Ｍｕｌｔｉｓｉｍ在《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)中的應(yīng)用

【摘 要】本文首先分析《信號(hào)與系統(tǒng)》課程在電子信息類教學(xué)的重要性；其次介紹Multisim軟件的特點(diǎn)及其在本課程教學(xué)中的優(yōu)點(diǎn)；在此基礎(chǔ)上，最后通過(guò)實(shí)例討論如何利用Multisim軟件提高本課程在教學(xué)中的效果。

【關(guān)鍵詞】信號(hào)與系統(tǒng) Multisim 電路分析

【中圖分類號(hào)】G718.5【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1006－9682（2009）01－0055－02

【Abstract】Firstly， this paper introduced the importance of signal and system in the teaching about electron and information. Secondly， it described the characters and advantages of Multisim in the teaching of signal and system. Lastly， by examples we discussed how improving the teaching quality utilizing Multisim software.

【Key words】Signal and system Multisim Circuit analysis

一、引 言

電子信息科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得關(guān)于信號(hào)與系統(tǒng)的理論和應(yīng)用也越來(lái)越廣泛、深刻。其基本分析方法和原理廣泛應(yīng)用于通信工程、電子信息、自動(dòng)控制及生命科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域?！缎盘?hào)與系統(tǒng)》［1］是電子信息類的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是一門以數(shù)學(xué)推導(dǎo)為基礎(chǔ)的理論性很強(qiáng)的課程，在我校的電子信息專業(yè)教學(xué)環(huán)節(jié)中起著承上啟下的作用。本課程的教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握信號(hào)和線性系統(tǒng)在不同域（t，f，s/z域）內(nèi)進(jìn)行分析的基本理論、方法。尤其是如何讓同學(xué)們理解時(shí)域電路的動(dòng)態(tài)分析求解是教學(xué)中的難點(diǎn)之一，同學(xué)在理解上存在很大的瓶頸。

隨著計(jì)算仿真軟件的不斷發(fā)展，如何有效地利用各種軟件提高信號(hào)與系統(tǒng)課程的教學(xué)效果值是得研究的［2］。將Multisim仿真軟件引入信號(hào)與系統(tǒng)課堂教學(xué)中，通過(guò)動(dòng)態(tài)演示將部分抽象的數(shù)學(xué)分析轉(zhuǎn)化為可視化的圖形，可以讓學(xué)生直觀地理解比較抽象的教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)的積極性和興趣。同時(shí)，便于活躍課堂氣氛，增加師生的互動(dòng)。

二、Multisim軟件

《信號(hào)與系統(tǒng)》中有一部分內(nèi)容是時(shí)域電路系統(tǒng)模型建立和分析及通信系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。如何更好的理解電路系統(tǒng)動(dòng)態(tài)工作過(guò)程、分析一個(gè)電路系統(tǒng)性能？

Multisim［3］是在EWB的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的專業(yè)仿真軟件，可真實(shí)地仿真分析實(shí)際電路的工作過(guò)程，是電子線路系統(tǒng)仿真的理想工具。它具有很多優(yōu)點(diǎn)，其中對(duì)本門課程教學(xué)比較重要的一點(diǎn)是：提供了多種常用的電子元器件和虛擬儀表，用戶可以通過(guò)這些虛擬儀表觀察具體電路系統(tǒng)模型的運(yùn)行狀態(tài)，觀察仿真結(jié)果，它們的設(shè)置、使用和讀數(shù)與實(shí)際的測(cè)量?jī)x表類似，就像在實(shí)驗(yàn)室中使用儀表一樣。也就是說(shuō)，我們可以利用Multisim軟件，進(jìn)行很多課程實(shí)驗(yàn)仿真（例如：有源無(wú)源濾波器、二階電路的暫態(tài)響應(yīng)等實(shí)驗(yàn)），利用Multisim更有利于同學(xué)們觀測(cè)對(duì)于某電路系統(tǒng)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)和電路參數(shù)的相互關(guān)系，同時(shí)也有利于對(duì)數(shù)據(jù)分析和處理。

所以本文將Multisim軟件引入信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用中，目的是為了加強(qiáng)同學(xué)們對(duì)本門課程電路系統(tǒng)分析的理解和興趣，也可以使同學(xué)掌握一種軟件分析方法。

三、Multisim在信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)中的作用

本部分主要通過(guò)幾個(gè)具體的實(shí)例分析，展示Multisim能夠有效的改進(jìn)傳統(tǒng)的理論分析教學(xué)，讓我們的課堂更加生動(dòng)和活躍。

1．利用transient analyses實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電路的演示

在對(duì)連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域分析中，我們經(jīng)常需要利用數(shù)學(xué)知識(shí)對(duì)電路進(jìn)行建立微分方程，分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程，其中包括系統(tǒng)的零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)。在整個(gè)教學(xué)過(guò)程幾乎全部是數(shù)學(xué)的理論推導(dǎo)，不利于學(xué)生理解，同時(shí)也顯得枯燥無(wú)味。如果在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，適當(dāng)?shù)脑诶碚摲治龅幕A(chǔ)上，利用Multisim建立電路模型，動(dòng)態(tài)顯示相應(yīng)的輸出信號(hào)，有利于同學(xué)們理解回路中參數(shù)的改變對(duì)輸出波形的影響。

