Multisim仿真軟件在一階RC電路教學中的應用

1、Multisim 仿真軟件在一階RC電路教學中的應用一階電路是“電路分析基礎”教學中很重要的一章。 一階電 路是用一階常微分方程來描述的動態(tài)電路， 通常只含有一個動態(tài) 元件。在一階電路為代表的動態(tài)電路中， 由于動態(tài)元件的VCR需 要用導數(shù)形式來表示， 因此， 根據(jù)電路拓撲約束所列寫的電路方 程就是以電壓、電流為變量的微分方程。首先，學生的高數(shù)知識 基礎不夠扎實； 其次， 一階電路的教學還需要有很多新的名詞和 方法需要介紹，如換路、初始值、零狀態(tài)響應等等；最后，動態(tài) 電路的教學還受到學時的限制。這就造成了這一章老師講得費 勁，學生聽得迷糊，難教難學的現(xiàn)狀。針對這一問題，本文提出 了利用 Mult

2、isim 仿真軟件進行一階電路教學的方案，力圖對這 一教學難點有所突破。1. Mulitsim 仿真軟件介紹Mutisim 是美國NI公司推出的以 Windows為平臺的仿真軟 件。軟件里所有的元器件都是經(jīng)過高度仿真而成， 與實際電路實 驗結果幾乎完全相同。 它既能夠進行電路原理設計， 又能夠完成 電路的功能測試，把抽象的電路分析簡單化、形象化?？梢詭椭鷮W生更好地理解課堂教學內(nèi)容。 在過去的傳統(tǒng)課堂 教學中，由于條件限制，理論教學與實驗是分離的，在引入 Mulisim 仿真軟件進行教學以后，可將理論與實踐有機結合，達 到最佳教學效果。2. 一階RC電路的仿真教學本文采用的仿真軟件版本是 Mul

3、tisim 12.0 。一階RC電路 仿真原理圖如圖 1 所示。零輸入響應：一階RC電路僅有一個動態(tài)元件，在換路瞬間電容已儲存有 能量，那么即使電路中無外加激勵電源 ，電路中的電容元件將 通過電路放電，在電路中產(chǎn)生響應， 即零輸入響應 。在圖1所示電路中，當開關 S1閉合在引腳3端時，6V電壓 源通過電阻 R1 對電容 C1 充電。 經(jīng)過一段時間以后， 電路達到穩(wěn) 態(tài)，電容儲存了能量，電容電壓恒定為6V。當開關S1閉合到1端以后，電容 C1 通過電阻 R1 放電，在電路中產(chǎn)生響應，即零輸 入響應，電壓按指數(shù)規(guī)律從 6V衰減到0V。Multisim 仿真：仿真原理圖中給出了原件參數(shù)，R1為500

4、Q, C1為10卩F,顯然時間常數(shù) = RC =5ms。點的電壓為2.244V，約為起始電壓6V的36.8%。從仿真電 路的示波器顯示結果（圖 2）可以看出， ?t 色指針指向暫態(tài)過程 的起始時刻，橫坐標為時間 216ms縱坐標為電容電壓6V。示波 器的藍色指針指向暫態(tài)過程的時刻，橫坐標為時間224ms比起始時刻多了 5ms正好是一個 的時間。縱坐標為電壓 2.2V。 證明經(jīng)過了 1 的時間，電容上的電壓按指數(shù)規(guī)律衰減了36.8%。從而驗證了我們的零輸入響應的理論推導。第二次仿真，我們將電容 C1的電容值改為20 u F,電路其 他參數(shù)不變。相應的電路的時間常數(shù)=RC = 10ms。也就是理論

5、上要經(jīng)過10ms,電壓才能衰減為原來的 36.8%。從仿真電路的示 波器顯示結果（圖 3）可以看出，紅色指針指向暫態(tài)過程的起始 時刻，橫坐標為時間107ms,縱坐標為電容電壓6V。示波器的藍 色指針指向暫態(tài)過程的 時刻，橫坐標為時間217ms,比起始時 刻多了 10ms，正好是一個 的時間。縱坐標為電壓 2.2V。驗證了 因為電路參數(shù)發(fā)生了變化， 隨著電容值的增加， 零輸入響應的衰 減速度變慢了。零狀態(tài)響應：一階RC電路僅有一個動態(tài)元件，在初始狀態(tài)時儲能為零。 換路瞬間由外施電源對電路產(chǎn)生激勵, 電路中的電容元件將通過 電路充電,在電路中產(chǎn)生響應, 即零狀態(tài)響應 。在圖 1 所示電路中,當開關

6、 S1 閉合在引腳 1 端時,無外施 電源對動態(tài)元件 C1 產(chǎn)生作用。經(jīng)過一段時間以后,電路達到穩(wěn) 態(tài)，電容電壓恒定為0V。當開關S1閉合到3端以后，6V電壓源 開始對電容 C1 充電,在電路中產(chǎn)生響應,即零狀態(tài)響應,電壓 按指數(shù)規(guī)律從0V增加到6V。Multisim 仿真：仿真原理圖仍如圖 1 所示, 這次不同的是, 開關先打到引腳 1,經(jīng)過一段時間后,再打到引腳 3。時間常數(shù)=RC =5ms。點的電壓為3.872V，約為電源電壓6V 的 63.2%。從仿真電路的示波器顯示結果（圖4）可以看出，紅色指針指向暫態(tài)過程的起始時刻，橫坐標為時間73ms縱坐標約為電容電壓0V。示波器的藍色指針指向暫

7、態(tài)過程的時刻，橫坐標為時間78ms比起始時刻多了 5ms,正好是一個 的時間。 縱坐標為電壓3.872V。證明經(jīng)過了 1的時間，電容上的電壓按 指數(shù)規(guī)律增加了 63.2%。從而驗證了我們的零輸入響應的理論推 導。全響應：當一個非零初始狀態(tài)的電路受到激勵時， 電路的響應稱為全 響應 。對于線性電路 ， 全響應是零輸入響應和零狀態(tài)響應之 和。在圖 1 所示電路中，反復按下空格鍵對開關 S1 在 1 端和 3 端間反復切換，電容C1上既有原始儲能，又有外施電源的激勵， 所產(chǎn)生的響應，就是全響應。Multisim 仿真：結論：在教學中使用 Multisim 軟件對電路進行仿真，可以 讓學生直觀地觀察仿真波形，加以分析、總結。通過改變電路的 參數(shù)R或者C,觀察其對時間常數(shù)造成的影響，從而了解電路參 數(shù)對動態(tài)響應速度所起的作用。3. 結束語在傳統(tǒng)的教學方法中， 由于理論和實踐教學