基于Multisim虛擬仿真技術(shù)的電工電子實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

楊 蕊, 王曉燕, 楊 婷

(西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 陜西 西安 710055)

基于Multisim虛擬仿真技術(shù)的電工電子實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

楊 蕊, 王曉燕, 楊 婷

(西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 陜西 西安 710055)

針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)投入大、設(shè)備易損壞、實(shí)驗(yàn)效果不理想等問(wèn)題,構(gòu)建了基于Multisim虛擬仿真技術(shù)的電工電子實(shí)驗(yàn)室,列舉了應(yīng)用Multisim仿真進(jìn)行感性電路功率因數(shù)的改善、三角波發(fā)生器、多諧振蕩器等電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)例。實(shí)驗(yàn)表明,虛擬仿真技術(shù)有效提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,推進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

電工電子實(shí)驗(yàn)； Multisim； 虛擬仿真技術(shù)

西安建筑科技大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)中心自建立以來(lái),堅(jiān)持“以能力培養(yǎng)為核心,理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想,不斷改革創(chuàng)新。在我校新校區(qū)實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)中,著重解決實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備陳舊、實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想和提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率等問(wèn)題,并作為重要課題進(jìn)行研究[1]。在新校區(qū)的實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)中,將Multisim仿真軟件引入實(shí)驗(yàn)教學(xué),構(gòu)建了基于Multisim的虛擬仿真電工電子實(shí)驗(yàn)室,解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的諸多問(wèn)題,有效推進(jìn)了我校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[2-3]。

1 Multisim虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)

我?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室雖已投入大量資金,但仍然無(wú)法做到學(xué)生單人單組實(shí)驗(yàn),這就使得部分學(xué)生不能很好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí),降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率,實(shí)驗(yàn)效果也不是很理想。此外,由于學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)不當(dāng),使很多舊的實(shí)驗(yàn)設(shè)備易被損壞。為了保證每一次實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行,教師必須事先花費(fèi)大量時(shí)間排除設(shè)備故障,不僅影響了實(shí)驗(yàn)效果,而且大大增加了教師的工作量、降低了實(shí)驗(yàn)效率[4]。相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室,Multisim虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室有以下4方面優(yōu)點(diǎn)。

(1) 儀器儀表齊全。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的元器件和測(cè)試儀器齊全,可以不受傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的各種條件限制,完成各種類型的電路設(shè)計(jì)與電路實(shí)驗(yàn)[5]。

(2) 實(shí)驗(yàn)成本低。有些實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴,在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室里很難為學(xué)生提供使用機(jī)會(huì)，但是在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中所需元器件的種類和數(shù)量不受限制。

(3) 實(shí)驗(yàn)效率高。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室不會(huì)因?qū)嶒?yàn)設(shè)備損壞、電源接觸不良等問(wèn)題而影響實(shí)驗(yàn),從而使實(shí)驗(yàn)過(guò)程更加快捷、準(zhǔn)確,提高了實(shí)驗(yàn)效率。

(4) 分析方法多樣。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時(shí)域分析和頻域分析、線性分析和非線性分析等,使設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)可以同步進(jìn)行,且修改調(diào)試電路方便。

Multisim軟件的工作界面簡(jiǎn)單直觀,元器件調(diào)用方便,儀器儀表形象逼真,學(xué)生可以快速掌握軟件的使用方法,所以基于Multisim的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室有著傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室不可比擬的優(yōu)勢(shì)[6]。學(xué)生可以方便、快捷地把所學(xué)的理論知識(shí)用Multisim仿真再現(xiàn)出來(lái),不僅可以克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室各種條件的限制,還可以針對(duì)不同的目的進(jìn)行訓(xùn)練,使學(xué)生的分析、應(yīng)用、設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力得到提高[7-8]。

2 基于Multisim的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 感性電路功率因數(shù)的改善

電力負(fù)載大多數(shù)為感性負(fù)載,其功率因數(shù)均低于1。為提高功率因數(shù)又不改變負(fù)載的工作狀態(tài),通常采用感性負(fù)載兩端并聯(lián)電容的方法,用電容的無(wú)功功率補(bǔ)償感性負(fù)載的無(wú)功功率[9]。

改善感性電路功率因數(shù)的實(shí)驗(yàn)是用熒光燈作為感性電路。學(xué)生在該實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常存在以下問(wèn)題:

(1) 對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦斫獠煌笍兀?/p>

(2) 如果接錯(cuò)線路,很容易將燈管燒掉；

(3) 儀表使用不熟練。

在Multisim仿真中,筆者用RL串聯(lián)電路代替熒光燈,接入10 μF可調(diào)電容,接線清楚,儀表使用簡(jiǎn)單,可解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中所遇到的問(wèn)題。

圖1是能改善感性電路功率因數(shù)的Multisim仿真電路圖,通過(guò)調(diào)節(jié)10 μF可調(diào)電容的大小,測(cè)量不同電容時(shí)電路的功率P,電流I、IL、IC以及電壓UL、UR,計(jì)算出功率因數(shù)cosφ,測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。分析數(shù)據(jù)可知,當(dāng)電容為4.7 μF時(shí),功率因數(shù)cosφ最大、電流I最小,并且感性電路的工作狀態(tài)IL、UL和UR都沒(méi)有發(fā)生改變。

