Multisim10在电路教学中的典型应用
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摘要：针对高等院校的实验仪器资源相对短缺，无法满足教学需求的现状，结合实例说明，将Multisim软件应用于电路基础教学，使理论与实验有机结合，有利于提高学生的自学能力和创新能力。
关键词：Multisim；电路；仿真
中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)03-0649-03
Typical Application of multisim10 in Teaching Circuit
WU Ping, LI Xin-hui
(Department of Elecaatronic Engineering, Liaoning Engineering Vocational College, Tieling 112000, China)
Abstract: Aimed at the condition that laboratory instrument resource can not meet the demands of teaching, With examples to explain,by using Multisim software in teaching circuit,theory and experimental are organically combined. Students’abilities of independent study and innovation are improved.
Key words: Multisim; circuit; simulation
电路基础作为电气、电子信息、机电一体化等专业的必修课程，在学生的教育过程中起很重要的作用。之所以说其重要，一方面该门课程既具有理论分析又具有与实践结合紧密的特点，另一方面它又是进一步学习其它电类课程的纽带。因此如何开展好该门课程的教学就成为值得教师深入思考的一个重要问题。特别是随着教学改革的深入，一体化项目教学方式的引入也对教师提出了更高的要求[1]。传统的电路课程教学主要采用板书的形式辅以多媒体课件，单纯的讲授理论，课后通过实验环节巩固所学内容，培养学生的实践动手能力。随着高等教育的发展以及学生人数的不断增加，该种教学模式的弊端越来越明显：其一，在理论教学环节，学生更多的是被动的接受理论分析，时间一长就导致学生丧失了对该门课程学习的兴趣。该现象在高职院校的教学过程尤为明显；其二，由于学生人数的不断增加，高校发展水平参差不齐，这样就导致部分院校在实验硬件投入方面存在不足，有选择性的开展实验、十几人共用一套设备等等这些现象在实验教学环节都不同程度的存在。基于此现状，结合“电路基础”这门课程抽象、枯燥、概念多的特点，尝试在教学活动中引入了基于Multisim仿真软件的理论实验一体化的教学模式，实践表明该教学模式易于被学生接受，不仅活跃了课堂气氛，激发了学生学习的兴趣，而且使学生能够较好的理解一些抽象的难点、重点问题，也培养了学生实践能力和分析问题的能力[2]。本文通过几个典型实例，介绍Multisim在“电路基础”课程教学中的具体应用。
1 Multisim软件简介
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的用于电路设计和仿真的EDA工具软件，其功能强大，仿真效果生动形象，是电子类专业课程教学的主要软件之一。其界面友好，操作方便，整个操作界面如同电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，连接之后运行仿真，所得到的测量数据、波形图和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。学生可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，没有任何元器件和辅料的损耗，仪表也没有损坏的问题。可以大大降低实验成本。特别是在三相电实验方面，避免了学生接触较高电压存在的不安全隐患。随着Multisim软件的普及，现在许多高校开始将该软件应用于电类基础课的辅助教学和实验教学中[3]。
2.1基尔霍夫定律的验证
基尔霍夫定律是电路中比较重要的理论。在交直流电路中涉及到电流、电压物理量的求解时，首先考虑是否能应用到该定律。Multisim软件在课堂授课的过程中即可快速验证该定律。基尔霍夫电流定律( KCL)指出:在任一时刻,流入一个结点的电流总和等于从该结点流出的电流总和。它也可以表述为:如果规定流出结点的电流为正,流入结点的电流为负,则流经该结点的电流的代数和必定为零。还可以表述为:在电路的任一结点上各支路电流的代数和总等于零。基尔霍夫电压定律( KVL)指出:在任一时刻,沿闭合回路电压降的代数和总等于零。基尔霍夫电压定律指的是沿闭合回路中两点的电压,它与路径和闭合回路中遇到的元件 种类无关。现以分析图1所示直流电路为例来简要介绍Multisim软件在电路中的使用方法[4]。
