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抽屈
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1 第 39 卷第 6 期吉首大学学报 ( 自然科学版 ) Vol.39 No 年 11 月 JournalofJishouUniversity(NaturalScienceEdition) Nov.2018 文章编号 : (2018) Multisim 软件在电路分析课程教学中的应用韩新风 ( 安徽科技学院电气与电子工程学院, 安徽凤阳 ) 摘要 : 将 Multisim 仿真软件引入课堂, 根据电路分析课程教学的需要搭建各类电路模型, 通过灵活地修改电路元件的取值来观测电流电压等参数的变化. 该教学方法能有效激发学生的学习兴趣, 提高学习效果, 为后续专业课程的学习打下坚实的理论基础. 关键词 :Multisim 软件 ; 电路分析课程 ; 教学中图分类号 :N79;G 文献标志码 :A DOI: /j.cnki.jdzk Multisim 软件是美国国家仪器有限公司推出的 EDA 软件 [1], 其以 Windows 为基础, 专门用于电子电 [24] 路的仿真与设计, 具有电路元件库丰富虚拟仪器功能强大等优点. 电路分析课程作为电子电气和信息类专业重要的基础课, 在专业课程体系中占据很重要的地位. 该课程理论严密, 逻辑性强, 但是知识点繁多, 学生学习起来普遍感到理解困难, 学习兴趣不够浓厚, 学习压力大. [5] 借助现代计算机仿真技术再现电路现象和规律 [6], 可以将课程知识点中抽象的理论分析通过直观的仿真实验显示出来, 从而激发学生的学习兴趣, 有效提高课堂的教学效果. 笔者以高等教育出版社出版邱关源主编的电路 ( 第 5 版教材 ) 为例, 借助 Multisim 软件着重分析 6 个方面的教学内容. 1 电路的基本定律电路的基本定律包含 2 类 : 元件的约束关系, 如欧姆定律 ; 电路的拓扑约束, 如基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律. 该知识点是电路分析课程的第一个重点, 与中学物理学的电学知识联系紧密, 学好该知识点对帮助学生建立学习该课程的自信心非常重要. 在 Multisim 软件中构建如图 1 所示的应用电路以验证 3 个电路定律. 图 1 电路定律的应用电路 Fig.1 CircuitsApplyingCircuitLaws 收稿日期 : 基金项目 : 安徽科技学院校级教学研究项目 (X ); 安徽科技学院校级教学团队项目 (XJ201624); 安徽科技学院校级卓越人才培养计划项目 (XJ201630) 作者简介 : 韩新风 (1983 ), 女, 山东滨州人, 安徽科技学院电气与电子工程学院讲师, 硕士, 主要从事电子技术应用研究.

2 第 6 期韩新风 :Multisim 软件在电路分析课程教学中的应用 79 欧姆定律定义了线性电阻元件两端的电压和电流之间的关系 (U=IR), 图 1a 所示为欧姆定律应用电路. 当电阻 R 1=0.1kΩ 时, 根据欧姆定律 I= U 可得流经电阻的电流为 0.12A, 可见实验结果和理论值相等. R 基尔霍夫电流定律 (KCL) 和基尔霍夫电压定律 (KVL) 反映的是支路电流之间的约束关系.KCL 可以表述为在任意时刻, 对于集总参数电路的任意节点, 流入和流出某节点的电流恒相等. 图 1b 所示为基尔霍夫电流定律应用电路. 选定流入节点 a 为正, 流入节点 a 的干路电流 I=0.21A;3 条支路的电流流出节点 a, 故支路电流为负值, 分别为 I 1=-0.12A,I 2=-0.06A,I 3=-0.03A. 根据 KCL 得 I+I 1+I 2+I 3 =0, 仿真结果为 I+I 1+I 2+I 3=0.21A+(-0.12A)+(-0.06A)+(-0.03A)=0, 可见仿真结果与理论值一致. KVL 可以表述为在任意时刻, 对于集总参数的任意回路, 某回路上所有支路电压的代数和恒为 0. 