科学技术创新2021.
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1概述
根据学校部署，本校在本学期广泛采取了网课教学，包括物理实验课在内的所有课程都是在网上完成的。网上物理实验课存在无法动手体验实验过程的局限性，因此，我产生了用电脑软件来模拟大学物理实验的想法，这样既能够加深自己对物理实验原理的理解，又能够增强自己电路设计与动手实验的能力[1]。通过广泛的阅读相关文献与反复的思考，笔者将在本文中以双臂电桥电路为例，并应用Pr ot eus 软件对该实验进行模拟。 笔者通过探讨连接电阻及接触电阻对于低值电阻测量的影响。如依据欧姆定律(R =V /I )，采用安培计和毫伏计测量电阻测量电阻R xR x ，电路图见图1。
图1测量电阻的电路
彩油泥图2等效电路
考虑到电流表、毫伏表与被测电阻存在的接触电阻的作用，等效电路图见图2。鉴于接触电阻R i 3r i 3与R i 4R i 4远小于毫伏表内阻R gR g ，因此，接触电阻R i 3r i 3与R i 4R i 4对毫伏表测量的影响则不予考虑，根据欧姆定律r =v/i 得到的电阻为R X +R i 1+R I 2R X +R i 1+R i 2。当被测电阻R xR x 不足1时，接触电阻R I 1R I 1与R I 2R I 2于测量产生的影响则必须考虑在内。
为了最大限度的去除接触电阻对测量所产生的影响，可以
将连接方式进行修正(见图3)，以四端连接方式将低电阻R xR x 连接，等效电路如图4。此时，在毫伏表上测量R xR x 的电压降。从R x=v/I R X =v/i 可以精确地计算R xR x 。电流测量电路中作为电流头
的两端(a ,d)和电压测量电路中称为电压连接器的两端(b ,c)分别连接。许多低电阻标准电阻器被制成四端子按钮。
背景板制作
图3四段接法电路图图4四段接法等效电路
综上，得出双臂电桥模型，其电路图及等效电路如图5、图6所示。标准电阻R N 的电流头的接触电阻为R I N 1R I N 1和R I N 2R I N 2。被测电阻R xR x 电流头的接触电阻分别为R I X 1R I X 1和R I X 2R I X 2，它们与双臂电桥测量电路相连。R N 1R N 1和R N 2R N 2是标准电阻r r n1r x1和R X 2R X 2与大电阻R 1R 1、R 2R 2、R 3R 3、R 4R 4串联在双臂电桥电压测量回路上的接触电阻，影响可以不予考虑。
图5双臂电桥电路
图6双臂电桥电路等效电路
基于P r ot e us 的双臂电桥电路的仿真设计
张子昊
(四川农业大学机电学院，四川雅安625014)
abp-486
作者简介：张子昊(2000,10-)，男，汉族，籍贯：安徽滁州，四川农业大学机电学院2019级本科生在读，研究方向：数据分析。
摘要：借助Proteus 电学仿真软件，构建双臂电桥电路，对双臂电桥电路平衡条件及用双臂电桥测量电阻进行仿真分析，用直观的仿真结果验证理论分析。文中同时介绍了Proteus 软件仿真的详细操作步骤。
关键词：双臂电桥；仿真实验;Proteus 中图分类号:TP391.7文献标识码:A 文章编号:2096-4390(2021)
06-0070-0370--
2021.06科学技术创新
如图5、图6所示，平衡状态的电桥，通过检流计g 的电流
I G =0I G =0，在c 点和d 点的电位相等。由基尔霍夫电路定律导出方程组(1)。
(1)
解方程组得:
(2)
如果R 4R 2=R 3R 1R 4R 2=r 3r 1r 4r 1，则(2)中的第二项为
零，故通过联动转换开关调整R 1R 1、R 2R 2、R 3R 3、R 4R 4、
R 4R 1，同时调整联动转换开关，将R xR x 和r n 的接触电阻
R I N 1和nr x2r i x2包含在低阻导线R i R i 中，则有:
R x=R 1R 2R nR x=R 1R 2R n (3)
在电路模拟中，由于导线电阻R i R i 的阻值可以看作是零,
即R 4R 2=R 3R 1R 4R 2=R 3R 1可成立，使(2)式第二项尽量小，与第
一项比较可以忽略，以满足(3)式。
3尔文电桥电路构建步骤3.1启动Pr ot eus 软件Pr ot eus 软件是由英国Labcent er el ect r oni cs 公司出版的一种ED A 工具软件。它具有很强的电路仿真和电路测试功能，在电路设计的仿真验证中扮演着重要的角[2]。
如图7是Pr ot eus 的操作界面，第一横排是菜单栏，第二横排是应用工具栏，左边第一竖排是模式选
择工具，左下方横排是仿真工具栏，图中标出的框内为仿真原理编辑区。
图7P r ot eus 软件操作界面
3.2电路元件添加的操作电源的添加：在元器件模式下，用鼠标左键单击“P ”，在关键词中输入“CELL ”，在类别中到并单击“M i s cel l aneous ”，双击器件“CELL ”。具体步骤见图8。
