Multisim仿真软件在一阶RC电路教学中的应用

摘 要：引入Multisim仿真软件，在一阶RC电路教学中，为学生演示零输入响应、零状态响应、以及全响应的仿真实验，使理论教学与实践教学相结合，力求让学生在这一章的学习中尽早建立暂态过程的概念，以期对一阶动态电路的教学难点有所突破。

关键词：Multisim仿真；一阶RC电路；零输入响应；零状态响应；全响应

一阶电路是“电路分析基础”教学中很重要的一章。一阶电路是用一阶常微分方程来描述的动态电路，通常只含有一个动态元件。在一阶电路为代表的动态电路中，由于动态元件的VCR需要用导数形式来表示，因此，根据电路拓扑约束所列写的电路方程就是以电压、电流为变量的微分方程。首先，学生的高数知识基础不够扎实；其次，一阶电路的教学还需要有很多新的名词和方法需要介绍，如换路、初始值、零状态响应等等；最后，动态电路的教学还受到学时的限制。这就造成了这一章老师讲得费劲，学生听得迷糊，难教难学的现状。针对这一问题，本文提出了利用Multisim仿真软件进行一阶电路教学的方案，力图对这一教学难点有所突破。

1.Mulitsim仿真软件介绍

Mutisim是美国NI公司推出的以Windows为平台的仿真软件。软件里所有的元器件都是经过高度仿真而成，与实际电路实验结果几乎完全相同。它既能够进行电路原理设计，又能够完成电路的功能测试，把抽象的电路分析简单化、形象化。

可以帮助学生更好地理解课堂教学内容。在过去的传统课堂教学中，由于条件限制，理论教学与实验是分离的，在引入Mulisim仿真软件进行教学以后，可将理论与实践有机结合，达到最佳教学效果。

2.一阶RC电路的仿真教学

本文采用的仿真软件版本是Multisim 12.0。一阶RC电路仿真原理图如图1所示。

零输入响应：

一阶RC电路仅有一个动态元件，在换路瞬间电容已储存有能量，那么即使电路中无外加激励电源 ，电路中的电容元件将通过电路放电，在电路中产生响应， 即零输入响应 。

在图1所示电路中，当开关S1闭合在引脚3端时，6V电压源通过电阻R1对电容C1充电。经过一段时间以后，电路达到稳态，电容储存了能量，电容电压恒定为6V。当开关S1闭合到1端以后，电容C1通过电阻R1放电，在电路中产生响应，即零输入响应，电压按指数规律从6V衰减到0V。

Multisim仿真：

仿真原理图中给出了原件参数，R1为500Ω，C1为10μF，显然时间常数 = RC =5ms。

点的电压为2.244V，约为起始电压6V的36.8%。从仿真电路的示波器显示结果（图2）可以看出，紅色指针指向暂态过程的起始时刻，横坐标为时间216ms，纵坐标为电容电压6V。示波器的蓝色指针指向暂态过程的 时刻，横坐标为时间224ms，比起始时刻多了5ms，正好是一个 的时间。纵坐标为电压2.2V。证明经过了1 的时间，电容上的电压按指数规律衰减了36.8%。从而验证了我们的零输入响应的理论推导。

第二次仿真，我们将电容C1的电容值改为20μF，电路其他参数不变。相应的电路的时间常数 = RC = 10ms。也就是理论上要经过10ms，电压才能衰减为原来的36.8%。从仿真电路的示波器显示结果（图3）可以看出，红色指针指向暂态过程的起始时刻，横坐标为时间107ms，纵坐标为电容电压6V。示波器的蓝色指针指向暂态过程的 时刻，横坐标为时间217ms，比起始时刻多了10ms，正好是一个 的时间。纵坐标为电压2.2V。验证了因为电路参数发生了变化，随着电容值的增加，零输入响应的衰减速度变慢了。

零状态响应：

一阶RC电路仅有一个动态元件，在初始状态时储能为零。换路瞬间由外施电源对电路产生激励，电路中的电容元件将通过电路充电，在电路中产生响应， 即零状态响应 。

在图1所示电路中，当开关S1闭合在引脚1端时，无外施电源对动态元件C1产生作用。经过一段时间以后，电路达到稳态，电容电压恒定为0V。当开关S1闭合到3端以后，6V电压源开始对电容C1充电，在电路中产生响应，即零状态响应，电压按指数规律从0V增加到6V。

Multisim仿真：

仿真原理图仍如图1所示，这次不同的是，开关先打到引脚1，经过一段时间后，再打到引脚3。

时间常数 = RC =5ms。 点的电压为3.872V，约为电源电压6V的63.2%。从仿真电路的示波器显示结果（图4）可以看出，红色指针指向暂态过程的起始时刻，横坐标为时间73ms，纵坐标约为电容电压0V。示波器的蓝色指针指向暂态过程的 时刻，横坐标为时间78ms，比起始时刻多了5ms，正好是一个 的时间。纵坐标为电压3.872V。证明经过了1的时间，电容上的电压按指数规律增加了63.2%。从而验证了我们的零输入响应的理论推导。

全响应：

当一个非零初始状态的电路受到激励时，电路的响应称为全响应 。对于线性电路 ， 全响应是零输入响应和零状态响应之和。

在图1所示电路中，反复按下空格键对开关S1在1端和3端间反复切换，电容C1上既有原始储能，又有外施电源的激励，所产生的响应，就是全响应。

Multisim仿真：

结论：在教学中使用Multisim软件对电路进行仿真，可以让学生直观地观察仿真波形，加以分析、总结。通过改变电路的参数R或者C，观察其对时间常数造成的影响，从而了解电路参数对动态响应速度所起的作用。

3.结束语

在传统的教学方法中，由于理论和实践教学分离，一阶电路的教学容易出现效率不高、 教学效果不够理想等问题。 运用仿真软件Multisim可以在课堂上进行演示实验 ，将理论和实践相结合， 使学生直观地学习到动态电路的暂态过程，可以极大地提升学习效率和教学效果。

参考文献

[1]姜霞 赖旭芝等. 一阶动态电路教学方法的研究 [J]. 中国电力教育，2014（12）.

[2]卢国华. 浅论如何讲授一阶动态电路[J]. 廊坊师范学院学报，2008（6）.

[3]俎云霄，李巍海等. Multisim在电路分析基础课程教学中的应用[J].中国现代教育装备，2010（15）.

作者简介：吴丹（1981-）贵州贵阳人，贵阳学院讲师。主要研究方向：数字图像处理、视频压缩。