图 1c 所示为基尔霍夫电压定律的应用电路, 回路中共有 1 个电压源和 3 个电阻元件. 选择回路中电压降为正, 以该电路接地点为起点, 逆时针方向绕回路. 经过电源 V 1 时电压上升 12V( 故电压降 U=-12V), 然后各电阻元件上的电压降 U 1,U 2,U 3 分别为 6,4,2V. 根据 KVL 计算得到 4 个元件上电压总的代数和, 即 U+U 1+U 2+U 3=0. 仿真结果为 U+U 1+U 2+U 3=-12V+6V+4V+2V=0, 可见仿真结果与理论分析一致. 2 受控源受控源是有源器件外部特性的理想化模型, 是电路分析的难点之一, 也是后续专业课程中常用到的电路模型, 如三极管的等效模型. 受控源中被控参数的大小不是时间的函数, 而是控制量 ( 电压或者电流 ) 的函数. 受控源可以分为电压控制的电压源 (VCVS) 电压控制的电流源 (VCCS) 电流控制的电压源 (CV- VS) 和电流控制的电流源 (CVCS). 为了帮助学生理解受控源的工作原理, 构建如图 2 所示的电压控制电流源的应用电路. 图 2 电压控制电流源 (VCCS) 的应用电路 Fig.2 CircuitsApplyingVoltageControlCurrentSource(VCCS) 图 2 所示的电路中受控源的控制量为参数 U 1 ( 即电阻 R 2 上的电压值 ), 当控制回路 ( 即 V 1,R 1,R 2 组成的回路 ) 不变时, 由图 2a 可知,U 1=0.714V. 被控参数为电流 I 1,I 1=gU 1, 其中参数 g 的大小由器件的实际特性决定. 在仿真电路中参数 g 是可以改变的, 此处设置 g=1 Mho. 由图 2a 可知, 受控源的电流 I 1=0.714A. 由图 2b 可知, 当被控支路的电阻 R L 由图 2a 的 10kΩ 变为 10Ω, 电路的其余参数保持不变时,I 1 仍为 0.714A. 由此可以证明, 被控电流与被控支路电阻的变化是无关的. 图 2c 所示电路是将图 2a

3 80 吉首大学学报 ( 自然科学版 ) 第 39 卷中的电阻 R 2 由 1kΩ 变为 2kΩ, 其余参数不变而得到的, 此时控制电压 U 1=1.25V, 被控电流 I 1=1.25 A. 图 2d 所示电路是将图 2c 中的电阻 R L 由 10kΩ 变为 10Ω 而得到的, 此时控制电压不变, 被控电流 I 1 也不变. 综上所讨论的内容可知, 在电压控制电流源电路中, 被控参数电流 I 1 只受控制参数 U 1 影响, 与被控支路的结构及参数是无关的. 三极管在放大区工作时就是一个典型的受控源器件, 基射之间的电压 U be 控制了集电极电流 I c, 即 I c=gu be, 集电极电流 I c 几乎不受负载回路变化的影响. 3 电路的等效 3.1 电阻电路的等效电阻电路的等效变换主要分为电阻串并联的等效变换和 Y 形电阻网络的等效变换. 该类电路可以借助仿真软件的万用表来测量网络的等效电阻. 如图 3a 所示, 构建电阻串并联混联电路, 可以利用串联并联的等效变换公式求出 0 和 1 之间的等效电阻 ; 如图 3b 所示, 构建 Y 形电阻网络电路, 理论分析时需要采用复杂的变换公式, 逐步将 2 个连接转换为 Y 连接, 使电路最终转换为电阻的串并联等效变换, 再利用串并联的等效公式求出 0 和 1 之间的等效电阻. 在仿真环境下利用万用表 ( 欧姆表 ) 测量这 2 点间的等效电阻, 发现实验测量的结果与理论分析的结果是一致的. 图 3 电阻电路的等效应用电路 Fig.3 CircuitsApplyingEquivalentTransformationofResistance 3.2 含受控源的单口网络的等效含受控源的单口网络, 与只含电阻的单口网络类似, 都可以等效为 1 个电阻, 但是含受控源的单口网络不能直接进行等效变换, 需要采用外加电压源求电流的方法来得到该网络的等效电阻. 含受控源单口网络的等效电路如图 4 所示. 图 4a 所示为待求的含受控源的单口网络, 在图 4a 的基础上外加 5V 的电压源 ( 注意 : 外加的电压源大小可以是任意的 ) 以构建如图 4b 所示的电路. 测量出 I 1=0.015A, 故该网络 0 和 1 之间的等效电阻 R eq= U I = 5V 0.015A =333.33Ω. 图 4 含受控源单口网络的等效电路 Fig.4 EquivalentCircuitsforOne-EndNetworkwithControledSource 3.3 与理想电压源并联的支路和与理想电流源串联的支路的等效与理想电压源并联的支路和与理想电流源串联的支路属于该课程学习的又一个难点, 学生在初次学