圖1 改善感性電路功率因數(shù)的電路圖

C/μFP/WcosφI/AIL/AIC/AUL/VUR/V029.90.4310.3160.3160198.594.82.229.90.7150.1900.3160.152198.594.83.329.90.9220.1470.3160.228198.594.84.729.90.9600.1420.3160.325198.594.86.829.90.5930.2300.3160.470198.594.88.229.90.4350.3130.3160.567198.594.810.029.90.3180.4280.3160.691198.594.8

2.2 三角波發(fā)生器

在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中,運(yùn)算放大器的應(yīng)用十分廣泛,例如設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路,完成比例、積分、微分、濾波以及信號(hào)發(fā)生器等功能[10-11]。以三角波發(fā)生器為例,利用運(yùn)算放大器組成方波發(fā)生器,然后將輸出的方波進(jìn)行積分運(yùn)算就可以成為三角波發(fā)生器。

本實(shí)驗(yàn)采用741芯片。學(xué)生在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中存在的主要問(wèn)題是:(1)電路復(fù)雜,容易連線錯(cuò)誤,無(wú)法得出正確波形；(2)操作不當(dāng),有可能燒毀芯片；(3)示波器使用不熟練。在Multisim虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中,電路連接清晰直觀,示波器的使用方便、簡(jiǎn)單,解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中所遇到的問(wèn)題。

圖2是Multisim虛擬仿真實(shí)驗(yàn)三角波發(fā)生器的電路圖。通過(guò)示波器，可以直觀地看到產(chǎn)生的波形(見圖3)。在圖3中,上方的方波是方波發(fā)生器輸出的波形(U1端口),輸出的方波經(jīng)過(guò)積分電路得到三角波(U2端口)。通過(guò)調(diào)節(jié)變阻器R2的電阻值,就可以調(diào)節(jié)三角波的幅值。

2.3 多諧振蕩器

555定時(shí)器是一種數(shù)字、模擬混合型集成電路器件,外接適當(dāng)?shù)腞、C元件可構(gòu)成各種功能的時(shí)基電路,如單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器等[12]。以多諧振蕩器為例,它是一種矩形波產(chǎn)生電路,這種電路不需要外加觸發(fā)信號(hào)便能連續(xù)、周期性地產(chǎn)生矩形脈沖[13-14]。多諧振蕩器的Multisim仿真實(shí)驗(yàn)電路如圖4所示,用示波器觀察輸出波形如圖5所示,改變電容C1的大小就可以改變輸出方波的頻率。

圖2 三角波發(fā)生器電路圖

圖3 三角波發(fā)生器的波形圖

圖4 多諧振蕩器電路圖

圖5 多諧振蕩器的波形圖

3 結(jié)束語(yǔ)

基于Multisim的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行У亟鉀Q傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的一些問(wèn)題,加深學(xué)生對(duì)專業(yè)理論知識(shí)的理解。在我校新校區(qū)實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)中,將積極構(gòu)建基于Multisim虛擬仿真技術(shù)的電工電子實(shí)驗(yàn)室,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力,積極推進(jìn)我校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

References)

[1] 張志友.Multisim在電工電子課程教學(xué)中的典型應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012,29(4):108-110,114.

[2] 王香婷,劉濤,張曉春,等.電工技術(shù)與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(4):112-114.

[3] 李國(guó)麗,應(yīng)艷杰,盛華,等.電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2008(10):60-61.

[4] 付揚(yáng).Multisim仿真在電工電子實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,30(4):120-122,126.

[5] 蒲永紅,余粟,王維榮,等.Multisim輔助電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探討[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013,32(9):174-177.

[6] 王爾申,李軒,王相海,等.基于Multisim的電工及工業(yè)電子學(xué)課程仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014,31(10):128-131,140.

[7] 盛蘇英.開放式虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2014,12(1):98-101,104.

[8] 萬(wàn)志平.仿真軟件在電類課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2009,26(4):76-79.

[9] 羅倩.Multisim軟件測(cè)量電流的方法及其他改進(jìn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2009(8):2026-2029.

[10] 桂靜宜.Multisim在模擬電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用[J].電子科技,2010(1):107-110.

[11] 易靈芝,王根平,李衛(wèi)平,等.Multisim在電類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2009(5):1-3.

[12] 劉沛津,韓行.電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)及實(shí)訓(xùn)教程[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2014.

[13] 付揚(yáng).電路與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[14] 王冠華.Multisim10電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008.

Construction of electrical and electronic laboratory based on Multisim virtual simulation technology

Yang Rui, Wang Xiaoyan, Yang Ting

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055, China)

Traditional laboratory requires the significant capital investment, the equipment damage is serious, and the the experimental effect is not obvious. The electrical and electronic laboratory is constructed based on Multisim virtual simulation technology. This article lists Multisim simulation examples in the electrical and electronic experimental teaching. Experiments show that the Multisim virtual simulation technology can effectively improve the quality of teaching experiment,and promote the experimental teaching reform in our school.

electrical and electronic experiment; Multisim; virtual simulation technology

2015- 05- 28

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(14JK1405)

楊蕊(1988—),女,陜西咸陽(yáng),碩士,助理工程師,研究方向?yàn)樾盘?hào)處理、信息融合、電工技術(shù).

TP391.9；G420

B

1002-4956(2015)10- 0129- 03