謝麗萍 ,孝大宇，齊 林

（東北大學(xué) 中荷生物醫(yī)學(xué)與信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110169）

一、引言

電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)多依賴(lài)電路實(shí)驗(yàn)箱的搭接，依照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)驗(yàn)證電路功能。學(xué)生可以自己動(dòng)手連接電路，培養(yǎng)了動(dòng)手能力。不足之處在于模塊化的實(shí)驗(yàn)箱中電路種類(lèi)和數(shù)量有限、價(jià)格高、設(shè)備更新?lián)Q代慢、容易損壞。此外，電路實(shí)驗(yàn)箱中為連接好的電路模塊，學(xué)生僅需連接導(dǎo)線，自主發(fā)揮的空間有限，限制了學(xué)生的思維，不利于學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

為將抽象的電路原理分析形象化，筆者在電路原理實(shí)踐中引入電路仿真內(nèi)容，結(jié)合基于面包板的硬件搭建，將硬件搭建和仿真分析相結(jié)合，既增加了實(shí)驗(yàn)的靈活性，又激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)范圍，有利于學(xué)生更好地掌握電路原理課程內(nèi)容，同時(shí)降低了教學(xué)成本。

二、電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性

電路原理實(shí)驗(yàn)可以作為一種重要的實(shí)踐手段，用以檢驗(yàn)和驗(yàn)證電路原理理論教學(xué)內(nèi)容，加深學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解[1]?！峨娐吩怼氛n程是一門(mén)需要很強(qiáng)的實(shí)踐支持的課程，電路原理實(shí)驗(yàn)作為《電路原理》課程必不可少的實(shí)踐性教學(xué)途徑，共同組成了整個(gè)電路原理相關(guān)課程教學(xué)體系。電路原理實(shí)驗(yàn)是教授學(xué)生掌握電路原理理論的重要手段，同樣也能有效地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。

多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，通過(guò)電路原理實(shí)驗(yàn)，不但可以加深廣大學(xué)生對(duì)電路原理理論的認(rèn)知，而且能夠使他們熟練地掌握并運(yùn)用電路原理基礎(chǔ)理論；可以訓(xùn)練學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，并應(yīng)用于課程實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和工作能力；可以發(fā)揮學(xué)生應(yīng)用電工電子儀器工具進(jìn)行電路焊接等操作技能，激發(fā)學(xué)生對(duì)電路的愛(ài)好和興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)及科研道路探索打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

三、Multisim虛擬仿真技術(shù)

Multisim虛擬仿真技術(shù)是一種以Windows操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，本身具備非常強(qiáng)大而又完備功能的電路仿真軟件[2]。應(yīng)用Multisim仿真軟件可以并行同步進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，即邊設(shè)計(jì)邊實(shí)驗(yàn)，因此能夠比較方便地修改調(diào)試。Multisim仿真軟件操作簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)和測(cè)試，在電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用Multisim仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)速度較快、應(yīng)用效率較高，因此能夠有效地開(kāi)展電路原理設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

Multisim虛擬仿真技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)[3]：

（1）直觀圖形界面。Multisim電路仿真工作區(qū)可以形象地替代實(shí)際的電子實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)，可直接將元器件和測(cè)試儀表拖放到屏幕上，再用導(dǎo)線并單擊鼠標(biāo)的方式將它們連接起來(lái)，實(shí)際操作物與虛擬仿真儀器操作面板相似，甚至相同。電路設(shè)計(jì)人員能夠方便地選擇儀器，測(cè)試電路特性或波形，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種電路的分析。

（2）豐富的元件庫(kù)。Multisim虛擬仿真元件庫(kù)含有豐富的虛擬游離元件、集成電路，并且還含有豐富的實(shí)際物元件模型。電路設(shè)計(jì)人員除了能夠編輯上述的元件參數(shù)外，還可以應(yīng)用模型生成器及代碼模式自由地創(chuàng)造需要的元件。

（3）多種類(lèi)的虛擬儀表。目前的Multisim能提供至少22種的虛擬儀器，并可動(dòng)態(tài)交互顯示，它們的設(shè)置和使用與實(shí)際儀表相同。

