真软件的优势和取得的成绩，进而提高学生对所学理论知识的理解掌握。

关键词：Multisim10；教学；仿真；电路基础

中图分类号：G642.1 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）09-0064-03

一、电路基础课程的教与学现状分析

电路基础课程是我系电子类专业的必修课程，传统的教学方法是：先学习理论知识，待理论知识和实践经验积累到一定程度后，学生自己动手画电路原理图并搭接电路来验证所学的理论知识。由于该门课程理论性较强，学生接受困难，在实验验证过程中如果没有达到预期效果，则需要反复调整参数、重新测量，直到电路参数达到预期效果为止。

随着计算机技术的发展，将计算机仿真引入电路的学习和设计，已取得较好的效果。在学习和设计中加入仿真，能够更好地理解和预测电路的动作，对电路的結构和参数进行优化，对假设的实验方便地进行验证，对难以测量的电路参数进一步探索和研究，从而减少了电路课程的学习时间，也避免了设计中出现的错误。

二、Multisim10简介

Multisim10是美国NI公司最新推出的仿真软件，它的界面直观、操作方便，为用户提供了创建电路所需要的元器件库及电路仿真需要的虚拟测试仪器仪表，可对各种电路进行仿真分析和设计，并且在操作中不消耗任何元器件，不受元器件种类和数量的限制。在教学中引入仿真技术，不仅改进了电路的学习方法，降低了成本，还激发了学生的学习热情与兴趣。因此，许多国内大学都将其作为电子类课程的辅助教学使用。

三、Multisim10在课堂教学中的实践

Multisim10是一款很强的实物模型仿真软件，课堂教学过程中结合理论分析不断穿插对应的Multisim10仿真电路模型，实验教学前布置仿真任务，实验中加入电路的仿真环节，能建立起一种交互式、讨论式的教学模式，提升学生对空间实物电路的理解能力，下面结合教学实际，详细介绍Multisim10仿真技术在叠加定理、网孔电流分析法、直流工作点分析和交流分析、功率因数及其提高方法中的具体应用。

（一）利用Multisim10验证叠加定理

叠加定理是电路基础中一个很重要的定理，其定义为：在任何含有多个独立的线性电路中，每一个支路中的电流值或电压值等于各个电源单独作用时，在此支路中所产生的电流值或电压值的代数和。以1.1所示电路图为例，通过理论计算和利用Multisim10仿真来验证此定理求解电压源、电流源共同作用时通过电阻R3中的电流、电压及功率。

1.理论计算验证叠加定理。电流源Is开路，电压源Us单独作用时，求得：I″■=■I■=0.5（A）；

U″■=I″■R■=20（V）；P″■=I″■R■=10（W）

电压源Us短路，电流源Is单独作用时，计算得：I■=I′■+I″■=0.8（A）；U■=U′■+U″■=32（V）；P■=I■■R■=25.6（W）；P■≠P′■+P″■

应用叠加定理，计算求出：I′■=■=0.3（A）；U′■=I′■R■=12（V）；P′■=I′■R■=3.6（W）

2.仿真软件验证叠加定理。①打开Multisim10，从Source库中选取电压源、电流源、接地端，从Basic元器件库中分别选取三个电阻R1、R2和R3，再从Indicators Components库中选取电压表、电流表、瓦特表并设置适当的参数，按图1.2所示连线电路。电压源US、电流源IS共同作用时，激活仿真软件后，电流表、电压表、瓦特表的读数分别是0.8A，32.000V，25.6W。②将电流源IS，电压源US单独作用时，运行仿真开关后，电流表、电压表、瓦特表的读数分别为1.3（a，b）图所示。

即叠加定理不能用于功率的计算，只能用来求解电路中的电流或电压。讲授该定理时，要求学生不仅要记住它的内容，更重要的是能够灵活地应用该定理。在教学过程中，通过理论计算和利用Multisim10仿真软件来验证此定理。因此，采用合适的教学方法，创建直观的教学情境，让学生更容易理解叠加定理，进而熟练应用该定理。

