安徽滁州学院 机械与电气工程学院 郑桂林 张青 谢国雄 239000
【摘要】“电路分析实验”课程是电类专业的一门专业基础实验课程，针对其概念多、对学生抽象能力要求高等特点，提出了将Multisim仿真软件引入实验教学环节。以一阶RC低通滤波电路为例，用仿真软件提供的两种方法对电路的特性进行分析，直观的给出了电路的仿真结果。通过仿真进行实验，激发了学生的学习兴趣，提升了教学效果。与传统实验装置相比，解决了可开设项目少、实验完全依赖实验室的问题。
关键词 电路分析实验；Multisim；仿真；低通滤波电路
0引言
为了培养造就引领未来技术与产业发展的卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力保障和人才保障，教育部与2017年提出了“新工科理念”[1]。同年4月，教育部
在天津大学召开了新工科建设研讨会，共商新工科建设的愿景与行动。会中提出，我们应问产业需求建专业，构建工科专业新结构；问技术发展改内容，更新工程人才知识体系；问学生志趣变方法，创新工程教育方式与手段。在新工科背景下，人才的培养应该与产业接轨，与国际前沿技术接轨。教育方式和手段也应该与时俱进，结合学生的志趣进行调整。
“电路分析实验”是高等工科院校必开的一门专业基础实验课程，其在培养学生综合能力和科学实验的基本素养中发挥着重要作用。通过这门课程，学生可以熟悉并掌握常用仪器仪表的使用，掌握利用电路分析理论课所学的电路知识和实验方法进行电路设计和故障排除的技巧，学会实验数据、实验结果的处理和分析[2]。在当前的实验教学过程中，现有的实验装置多数采用实验箱或者实验台。这些实验装置基本上全部是模块化的方式进行设计的，对学生的抽象能力要求高，能开设的实验项目很有限，不能让学生进行系统性的实验，不利于锻炼学生的动手能力和思维能力。也降低了学生主动学习的积极性，从而导致教学质量欠佳[3]。因此，针对电路分析实验的教学改革势在必行。
Multisim是美国国家仪器有限公司推出的Windows平台仿真工具，适用于模拟、数字电路的设计工作。Multisim将业界标准的SPICE仿真与交互式电路图设计环境集成一起，可立即查看和分析电子电路行为。其直观的界面可帮助教育工作者强化学生对电路理论的理解，高效地记忆工程课程的理论。Multisim还在电路设计流程中增加了强大的电路仿真和分析，可帮助研究设计人员减少印刷电路板原型的迭代次数，从而节省开发成本。针对当前电路分析实验课程存在的问题，提出将Multisim引入电路分析实验教学环节，也符合新工科建设的理念。本文将以一阶RC低通滤波器为例，详细介绍如何通过Multisim软件对实验电路进行分析。
1.一阶RC低通滤波电路
在电路分析理论中，频率特性是指在交流电路中，当输入正弦信号的频率发生变化时，电路的稳态响应因负载阻抗发生变化而变化的特性。对于由纯电阻元件构成的电路，由于电阻的特性与信号频率无关，不涉及频率特性分析。对于含有电容器的电路，由于电容的容抗随频率而变化，因此对不同频率的信号作用不同，会呈现出不同的幅频特性和相频特性。
滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某个频率范围内的信号通过，而不在这个频率范围内的信号幅值则通常要受到衰减。这些网络可以是由RLC元件或RC元件组成的无源滤波器，也可以是由RC元件和有源器件组成的有源滤波器。根据幅频特性所表示的通过信号频率范围的不同，一般可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器四种[4]，本文以其中较常见的一阶RC低通滤波器为例进行分析，其电路如图1所示。
.png)
如图1所示，在信号路径中串入一个电阻，并在负载端并联一个电容，就得到了一个无源RC低通滤波器。显然，对于一阶RC低通滤波电路，由于电路包含电容器，因此分析电路时会涉及到频率特性的分析。电容的特性是当信号频率较低时阻抗高，当信号频率较高时阻抗低。电路中电阻与电容串联连接，因此当输入信号的频率较低时，电容两端可分得较大的电压，即输入信号可正常通过电路传递至负载；当输入信号的频率较高时，电容两端只能分得较小的电压，即输入信号受到衰减了。因此可以看出，电路会允许低频信号通过，阻碍高频信号通过。这是电路频率特性的定性分析，在设计电路时，仅有定性分析是无法设定具体参数的，因此还要对电路进行定量分析。