（4）完善的仿真分析。當(dāng)前的Multisim虛擬仿真可進(jìn)行RF/SPICE/MCU/VHDL等仿真。

（5）特有的實(shí)虛結(jié)合。應(yīng)用Multisim虛擬仿真中教學(xué)實(shí)驗(yàn)室虛擬的儀表套件（即ELVIS），設(shè)計(jì)人員可以在NI ELVIS仿真平臺(tái)上搭建實(shí)物電路，再利用NI ELVIS儀表對(duì)實(shí)物電路進(jìn)行波形測(cè)試和性能指標(biāo)分析。

四、基于Multisim虛擬仿真的電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)Multisim虛擬仿真電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的根本目的是為學(xué)生提供廣泛的虛擬電子實(shí)驗(yàn)環(huán)境平臺(tái)，顯著降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。設(shè)計(jì)Multisim虛擬仿真電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，要以學(xué)生為中心，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主導(dǎo)性，為學(xué)生提供優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán)境和簡(jiǎn)單便捷的實(shí)驗(yàn)條件等[4]。

設(shè)計(jì)Multisim虛擬仿真電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)遵循以下原則：

（1）應(yīng)具備科學(xué)性的電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和內(nèi)容。設(shè)計(jì)Multisim虛擬仿真電路原理實(shí)驗(yàn)的目的應(yīng)為電路原理教學(xué)服務(wù)，倡導(dǎo)提供科學(xué)教學(xué)內(nèi)容與靈活教學(xué)方法，通過(guò)Multisim虛擬仿真電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生系統(tǒng)地掌握電路原理知識(shí)，培養(yǎng)他們分析問(wèn)題及解決問(wèn)題的能力，從而提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力。

（2）低成本、簡(jiǎn)便的教學(xué)模式。設(shè)計(jì)低成本、簡(jiǎn)便的Multisim虛擬仿真電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，突破傳統(tǒng)教學(xué)模式在經(jīng)費(fèi)、時(shí)間、場(chǎng)所等方面的限制，設(shè)計(jì)Multisim虛擬仿真電路原理實(shí)驗(yàn)，應(yīng)使學(xué)生深刻感受到Multisim圖形界面直觀、一目了然、操作簡(jiǎn)便，能隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（3）具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)功能。Multisim虛擬仿真具備完善而強(qiáng)大的多種數(shù)據(jù)庫(kù)功能，從而可以取代多種傳統(tǒng)電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠使學(xué)生獨(dú)立自主地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)和測(cè)試。

五、基于Multisim虛擬仿真的電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的電路原理實(shí)驗(yàn)相比，基于Multisim虛擬仿真的電路原理實(shí)驗(yàn)主要具備以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）能夠克服物理故障等客觀因素對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量造成不精確的影響。在傳統(tǒng)的電路原理實(shí)驗(yàn)中，操作面板一般為實(shí)際物體。而基于Multisim虛擬仿真的電路原理實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真操作面板和實(shí)驗(yàn)儀器等，其測(cè)量準(zhǔn)確度比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相對(duì)較高。

（2）提高了實(shí)驗(yàn)速度及實(shí)驗(yàn)效率。學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，只需通過(guò)電路調(diào)試，進(jìn)一步電路封裝，就完成了電路設(shè)計(jì)，有效節(jié)約了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快捷性地開(kāi)展電路設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。同時(shí)在Multisim虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，能夠直接打印實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和測(cè)試曲線等，通過(guò)打印電路原理圖、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及測(cè)試曲線，能夠使學(xué)生對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析更加便利。

（3）節(jié)約教學(xué)實(shí)驗(yàn)室空間及成本。學(xué)生能在Multisim虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，仿真使用多種實(shí)驗(yàn)儀器及工具，便利地進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)。所以基于Multisim的虛擬仿真電路原理實(shí)驗(yàn)相比傳統(tǒng)電路原理實(shí)驗(yàn)，解決了綜合性實(shí)驗(yàn)方面的實(shí)驗(yàn)室空間大、實(shí)驗(yàn)儀器巨資配備、器材耗損、儀器折舊、實(shí)驗(yàn)室的日常管理及維護(hù)等方面的問(wèn)題[5]。

六、基于Multisim虛擬仿真的電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用

在進(jìn)行Multisim虛擬仿真電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，最主要的就是使學(xué)生利用Multisim虛擬仿真軟件進(jìn)行電路原理實(shí)驗(yàn)的仿真，應(yīng)充分考慮虛擬仿真的主要步驟，Multisim虛擬仿真電路原理實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖1所示。

圖1 Multisim虛擬仿真電路原理實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.三相交流電路仿真應(yīng)用

