论仿真实验对自动化专业课程的作用——以单相桥式整流电路的仿真实验为例

贵州电子科技职业学院 吴永乐

电力电子技术、模拟/数字电路和电路等是自动化专业的专业课程，是理论和实验想结合的综合性课程。理论学习是实验的基础，而实验是检验理论最好的方法。由于课程知识点抽象，难点多，且实验大多数属于验证性实验，缺乏综合性的考核实验，一定程度上阻碍了学生的创造性和自主解决问题的能力。但通过Simulink、Multism搭建模型或者电路进行仿真时，能直观的观察仿真结果。仿真式教学不但能提高学习效率，还能通过自主搭建仿真模型进行设计型实验，同时还能提前熟悉实验的流程和解决一些设计中遇到的难题。

自动化专业的课程中，电路是最基本的，但也是最常用的。单相桥式整流电路是理论学习和实验的基本电路，通过理论学习分析电路的工作原理，从而进行实验验证，但验证性的实验有一定的局限性，难以提升学生的动手能力，影响学习的主动性和创造新，从而失去独立思考的能力。

鉴于电力电子技术、电路等课程的特殊性和仿真软件的发展，未来的教学离不开仿真研究。仿真技术能提高学习效率，同时还能提高设计者的动手能力，通过搭建Simulink、Multisim仿真模型进行理论研究，还能减少设计时间。

图1 单相桥式整流电路

1 单相桥式整流电路

单相桥式整流电路是基础，也是重点。单相整流电路主要由三部分组成，即电源、变压器、整流二极管组成，主要依靠二极管的导通与截至进行整流，负载端并联电容可进行滤波处理，使输出的波形更加平稳。不论是单向整流电路，还是三相整流电路，都需要采用二极管进行整流，而单向整流电路包含单向半波整流和单向桥式整流电路，两者唯一的区别就是二极管的数量，前者仅仅采用单个二极管进行整流，后者利用四个二极管进行整流。

单向半波整流电路原理图如图1所示。

由文献（孟秀娟，刘庆伟.单相桥式整流电路分析及应用；崔景淼.单相桥式整流电路之我见）可知，单向桥式整流电路的整流二极管既可使用模块化的成品，还能利用四个二极管组合成桥式电路。

电路工作原理（假设二极管处于理想状态）：

（1）当e2≥0时，即处于正半周期时，根据电压方向，VD1和VD3导通，而VD2和VD4反向截止，此时电路形成完整的回路；

（2）电流回路为：e2→VD1→RL→VD3→e2

（3）反之，当e2处于负半周期时，VD2和VD4导通，VD1和VD3截止，此时仍然形成回路。

单向桥式整流电路能够在RL上得到单一方向的直流信号源，而根据整流的特点，不论是仿真实验还是实验验证时，应要选择合适的器件，否则会烧坏元器件。理论上，应根据理论计算参数去挑选元器件，仿真实验是实验最理想的结果，但在实际中，实验结果受多方面的影响，故选择器件时应当适当提高阈值，保证元器件不被烧坏从而引起事故。

由文献（吴恒玉,唐民丽.模拟电子技术）可知，纯负载电路的整流效果并不理想，无论是从仿真还是实际实验中来看，纯负载电路的输出波形仍然有交流分量。因此，为了使单向桥式整流电路输出波形近似理想的直流效果，往往需要采用滤波电路，由于电容具有“隔直通交”的作用，而且电容两端的电压不可突变，因此在整流电路中通常采用电容滤波电路。

2 仿真软件

Multisim仿真软件广泛用于电子电子技术、模数电电路仿真中，元器件通过导线连接，就能直观的观察输出结果，通过不断调试器件参数，能动态观察输出的结果；Simulink是广受设计者青睐的仿真平台，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。而且Simulink平台操作界面简单，从类似于Multisim仿真软件的电路仿真外，还能进行电机、电力系统等方面的动态仿真实验，并且Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。此外，还能采用proteus仿真软件进行仿真。

图2 单相整流电路仿真图

在通过理论学习后进行仿真实验，不但能减少实验的错误以及操作时间，还能通过仿真掌握更多的知识。从而根据所学的专业课程知识进行综合性的仿真实验，提高自主思考能力，真正意义上的做到全方面提升，而不能仅仅局限于实验结果，更要通过思考、调试去搭建更具综合性的模型。

仿真实验是为了验证实验的理想效果，避免操作不当而产生的实验事故。仿真技术的发展意味着未来仿真实验能够一定程度上减少验证性实验的次数，从而进行综合性实验锻炼动手能力。

3 仿真实验的作用

根据电路的原理，通过Simulink和Multisim搭建的仿真模型，设置完相应的参数后，输出仿真结果如图2所示。

通过理论学习和实验结果可知，单相桥式整流电路中利用二极管的特性，能够达到很好的整流效果。

自动化专业的很多门课程是都实践性很强的课程，通过实验去学习可以巩固理论知识，还能锻炼动手能力。仿真实验是学习自动化专业课程的一个很重要的过程，在一定程度上仿真实验能够替代实验教学，学生可随时搭建仿真模型进行验证，仿真教学有利于提高学生的学习兴趣，学生能够掌握实验的基本流程以及实验中易出现的问题，通过自己的思考去解决难题；同时，仿真实验还能提高学生的创造力和主动性，有助于提高动手能力；最后，仿真实验还能为学生提供综合性实验的验证，通过仿真去验证综合性的实验，提高实验的效率。

结束语：本文以仿真实验为基准，重点分析了单向桥式整流电路的基本原理以及通过Simulink和Multisim观察仿真结果，强调了仿真实验对自动化专业课程学习的重要性。自动化是一个综合性很强的专业，依靠仿真实验对于学生、老师都会有很大的提升，老师以仿真实验作为切入点，能够帮助学生更快熟悉仿真软件或者平台，而学生也能通过仿真实验提前熟悉实验，提高动手能力和创造性。

Simulink和Multisim为设计者提供仿真平台，而仿真实验室仿真结果与理论分析、实验结果一致，这表明大多数的实验验证可采用仿真软件完成。设计者进行综合性的设计时，可先采用仿真进行验证，动态改变参数实时观察仿真结果，提高设计的效率和准确性。