Multisim在《电路原理》实验教学中的应用与设计

摘   要：本文针对《电路原理》课程实验教学中存在的实验条件、方式及时间受限等问题，提出在实验教学环节中引入Multisim仿真技术，设计了线性电路原理验证、二阶电路零状态响应以及三相交流电路仿真实验。实践表明，Multisim仿真实验环节的引入有利于使学生从被动的验证性实验过渡到主动地设计和分析电路，从而提高实验课堂教学效率，提升实验教学效果。

关键词：电路原理  Multisim  仿真实验  教学改革

中图分类号：TP391.9;TM13                    文献标识码：A                        文章编号：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

《电路原理》课程是高等院校电子与电气信息类专业的重要基础课，是所有强电和弱电专业的必修课[1]。该课程以研究电路的基本规律及电路的分析方法为主要内容，担负着为后续专业课程提供电路理论基础知识及电路分析方法的重任。通过本课程的学习要求学生具有扎实的电路分析能力和解决实际问题的能力。实验作为理论课程的配套实践环节，基于理论课程的性质、任务和要求，旨在锻炼学生实际操作能力，以及电路分析能力。对于引导学生学习热情，提升学生学习兴趣，培养学生动手能力和创新能力方面有着至关重要的作用。

实验教学环节通常在集成有各单元电路模块的仪器化实验操作台上完成，学生仅需按各实验内容及操作步骤完成基本连线及测试。然而硬件实验存在实验仪器固定化、模式化，电子元器件损耗大、参数灵活性差，实验时间及地点受限等问题。电路仿真实验通常用于设计性实验，以及电路参数和结构改变较多的验证性实验。仿真实验不受硬件实验条件的限制，充分发挥仿真实验的优势可对硬件实验起到促进作用[3]。

本文在分析《电路原理》硬件实验和仿真实验各自优劣势的基础上，设计了基于Multisim仿真软件的线性电路原理验证、二阶电路零状态响应，以及三相交流电路仿真实验。在《电路原理》实验教学中，仿真实验和硬件实验可以进行优势互补，硬件实验开始前，通过仿真实验使学生达到预习实验目的及原理、实验内容、方法及步骤，以及预测实验结果的目的;硬件实验过程中，仿真实验结果可以指导硬件实验实测数据的正确性。

1  《电路原理》硬件实验教学中存在的问题

课题组根据多年《电路原理》课程实验教学经验，总结传统硬件实验教学中存在的问题如下：

（1）實验室条件受限：受学校经费以及实验场地的限制，实验设备台套数通常只能满足2～3人/组;部分学生缺少积极主动性，导致实验过程中一人动手，其它人围观。

（2）实验方式受限：大部分实验采用实验箱方式，每次实验涉及的电路都设计连接好固化在实验箱内。学生只需按实验指导书中要求的实验步骤完成元器件的基本连线操作，学生不能对实验参数进行调节，更不能改变电路结构。因此不能加深学生对实验内容和结果的理解。

（3）实验时间受限：部分学生对实验内容不熟悉，无法在要求的学时内完成全部实验内容，而受实验室管理条例限制，从安全角度考虑，实验室无法做到在课外对学生完全开放。

2  Multisim仿真技术的优点

鉴于传统《电路原理》实验教学中存在的问题，在实验教学中引入基于Multisim软件的电路仿真实验。Multisim是美国国家仪器（National Instrument，NI）有限公司推出的以Windows为基础的电路仿真分析工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计。 Multisim 是一个真正的虚拟电路实验室，为每一位学生提供了专属的试验场所，具有丰富的电路仿真分析能力[4-8]。在《电路原理》课程实验教学中引入基于Multisim的仿真实验具有如下优点：

（1）Multisim提供了丰富的元器件库，包含基本元器件库、电源库、二极管库、三极管库、集成运放库等数以千计的元器件。在电路参数调节和电路设计方面较之传统硬件实验具有明显优势。

（2）Multisim提供了丰富的电子测量仪器，如函数信号发生器、示波器、万用表、频率计、网络分析仪等虚拟仪器，弥补了实验室仪器仪表有限、功能单一等缺点。

（3）Multisim电路仿真结果准确度高，能够排除测量仪器引入的误差，准确反映电路实际的工作性能。

（4）在计算机上进行仿真实验，不受时间和场地限制，弥补现有实验教学形式的不足。

3  基于Multisim的《电路原理》实验教学设计实例

3.1 Multisim验证线性电路定理

《电路原理》课程中涉及到的基本定理包括基尔霍夫电流定律、基尔霍夫电压定律、叠加定理、戴维南定理、诺顿定理。采用Multisim软件进行上述基本定理仿真实验，学生可独立完成从电路原理图绘制到实验结果测试记录的所有工作，并且实验结果准确度高。

图1为采用Multisim软件设计的叠加原理仿真实验电路图。表1和表2分别为图1电路图中通过开关K3接入电阻R5和二极管IN4007的仿真测试结果。分析表1数据，U1单独作用的响应电压值/电流值（第一行数据）加上U2单独作用的响应电压值/电流值（第二行数据）等于U1 、U2共同作用时的响应电压值/电流值（第三行数据），满足叠加原理。分析表2数据，上述关系不成立，原因是通过开关接入非线性电路元件二极管，叠加原理不成立[9]。

3.2 Multisim仿真二阶电路

采用Multisim软件设计的RLC并联二阶电路零输入响应如图2所示。取L=4.7mH，C=1000pF，R为可变电阻。改变R大小，使电路满足过阻尼（R=200Ω）、临界阻尼（R=1.21kΩ）、欠阻尼（R=4kΩ）条件，通过示波器XSC1可清晰地观测到B通道输出电压波形的整个变化过程，如图3所示。而此变化过程在硬件实验中由于受仪器精度限制很难观察到细节变化[10-11]。

3.3 Multisim仿真三相交流电路

三相交流电路硬件实验过程中，由于需要施加市电220V高压，如果学生不熟悉实验内容盲目操作，存在用电和人身安全问题。在硬件实验开始前，通过仿真实验方式预习硬件实验内容，达到使学生熟悉并掌握硬件实验内容的目的。采用Multisim软件设计的三相交流电路负载星形联接和三角形连接如图4所示。三相负载接成星形和三角形的三相交流电路仿真结果分别如表3和表4所示。分析实验数据，满足对称三相负载作星形联接时，线电压UL等于相电压Up的倍，即;当对称三相负载作三角形联接时，满足[12]。

4  结语

《电路原理》是电类专业的一门重要基础课程，学生对该课程的掌握程度直接影响后续专业基础课程的学习。Multisim软件为每一位学生提供了专属的电路设计与分析试验场所，是一个真正的虚拟电路实验室。本文针对《电路原理》硬件实验教学环节存在的问题，提出在实验教学中引入Multisim仿真技术，设计了线性电路原理验证仿真实验、二阶电路仿真实验，以及三相交流电路仿真实验。实践表明，Multisim仿真实验环节的引入有利于对学生进行拓展思维训练，使学生从被动的验证性实验过渡到主动地设计和分析电路，从而提高实验课堂教学效率，提升实验教学效果。然而，不可否认仿真实验也存在局限性，仿真不能替代传统硬件实验对实验技能的培养，只有仿真实验和硬件实验有机结合、相互促进，才更有利于全面锻炼学生的电路分析能力和动手能力。

参考文献

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[12]牟晓明，吴建强，刘冬梅，等. 研究性三相电路实验教学探讨[J].电气电子教学学报，2016， 38（4）： 121-123.