任務二 基于Multisim的手電筒電路仿真
任務導學
工程中經常需要測量電路中電流的大小或某元器件的端電壓，通過查找電流、電壓的測量案例，思考在測量電流、電壓時儀表應如何接線，以及是否需要考慮正、負極性。
任務說明
基于Multisim仿真軟件（簡稱Multisim）繪制任務一中的手電筒電路模型并進行仿真分析，測出白熾燈的端電壓和流過白熾燈的電流，觀察電位器改變時白熾燈亮度的變化情況，記錄過程中的數據，根據電路中電參數的大小和方向總結白熾燈的伏安特性。然后，更改直流電源的方向，觀察萬用表的測量值將如何變化。
任務實施
1）根據圖1-16a所示手電筒電路的電路原理圖，基于Multisim構建仿真電路，進行仿真接線，完成圖1-16b。
圖1-16 手電筒電路的電路原理圖及仿真接線
2）圖1-17所示為Multisim仿真軟件中的萬用表。寫出其測量模式和參數類型，完成表1-1和表1-2。
圖1-17 Multisim中的萬用表示意圖
表1-1 Multisim中萬用表電參數的含義
表1-2 Multisim中萬用表交/直流模式選擇
3）應用Multisim中萬用表測量電參數時，如何選擇其測量模式和參數類型，寫出操作步驟。圖1-18所示的萬用表XMM1和XMM2分別表示對什么電參數進行測量？
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圖1-18 Multisim中萬用表的測量模式和參數類型的選擇
4）根據仿真結果完成表1-3，表中U1為白熾燈X的端電壓，I為流過白熾燈的電流，α為電位器的調節增量（0～100%）。
表1-3 基于Multisim的手電筒電路的電壓、電流仿真參數記錄表
（續）
5）觀察調節電位器時白熾燈的亮滅變化情況，并總結規律。
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6）總結白熾燈的端電壓U1和流過的電流I與電位器調節增量α的變化之間的關系。（提示：從電參數大小進行分析）
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7）總結手電筒電路中的電壓和電流之間的數值關系（提示：從兩種電參數之間的關系進行分析）。
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8）通過仿真數據總結電路中各元器件的電壓之間的關系，用數學公式表示（假設直流電壓源用E表示，白熾燈等效電阻R的端電壓為U1，電路中流過的電流為I，各參數的參考方向已在圖1-19中標出）。
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9）僅更改直流電源的方向，如圖1-20所示。保持萬用表的接線不變，重新記錄仿真中的參數，填入表1-4。
圖1-19 手電筒電路中各參數的符號及參考方向
圖1-20 僅更改直流電源方向后的手電筒電路
表1-4 更改直流電源方向后的電壓、電流參數記錄表
（續）
10）分析更改直流電源方向后的電路仿真結果，總結規律并說明結果變化的原因。（提示：從電流、電壓的方向進行分析）
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11）電路中電流、電壓的實際方向如何確定？
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12）根據歐姆定律、串聯回路方程，求解圖1-19中電阻R的端電壓U1、電位器RP的端電壓U2、回路中的電流I，完成表1-5。
表1-5 手電筒電路中各電參數的計算公式及結果
13）將RP中α=50%時各電參數的仿真結果填入表1-6中，與表1-5中的計算結果進行對比。
表1-6 理想化電路模型中各元器件的電參數
14）根據圖1-20，計算直流電源E、電阻R和電位器RP的功率，指出各元器件是吸收功率還是釋放功率，完成表1-7，驗證回路中功率是否守恒。
表1-7 直流電路中各元器件的功率計算表
知識鏈接
電流、電壓是表示電路狀態及對電路進行定量分析的基本物理量。電流、電壓都是矢量，既有大小，也有方向，如何確定電流、電壓的實際方向呢？
一、電流的參考方向
什么是電流？帶電粒子有規則地定向運動形成電流。電流的大小用單位時間內通過某導體橫截面的電荷量來表示。在直流電路中，電流的大小和方向都不隨時間變化。假設在時間t內，通過某導體橫截面的電荷量為Q，則電路中的電流I可表示為
電流的參考方向
在國際單位制中，電荷Q的單位是庫[侖]（C），時間t的單位是秒（s），電流I的單位是安[培]（A）。
