西安石油大學(xué)　陳　晨　馬虎山　劉　健　劉　昕

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Multisim在電路仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

西安石油大學(xué)陳晨馬虎山劉健劉昕

【摘要】電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)旨在將抽象的理論知識(shí)以具體的實(shí)驗(yàn)電路和直觀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在學(xué)生面前，是電子類專業(yè)教學(xué)中不可或缺的實(shí)踐環(huán)節(jié)。以二階微分電路的Multisim仿真分析為例，說明在電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用Multisim仿真可有效地進(jìn)行電路特性的研究，并且可以使學(xué)生在脫離實(shí)驗(yàn)室的情況下，進(jìn)行自主性學(xué)習(xí)，對(duì)電子電路等課程的教學(xué)起到極好的輔助作用，對(duì)電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的展開有著很大的意義。

【關(guān)鍵詞】Multisim；電路實(shí)驗(yàn)；仿真

電路實(shí)驗(yàn)是高等教育電類專業(yè)教學(xué)中必不可少的環(huán)節(jié)，隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子元器件更新速度很快，傳統(tǒng)電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中儀器設(shè)備幾經(jīng)很難滿足現(xiàn)代化的教學(xué)所需，仿真軟件與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合可以很好地解決這個(gè)問題[1-2]。Multisim是美國 NI (National Instruments)有限公司推出一款包含電路原理圖搭建、電路特性分析等功能的仿真軟件。利用Multisim強(qiáng)大的元器件庫以及設(shè)計(jì)和仿真功能，可以構(gòu)建出最穩(wěn)定，最豐富的電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，因此對(duì)于一些設(shè)備老舊，元器件更新速度慢，設(shè)備損耗大的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，Multisim電路仿真教學(xué)的引入可以彌補(bǔ)這些不足，同時(shí)還可以激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、研究興趣，提高創(chuàng)新意識(shí)[3,4,5]。

1　Multisim的功能

(1)器件的建模及仿真

可以建模及仿真器件：模擬器件(二極管，三極管，功率管等)；數(shù)字器件(74系列，COMS系列，PLD，CPLD等)；FPGA器件。能夠在軟件原有的基礎(chǔ)上添加各類滿足不同使用者要求的自定義器件。

(2)電路的構(gòu)建及仿真

擁有豐富的元器件庫，可以快速實(shí)現(xiàn)單元電路、功能電路、單片機(jī)硬件電路的構(gòu)建及相應(yīng)軟件調(diào)試的仿真。

(3)系統(tǒng)的組成及仿真

它很適用于如‘信號(hào)與系統(tǒng)’、‘通信’、‘網(wǎng)絡(luò)’等課程，適合能力一般的學(xué)生進(jìn)行基礎(chǔ)學(xué)習(xí)，也適合基礎(chǔ)扎實(shí)的學(xué)生進(jìn)行深入地創(chuàng)新性研究。

(4)儀表儀器原理及制造仿真

可以任意制造出適用于自己的虛擬儀器、儀表，并在計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境和實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行使用。

2　Multisim仿真的優(yōu)點(diǎn)

結(jié)合Multisim10.0的功能可以看出它具有以下功能：不僅擁有豐富的元件庫，用戶還能根據(jù)自己的具體需要求構(gòu)建儀器；可以通過計(jì)算機(jī)輸出各種虛擬信號(hào)作

為實(shí)際硬件電路的輸入；所有硬件電路運(yùn)行的結(jié)果都可以回送到計(jì)算機(jī)，進(jìn)而對(duì)各類結(jié)果進(jìn)行處理和分析。

3　二階的零輸入響應(yīng)

當(dāng)電路中含有兩個(gè)動(dòng)態(tài)元件時(shí)，建立的電路方程為二階微分方程，用二階微分方程描述的動(dòng)態(tài)電路成為二階電路。RLC串聯(lián)電路時(shí)最簡單的二階電路之一，如圖1所示。

圖1　RLC串聯(lián)電路

分析二階電路時(shí)，先選擇適當(dāng)?shù)碾娐纷兞?，一般選電容端電壓uc或流過電感的電流iL作未知量，然后根據(jù)KCL、KVL、VCR列出電路的微分方程。

根據(jù)KCL、KVL及元件的VCR寫出以u(píng)c或iL為變量的二階微分方程：

求穩(wěn)態(tài)分量fp：即非齊次方程的特解，這是由電源的特性決定。當(dāng)激勵(lì)為恒定電源時(shí)，穩(wěn)態(tài)分量也為常數(shù)；當(dāng)激勵(lì)為正弦量時(shí)，穩(wěn)態(tài)分量也為同頻率的正弦量。

求瞬態(tài)分量fh：即齊次方程的通解。求解這類方程時(shí)，設(shè)，可解出特征根：

由于R、L、C參數(shù)的不同，特征根P可能出現(xiàn)以下三種情況，如表1所示。

表1 不同參數(shù)下特征根P的值

4　二階RLC串聯(lián)電路的仿真分析

圖2　RLC串聯(lián)仿真電路

(2)三種狀態(tài)下電壓和電流隨時(shí)間變化的軌跡

①過阻尼狀態(tài)

圖3　過阻尼狀態(tài)下電容、電感電壓曲線

圖4　過阻尼狀態(tài)下的電流曲線

圖5　臨界阻尼狀態(tài)下電容、電感電壓曲線

圖6　臨界阻尼狀態(tài)下的電流曲線

②臨界阻尼狀態(tài)

從圖5、圖6可以看出，uc、uL以及i不作振蕩變化，具有非振蕩的性質(zhì)，而且波形和非振蕩非電過程的波形很相似，但這種過程卻是振蕩與非振蕩過程的分界線。

③欠阻尼狀態(tài)

圖7　欠阻尼狀態(tài)下電容、電感電壓曲線

圖8　欠阻尼狀態(tài)下的電流曲線

從圖7、圖8分別可以看出，電容電壓、電感電壓以及電流波形都呈現(xiàn)出振蕩衰減的趨勢(shì)，且周期性的改變方向，儲(chǔ)能元件也周期性的交換能量。電路處于欠阻尼的衰減振蕩過程。

4　總結(jié)

Multisim簡單的操作界面、豐富的元器件庫，可以方便的搭建電路，并且可以快速的對(duì)電路特性進(jìn)行仿真分析，尤其是對(duì)于剛接觸電路的學(xué)生而言，在仿真電路搭建的過程中，元器件連接錯(cuò)誤時(shí)，電路會(huì)顯示故障，避免發(fā)生不必要的事故。

對(duì)學(xué)生進(jìn)行Multisim使用教學(xué)，讓學(xué)生在課外也可以進(jìn)行電路研究，對(duì)課本外的內(nèi)容進(jìn)行拓展性學(xué)習(xí)。同時(shí)，對(duì)于經(jīng)費(fèi)不充裕，實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限制的教學(xué)單位，Multsim可以極大地解決教學(xué)資源不足的缺陷。

學(xué)生可以根據(jù)自身的能力，設(shè)計(jì)適合自己的實(shí)驗(yàn)方案，由淺及深，逐漸鞏固電路知識(shí)，提高電路分析能力，穩(wěn)扎穩(wěn)打以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析，并不斷創(chuàng)新。這可算是一個(gè)低成本高效率的教學(xué)輔助軟件。

參考文獻(xiàn)

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陳晨（1989—），女，陜西渭南人，西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院助理工程師。

作者簡介：

基金項(xiàng)目：西安石油大學(xué)2015年第九批教改——電路仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究（131010376）。