三相電路由于復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)連接，學(xué)生對(duì)這一章的理論分析往往難以徹底理解和掌握。本部分以三相交流電路虛擬仿真分析為實(shí)例，介紹Multisim虛擬仿真電路原理實(shí)驗(yàn)方法，以一種直觀的方式使學(xué)生掌握三相電路的理論。三相交流電路是由三相交流電源供電的電路。典型居民照明電路的虛擬仿真分析電路如圖2所示，在中線中設(shè)置一開(kāi)關(guān)，用以模擬實(shí)際電路的中線斷開(kāi)故障，從而研究三相四線制供電方式中性線的重要性，此外在負(fù)載處并聯(lián)一個(gè)電容，用以模擬不對(duì)稱(chēng)三相負(fù)載情況。仿真數(shù)據(jù)如表1所示，可得出如下結(jié)論：星型對(duì)稱(chēng)三相電路（S2開(kāi)），中線無(wú)電流通過(guò)，因此使用中線與不使用中線效果相同，所以可以不加中線。在星形不對(duì)稱(chēng)三相電路中（S2合），中線的作用是通過(guò)避免負(fù)載中中性點(diǎn)發(fā)生位移使各個(gè)不對(duì)稱(chēng)負(fù)載分得電壓相等，若無(wú)此中線，負(fù)載中中性點(diǎn)電位就會(huì)發(fā)生位移，而中性點(diǎn)電位發(fā)生位移則會(huì)導(dǎo)致負(fù)載電壓不平衡，其中可能會(huì)有負(fù)載電壓超過(guò)電器的額定電壓(在極端情況下會(huì)接近380V)，輕則燒毀電器，重則引起火災(zāi)等重大事故。在不對(duì)稱(chēng)三相電路中，中線不可省略。

圖2 三相交流電路負(fù)載星型連接實(shí)驗(yàn)Multisim電路圖

2.微分電路仿真應(yīng)用

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)掌握基本微分電路的功能和結(jié)構(gòu)特征，以微分電路的Multisim仿真為例，介紹使用仿真分析掌握微分電路對(duì)輸入波形的變換作用。微分電路由RC構(gòu)成（如圖3），輸出信號(hào)從R上取得。使用Multisim仿真，示波器的通道接輸入信號(hào)，顯示輸入信號(hào)的波形（此圖中接地線采用空置形式）。示波器的B通道接在電阻R上，用以測(cè)量輸出電壓波形。輸入信號(hào)（周期1ms、幅度10V）經(jīng)過(guò)RC電路后，輸出信號(hào)為尖脈沖信號(hào)，通過(guò)仿真變化R、C的參數(shù)，可讓學(xué)生直觀并深刻地理解RC電路的基本結(jié)構(gòu)和功能。

微分電路的工作過(guò)程是：如RC的乘積，即時(shí)間常數(shù)很小，在t=0+即方波跳變時(shí),電容器C被迅速充電，電阻兩端分壓降低，在輸入信號(hào)為0時(shí)，電容器C被迅速放電，電阻兩端電壓升高。電容器的充放電速度取決于時(shí)間常數(shù)（RC的乘積）。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可自己操作調(diào)節(jié)，并隨時(shí)查看波形，通過(guò)實(shí)際觀測(cè)不同的RC參數(shù)時(shí),電阻R兩端輸出電壓波形的不同變化，可以幫助學(xué)生理解和掌握微分電路的結(jié)構(gòu)和功能。進(jìn)一步結(jié)合基于面包板硬件電路的搭建，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)硬件結(jié)構(gòu)，測(cè)試實(shí)際電路與理論仿真分析的結(jié)果，這種仿真結(jié)合硬件實(shí)驗(yàn)既可以增強(qiáng)學(xué)生的理解，又鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力、拓展了研究思維。

圖3 RC微分電路與仿真圖形

表1 三相交流電路負(fù)載星型連接Multisim仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

七、結(jié)論

Multisim虛擬仿真技術(shù)結(jié)合基于面包板的硬件實(shí)現(xiàn)在電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，對(duì)降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本、加快教學(xué)設(shè)備更新速度、開(kāi)拓學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)、提高學(xué)生對(duì)電路原理知識(shí)理解、培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電路原理相關(guān)課程的學(xué)習(xí)興趣等方面有著諸多優(yōu)點(diǎn)，因此能夠有效地對(duì)高校電路原理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)提供支持和指導(dǎo)，并且在其他電子與電路專(zhuān)業(yè)課的教學(xué)中也有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。