4 第 6 期韩新风 :Multisim 软件在电路分析课程教学中的应用 81 习时不易掌握这 2 类电路的处理方式. 与理想电压源并联的支路对外电路是无效的, 即端口电压始终等于理想电压源本身. 与理想电压源并联的支路如图 5a 所示, 在 0 和 1 之间接电压表时, 测得 0 和 1 之间的电压 U 10=5V( 与理想电压源 V 1 的数字相同 ). 为了进一步讨论与理想电压源并联的支路对外电路是无效的这个结论, 重新构建一个如图 5c 所示的与图 5a 中电阻阻值和连接方式均不同的电阻网络, 并使之与 V 1 并联. 测量图 5c 中电路的端口电压, 发现 U 10 结果不变. 图 5 与理想电压源并联的支路的等效 Fig.5 EquivalentCircuitsofParalelBranchwiththeIdealVoltageSource 与理想电流源串联的支路的等效过程如图 6 所示. 分析过程与以上类似, 不再赘述. 虽然图 6a 和 6b 中, 与理想电流源串联的支路各不同, 但是由图中电流表可见, 对应于不同的外电路, 电路 1 始终等效为 1 A 的电流源. 图 6c 所示为保持图 6a 的网络不变, 仅将电流源改为 2A. 由图 6c 可知, 电路 3 等效为 2A 的电流源. 因此, 与理想电流源串联的支路的等效由理想电流源的数值决定, 与理想电流源串联的支路对外电路是无效的, 即等效电路始终等于理想电流源本身. 图 6 与理想电流源串联的支路的等效 Fig.6 EquivalentCircuitsofSeriesBranchwiththeIdealCurrentSource 4 电阻电路的一般分析电阻电路的一般分析方法有 2 大类 : 电流分析法和电压分析法. 电流分析法又可以分为支路电流法网孔电流法和回路电流法. 对于平面电路来讲, 较常用的分析方法为网孔电流法, 因此以网孔电流法和节点电压法来讨论 Multisim 软件在电阻电路一般分析中的应用. 4.1 网孔电流分析法在平面电路中自然形成的孔为网孔. 网孔电流分析法是以假想的网孔电流作为未知量列写回路的

5 82 吉首大学学报 ( 自然科学版 ) 第 39 卷 KVL 方程以求得网孔电流, 然后通过网孔电流的代数运算求得电路中各支路的电流. 如图 7a 所示, 选定 3 个网孔, 假设网孔电流沿着顺时针方向在网孔中流动, 列出 3 个网孔的 KVL 方程, 可以求得网孔电流自左向右分别为 2,2.5,1A. 在仿真软件中将电流表放置在属于单个网孔的支路上, 即可测量出各个网孔的网孔电流. 从图 7b 可以看出, 电流表测量值等于理论分析值. 图 7 网孔电流分析法的应用电路 Fig.7 ApplicationCircuitofMeshCurrentAnalysis 4.2 节点电压分析法节点电压法是一种以节点与参考点之间的电压作为未知量来列 KCL 方程的电路分析方法. 在仿真软件中构建电路后, 可以用电压表快速测量出各节点的电位. 分析方法与网孔电流法类似, 不再赘述. 5 电路定理 5.1 叠加定理电路分析中常用的定理有叠加定理替代定理戴维宁定理诺顿定理特勒根定理等. 对于有唯一解的线性电路, 多个激励源共同作用引起的响应 ( 电路中某处的电压或电流 ) 等于各激励源单独作用 ( 其他激励源置为 0) 所引起的响应之和. 用叠加定理求电压 U 的过程如图 8 所示. 电路中独立电源共有 3 个, 分别为 136V 电压源 50V 电压源和 3A 电流源. 每个电源单独作用 ( 不起作用的电源处理方法 : 电压源用导线代替, 电流源处开路代替 ) 的电路如图 8b 8d 所示. 由图 8 可知,U (1) =60.444V,U (2) =22.222V,U (3) =-2.677V. 根据叠加定理计算电压 U,U=U (1) +U (2) +U (3) =60.444V V-2.667V=80V, 这与图 8e 所示的电压测量结果完全一致. 图 8 叠加定理的应用电路 Fig.8 CircuitsApplyingSuperpositionTheorem