电阻的添加：在元器件模式下，用鼠标左键单击“P ”，在类别中到并单击“R es i s t or s ”，在子类别中到并单击“G ener i c ”，双击器件“R ES ”。
开关的添加：在元器件模式下，用鼠标左键单击“P ”，在类别中到并单击“Swi t ches &R el ays ”，在子类别中到并单击“Swi t ches ”，双击器件“SW I TCH ”。
滑动变阻器的添加：在元器件模式下，用鼠标左键单击“P ”，在类别中到并单击“R es i s t or s ”，在子类别中到并单击
“V ar i abl e ”，双击器件“PO T-H G ”。
地线的添加：在终端模式下，用鼠标左键单击“G R O U N D ”。
虚拟仪表的添加：在虚拟仪表模式下,“D C V O LTM ETER ”为直
流电压表,“D C A M M ETER ”为直流电流表,“A C V O LTM ETER ”为
交流电压表,“A C A M M ETER ”为交流电流表，单击添加。
涂布纸
3.3仿真电路图绘制的操作
由于元器件库中没有四端钮电阻，故模拟图为等效电路图,
依照原理图6，绘制等效电路，将所需的电路元件依次放置到原
双臂电桥理图编辑区，并点击鼠标连接电路。如下图9。
病房呼叫系统
图9双臂电桥仿真电路
3.4电路参数的设置
电源电压值的设置：设置电源电压为15V ，双击原电源电压1.5V 弹出“Edi t Par t V al ue ”，将标号修改为“15V ”，单击O K ，电源值设置完成。具体操作见图10。
电阻参数设置：设置标准电阻R 1R 1、R 2R 2、R 3R 3、R 4、R nR 4、R n 和待测电阻R xR x ，双击电阻元件数值弹出对话框，将对话框中标号更改为所需要的阻值。具体操作见图11。
图10电源值设
置
图8电源添加操作步
骤
71--
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图11电阻值设置
电表参数设置：在虚拟仪器模式下，双击虚拟电表弹出“Edi t Com ponent”对话框，可通过该对话框编辑电表属性,“D i s pl ay R ange”编辑栏可选择电表显示范围，电压表可选择伏特(V ol t s)、毫伏(M i l l vol t s)和微伏(M i cr ovol t s)，电流表可选择安培(A m ps)、毫安(M i l l am ps)和微安(M i cr oam ps)；表默认阻抗为零。具体操作见图12。
图12电表参数设置
3.5仿真运行的操作
闭合开关，单击仿真栏中仿真按钮，电压表示数为零，则此时电桥处于平衡状态。单击仿真工具中的停止按钮，改变R nR n 的阻值，再次进行仿真，电压表示数不为零，则电桥为非平衡状态。
4用双臂电桥测电阻的仿真
设R1=20ΩR1=20Ω,R2=10ΩR2=10Ω,R3=20000ΩR3= 20000Ω,R4=10000ΩR4=10000Ω,R n=1ΩR n=1Ω，仿真结果显示，当待测电阻R x=0.0001ΩR x=0.0001Ω时，电表示数为零，电桥平衡。
设R1=20ΩR1=20Ω,R2=10ΩR2=10Ω,R3=30000ΩR3= 30000Ω,R4=15000ΩR4=15000Ω,R n=1ΩR n=1Ω，仿真结果显示，当待测电阻R x=0.000667ΩR x=0.000667Ω时，电表示数为零，电桥平衡。
设R1=20ΩR1=20Ω,R2=10ΩR2=10Ω,R3=70000ΩR3= 70000Ω,R4=35000ΩR4=35000Ω,R n=1ΩR n=1Ω，仿真结果显示，当待测电阻R x=0.000286ΩR x=0.000286Ω时，电表示数为零，电桥平衡。
结束语
本文以双臂电桥测量电阻实验为例，通过Pr ot eus软件进行仿真模拟，验证了该软件对学生自我学习有促进作用，且具有较好的可操作性。该软件不但能够弥补实验仪器和元器件不足的缺点，还可以消除原材料损耗和仪器毁坏等因素，并且能较好的规避因实验过程与实验仪器所出现的系统误差。同时，对于居家学习的大学生加深对课程内容的理解，巩固对基本概念和基本原理的把握，提高分析问
题与解决问题的能力，使他们在科研和工程实践的模拟仿真的情境中，加强数字电路集成设计和实践操作能力的训练，实现理论教学和实验教学的有机结合，均具有十分重要的价值。
参考文献
[1]张占强，孟克其劳.基于Proteus的多波形信号发生器仿真设计[J].计量与测试技术,2013,36(3):15-19.
[2]王尔申，庞涛，，郑丹.Multisim和Proteus仿真在数字电路课程教学中的应用[J].实验技术与管理
,2013,30(3):78-81. 72
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