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基于Multisim仿真在电路分析基础教学中的实践探索

2024-08-12 70 上传者：管理员

摘要：文章以卢飒主编的《电路分析基础》为例，详细分析了针对通信工程专业电路分析基础课程教学过程中，如何利用Multisim软件将仿真实验与理论教学联系起来，通过Multisim仿真软件实现基尔霍夫定律、网孔电压法、节点电流法、叠加原理、戴维南等效、诺顿等效、零状态和零输入响应等相关核心内容实践验证，通过理论教学结合实践仿真，学生能够从深层次理解电路的运行状态以及变化过程，提高对复杂电路的感性认识，为后续模拟电子技术等课程做好铺垫工作。

关键词：
;Multisim
实践教学
实验仿真
电路分析基础
研究电路
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电路分析基础课程作为普通本科院校通信类、控制工程类等专业的专业基础必修课程，以分析电路、研究电路的基本规律为主要内容[1-2]。课程理论严密、逻辑性强，具有很强的实践要求，通过对电路分析基础课程的理论学习以及使用Multisim软件进行实验仿真，建立对电路的分析、设计能力，为后续模拟电子技术等课程准备必要的知识及能力[3-4]。

本文以电子工业出版社出版的卢飒主编的《电路分析基础》(第2版)为例，通过理论与仿真相结合的方式着重讲解在通信工程专业中如何将Multisim融入课堂教学中，通过讲解理论知识，使得学生明白相关知识点，实验课程通过仿真相关重点内容及验证部分作业习题从而使学生深刻理解相关知识点，通过仿真更为直观地看到电路中各个参数的具体变化，提升学生知识的掌握程度、提高电路设计及仿真、解决电路相关问题的能力。

1、基本电路定律

基本电路定律包括基尔霍夫电流定律、基尔霍夫电压定律，该内容高度契合高中电路相关内容，通过联系之前高中学过的知识，通过相关内容的讲解以及仿真实验对其定律有更深入的了解和掌握，具体仿真同后续叠加定理图4的验证结果，能够对基尔霍夫电流定律、基尔霍夫电压定律有更为清晰的认识。

2、电路的等效变换

电路的等效变换是电路分析中非常重要的概念，也是电路分析中常用的方法，能够将复杂电路转换为结构较简单的电路，主要包括电阻能效、电源等效以及无源二端网络等效电阻的计算。理论讲解中主要利用串并联电路中电流电压特性、基尔霍夫电流、电压定律进行计算分析，在仿真实验中，可以使用外加电源法、开路短路法来求解等效内阻，图1(a)为原电路图，需求解电流I,通过理想电压源并联电阻等效为理想电压源，理想电流源串联电阻等效为理想电流源，电压源与电阻串联可以等效为电流源的等效变换规则进行化简，化简最终得到图1(b)与图1(a)结果相同，通过计算与仿真的联系，能够对等效变换规则有更深层次的理解。

图1 等效电路分析图

3、受控源电路

电压源电压或者电流源的电流受电路中其他部分的电压或者电流控制，从而得到四种受控源，分别是电流控制电流源(CCCS)、电流控制电压源(CCVS)、电压控制电流源(VCCS)、电压控制电压源(VCVS)。通过分析电流控制电流源(CCCS)的仿真电路图来理解四种受控源类型特点、接线方式，验证相关习题对应的求解答案，下图2表示电流控制电流源(CCCS)的仿真电路图。

图2 电流控制电流源仿真图

4、网孔电流法、节点电压法

作为电路分析中比较重要的两种电路分析方法，从理论分析中推导网孔电流法及节点电压法的内在规律，明了网孔电流法的核心是遵循基尔霍夫电压定律，闭合回路电压升之和等于电压降之和，节点电压法是遵循基尔霍夫电流定律，节点电流流入之和等于节点电流流出之和。图3进行网孔电流法的仿真实验，通过理论实践相结合，更为清晰地掌握具体问题的分析方法。

图3 网孔电流法仿真图

5、叠加定理

叠加定理作为电路分析的另一种方法，灵活使用会使得问题进一步简化，当线性电路中同时存在电流源和电压源时，如果要计算电路中电流或者电压，可以将电路分成两个部分计算，第一部分单独计算电压源的作用效果，将电流源当开路处理。第二部分单独计算电流源的作用效果，将电压源用导线代替，之后根据所要计算内容以参考方向为基础进行计算求解。图4是叠加定理仿真图，通过基尔霍夫电流定律及基尔霍夫电压定律可验证其正确性，通过实验仿真及实际平台测试更加感性地对定理有明确认识。

图4 叠加定理仿真图

6、戴维南定理、诺顿定理

当外电路电阻存在变化时，通过戴维南、诺顿等效可以快速解决可变电阻参数计算问题，将可变电阻视作外电路，从可变电阻两端看进去，求解内电路的等效电压和等效内阻，即可得到戴维南等效结果，同样从可变电阻两端看，求解内电路的等效电流和等效电阻即可得到诺顿等效的结果，戴维南等效是电压源串联等效内阻，诺顿等效是电流源并联等效内阻，同样两个等效之间的规律是电压源的电压等于电流源的电流与等效内阻相乘。图5通过实验仿真及与原电路图的比较，能够精准理解相关定理的规则及使用方法。

图5 戴维南、诺顿定理仿真图

7、低通、高通滤波电路

通过公式推导讲解低通、高通滤波电路，明了其中各个参数的具体含义，取频率为1Hz, 验证幅频、相频特性曲线的正确性，正确理解低通、高通滤波电路的实现方法以及波形特点，图6为RC低通滤波电路仿真结果。

图6 RC低通滤波仿真图

8、零状态响应、零输入响应、全响应

动态电路的时域分析作为电路分析基础课程中的重点内容，零输入响应和零状态响应分别对应高等数学中齐次方程和非齐次方程相关内容，通过电容电感特点分别推导在零输入和零状态条件下的响应，引出具体公式，通过零输入和零状态之和得到全响应结果，进而引出三要素法。通过仿真实验能够清晰地看到电流、电压等相关参数在零输入、零状态下的变化规则，进而明白电路工作特点，理解实际应用，图7是RC电路零状态响应仿真图。

图7 RC零状态响应仿真图

9、结语

电路分析基础作为电子信息类专业学生的第一门专业基础课，本门课程的掌握程度直接影响后续课程的学习，通过理论结合实验仿真的教学方式，从深层次改善学生对电路课程的畏难情绪，更加感性地理解电路工作过程中各个参数的具体变化，增加学生使用仿真软件验证问题的能力，提升自主学习及解决相关问题的能力。

参考文献:

[1]卢飒.电路分析基础[M].第二版.北京:电子工业出版社,2022.

[2]库瓦特拜克·马木提,伊力亚尔·加尔木哈买提,霍加·托合塔森.Multisim仿真软件在电路分析基础实验教学中的应用效果探索[J].伊犁师范学院学报(自然科学版),2020,14(04):67-74.

[3]沈旭东,吴湘莲,秦国栋.基于Multisim仿真的电路分析基础课程教学改革与实践[J].电子制作,2020(20):46-47.

[4]赵文杰.Multisim仿真实验在电路分析中的应用[J].电子制作,2020(01):45-46.

基金资助:新疆理工学院2023年校级教改课题:面向新工科培养学生解决复杂工程问题的“PBL+竞赛”教学体系研究(PT-2023026);

文章来源:张原园,李龙,杨珺菲.基于Multisim仿真在电路分析基础教学中的实践探索[J].科技风,2024,(22):43-45.