6 第 6 期韩新风 :Multisim 软件在电路分析课程教学中的应用替代定理在具有唯一解的任意网络中, 若已知某支路的电压 u 或电流 i, 则在任意时刻, 可以用一个电压为 u 的独立电压源或一个电流为 i 的独立电流源代替该支路, 而不影响网络中其他支路的电压或电流. 替代定理应用电路如图 9a 所示. 从图 9a 可以看出, 各支路的电流经电流表进行测量,0 和 1 之间的网络 ( 含电阻 R 4 支路 ) 的电压和电流分别为 80V 和 2A. 图 9b 中将该支路用 80V 电压源代替, 图 9c 中将该支路用 2A 电流源代替. 由图 9 可知,1 0 支路被 80V 电压源或 2A 电流源代替, 并没有影响电路中其他支路的电流. 在课堂教学中, 可以将该电路的各支路电压留给学生自己去测量, 以验证替代定理. 图 9 替代定理的应用电路 5.3 戴维宁定理和诺顿定理 Fig.9 CircuitsApplyingSubstitutionTheorem 对于含源的一端口网络, 对外电路来说可以用 1 个电压源和电阻的串联组合等效置换 ( 戴维宁等效 ), 也可以用 1 个电流源和电阻的并联组合等效替换 ( 诺顿等效 ). 电压源的数值为含源一端口网络的开路电压值 U oc, 电流源的数值为含源一端口网络的短路电流值 I sc, 电阻的数值为含源一端口网络的等效电阻值 R eq,r eq= Uoc I sc. 戴维宁等效电路和诺顿等效电路如图 10 所示, 通过电流表直接测得流经 R 3 电阻的电流值为 3.529A. 图 10 戴维宁等效和诺顿等效的应用电路 Fig.10 CircuitsApplyingTheveninEquivalentandNortonEquivalent 根据图 10 所示流程, 采用戴维宁等效电路和诺顿等效电路计算流经电阻 R 3 的电流. 为了得到戴维

7 84 吉首大学学报 ( 自然科学版 ) 第 39 卷宁等效电路和诺顿等效电路, 需要测量开路电压 U oc 和短路电流 I sc, 测量电路如图 10b,10c 所示. 测量得 U oc=40v,i sc=6.316a 后, 求得 R eq= Uoc I sc = 40V 6.316A 6.333Ω. 由此可得如图 10d 所示的戴维宁等效电路和如图 10e 所示的诺顿等效电路. 从实验结果来看, 等效电路图 10d,10e 与原电路图 10a 所示的结果是一致的. 戴维宁等效电路中电流为 3.53A, 与原电路电流 3.529A 不完全相同, 这是在求等效电阻 R eq 时, U oc 与 I sc 除不尽,R eq 取约数所致. 6 动态电路在电容器充放电方面, 对动态电路工作原理的理解是至关重要的, 因此在仿真平台中构建如图 11 所示的 RC 动态电路. 图 11 RC 动态电路 Fig.11 RCDynamicCircuit 电容元件是存储电能的元件, 是实际电容器的理想模型. 图 11a 所示电路为电容和电阻构成的 RC 动态电路, 当开关 S 1 闭合时, 回路经电阻 R 1 对电容 C 进行充电, 电容器两端的电压波形如图 11b 所示, 充电完成后电容两端的电压值保持不变,U C =10V; 当开关 S 1 打开后, 回路经电阻 R 2 对电容 C 进行放电, 电容器两端的电压波形如图 11c 所示, 放电结束后, 电容两端的电压值保持不变,U C =0V. 对比图 10b, 10c 可知, 充电和放电所需要的时间长度是不同的. 这主要是因为充电回路的电阻 R 1=2kΩ, 而放电回路的电阻 R 2=10kΩ. 根据电路的时间常数 τ=rc, 一般认为电路经过 5τ 完成充电或放电. 图 11a 所示电路

