Multisim在動態(tài)電路教學(xué)中的應(yīng)用

景展 陸小花

［摘要］根據(jù)電路課程的特點，引入Multisim軟件對動態(tài)電路進行輔助分析，通過仿真實例，可以加深對一階和二階電路理論知識的理解。教學(xué)實踐證明，計算機仿真實驗與電路理論的有機結(jié)合，有利于提高學(xué)生分析和解決問題的能力，效果良好。

［關(guān)鍵詞］Multisim 電路仿 真一階電路 二階電路

［中圖分類號］G642［文獻標(biāo)識碼］A［文章編號］2095-3437（2014）12-0089-02

本文結(jié)合教學(xué)中的實際情況，詳細說明了Multisim在一階和二階動態(tài)電路中的具體應(yīng)用。

一、仿真軟件Multisim簡介

2010年初，美國國家儀器有限公司（National Instrument，NI）推出NI Multisim 11。它用軟件的方法虛擬電子與電工器件以及儀器儀表，將元器件和儀器集合為一體。它是一個原理電路設(shè)計、電路功能測試的虛擬仿真軟件，能提供一萬多種元件，虛擬測試儀器及儀表種類齊全，具有較為詳細的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)分析、穩(wěn)態(tài)分析等各種分析方法，設(shè)計和實驗可以同步進行，修改調(diào)試方便，可以直接打印輸出原理圖和結(jié)果。

目前國內(nèi)高等院校的實驗場地和設(shè)備資源都非常有限，這在一定程度上制約了學(xué)生動手能力的提高和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。現(xiàn)在只要配備了計算機和仿真軟件，相當(dāng)于擁有一個“電子實驗室”，學(xué)生可以不拘場所和時間，用“以虛代實，以軟代硬”的方法做實驗，大大提高了學(xué)習(xí)效率，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力、開發(fā)能力和創(chuàng)新能力。

二、RC串聯(lián)電路的方波響應(yīng)

電路在無激勵的情況下，由動態(tài)元件的初始儲能引起的響應(yīng)稱為零輸入響應(yīng)。零狀態(tài)的動態(tài)電路，由外施激勵引起的響應(yīng)稱為零狀態(tài)響應(yīng)。一般電路的過渡過程是短暫的，為了方便觀測，可以采用方波電壓作為激勵源，使電路中的過渡過程得以重復(fù)出現(xiàn)，只要選擇方波的周期T遠大于電路的時間常數(shù)τ（ ）,那么電路在方波序列脈沖信號的激勵下，它的響應(yīng)就和直流電源接通與斷開的過渡過程是基本相同的，每一個周期都可視為RC電路的充電過程和電容通過電阻放電兩個過程的組合，電路如圖1所示。

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圖1RC電路的方波響應(yīng)

圖2中曲線1為方波電壓，2和3為不同時間常數(shù)的電容電壓波形。在方波電壓為高電平期間，電源經(jīng)R向C充電，電路為零狀態(tài)響應(yīng)，，電容電壓按指數(shù)規(guī)律上升。在方波電壓為低電平期間，電容放電，電路為零輸入響應(yīng)，電容電壓按指數(shù)規(guī)律下降。時間常數(shù)，它的大小反映了一階電路過渡過程的進展速度。曲線2、曲線3中將電容改為32nF，從2和3的對比可以看出τ越大響應(yīng)速度越快。τ的大小也可以從響應(yīng)的波形中估計出來，對于充電曲線，幅值上升到終值的0.632所對應(yīng)的時間為一個τ，對于放電曲線，幅值下降到初始值的0.368所對應(yīng)的時間為一個τ。過程上一般認(rèn)為換路后，經(jīng)過3τ～5τ時間過渡過程即告結(jié)束。實際電路中，適當(dāng)選擇R或C就可以控制放電的快慢。

三、RLC串聯(lián)電路的方波響應(yīng)

