Multisim在元件性能测定实验中的应用

孙 艳，王姝敏，颜 红

（蚌埠学院 电子与电气工程学院，安徽 蚌埠 233030）

电路分析是高等院校电子类专业的一门重要的专业基础课程，是后续的模拟电子技术、数字电子技术、FPGA原理及应用、信号与系统等课程的基础［1］.而理解和掌握三种无源元件——电阻、电感、电容的性能及特性，是学好电路分析课程的基础.

笔者提出将 Multisim软件应用到电路分析课程的实验教学中，以元件性能测定实验为例，通过运用 Multisim软件对实验电路进行仿真分析.指导学生应用这种软件仿真来完成实验内容，用另一种方式帮助学生理解和掌握相关理论知识，更好地提高学生的学习积极性和主动性.

电阻、电感、电容三种元件是基本的理想无源电路元件，是构成各种实际电路器件电路模型的基础［2］，掌握这三种元件的特性及性能，了解它们各自的伏安特性，才能更好地学习和掌握电路分析的各个定理定律及各种分析方法.利用Multisim软件仿真，从直流电路和正弦交流电路两个方面来分析三种元件的特性及性能，通过仿真过程及结果帮助学生更好地理解相关理论知识，为电路分析及相关课程后续内容的学习打好基础.

1 直流电路中元件性能的测定

由于理想电感元件在直流电路里相当于短路、理想电容元件在直流电路里相当于断路，故在直流电路中主要讨论电阻元件的性能及特性［3］.电阻元件又分为线性和非线性两种，利用Multisim软件仿真分别研究两种电阻元件的伏安特性.

1.1 线性电阻元件性能的测定

当电阻元件的阻值不随电压或电流的大小变化而变化时，则电阻两端的电压与流过的电流成正比，符合这种条件的电阻元件称为线性电阻元件［4］.图1所示电路为测量线性电阻伏安特性的电路图，当图中电源电压发生变化时，电阻RL两端的电压和通过的电流也会跟随变化.将图1所示电路用Multisim软件进行仿真，仿真电路图如图2所示.

图1 测量线性电阻伏安特性

图2 图1的仿真电路图

在图2仿真电路图中，通过按键A调节可调电阻R2的阻值来实现电阻RL两端电压的调节，使RL两端电压U从0 V缓慢变化到10 V，记录下RL两端电压U及对应的电流表读数I，将测得的数据整理在表1中.

表1 线性电阻测量数据

将表1中电压U和电流I描绘在UI平面中，可得线性电阻的伏安特性曲线，如图3所示.从所得曲线可以很直观地看出线性电阻的伏安特性曲线是一条过原点的直线，从而证明了它的线性特性.

图3 线性电阻伏安特性曲线

1.2 非线性电阻元件性能的测定

非线性电阻的电阻值不是常数，随电压或电流值的变化而变化，电压与电流不成正比［4］.半导体二极管就是典型的非线性电阻元件.这里分别讨论半导体二极管的正向特性和反向特性，从而得出非线性电阻的伏安特性.

1.2.1 二极管正向特性的测定

图4所示电路为测量二极管正向特性的电路，图5为对应的仿真电路图.在图5中同样通过按键A调节可调电阻R2的阻值来实现半导体D1两端电压的调节，使D1两端电压UZ从0V缓慢变化到0.75 V，记录下D1两端电压UZ及对应的电流表读数I，将测得的数据整理在表2中.

图4 测量二极管正向特性

图5 图4的仿真电路图

1.2.1 二极管反向特性的测定

图6所示电路为测量二极管反向特性的电路，图7为对应的仿真电路图.在图7中同样通过按键A调节来可调电阻R2的阻值实现半导体D1两端电压的调节，使D1两端电压UZ从0 V缓慢变化到3.5 V，记录下R2两端电压U、D1两端电压UZ及电流表读数I，将测得的数据整理在表3中.

图6 测量二极管反向特性

图7 图6的仿真电路图

表3 二极管反向特性测量数据

将表2和表3中UZ和I描绘在UI平面中，可得半导体二极管伏安特性曲线，如图8所示.可以直观看出二极管（非线性电阻元件）的伏安特性是一条曲线，从而证明它的非线性特性.

图8 二极管伏安特性曲线

2 正弦交流电路中元件性能的测定

在正弦交流信号作用下，电阻、电感和电容三个元件在电路中的抗流作用与信号的频率有关，利用Multisim软件仿真可得出它们的阻抗频率特性.

2.1 电阻阻抗特性的测定

图9为测量电阻阻抗特性的电路，图10为对应的仿真电路图.将信号源的频率从200 Hz增长到5 000 Hz，记录下不同频率时电阻R0两端的电压Ur，计算电路中的电流IR（Ur / R0），由于电阻R0的阻值相比较很小，可以忽略，故直接用信号源电压U和电流IR计算电阻R的阻值（U/IR），将所有数据记录在表4中.

图9 测量电阻阻抗特性

图10 图9的仿真电路图

表4 电阻阻抗特性测量数据

2.2 电感阻抗特性的测定

图11为测量电感阻抗特性的电路，图12为对应的仿真电路图.将信号源的频率从200 Hz增长到5 000 Hz，记录下不同频率时电阻R0两端的电压Ur，计算电路中的电流IR（Ur / R0），由于电阻R0的阻值相比较很小，可以忽略，故直接用信号源电压U和电流IR计算电感L的感抗XL（U/IR），将所有数据记录在表5中.

图11 测量电感阻抗特性

图12 图11的仿真电路图

表5 电感阻抗特性测量数据

2.3 电容阻抗特性的测定

图13为测量电容阻抗特性的电路，图14为对应的仿真电路图.将信号源的频率从200 Hz增长到2 500 Hz，记录下不同频率时电阻R0两端的电压Ur，计算电路中的电流IR（Ur/R0），由于电阻R0的阻值相比较很小，可以忽略，故直接用信号源电压U和电流IR计算电容C的容抗XC（U/IR），将所有数据记录在表6中.

图13 测量电容阻抗特性

图14 图13的仿真电路图

表6 电容阻抗特性测量数据

根据表4、表5和表6中数据绘制出电阻、电感、电容三个元件的阻抗频率特性曲线，如图15所示.从图中可以看出，三种元件阻抗和频率的关系：电阻阻抗与频率无关、电感阻抗与频率成正比、电容阻抗与频率成反比，这样可以更直观地展示出三种元件的性能特点，有助于学生更好地理解这三种基本元件的阻抗特性.

图15 元件阻抗特性

3 结论

笔者以元件性能测定实验为例，运用Multisim软件对实验内容进行仿真.通过实验数据分析，让学生更直观地了解电阻、电感、电容三种元件的特性及性能.同时，由于Multisim软件具有电路元件库丰富、虚拟仪器功能强大等优点，因此，利用这个软件进行仿真分析对实验精度及分析速度都有很大提高［5］.将这种软件仿真的实验方式方法，与过去传统实验相结合，改变了过去实验过于单一的缺点，帮助学生更好地理解和掌握相关的理论知识，调动了学生学习的主动性和积极性，增强了学生的学习能力.因此，在电路分析教学中，利用Multisim软件辅助教学是一种行之有效的措施［6］.