首先打开Multisim软件选取元器件建立如图1所示参数的电路图，注意接地，否则仿真时会提示出错。设三条支路的电流参考方向均指向节点1，下面通过仿真仪表测三条支路的电流。见图2。在图2中，从Multisim软件的虚拟仪器中选择三个万用表，设置成测量直流电流模式，并分别串联在三个支路中[5]。
图1验证基尔霍夫定律电路
然后点击工具栏中“Simulate”“Run”或者直接按快捷键F5，开始仿真，仿真结果如图2所示。根据KCL定律有：∑I =0。现把流入节点1的三个电流相加有：-81.814mA+(-918.163mA)+999.989mA≈0，即验证了KCL定律的正确性。接下来进行KVL定律的验证。建立如图3所示的仿真电路图。图中选择3个万用表，均设置为直流电压测量模式，把其分别并联于最外面回路的各个元件。上
图2基尔霍夫定律仿真电路
述设置完成后，点击Simulate按钮开始仿真[6]。由仪表显示示数可见：外回路电压的代数和为零，即∑U =0。至此很好地对基尔霍夫定律进行了验证。这样在理论教学的同时，进行了随堂的实验验证，既调动了学生的积极性又活跃了课堂，使学生在学习理论的过程中不再单调乏味。
图3基尔霍夫电压定律验证电路
2.2三相交流电路分析
三相交流电路分析是电路这门课程中相对较难的一个部分，并且三相交流电路实验所需的电压较高，这样就存在一定的安全隐患，同时在做短路实验时也容易造成实验器材的损坏。基于此，通过Multisim软件来完成三相交流电路的仿真分析就成为一个相对较好的实验方法。本文仅以分析负载星形连接为例[7]。
三相交流电路是由三相电源、三相负载和三相输电线路组成。三相电源是三相电路的基本元件，连接方式有星形和三角型连接。本文所讨论的电源是Y型的对称三相电源。利用multisim组成电压幅值相同、频率相同、相位相差120。对称的三相交流电源，三相电路的负载连接方式分为星型和三角型两种。本例中负载选择了Multisim中的120V/100W的白炽灯负载星型连接。
2.2.1有中性线的星型连接
电路如图6所示，此时按下仿真按钮F5键，可观察到三相白炽灯负载均点亮，在此电路中加入测量用万用表，分别测量线电压、相电压、中性线电流，电路如图5。XMM1-XMM7是7个万用表。其中XMM1、XMM2、XMM3是用来测量三相对称负载相电压的，XMM4、XMM5、XMM6是用来测量线电压的，而XMM7是用来测量中性线电流的。通过观察图5中仪表示数可知，在负载对称星形连接中，中性线电流为零，线电压的有效值约是207.8V，相电压的有效值约是120V，线电压的有效值恰是相电压有效值的3倍。这样就验证了课堂上理论推导的结果[8]。
接下来讨论有中性线时星形负载不对称情况，改变原有电路，把U相负载换成120V/250W的白炽灯，按下F5键开始仿真，结
图4对称星形负载电路果表明：中性线存在的情况下，无论负载是否对称都可以正常工作。也就是说，三相负载仍然保持各自的独立性，接万用表测量结果表明，其两端的电压仍然是三相电源的电压。限于篇幅，不再赘述。
图5对称星形负载电路参数测量图
2.2.2无中性线的星型连接
首先讨论无中性线星形负载对称情况，建立电路如图6所示，按快捷键F5进行仿真，实验结果表明：在中性线不存在的情况下，三相对称负载仍然能正常工作。在该电路中，对每相负载用万用表进行测量，测量结果显示每相负载的电压仍然是三相对称电源的电压。这样就得到结论：在负载对称三相电路中，即使中性线不存在，电路仍然能够正常工作[9]。
图6无中性线对称三相负载电路
接下来讨论无中性线星形负载不对称情况，建立电路如图7所示，图中XMM1、XMM2、XMM3分别测量U、V、W三相负载的电压，测量结果表明：三相不对称负载星形连接时，如果不存在中性线，则电路不能正常工作。该电路中，出现负载欠压或过压现象，造成白炽灯X2和X3烧毁，X1不能正常工作的情况。因此在实际工程中要避免中性线被拉断等情况的发生。
图7无中性线非对称三相负载电路
3结束语
该文针对高校传统实验仪器短缺、老化而无法满足实验教学需求的现状，结合工科电类基础课理论教学和实验教学的实际，特别是“电路基础”课程的特点，提出了行之有效的解决方案：即在教学工作中引入仿真软件Multisim，减少了硬件设施的重复投资，降低了硬件资源的损耗，做到了教学、实验过程的有机结合[10]。在课堂上将多媒体教学和Multisim动态演示结合，使教学过程生动直观，激发了学生的学习热情。
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