（二）网孔电流分析法仿真实验

仿真电路如图2.1所示。

理论计算

有网孔电流分析法，可列KVL方程：

80I1-20I2=40

-20I1+60I2-40I3=10

-40I2+80I3=40

联立上述方程，解得：

I1=0.786A，I2=1.143A，I3=1.071A

比较仿真分析与理论计算结果相同。

（三）直流工作点分析和交流分析

直流工作点分析（DC）用于电路静态工作点的确定，是其他分析方法的基础，在仿真分析中，交流电压源和电感被视为短路；交流电流源和电容被视为开路；交流（AC）电源输出为零，电路处于稳定状态。利用Multisim10进行直流工作点分析的步骤：A.在电路工作窗口建立待分析的电路原理图如图3.1所示电路。B.执行Option→Sheet Properties命令，在Circuit选项卡下，选定Net Names中的Show All，把电路中的节点标志显示到电路图上。C.执行Simulate＼Analysis＼DC Operating Point命令，即打开直流工作点分析对话框，该对话框包括Output、Analysis Option及Summary共三个选项卡。在Output选项卡上，从左侧备选栏已罗列的电路结点和变量中，选择需要分析的结点或变量，通过“Add”按钮添加到右侧的分析栏中即可，当系统自动选中的电路变量不能满足用户要求时，可通过“Output”选项卡中的其他选项添加或删除需要的变量。完成相关分析设置后，点击Simulate按钮即可进行仿真分析，分析结果由图形窗口输出。如图3.2所示。

交流分析（AC）是一种频域分析，是对幅频特性和相频特性进行分析。进行交流分析时程序自动将所有直流电源置零，交流信号源、电容及电感等元件用交流模型代替，非线性元器件使用交流小信号模型。无论用户在电路的输入端输入哪一种信号，交流分析时都将自动以正弦波替换，并且以设定的频率范围扫描。

建立如图3.3所示的RLC串联电路，执行Simulate/Analyses/AC Analysis命令，设置交流分析的初始频率、终止频率、扫描方式、采样数量、选择输出波形的纵坐标刻度，点击Reset to default 按钮，可把所有设置恢复为程序默认值，用户也可以自己重新设置。在Output输出窗口中，选择I（l1）为输出量，点击Simulate仿真按钮，可得到如图3.4所示的交流分析结果。

（四）提高功率因数的方法

应用Multisim10仿真软件，对日光灯电路进行测试。在电路窗口中放置万用表、瓦特表，并设置相应参数，执行仿真开关后测得该电路的电流为415.623mA，功率为34.563W，功率因数为0.378。如果想得到功率因数为0.82左右的日光灯电路，通过理论计算的方法可以得到并联电容值的大小。

C=■（tgφ-tgφ′）

=■■-■

=■×■-■

=4.04μF

为得到日光灯电路的功率因数为0.82，在Multisim10窗口中搭建图4.1所示的仿真实验连线图，执行仿真开关后，不断调节可变电容的容量，将功率表指示的功率因数值达到0.82左右，测得并联电容后，通过观察万用表、瓦特表的读数得到为190.806mA，功率为34.54W，功率因数为0.823，如图4.2所示，观察可变电阻的容量仿真结果与理论计算值一致。

四、结论

1.借助于Multisim10仿真软件可实现理论教学与实践同步进行，实现理论与实践教学的一体化，激发了学生的学习兴趣，同时加深了理解力，也提高了分析问题的能力。

2.Multisim10仿真软中拥有一个元器件齐全、设备精良的实验室，学生可以根据需要任意搭接各种电路，接上虚拟实验仪器和仪表，运行仿真就可以测试到精确的数据和直观的波形，使实验做得既快又准，从而提高实验效率。

3.利用Multisim10仿真软件对电路课程进行仿真，并将仿真结果直接显示出来，具有形象又直观的特点，使学生直观感受、理解课程知识，并且操作中不消耗实际的元器件，所需元器件的种类和数量不受限制。

4.学生可以利用Multisim10仿真软件，课前先在计算机上做仿真实验，观察“实验结果”。这样能够很好地调动学生的思维，带着问题听老师讲解电路原理课程。

5.采用“学中做，做中学，教学做一体化”模式，将虚拟仿真技术与真实实验结合，在动手操作实践过程中，全面掌握知识，形成技能。同时，仿真软件借助计算机，不受时间地点的限制，特别适合学生自主学习，使学习过程从被动变为主动。

虽然电路仿真软件有它的种种优势，但从培养学生运用基础理论知识和实际操作能力角度出发，仿真軟件并不能完全代替传统的实验方法，应将仿真教学和传统的实验教学相互结合起来，取长补短，充分发挥各种教学的优势，让学生从中更多地受益。

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Multisim10 Simulation Technology in the Application of "Circuit Basis" Teaching and Practice

WU Ling-min，WANG Wei-na

（Department of Electrical and Mechanical Engineering，Hetao College，Bayannur，Inner Mongolia 015000）

Abstract：This paper puts Multisim10 computer simulation software in the study of basic courses of circuit，by listing multiple use Multisim10 simulation teaching cases，summarizes the advantages and achievements in teaching of using simulation software Multisim10，and improves the students have mastered theoretical knowledge understanding.

Key words：multisim10；teaching；the simulation；circuit basis