RLC串聯(lián)電路為一典型的二階電路。它可以用以下二階常系數(shù)微分方程來描述： 求解微分方程，可以得出電容上的電壓Uc（t），改變初始狀態(tài)和輸入激勵可以得到不同的二階時域響應(yīng)。由于電路的參數(shù)不同，響應(yīng)一般有三種形式：第一，當(dāng)R＞2■時，特征根是兩個不相等的負(fù)實數(shù)，電路的動態(tài)響應(yīng)為非振蕩性的，稱為過阻尼情況。第二，當(dāng)R=2■時，特征根是兩個相等的負(fù)實數(shù)，電路的動態(tài)響應(yīng)仍為非振蕩性的，稱為臨界阻尼情況。第三，當(dāng)R＜2■時，特征根是一對共軛復(fù)數(shù)，電路的動態(tài)響應(yīng)為振蕩性的，稱為欠阻尼情況。

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圖3RLC電路的方波響應(yīng)

通過方波激勵RLC串聯(lián)電路，用示波器觀察方波和電容電壓波形，如圖3所示。圖4中，R=1.5kΩ，L=0.1H，C=0.22μF，電容電壓單調(diào)地衰減或增加，屬于非振蕩放電過程。這個過程電容一直處在放電狀態(tài)，電感在電流達到最大值之前儲存磁場能，之后與電容一起釋放能量，直到電場儲能與磁場儲能被電阻耗盡，放電結(jié)束。圖5中，R=100Ω，L=0.1H，C=0.22μF，電容電壓振蕩于其穩(wěn)態(tài)值附近，最后趨緊于穩(wěn)態(tài)值，屬于振蕩放電過程。此過程中電容先向電阻和電感釋放其儲能，釋放完畢后，電感還有儲能并繼續(xù)釋放，電感釋放的儲能中，除為電阻消耗外，一部分使電容反向充電而轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙莸膬δ?。因電阻消耗能量，振蕩逐漸減弱。若電阻為零，振蕩為等幅振蕩，不衰減。

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圖5欠阻尼情況下的響應(yīng)波形

通過Multisim對各種動態(tài)電路進行仿真分析，運行出相應(yīng)的結(jié)果，學(xué)生可以清晰快捷地看到各種波形的特點及差別,省去了煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，把枯燥的電路理論變成了形象生動的演示波形，理論與實踐相結(jié)合，加深了對重點難點的理解和記憶，取得了良好的教學(xué)效果。

四、實踐證明，仿真實驗為電路教學(xué)帶來了很大的方便

1.拓展實驗資源。Multisim可以彌補實驗室設(shè)備陳舊，開放時間有限的缺點，能靈活方便地開展實驗，并且軟件中器件儀表豐富、實驗功能齊全，安全快捷，大大拓展了實驗范圍，提高了實驗效率。

2.鞏固理論知識。在仿真實驗過程中，通過直觀、動態(tài)的圖形，感受改變參數(shù)對結(jié)果的影響，使學(xué)生輕松掌握比較抽象的知識點，加深了對理論知識的理解。

3.培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。仿真實驗簡單易行，學(xué)生可根據(jù)自己的方案設(shè)計電路，驗證電路分析結(jié)果，完善初步設(shè)計方案，實現(xiàn)自己的設(shè)計和想法，鍛煉主動分析和解決問題的能力，有利于工程素質(zhì)的培養(yǎng)。

4.須和實際實驗相結(jié)合。Multisim雖然功能強大，但不是有了Multisim，一切問題就迎刃而解。仿真實驗不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗，比如正確使用儀表、培養(yǎng)良好的習(xí)慣等，兩者必須相輔相成、互為補充，才能真正提高實驗水平。

［參考文獻］

［1］梁青,侯傳教.Muitisim11電路仿真與實踐［M］.北京:清華大學(xué)出版社,2012.

［2］邱關(guān)源.電路（第5版）［M］.北京:高等教育出版社,2006.

［3］張洪讓.電工基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社,1990.

［責(zé)任編輯：左蕓］