朱延楓，周志強(qiáng)，耿大勇

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2.中國(guó)人民解放軍65663部隊(duì)，遼寧 錦州 121000）

Multisim在電子技術(shù)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

朱延楓1，周志強(qiáng)2，耿大勇1

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2.中國(guó)人民解放軍65663部隊(duì)，遼寧 錦州 121000）

該文基于Multisim仿真軟件，建立了電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課中直流穩(wěn)壓電源的仿真電路。通過(guò)預(yù)先對(duì)實(shí)驗(yàn)電路的仿真分析，幫助學(xué)生深刻理解電路理論與行為，克服了硬件實(shí)驗(yàn)電路易出錯(cuò)誤、易發(fā)生設(shè)備事故和人身事故，以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的限制，提高了實(shí)驗(yàn)效率，并激發(fā)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的深入思考，調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)積極性。通過(guò)對(duì)仿真波形和數(shù)據(jù)的分析，證明了應(yīng)用該軟件的可行性。

電子技術(shù)；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；電路仿真軟件；直流穩(wěn)壓電源

電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)是電子技術(shù)課程的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，通?？煞譃檠菔拘詫?shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)四種。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是學(xué)生根據(jù)給定的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，利用所學(xué)的理論知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)電路圖，選擇電路參數(shù)，獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試和調(diào)整各參數(shù)值，得出符合實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求的測(cè)試電路［1］。通常，在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程或其他的實(shí)驗(yàn)課程中都會(huì)安排至少一個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，從而使實(shí)驗(yàn)教學(xué)由單純驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)向設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化，提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。但在遼寧工業(yè)大學(xué)近幾年的電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題。學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前一般是按照所學(xué)的相關(guān)理論知識(shí)畫(huà)出電路圖，選擇參數(shù)，并沒(méi)有用其他方法驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的內(nèi)容是否可行，這樣在硬件實(shí)驗(yàn)時(shí)很容易出錯(cuò)。那么有沒(méi)有什么辦法讓學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前就對(duì)自己的設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證呢？隨著各種電路仿真軟件的出現(xiàn)，對(duì)于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)可以采用這些電路仿真軟件進(jìn)行預(yù)先驗(yàn)證。一方面，可以使學(xué)生充分理解所要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容、預(yù)期效果，進(jìn)而避免在真正實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)某些錯(cuò)誤，提高實(shí)驗(yàn)效率和成功率；另一方面，可以避免因誤操作而對(duì)儀器設(shè)備造成的損壞，從而降低實(shí)驗(yàn)成本。

在眾多的電路仿真軟件中，Multisim具有高度互動(dòng)、易于使用、元器件庫(kù)較齊全、電路仿真分析能力豐富等優(yōu)點(diǎn)；在具備專(zhuān)業(yè)軟件工具優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，又具有為教學(xué)量身定制的教學(xué)軟件的特性，可以幫助學(xué)生深刻理解電路理論與行為［2］。該軟件配備有較豐富的元器件庫(kù)，有一般實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)的通用儀器，如萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器和直流電源；還有一般實(shí)驗(yàn)室少有或沒(méi)有的專(zhuān)用儀器，如波特圖儀、邏輯分析儀、失真儀、頻譜分析儀和字信號(hào)發(fā)生器等［3］。應(yīng)用Multisim進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)具備以下優(yōu)點(diǎn)：1）可彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)器材的不足，完成無(wú)法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)；2）擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的深度和廣度，為硬件電路的實(shí)現(xiàn)提供了正確的理論依據(jù)和設(shè)計(jì)方案，使課程實(shí)驗(yàn)朝著“方案設(shè)計(jì)—軟件仿真—電路設(shè)計(jì)和制作—系統(tǒng)調(diào)試”這一工程實(shí)踐的流程發(fā)展［4］；3）不受時(shí)間和空間限制；4）與傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)相比，仿真實(shí)驗(yàn)不會(huì)造成實(shí)驗(yàn)儀器的折舊和更新?lián)Q代。

