Multisim在动态电路教学中的应用

景展 陆小花

［摘要］根据电路课程的特点，引入Multisim软件对动态电路进行辅助分析，通过仿真实例，可以加深对一阶和二阶电路理论知识的理解。教学实践证明，计算机仿真实验与电路理论的有机结合，有利于提高学生分析和解决问题的能力，效果良好。

［关键词］Multisim 电路仿 真一阶电路 二阶电路

［中图分类号］G642［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2014）12-0089-02

本文结合教学中的实际情况，详细说明了Multisim在一阶和二阶动态电路中的具体应用。

一、仿真软件Multisim简介

2010年初，美国国家仪器有限公司（National Instrument，NI）推出NI Multisim 11。它用软件的方法虚拟电子与电工器件以及仪器仪表，将元器件和仪器集合为一体。它是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件，能提供一万多种元件，虚拟测试仪器及仪表种类齐全，具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析、稳态分析等各种分析方法，设计和实验可以同步进行，修改调试方便，可以直接打印输出原理图和结果。

目前国内高等院校的实验场地和设备资源都非常有限，这在一定程度上制约了学生动手能力的提高和创新意识的培养。现在只要配备了计算机和仿真软件，相当于拥有一个“电子实验室”，学生可以不拘场所和时间，用“以虚代实，以软代硬”的方法做实验，大大提高了学习效率，有利于培养学生的综合分析能力、开发能力和创新能力。

二、RC串联电路的方波响应

电路在无激励的情况下，由动态元件的初始储能引起的响应称为零输入响应。零状态的动态电路，由外施激励引起的响应称为零状态响应。一般电路的过渡过程是短暂的，为了方便观测，可以采用方波电压作为激励源，使电路中的过渡过程得以重复出现，只要选择方波的周期T远大于电路的时间常数τ（ ）,那么电路在方波序列脉冲信号的激励下，它的响应就和直流电源接通与断开的过渡过程是基本相同的，每一个周期都可视为RC电路的充电过程和电容通过电阻放电两个过程的组合，电路如图1所示。

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图1RC电路的方波响应

图2中曲线1为方波电压，2和3为不同时间常数的电容电压波形。在方波电压为高电平期间，电源经R向C充电，电路为零状态响应，，电容电压按指数规律上升。在方波电压为低电平期间，电容放电，电路为零输入响应，电容电压按指数规律下降。时间常数，它的大小反映了一阶电路过渡过程的进展速度。曲线2、曲线3中将电容改为32nF，从2和3的对比可以看出τ越大响应速度越快。τ的大小也可以从响应的波形中估计出来，对于充电曲线，幅值上升到终值的0.632所对应的时间为一个τ，对于放电曲线，幅值下降到初始值的0.368所对应的时间为一个τ。过程上一般认为换路后，经过3τ～5τ时间过渡过程即告结束。实际电路中，适当选择R或C就可以控制放电的快慢。

三、RLC串联电路的方波响应

RLC串联电路为一典型的二阶电路。它可以用以下二阶常系数微分方程来描述： 求解微分方程，可以得出电容上的电压Uc（t），改变初始状态和输入激励可以得到不同的二阶时域响应。由于电路的参数不同，响应一般有三种形式：第一，当R＞2■时，特征根是两个不相等的负实数，电路的动态响应为非振荡性的，称为过阻尼情况。第二，当R=2■时，特征根是两个相等的负实数，电路的动态响应仍为非振荡性的，称为临界阻尼情况。第三，当R＜2■时，特征根是一对共轭复数，电路的动态响应为振荡性的，称为欠阻尼情况。

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图3RLC电路的方波响应

通过方波激励RLC串联电路，用示波器观察方波和电容电压波形，如图3所示。图4中，R=1.5kΩ，L=0.1H，C=0.22μF，电容电压单调地衰减或增加，属于非振荡放电过程。这个过程电容一直处在放电状态，电感在电流达到最大值之前储存磁场能，之后与电容一起释放能量，直到电场储能与磁场储能被电阻耗尽，放电结束。图5中，R=100Ω，L=0.1H，C=0.22μF，电容电压振荡于其稳态值附近，最后趋紧于稳态值，属于振荡放电过程。此过程中电容先向电阻和电感释放其储能，释放完毕后，电感还有储能并继续释放，电感释放的储能中，除为电阻消耗外，一部分使电容反向充电而转变为电容的储能。因电阻消耗能量，振荡逐渐减弱。若电阻为零，振荡为等幅振荡，不衰减。

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图5欠阻尼情况下的响应波形

通过Multisim对各种动态电路进行仿真分析，运行出相应的结果，学生可以清晰快捷地看到各种波形的特点及差别,省去了烦琐的数学推导，把枯燥的电路理论变成了形象生动的演示波形，理论与实践相结合，加深了对重点难点的理解和记忆，取得了良好的教学效果。

四、实践证明，仿真实验为电路教学带来了很大的方便

1.拓展实验资源。Multisim可以弥补实验室设备陈旧，开放时间有限的缺点，能灵活方便地开展实验，并且软件中器件仪表丰富、实验功能齐全，安全快捷，大大拓展了实验范围，提高了实验效率。

2.巩固理论知识。在仿真实验过程中，通过直观、动态的图形，感受改变参数对结果的影响，使学生轻松掌握比较抽象的知识点，加深了对理论知识的理解。

3.培养学习兴趣。仿真实验简单易行，学生可根据自己的方案设计电路，验证电路分析结果，完善初步设计方案，实现自己的设计和想法，锻炼主动分析和解决问题的能力，有利于工程素质的培养。

4.须和实际实验相结合。Multisim虽然功能强大，但不是有了Multisim，一切问题就迎刃而解。仿真实验不能完全代替传统实验，比如正确使用仪表、培养良好的习惯等，两者必须相辅相成、互为补充，才能真正提高实验水平。

［参考文献］

［1］梁青,侯传教.Muitisim11电路仿真与实践［M］.北京:清华大学出版社,2012.

［2］邱关源.电路（第5版）［M］.北京:高等教育出版社,2006.

［3］张洪让.电工基础［M］.北京:高等教育出版社,1990.

［责任编辑：左芸］