电路原理课程仿真实验设计

2023.05.16

付扬

摘? 要电路原理课程是一门非常重要的电类专业基础课程，为了提升学生的学习效率，在课后延续中将Multisim仿真引入实验教学，使实验教学虚实结合。介绍Multisim仿真实验设计方法和优势，以电路原理课程的典型实验项目为例，介绍Multisim仿真实验设计。实践表明，Multisim仿真能提高学生实验兴趣，有利于加深学生对电路定理和电路方法的理解和应用，提升学生的实践能力和创新能力。

关键词电路原理;Multisim;戴维宁定理;实验教学

中图分类号：TP391.9? ? 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）15-0129-03

1 前言

电路原理课程是理论性和逻辑性很强的课程，同时具有很强的实践性。北京工商大学电路原理课程开在大一下学期，学生普遍反映本课程学习难度大，对定理、定律理解不透，方法应用缺乏灵活性。为了使学生理解学会该课程，为后续专业基础课、专业课学习打下良好基础，应加强实践环节。由于该课程实验学时和实验资源有限，长期以来增加实验环节教学不能得以有效改善。以学校综合教学改革为契机，增加课后延续教学环节，为提高学生的分析设计能力和实际实验操作的效率，引进Multisim仿真设计进行实验，将抽象理论知识通过直观仿真实验展示，仿真和实际实验实现虚实结合，在加深学生对理论知识理解的同时，加强实践训练，有效地培养学生分析问题、解决问题的能力以及实践创新能力。

2 Multisim仿真实验设计方法和优势

Multisim是美国国家仪器公司推出的虚拟仿真软件，能够进行原理电路设计和电路功能测试的仿真。Mu1tisim设计环境全面集成化，提供了多个元器件库的数千个元器件，可以方便快捷地选定元器件完成设计的电路图;提供了齐全的虚拟电子仪器，包括实验室常用仪器和实验室不具备的仪器;提供了全面的仿真分析工具，方便快捷地实现对电路的各种分析。Multisim仿真实验设计方法是：首先明确实验目的，根据实验原理，创建实验电路;再根据实验内容，选定分析方法和仿真儀器进行仿真分析;最后根据仿真分析得出实验结论。

Multisim实验操作如同真实实验一样，相比实验室实验具有以下优势。

1）提升了学生的兴趣和积极性。学生对电脑操作上手快，愿意在电脑上操作，因为参数修改方便且不担心接错电路，器件选择范围广，实验犹如娱乐十分有趣，而不是一种负担。

2）时间和地点不受限制。教室、宿舍、图书馆、机房等只要有电脑，学生随时可以进行设计仿真实验，灵活且方便，有效增加了实验学时。

3）节省实验器材。Multisim仿真减少了实验室器件和仪器的损坏，节省了实验室经费开支。Multisim下接线不对或操作不当，不会造成仪器损失。

4）Multisim软件安全可靠。对于交流电路，如三相电路、功率因数提高等，电压380 V/220 V，实验室实验中教师会特别提醒大家注意安全，并在实验中特别注意看管学生，以防触电;但在Multisim仿真中，不必有任何安全方面的担心。

电路原理课程主要包含直流电路和交流电路两个部分，下面分别以直流和交流两个部分的典型电路“戴维宁定理”和“功率因数提高”进行仿真实验举例。

3 直流电路仿真实验举例：戴维宁定理

实验目的

1）掌握测量有源一端口网络等效参数的方法;

2）验证戴维宁定理的正确性。

实验原理? 工程实际中常常碰到只需研究某一支路的电压、电流或功率的问题，对所研究的支路来说，电路的其余部分就成为一个一端口有源网络。一个含独立电源、线性电阻和受控源的一端口网络，对外电路来说，可以用一个电压源和电阻的串联组合来等效置换;此电压源的电压等于外电路断开时端口处的开路电压uoc，而电阻等于的全部独立电源置零后的输入电阻或等效电阻Req，其示意图如图1所示。