電流的實際方向如何確定？一般規定電流的實際方向為正電荷的運動方向。在簡單電路中，電流的實際方向很容易確定。例如，在圖1-5所示電路中，電流的實際方向是由電源的正極流出、經過電阻（白熾燈）、流回電源負極。但在較為復雜的電路中，一段電路中電流的實際方向有時很難預先確定。為了分析和計算電路需要，引入電流參考方向這一概念。參考方向也稱假定正方向，簡稱正方向。
什么是參考方向？所謂參考方向，就是在一段電路里，電流的方向有兩種可能，在電流可能的兩個實際方向中，任意選擇一個作為標準，也就是作為參考，并用實線帶箭頭的線段標出，如圖1-21所示。當電流的實際方向（用虛線帶箭頭的線段標出）與該參考方向相同時，電流I為正值（I>0）；當電流的實際方向與該參考方向相反時，電流I為負值（I<0），圖1-21中的方框是表示一段電路的普遍適用方法，它既可以是一個電路元件，也可以是多個電路元件的組合。
通過以上分析可知，電流的參考方向是人為規定的，是用來求解電流實際方向的一種辦法。在選定電流的參考方向后，電流I為一個代數量（帶有正、負符號的數值），可正、可負。參考方向與該代數量結合，才能確定電流的實際方向。
圖1-21 電流的參考方向
二、電壓的參考方向
電壓是衡量電場力（推動正電荷運動）對電荷做功的能力的物理量。在電路中，A、B兩點之間的電壓在數值上等于電場力把單位正電荷從A點移動到B點所做的功。若電場力移動的電荷量是Q，所做的功是W，則A、B兩點之間的電壓可用式（1-3）計算：
電壓的參考方向
在國際單位制中，功（能量）W的單位是焦[耳]（J）。
電壓也有方向，電壓的實際方向如何確定？規定電壓的實際方向為從高電位點指向低電位點。電場力推動正電荷沿著電壓的實際方向運動，電位逐點降低。此時，電場力對正電荷做正功。
如同確定電流的實際方向一樣，首先需要對電流選定參考方向。在分析、計算電路問題時，往往也很難預先知道一段電路中電壓的實際方向。為此，對電壓也要選取參考方向。在圖1-22所示中，規定A為高電位點，標以“+”號，B為低電位點，標以“-”號，即選取該段電路電壓的參考方向從A指向B。當電壓的實際方向與參考方向一致時，電壓是正值；
不一致時，電壓是負值。這表明，引入了電壓的參考方向之后，電壓是一個代數量（帶有正、負符號的數值）。借助于電壓的正、負值，并結合它的參考方向，就能夠確定電壓的實際方向。
電壓的參考方向可以用以下兩種方法表示：
1）用“+”“-”號分別表示假設的高電位點和低電位點。
2）用雙下標字母表示，如UAB，第一個下標字母A表示假設的高電位點，第二個下標字母B表示假設的低電位點，因此有UAB=-UBA。
圖1-22 電壓參考方向
這兩種方法所代表的意義相同，使用時，可任選其中一種。
電壓、電流的關聯參考方向
三、電流、電壓的關聯參考方向
從前面的分析可知，電流、電壓的參考方向可以任意選取。但是為了分析、計算方便，對于同一段電路的電流和電壓，往往采用關聯參考方向，什么是關聯參考方向？如圖1-23a所示，電流、電壓的關聯參考方向就是使兩者的參考方向一致，電流自假設的高電位點“+”流向低電位點“-”，即電流的流向與電壓降的方向一致（電流的流向由“+”到“-”，或者由“高”到“低”）。與之相反，電流、電壓之間采用非關聯參考方向，如圖1-23b所示。
對于線性電阻元件來說，在電流、電壓為關聯參考方向時，電阻元件的端電壓與流過的電流之間滿足的歐姆定律關系式為
若為非關聯參考方向，則電阻元件的端電壓與流過的電流之間滿足的歐姆定律關系式為
圖1-23 電流、電壓的關聯參考方向與非關聯參考方向
為了簡便，今后在分析、計算電路時，同一段電路的電流、電壓一般均假設為關聯參考方向。
四、電功率
一段電路或某一電路元件在單位時間內所吸收（消耗）或釋放（產生）的電能稱為電功率。在直流電路中，電功率為
在國際單位制中，功率的單位是瓦[特]（W）。1瓦（W）功率等于每秒吸收或提供1焦[耳]（J）的能量。
相對于確定的參考方向，U和I都有可能是正值或負值，所以用式（1-6）算出的電功率P可能是正值，也可能是負值。以圖1-23a所示電路為例，當電流I和電壓U為關聯參考方向時，若計算得出的P為正值，則表明這一段電路是吸收電功率的。這是因為P為正值，必然是U、I同為正或同為負。物理意義是，這時電流（正電荷）在電場力作用下從高電位點流向低電位點，是電場力做功，將電能轉換成其他形式的能量。反之，在電流I和電壓U為關聯參考方向時，若計算得出的P為負值，則表明這一段電路是釋放電功率。
當電流I和電壓U為非關聯參考方向時，計算得出的P是正值，這一段電路是釋放電功率的。反之，計算得出的P是負值，則表明這一段電路是吸收電功率的。
五、Multisim仿真軟件中萬用表的使用
Multisim仿真軟件提供的普通虛擬數字萬用表外觀與實際的萬用表相似，但測量面板的操作更加方便、靈活，測試功能更加強大。
