陳 瞳

(太原工業(yè)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與信息中心，山西 太原 030008)

0 引言

《電工學(xué)》是高校工科專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，該課程的理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，推動(dòng)課堂教學(xué)從理論走向?qū)嵺`，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。本文以直流電路的兩個(gè)具體教學(xué)案例為例，應(yīng)用Multisim14仿真軟件，將虛擬仿真融合到電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，幫助學(xué)生理解晦澀難懂的理論知識(shí)，為電工學(xué)教學(xué)工作指明了新的發(fā)展方向。

1 Multisim軟件

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求不斷增加，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)方法已無法滿足，利用計(jì)算機(jī)軟件輔助設(shè)計(jì)、分析電工實(shí)驗(yàn)成為重要的發(fā)展趨勢。Multisim是美國國家儀器(NI)推出的一個(gè)電路仿真軟件，該軟件提供了種類齊全的元器件庫，具有十分強(qiáng)大的電路分析功能，至今已經(jīng)發(fā)展至Multisim14。利用Multisim軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，將理論知識(shí)與硬件實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，提高課堂效率和教學(xué)效果。

2 直流電路的仿真分析

電工學(xué)直流電路這一篇中有兩個(gè)很重要的實(shí)驗(yàn)：疊加原理的驗(yàn)證、戴維寧定理的驗(yàn)證[1]。這兩個(gè)定理在電路及模擬電路中的應(yīng)用非常廣泛，是電工教學(xué)的基礎(chǔ)和重點(diǎn)。利用Multisim軟件，將直流電路的仿真分析結(jié)果展示到課堂教學(xué)中，既可以幫助學(xué)生熟練掌握定理知識(shí)，又可以提高課堂趣味性。

2.1 疊加原理的仿真及驗(yàn)證

疊加原理是《電工學(xué)》課程中一個(gè)非常重要的定理，是研究、分析線性電路的基礎(chǔ)。當(dāng)有多個(gè)激勵(lì)共同作用于線性電路時(shí)，任一支路的響應(yīng)，等于各個(gè)激勵(lì)單獨(dú)作用于該支路時(shí)產(chǎn)生響應(yīng)的代數(shù)和。圖1為疊加原理驗(yàn)證電路及仿真圖。從仿真結(jié)果圖中可以看到兩個(gè)電源同時(shí)作用于電路時(shí)，電阻R2兩端的電壓是U=8 V，流過R2的電流是I=4 A。

圖1 疊加原理驗(yàn)證電路及仿真圖

圖2是電壓源單獨(dú)作用時(shí)的電路仿真圖，可以看到電壓源單獨(dú)作用于電路時(shí)電阻R2兩端的電壓是U1=-1 V，流過R2的電流是I1=-0.5 A，負(fù)號(hào)表示與驗(yàn)證電路方向相反。

圖3是電流源單獨(dú)作用時(shí)的電路仿真圖，可以看到電流源單獨(dú)作用于電路時(shí)電阻R2兩端的電壓是U1=9 V，流過R2的電流是I2=4.5 A，方向與驗(yàn)證電路相同。

圖2 電壓源單獨(dú)作用電路仿真圖

圖3 電流源單獨(dú)作用電路仿真圖

根據(jù)疊加原理可得電阻R2兩端的電壓是U=U1+U2=8 V，流過R2的電流I=I1+I2=4 A，結(jié)果與圖1的仿真結(jié)果相同，疊加原理得到驗(yàn)證。

在運(yùn)用疊加原理時(shí)，當(dāng)電流源單獨(dú)作用時(shí)，需將不作用的電壓源直接除源。在做虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生有可能將電壓源直接短路[7]，此時(shí)仿真電路仍能夠得出正確的數(shù)據(jù)，但是在物理實(shí)驗(yàn)中，是絕對(duì)不允許將電壓源直接短路的。

2.2 戴維寧定理的仿真及驗(yàn)證

戴維寧定理是電路分析的一種重要方法，是《電工學(xué)》課程的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。戴維寧定理指出任何一個(gè)有源二端線性網(wǎng)絡(luò)都可以用一個(gè)電動(dòng)勢為E的理想電壓源和內(nèi)阻 R0串聯(lián)的實(shí)際電壓源來等效代替[1]。

圖4是戴維寧定理驗(yàn)證電路仿真圖，從圖中可以看到，電阻R2兩端的電壓是8 V，通過R2的電流是4 A。

1) 有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓Uo

從圖5的仿真圖中可以看到當(dāng)開關(guān)都斷開時(shí)得到有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓U1=64 V。

圖4 戴維寧定理驗(yàn)證電路仿真圖

圖5 開路電壓

2) 等效內(nèi)阻

在計(jì)算等效內(nèi)阻的時(shí)候通常有兩種方法，第一種就是當(dāng)無源二端網(wǎng)絡(luò)比較簡單的時(shí)候，我們可以直接用電阻的串并聯(lián)的方法來得到；第二種就是使用開路短路法測量電阻。圖6為利用開路短路法測量等效內(nèi)阻，從圖中看到短路電流IS=4.571A，等效內(nèi)阻R0=Uo/IS≈14Ω。

圖6 短路電流

圖7 戴維寧等效電路

3) 戴維寧等效電路

通過上面的分析計(jì)算，可以畫出戴維寧等效電路圖，如圖7所示。對(duì)比圖4和圖7，可以看出這兩個(gè)電路對(duì)外電路產(chǎn)生的電壓、電流完全等效，戴維寧定理得到驗(yàn)證。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)直流電路中的兩個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，采用Multisim14仿真軟件設(shè)計(jì)了基本電路，并分析了仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了疊加原理和戴維寧定理的基本理論。Multisim仿真軟件有效的彌補(bǔ)了《電工學(xué)》中晦澀的理論知識(shí)，在授課過程中，將理論知識(shí)和電路仿真結(jié)合起來，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提高了學(xué)習(xí)的興趣和積極性，教學(xué)效果得到大大提升。