实验内容? 实验设计的一端口网络如图2虚线框内所示，设计仿真实验步骤如下。

用开路电压、短路电流法测定戴维宁等效电路参数UOC

和Req。在图2所示一端口网络中，仿真只需直接接入一只万用表即可，仿真运行后可得到测定的开路电压UOC和短路电流ISC，如图2所示，即可算得Req=UOC/ISC=4.068 V/

12.189 mA=333.74 Ω。

2）一端口负载实验。按图3一端口接入负载R6，测量其外特性。选择合适的电流表和电压表，调R6测量其负载的电流和电压，如图3所示，当R6=5 kΩ时，其电流为0.764 mA，电压为3.813 V。

3）验证戴维宁定理。将图3的一端口用戴维宁定理等效，在元器件库中选择电源，其值等于一端口的开路电压UOC;选择一电阻，其值为Req，负载仍接R6，其电路如图4所示。同上调节R6，测其电压和电流。当R6=5 kΩ时，测量结果如图4所示，其电压表和电流表与图3一样，且当R6从1 kΩ到10 kΩ变化时，图3和图4表的读数都一样，说明虚框内两个电路对外电路R6等效，从而验证戴维宁定理。

实验结论? 通过实验内容1），实现有源一端口网络等效参数的测量;通过实验内容2）、3），验证戴维宁定理。

4 交流电路仿真实验举例：功率因数提高

实验目的

1）熟悉日光灯电路的工作原理和电路模型;

2）理解提高功率因数的意义，掌握提高功率因数的方法。

实验原理? 功率因数低带来如下弊端：

其一是供电电源设备容量不能充分利用;

其二是线路总电流大，导致电能损耗增加。

这些都是很不经济的，因此需要提高功率因数。提高功率因数的原则是保证负载的原来正常工作状态不变。

电感式镇流器的日光灯电路是感性负载电路，镇流器看作电感与电阻的串联，点燃的日光灯管看成是电阻元件，其电路的功率因数低。在日光灯电路上并联电容可以在保证日光灯正常工作的情况下，提高整个电路的功率因数，减少线路的总电流。电路由功率因数cosφ1提高到cosφ2，其并联的电容值为，P、U、ω分别为日光灯功率、额定电压和交流电的角频率。

实验内容

1）构建日光灯电路模型，选择测试仪器。标称值为30 W

日光灯电路日光灯正常工作后，实际测量其等效电阻和电感为R=489.27 Ω和L=2.148 H。则日光灯在Multisim下的模型等效为电阻R和电感L的串联，其构建电路模型如图5所示，选择并联可变电容，两块电流表分别测量总电流和电容支路电流，XWM1为功率表，测量有功功率和功率因数。

2）改变并联电容值的电路测试。改变电容值测量电路功率因数、总电流和电容电流，测量结果如表1所示。

3）数据分析。根据表1数据能清楚看到随着C在0～

3 μF之间逐渐增大，功率因数增大，总电流减小，电路呈感性;当C=3.1 μF时，功率因数增大到最大值1，電流减小到最小值0.152 A，如图5所示;当C在3.2～6.5 μF之间逐渐增大时，功率因数随之减小，总电流增大，电路为容性。

实验结论? 在保证负载工作状态不变的前提下，并联电容可实现功率因数的提高，总电流减小;为保证经济效

益，提高功率因数并联电容应使电路处于欠补偿状态。

5 结语

电路原理课程通过引入Multisim仿真实验，使电路理论和实验联系更加紧密，丰富了电路实验内容，有利于对理论知识的理解和应用，化解了课程学习难度，提升了教学质量。通过实践可以看出，Multisim仿真突破了时间和空间限制，提高了学生实践的兴趣和自主性，是对电路原理课程实践教学的有益补充，有效提升了学生的分析设计能力和创新能力。

参考文献

[1]陈姝雨，李鸿儒，司维，等.以提高教学质量为核心的电路原理实验改革[J].实验技术与管理，2018，35（1）：226-229，233.