數字萬用表可以用來測量電流、電壓、電阻和分貝值等電參數，還可以對直流信號或交流信號進行測量，并根據被測參數的大小自動修正量程。
圖1-24所示為Multisim仿真軟件中數字萬用表的圖標及面板。理想的數字萬用表在電路測量時，對電路不會產生任何影響，即電壓表不會分流、電流表不會分壓，但在實際中都達不到這種理想要求，總會產生測量誤差。
虛擬儀器為了仿真這種實際存在的誤差，引入了內部設置。在Multisim仿真軟件中，可以通過設置虛擬數字萬用表的內部參數來真實模擬實際儀表的測量結果。在功能設置區有6個按鈕，當需要選擇某項功能時，只需單擊相應的按鈕即可。
圖1-24 數字萬用表的圖標及面板
1）A（電流檔）：測量電路中某支路的電流。測量時，數字萬用表應串聯在待測支路中。用作電流表時，數字萬用表的內阻非常小（1nΩ）。
2）V（電壓檔）：測量電路兩節點之間的電壓（某段電路的端電壓）。測量時，數字萬用表應與兩節點并聯。用作電壓表時，數字萬用表的內阻非常高，可以達到1GΩ。
3）Ω（歐姆檔）：測量電路兩節點之間的電阻。被測節點與節點之間的所有元件當作一個“元件網絡”。測量時，數字萬用表應與“元件網絡”并聯。
4）dB（分貝檔）：測量電路兩節點之間電壓降的分貝值。
5）交流信號（～）或直流信號（—）：用于選擇被測量是交流信號或直流信號。
6）設置：單擊“設置”按鈕，彈出如圖1-25所示的“Multimeter Settings”（數字萬用表設置）對話框，從中可以對數字萬用表的內部參數進行設置。
①“Electronic setting”（電氣特性設置）選項區的各選項功能如下：
Ammeter resistance（R）：設置測試電流時表頭的內阻，其大小影響電流的測量精度。
Voltmeter resistance（R）：設置測試電壓時表頭的內阻。
圖1-25 數字萬用表設置對話框
Ohmmeter current（I）：設置測試電阻時流過表頭的電流值。
dB relative value（V）：用于設置分貝相對值，預先設置為774.597mV。
②“Display setting”（顯示特性設置）選項區各選項功能如下：
Ammeter overrange（I）：設置電流表的測量范圍。
Voltmeter overrange（V）：設置電壓表的測量范圍。
Ohmmeter overrange（R）：設置歐姆表的測量范圍。
設置完成后，單擊“OK”按鈕保存設置；單擊“Cancel”按鈕取消本次設置。
鞏固提高
一、填空題
電阻R1、R2并聯，電阻值比為R1:R2=2:5，則電流比為__________，電壓比為__________，功率比為__________。
二、選擇題
1.兩個阻值相同的電阻器串聯后的等效電阻與并聯后的等效電阻之比是（ ）。
A.4:1
B.1:4
C.1:2
D.2:1
2.電阻串聯的主要作用是串聯分壓，其分壓規律為（ ）。
A.大電阻分低電壓
B.小電阻分高電壓
C.大電阻分高電壓
D.電壓保持不變
3.電阻上的伏安關系稱為歐姆定律，是指（ ）。
A.電阻的電壓與通過的電流成反比
B.電阻的電壓與通過的電流成正比
C.電阻的功率與通過的電流成正比
D.電阻的功率與通過的電壓成反比
4.某電阻元件的額定參數為“2kΩ/5W”，正常使用時允許流過的最大電流為（ ）。
A.25mA
B.2.5mA
C.50mA
D.20mA
5.一個電阻元件，當電流減小為原來的1/2時，功率減小為原來的（ ）。
A.1倍
B.1/2倍
C.1/4倍
D.1/8倍
三、判斷題
1.電阻并聯時的等效電阻值比其中最小的電阻值還要小。（ ）
2.若干電阻串聯時，其中阻值越小的電阻，通過的電流也越小。（）
四、仿真設計題
1）在圖1-26所示的電路中，有一個直流電源E為24V，兩個白熾燈X1、X2均為12V/10W，QS為開關。
圖1-26 仿真電路圖1
①基于Multisim測出電路中的電流I和兩個白熾燈的端電壓U1、U2，完成表1-8。
表1-8 仿真電路的電參數
②計算白熾燈的電阻。
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③總結電路中的電流和電壓特性，并用公式表示。
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2）在圖1-27所示的電路中，直流電源E為12V，兩個白熾燈X1、X2均為12V/10W，QS為開關。
①測出電路中的總電流I、流過白熾燈X1的電流I1、流過白熾燈X2的電流I2及兩個白熾燈的端電壓U1、U2，完成表1-9。
圖1-27 仿真電路圖2
表1-9 仿真電路的電參數
②總結電路中的電流和電壓特性。
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