下面通過(guò)一個(gè)具體的電路分析實(shí)例說(shuō)明Multisim在電路分析上的良好效果。在我們理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中都有對(duì)二階電路的動(dòng)態(tài)分析這部分內(nèi)容。因?yàn)槎A電路的分析既可說(shuō)明了電路的瞬態(tài)工作過(guò)程，也可以分析其系統(tǒng)函數(shù)零極點(diǎn)對(duì)輸出信號(hào)的影響，是一個(gè)比較重要的理論教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)也是我們實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一個(gè)必做試驗(yàn)。

在Multisim中建立如圖1所示電路模型［4］。由于RLC電路中包含有不同性質(zhì)的儲(chǔ)能元件，當(dāng)受到激勵(lì)后，電場(chǎng)儲(chǔ)能與磁場(chǎng)儲(chǔ)能將會(huì)相互轉(zhuǎn)換，形成振蕩。如果電路中存在著電阻，那么儲(chǔ)能將不斷地被電阻消耗，因而振蕩是減幅的，稱為阻尼振蕩或衰減振蕩。如果電阻較大，則儲(chǔ)能在初次轉(zhuǎn)移時(shí)，它的大部分就可能

四、結(jié)束語(yǔ)

被電阻所消耗，不產(chǎn)生振蕩。

因此，RLC電路的響應(yīng)有三種情況：欠阻尼、臨界阻尼、過(guò)阻尼。輸出波形如圖2、3、4所示。

在Multisim［5］的工具欄中選擇transient analyses，將會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話框，在此處可以進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置，然后選擇對(duì)話框上的simulate按鈕，就可以看到電路輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)輸出過(guò)程。通過(guò)設(shè)置不同的RLC值，可以非常生動(dòng)、形象地看到二階電路的三個(gè)工作過(guò)程，有利于在沉重的數(shù)學(xué)推理中放松學(xué)生的情緒、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

上述輸出波形是在零狀態(tài)下的輸出波形。對(duì)于一個(gè)完整的電路輸出信號(hào)，我們除了需要分析系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)，還必須關(guān)系關(guān)心零輸入響應(yīng)。通過(guò)參數(shù)的設(shè)置（），我們很容易的得到此二階電路的零輸入狀態(tài)圖（波形與圖2相似）。通過(guò)此圖可以形象地向同學(xué)們說(shuō)明電感和電容的儲(chǔ)能作用。

2．利用pole-zero analyses進(jìn)行電路穩(wěn)定性的判斷

在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中，我們必須考慮一個(gè)電路的穩(wěn)定性，如何考察一個(gè)電路的穩(wěn)定性？在Multisim中可以很方便的對(duì)任意的電路系統(tǒng)進(jìn)行零極點(diǎn)分布分析。選在工具欄中的Simulate中的analyses選項(xiàng)中 pole-zero analyses。在彈出對(duì)話框中設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)后，按下Simulate按鈕，就可以得到電路系統(tǒng)的零極點(diǎn)。如圖5所示。

這是一個(gè)簡(jiǎn)單的電路分析，主要目的是說(shuō)明在Multisim軟件下我們可以很方便的分析一個(gè)電路的系統(tǒng)函數(shù)及其拉氏零極點(diǎn)分布境況，進(jìn)而可以談?wù)撘粋€(gè)電路的穩(wěn)定性。

3．Fourier變換在通信系統(tǒng)應(yīng)用

現(xiàn)在通信系統(tǒng)的發(fā)展處處伴隨著Fourier變換的精心應(yīng)用，比如調(diào)制系統(tǒng)和濾波器的應(yīng)用。本文由于文字所限，在這里僅僅介紹一下如何利用Simulate中的所提供的集成模塊和虛擬儀器，搭建通信系統(tǒng)中的調(diào)制。并以雙邊帶調(diào)制為例，如圖6、7所示。

利用Multisim中的虛擬濾波器可以動(dòng)態(tài)的觀測(cè)調(diào)制的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。同時(shí)可以利用Simulate中的Fourier analyses分析信號(hào)頻譜變化。

四、總 結(jié)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前各種仿真軟件層出不窮。如何利用這些數(shù)字資源提高我們的教學(xué)質(zhì)量，是身為一名教育工作者值得思索的問(wèn)題。本文主要通過(guò)舉例說(shuō)明了Multisim在信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)中的一些具體作用。目的是通過(guò)中Multisim動(dòng)態(tài)分析和圖像顯示活躍課堂氣氛的同時(shí)，能夠讓同學(xué)們更好的理解信號(hào)與系統(tǒng)中的知識(shí)點(diǎn)。關(guān)于如何更好的提高《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)的效果，有待于我們繼續(xù)探討和研究。

參考文獻(xiàn)

1 鄭君里等. 信號(hào)與系統(tǒng). 高等教育出版社，2004.10

2 金 波.“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革初探. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007.8

3 鄭步生. Multisim 2001 電路設(shè)計(jì)及仿真入門與應(yīng)用. 電子工業(yè)出版社，2002.2

4 燕慶明. 信號(hào)與系統(tǒng)教程. 高等教育出版社，2004.8

5 MultiSIM 9.0 仿真軟件. http://www.9iv.com/down/soft/645.htm