本文針對(duì)遼寧工業(yè)大學(xué)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程中的“直流穩(wěn)壓電源”這一設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，闡述基于Multisim仿真軟件的應(yīng)用。

1 直流穩(wěn)壓電源實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

給出1個(gè)變壓器、4個(gè)二極管（或整流橋堆）、若干個(gè)電解電容、若干個(gè)一般電容、1個(gè)三端集成穩(wěn)壓器LM317、1個(gè)電位器、若干個(gè)電阻、1個(gè)交流電源，設(shè)計(jì)一個(gè)直流穩(wěn)壓電源（以上元器件的參數(shù)可自行選擇）。要求：1）設(shè)計(jì)并畫(huà)出電路原理圖；2）繪制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格，計(jì)算穩(wěn)壓系數(shù)Sr；3）連接實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路；4）通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)內(nèi)容的正確性。

1.2 確定實(shí)驗(yàn)方案

直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路4個(gè)部分組成，如圖1所示［5］。

圖1 直流穩(wěn)壓電源原理圖

2 基于Multisim的仿真分析

2.1 整流電路的設(shè)計(jì)

整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娦詠?lái)實(shí)現(xiàn)的，將大小和方向都隨時(shí)間變化的工頻交流轉(zhuǎn)換成單方向的脈動(dòng)直流［6］。本次設(shè)計(jì)采用的是單相橋式整流電路。啟動(dòng)Multisim，在其元件庫(kù)中找出相應(yīng)的元器件，連接好仿真模型，如圖2所示。仿真后得到變壓器二次側(cè)的電壓ui與輸出電壓uo的波形如圖3所示。仿真結(jié)果和理論分析基本一致。

2.2 整流、濾波電路的設(shè)計(jì)

整流電路輸出脈動(dòng)的直流電，其中含有很大的交流成分，為了使輸出電壓接近于理想的直流電壓，需濾除它的交流成分，此過(guò)程稱(chēng)為濾波［7］。本文采用的是電容濾波電路，仿真模型如圖4所示。仿真后，得到變壓器二次側(cè)的電壓ui與輸出電壓uo的波形如圖5所示。

圖3 整流電路的輸入輸出電壓波形

圖4 整流、濾波電路的仿真模型

圖5 整流、濾波電路的輸入、輸出電壓波形

2.3 穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)

將不穩(wěn)定的直流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定且可調(diào)的直流電的電路稱(chēng)為直流穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓環(huán)節(jié)能夠在交流電源電壓波動(dòng)或負(fù)載變動(dòng)時(shí)，使直流輸出電壓穩(wěn)定［8］。本次設(shè)計(jì)采用三端集成穩(wěn)壓器LM317構(gòu)成穩(wěn)壓電路，仿真模型如圖6所示。圖中，電容C3用來(lái)消除電路可能產(chǎn)生的自激振蕩，電容C2可以改進(jìn)電路的瞬態(tài)響應(yīng)。仿真后，得到變壓器二次側(cè)的電壓ui與輸出電壓uo的波形如圖7所示。

圖6 穩(wěn)壓電路的仿真模型

圖7 穩(wěn)壓電路的輸入輸出電壓波形

從仿真波形可見(jiàn)，220 V電源電壓經(jīng)降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后，在負(fù)載兩端可以得到一穩(wěn)定的直流電壓。

2.4 穩(wěn)壓系數(shù)Sr的計(jì)算

穩(wěn)壓系數(shù)Sr定義為在負(fù)載不變的條件下，穩(wěn)壓電路輸出電壓的相對(duì)變化量與輸入電壓的相對(duì)變化量之比［9］。利用Multisim中的萬(wàn)用表可以很容易地測(cè)得當(dāng)電源電壓波動(dòng)±10時(shí)，穩(wěn)壓器輸入、輸出的電壓值，進(jìn)而計(jì)算出穩(wěn)壓系數(shù)Sr。測(cè)得結(jié)果為：電源電壓波動(dòng)±10時(shí)，穩(wěn)壓器輸入、輸出的電壓值分別為25.573 V、19.914 V和12.296 V、12.184 V。計(jì)算得到穩(wěn)壓系數(shù)：