.png)
2电路仿真
Multisim14软件搭建的一阶低通滤波仿真电路如图2所示，电路中电阻R取1KΩ，电容C取100nF，输入信号采用峰值为2V的交流信号源。幅频特性和相频特性的分析使用波特测试仪XBP1，波特测试仪的输入端口连接交流信号源，输出端口连接滤波电路的输出电阻后端。
.png)
2.1 幅频特性
点击仿真软件的运行按钮，双击波特分析仪即可得到一阶低通滤波电路的仿真结果。在模式栏中选择幅值，即可得到电路的幅频特性曲线，如图3所示。拖动读数指针可以看出，输入信号频率较低时，电路的增益为0dB，即不产生衰减。当频率较高时，增益为负值，且频率越高，增益越低。对滤波器来说,一阶滤波器的衰减是-20dB/Decade，通过移动读数指针，在波特图上也可以很方便的进行观测。
.png)
在幅频特性曲线上拖动读数指针，可以发现当频率为1.574kHz时，增益为-2.964dB（读数指针拖动时存在步进，无法准确拖动到1.592kHz），与前节理论分析结果一致。当然，也可以通过点频测量的方式，计算截止频率对应的增益。将图2中的波特测试仪换成双踪示波器XSC1，即可通过测量输入输出信号的幅值对截止频率时电路的增益进行计算，如图4所示。
.png)
交流信号源频率设置为1592Hz，峰值设为2V，为了方便在示波器上区分输入输出信号，可将输出信号对应区段的颜色设置为绿色。点击仿真运行按钮，双击示波器，即可观察输入输出信号的波形，将通道A、B的刻度调整为1V/Div，结果如图5所示。移动读数指针可以读取输出信号的峰峰值为2.837V，输入信号的峰峰值为4V，代入公式可计算增益为
.png)
2.2相频特性
通过图5可以直观的看到，输出信号产生了相移，信号的变化明显落后于输入信号。通过移动读数指针可以测到截止频率时输出信号落后于输入信号78us，此时信号周期为约为628us，换算成角度约为44.7°。通过这种方法可以计算电路的相移特性，但是不够直观，且比较繁琐。在波特图测试仪界面上，将模式选择为相位，即可得到电路的相频特性曲线，非常直观，如图6所示。通过图6可看到，当频率较低时，相移为0°。当频率逐渐增加时，相移的变化率开始逐渐增大，直到当频率增大到截止频率时，变化率达到最大。移动读数指针可以看到，此时相移为45°。当频率大于截止频率时，随着频率增加，变化率逐渐降低。当频率相移接近90°时，变化率接近为0。说明电路产生的最大相移为90°，与前节理论分析结论一致。
.png)
图6 电路的相频特性曲线
2.3交流分析法仿真
除了上述仿真方法外，Multisim软件还提供了“交流分析”法对一阶RC低通滤波电路进行仿真。点击菜单仿真-分析和仿真即可调出工作区，在左边栏中选择交流分析即可对仿真参数进行配置。例如，将起始频率设置为5Hz，停止频率设置为500kHz，扫描类型设为十倍频程，每十倍频采用电设为1000，垂直刻度设为对数，点击保存。将电压探针放在输出端，在输出菜单里将电压探针添加到选定用于分析的变量，再点击运行即可得到电路幅频特性和相频特性的仿真结果，如图7所示。其中曲线与图3、图6结果一致，不再重复分析。
.png)
图7 交流分析法仿真结果
4.小结
以一阶RC低通滤波器为例，使用Multisim软件提供的两种方法对电路特性进行了仿真，并对仿真结果进行了分析。通过仿真分析，让学生对电路的幅频特性和相频特性有了直观的认识。与传统实验方法相比，仿真软件更便捷、直观，节约了学生的实验时间，并且能吸引学生的兴趣，大大提升教学效果。教育技术日新月异，教师也应该与时俱进，学习新的教学手段，及时更新教学内容，以适应时代的发展需求。
[参考文献]
[1]王树新.以“新工科”理念为牵引，推进工程教育改革[EB/OL]. [2]陈华华.“电路分析实验”教学方法改革与实践[J].黑龙江教育(高教研究与评估),2018(09):1-2.
[3]李学明.电路分析仿真实验教程[M].北京:清华大学出版社,2014.
[4]刘鑫,刘琪芳,高文华.有源低通滤波器仿真设计教学研究[J].电气电子教学学报,2013,35(03):59-61+79.
[作者简介]： 郑桂林（1991-），男(汉)，河南，硕士，滁州学院机电学院实验师，研究方向：信号与信息处理
[基金项目]：滁州学院教学研究项目（项目编号：2020jyc025）虚实结合的电路分析教学研究