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    摘 要：引入multisim仿真軟件，在一階rc電路教學(xué)中，為學(xué)生演示零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)、以及全響應(yīng)的仿真實驗，使理論教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合，力求讓學(xué)生在這一章的學(xué)習(xí)中盡早建立暫態(tài)過程的概念，以期對一階動態(tài)電路的教學(xué)難點有所突破。關(guān)鍵詞：multisim仿真；一階rc電路；零輸入響應(yīng)；零狀態(tài)響應(yīng)；全響應(yīng)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

2、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(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multisim仿真軟件進行一階電路教學(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。它既能夠進行電路原理設(shè)計，又能夠完

3、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仿真軟件進行教學(xué)以后，可將理論與實踐有機結(jié)合，達到最佳教學(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multisim 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)

4、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(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，c1為10f，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，紅色指針指向暫態(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?？v坐標為電壓2.2v。證明

5、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20f，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?？v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(yīng)的衰減速度變慢了。零狀態(tài)響

6、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)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(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

7、%。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(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)分離，一階電路的教學(xué)容易出現(xiàn)效率不高、 教學(xué)效果不夠理想等問題。 運用仿真軟件multisim可以在課堂上進行演示實驗 ，將理論和實踐相結(jié)合， 使學(xué)生直觀地學(xué)習(xí)到動態(tài)電路的暫態(tài)過程，可以極大地提升學(xué)習(xí)效率和教學(xué)效果。參考文獻1姜霞 賴旭芝等. 一階動態(tài)電路教學(xué)方法的研究