借助圖6所示的仿真電路，學(xué)生還可以做簡(jiǎn)單改進(jìn)，從而方便地計(jì)算出電路的電壓調(diào)整率、輸出電阻等參數(shù)。

2.5 存在的問(wèn)題

在應(yīng)用Multisim進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)R2調(diào)整的百分比比較小時(shí)，輸出電壓會(huì)出現(xiàn)紋波電壓。這個(gè)問(wèn)題的解決方法是可以在R2兩端并聯(lián)一個(gè)合適的電容；再有，當(dāng)輸出端短路時(shí)，如何保護(hù)穩(wěn)壓器呢？整流、濾波電路中R1C1的選取與理論分析并不完全一致。其實(shí)，諸如以上在仿真中出現(xiàn)的問(wèn)題都可以讓學(xué)生考慮解決的辦法，這樣即拓展了實(shí)驗(yàn)的深度，又培養(yǎng)了學(xué)生思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

從基于Multisim的電子技術(shù)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)仿真分析可以看出，進(jìn)行預(yù)先仿真實(shí)驗(yàn)不僅安全，而且電路易于操作，參數(shù)易于修改。從仿真電路中可以很直觀(guān)地觀(guān)察所要的波形，仿真結(jié)果與理論分析基本一致。通過(guò)Multisim的引入提高了學(xué)生獨(dú)立思考問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，為學(xué)生開(kāi)展如課程設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)大賽等創(chuàng)新型科技活動(dòng)營(yíng)造了良好的條件，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。這些都勢(shì)必會(huì)對(duì)提高電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量起到促進(jìn)作用。因此，Multisim仿真軟件在電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用是可行的；但同時(shí)也應(yīng)注意到它作為一種電路仿真軟件的局限性。由于Multisim元件庫(kù)中的元件都是實(shí)際電路元件的理想化模型，與實(shí)際元件是有一定差別的，仿真結(jié)果可能與實(shí)際電路的測(cè)量結(jié)果有一定的差別。所以，應(yīng)用該軟件進(jìn)行電路仿真時(shí)，仿真結(jié)果是選擇元件，搭建實(shí)際電路的主要參考，但并不能完全代替電路的最終設(shè)計(jì)。

［1］朱延楓，鄭春嬌，王春霞.Matlab／Simulink在電工技術(shù)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2010（17）：37－39.

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Application of Multisim in Designing Experiment of Electronic Thechique

ZHU Yanfeng1，ZHOU Zhiqiang2，GENG Dayong1
（1.Electrical Engineering College，Liaoning University of Technology，Jinzhou 121001，China；2.Troops 65663 of PLA，Jinzhou 121000，China）

In this paper，a simulative circuit for the DC regulated voltage source in designing experiment of electronic technique is proposed based on Multisim simulation software.From the analysis of the simulative circuit in advance，this experiment can help students understand the circuit theory and behavior，avoid errors in the process of real experiment，the device damage，personal injure and insufficient devices in lab，improve the efficiency of experiments，inspire the students to think deeply about the experiment content and arouse the enthusiasm of their learning.Through the analysis of the simulative curves and data，the feasibiliety of applying the software is proved.

electronic technique；designing experiment；circuit simulation software；DC regulated power supply

TM133

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.028

2015－03－05；修改日期：2015－03－18

遼寧省2014年度普通高等學(xué)校本科教育教學(xué)改革研究基金（UPRP20140307）。

朱延楓（1977－），女，碩士，副教授，主要從事控制理論、電工電子技術(shù)方面的研究工作。