Multisim仿真軟件在一階RC電路教學(xué)中的應(yīng)用

1、Multisim 仿真軟件在一階RC電路教學(xué)中的應(yīng)用一階電路是“電路分析基礎(chǔ)”教學(xué)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(dǎo)數(shù)形式來表示， 因此， 根據(jù)電路拓?fù)浼s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(xué)生的高數(shù)知識 基礎(chǔ)不夠扎實； 其次， 一階電路的教學(xué)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(yīng)等等；最后，動態(tài) 電路的教學(xué)還受到學(xué)時的限制。這就造成了這一章老師講得費(fèi) 勁，學(xué)生聽得迷糊，難教難學(xué)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(jìn)行一階電路教學(xué)的方案，力圖對這 一教學(xué)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(jié)果幾乎完全相同。 它既能夠進(jìn)行電路原理設(shè)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(xué)生更好地理解課堂教學(xué)內(nèi)容。 在過去的傳統(tǒng)課堂 教學(xué)中，由于條件限制，理論教學(xué)與實驗是分離的，在引入 Mulisim 仿真軟件進(jìn)行教學(xué)以后，可將理論與實踐有機(jī)結(jié)合，達(dá) 到最佳教學(xué)效果。2. 一階RC電路的仿真教學(xué)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(yīng)：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(yīng)， 即零輸入響應(yīng) 。在圖1所示電路中，當(dāng)開關(guān) 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(dá)到穩(wěn) 態(tài)，電容儲存了能量，電容電壓恒定為6V。當(dāng)開關(guān)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(yīng)，即零輸 入響應(yīng)，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(jié)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(biāo)為時間 216ms縱坐標(biāo)為電容電壓6V。示波 器的藍(lán)色指針指向暫態(tài)過程的時刻，橫坐標(biāo)為時間224ms比起始時刻多了 5ms正好是一個 的時間?？v坐標(biāo)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(yīng)的理論推導(dǎo)。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(yīng)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(jié)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(biāo)為時間107ms,縱坐標(biāo)為電容電壓6V。示波器的藍(lán) 色指針指向暫態(tài)過程的 時刻，橫坐標(biāo)為時間217ms,比起始時 刻多了 10ms，正好是一個 的時間?？v坐標(biāo)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(yīng)的衰 減速度變慢了。零狀態(tài)響應(yīng)：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(yīng), 即零狀態(tài)響應(yīng) 。在圖 1 所示電路中,當(dāng)開關(guān)

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(dá)到穩(wěn) 態(tài)，電容電壓恒定為0V。當(dāng)開關(guān)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(yīng),即零狀態(tài)響應(yīng),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(guān)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(jié)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(biāo)為時間73ms縱坐標(biāo)約為電容電壓0V。示波器的藍(lán)色指針指向暫

7、態(tài)過程的時刻，橫坐標(biāo)為時間78ms比起始時刻多了 5ms,正好是一個 的時間。 縱坐標(biāo)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(yīng)的理論推 導(dǎo)。全響應(yīng)：當(dāng)一個非零初始狀態(tài)的電路受到激勵時， 電路的響應(yīng)稱為全 響應(yīng) 。對于線性電路 ， 全響應(yīng)是零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)之 和。在圖 1 所示電路中，反復(fù)按下空格鍵對開關(guān) S1 在 1 端和 3 端間反復(fù)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(yīng)，就是全響應(yīng)。Multisim 仿真：結(jié)論：在教學(xué)中使用 Multisim 軟件對電路進(jìn)行仿真，可以 讓學(xué)生直觀地觀察仿真波形，加以分析、總結(jié)。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(yīng)速度所起的作用。3. 結(jié)束語在傳統(tǒng)的教學(xué)方法中， 由于理論和實踐教學(xué)