8 第 6 期韩新风 :Multisim 软件在电路分析课程教学中的应用 85 中充电时间常数 τ 1=R 1C,τ 2=R 2C, 因此 τ 2=5τ 1. 从图 11b,11c 可知, 充电时间近似为 7.4ms, 放电时间近似为 37.1ms, 由此可知放电时间约为充电时间的 5 倍, 这与理论分析是一致的. 7 结语综上所述, 将 Multisim 软件应用在电路分析课程的教学中, 不仅可以为枯燥乏味的理论课堂教学增加趣味性, 还可以通过仿真软件中的电压表电流表和示波器等测量工具实时显示电路的运行结果, 帮助学生理解电路的工作原理, 以及电路参数对电路的影响. 参考文献 : [1] 韩新风, 李勇, 何恩节, 等.Multisim13.0 软件在组合逻辑电路教学中的应用 [J]. 重庆文理学院学报 ( 社会科学版 ), 2016,35(2): [2] 徐鹏, 毛攀峰. 基于 Multisim10 的扩音电路设计与仿真 [J]. 微型机与应用,2017,36(20): [3] 张爱英. 基于 Multisim 的三极管放大电路仿真分析 [J]. 现代电子技术,2013,36(4): [4] 张俊涛, 陈晓莉. 电路仿真软件在电子技术教学实践中的应用 [J]. 实验技术与管理,2007,24(6): [5] 梅烨, 罗敏, 田艳芳, 等.Multisim 在电路分析教学中的应用 [J]. 教育现代化,2016,3(4): ;123. [6] 彭光含. 基于 Multisim 虚拟仿真的电路分析教学模式探索 [J]. 大众科技,2015,17(9): ;175. ApplicationofMultisimSoftwareintheTeachingofCircuitAnalysisCourse HAN Xinfeng (ColegeofElectricalandElectronicEngineering,AnhuiScienceandTechnology University,Fengyang233100,AnhuiChina) Abstract:Withthehelpofmoderncomputersimulationtechnology,theauthorintroducesthesimulation softwaremultisimintotheclassroom multimediateachingofcircuitanalysis.accordingtothelearning needsofthecurriculum,variouskindsofcircuitsarebuiltonthesimulationplatform.theparametersof circuitelementscanbeflexiblymodified,andthecurrent,voltageandotherparametersinthecircuitcan be measured and displayed visualy andintuitively.thisteaching method can efectively stimulate students'interestinlearning,improvetheefectoflearning,andlayasolidtheoreticalfoundationfor studyofsubsequentprofessionalcourses. Keywords:Multisimsoftware;circuitanalysiscourse;teaching ( 责任编辑雷可君 )

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Microsoft Word - 02 第章线性电路分析方法本章主要内容本章主要以电阻电路为例介绍几种常用的分析方法, 即支路电流法节点电压法叠加定理和戴维南定理引例常用的电路分为简单电路和复杂电路简单电路可用第章所学的电路定律和等效变换的方法进行分析 ; 对于复杂电路, 例如图.0- 所示的电路是电桥测量电路, 当电桥不平衡时, 负载电阻 R 中就有电流 I, 电桥电路就有电压输出显然, 用前面所学的分析方法很难求出 I