电气1201-冯磊-Multisim在电路分析实验中的应用(2)

2018-12-29 21:43

和分析,相继贵公司又推出了Multisi8.0版本。

2005年加拿大IIT公司被并入美国国家仪器公司(National Instrument,简称NI公司),在当年12月推出了Multisim9.0软件。又相继推出了Multisim10.0、Multisim11.0、Multisim12.0等版本。 1.2.2 Multisim的安装

(1)对计算机系统的要求

运行Multisim时,推荐计算机系统的最基本配置的要求:

操作系统Win XP/Win7(32位)/Win7(64位)/Win8(32位)/Win8(64位)/Win10(64位);中央处理器(CPU)Pentium4以上;内存2GB以上;显示器的分辨率1024*768像素以上;安装软件可能用到光驱;硬盘内存最少有2GB以上的存储空间。

(2)安装Multisim软件

Multisim的安装过程可以根据相应的提示步骤,进行相应的操作即可完成安装,安装完成后需要对计算机进行重新启动,才可以进行使用。安装成功后软件启动的界面如图1所示。

图1 multisim软件启动界面

1.2.3 Multisim的基本功能

Multisim 的功能众多,现在简述其基本功能如下: (1)方便快捷的连接电路图

Multisim软件含有众多的虚拟元件与现实元件,分别放置在18个元器件库中,连接电路图只要从元件库中把需要的元器件使用鼠标拖出来,放置到工作区中即可,鼠标点击元器件的引脚,即可对其进行连线,搭建电路图不仅方便而且

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快捷,还可以设置标记,增减网格等。

(2)强大完备的分析功能

Multisim软件可以直接进行直流静态工作点分析(DC Operating Point Analysis)、交流分析(AC Analysis)、瞬态分析(Transient Analysis)、单一频率交流分析(Single Frequency AC Analysis)、傅里叶分析(Fourier Analysis)、噪声分析(Noise Analysis)、直流扫描分析(DC Sweep Analysis)、灵敏度分析(Sensitivity Analysis)、最坏情况分析(Worst Case Analysis)、参数扫描分析(Parameter Sweep Analysis)、温度扫描分析(Temperature Sweep Analysis)、零-极点分析(Pole-Zero Analysis)、传输函数分析(Transfer Function Analysis)、蒙特卡罗分析(Monte Carlo Analysis)、线宽分析(Trace Width Analysis)、批处理分析(Batched Analysis)、用户自定义分析(User Defined Analysis)等,电路分析结果可以以数值或者波形图直观的显示出来。

(3)后处理功能

Multisim软件可以利用后处理器,对仿真的波形和数值结果可以进行工程运算、复杂的函数运算、向量运算、指数运算、对数运算等。

(4)强大的兼容能力

Multisin软件可以运行旧版本的EWB以及Multisim文件,还可以运行Orcad文件、Spice网络表文件、Ulticap文件等,而且可以自行的生成其对应的电路图。软件可以将Multisim组建的电路图转换成网络表文件,给其他软件如,EDA软件形成了方便,可以自行布线与自行布局。 1.2.4 Multisim的仿真步骤

(1)按照电路原理图从元件库选择元件放到工作区,搭建电路图。 (2)设定电路元器件参数,保证和原理图中的元器件参数和模型一一对应。 (3)在电路中选择合适的观察节点,连接电压表、电流表、功率表、示波器等所需的仪器。

(4)根据电路调试要求设定仪器参数,用相应仪器或仿真分析工具分析、调试电路。

(5)分析仿真结果,若结果不正确,分析原因,调整元器件和仪器的参数。 (6)数据整理、分析,保存电路图,打印仿真结果。

1.3 本文研究内容

随着电子信息产业的快速发展,计算机技术也迅速地发展并且遍及世界各处。在计算上上安装Multisim软件就等于拥有了一个器件齐全、设备精良的实验室。做实验不仅速度快而且获得的数据也精确,有利于加深学生对理论知识的

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理解,还能强化学生的实践能力。提升了电路分析实验的设计,而且不受场地、时间的约束,节约了实验器材的损耗的费用,使得学生做实验更加便捷。本文通过两个实例在Multisim软件中进行仿真来说明Multisim在电路分析实验应用中的优点与不足。Multisim软件技术引进到电路分析实验的教学中已经成为了一种必然的发展趋势,运用计算机教学,其过程也充满了新颖,方便,对学生的学习积极性也有很大提高,为培养创新能力打下了基础。

2 Mulitisim在电路分析实验教学中的应用分析 2.1 传统电路分析实验教学中存在的问题

传统的电路分析实验虽然它的实验场地和现实的试验场地基本一致,有利于实验理论和实际结合是优点,但是实验的设备、实验的方式、实验的学时等方面也存在着一些列普遍的问题。随着电路分析实验教学的方式的转变,陈旧的实验仪器慢慢的展露出了很多缺点和不足,如设备高昂的费用、损耗维护费用、使用不方便、功能不齐全等。传统的实验设备,大部分都是一种设备只能只具有单一的功能,但是大部分的实验需要多种的设备组合起来,一起来完成此项实验,这样一来不但实验的成本会相当的高,而且给实验者带来了不便。

(1)在电路分析实验的方式中,主要是验证性的实验。开始给学生描述电路的实验原理以及实验的方法,然后由学生自己动手按照之前描述的操作方法进行一系列的实验验证。这样按照教师安排好的步骤进行会限制学生的思维,只能被动的去进行实验验证,不对于学生思维能力的提高。在电路分析实验中,包含了一些强电的实验,为了学生的安全,只能让学生进行理论的理解,而不可以进行实时的操作,这样很大一方面的限制了学生的分析问题动手实践的能力。

(2)在旧模式传统的实验中,对实验仪器的依附性过强,对于一些昂贵的实验仪器购买耗资太大,而且实验仪器更新换代的速度较快,大部分学校都是一次性购买,多年使用。这样对于新时代的教学来说,存在着很多弊端,不利于学生接触新的实验方法,使得教师授课也受到的很大方面的影响。限制了学校各种新型实验项目的进展与研究开发。

根据以上存在的这些问题,说明了传统的电路分析实验在教学中的效果不是很好,而且影响了学生后期一些实验课程的学习。随着计算机的普及对于教学方式的改善起着一定作用,而且更好的来适应新型教学方式,改变电路分析实验的教学方法已经成为了一种趋势。

2.2 Mulitisim在电路分析实验教学中的应用实例 2.2.1 一阶电路的响应测试

当某种东西处于稳定的一种状态,由于各种条件发生的变化,经过一段时间

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后又会到达一种新的稳定状态,由一种稳态到达另一种稳态不会发生突变,经过了一个过程,这个过度的过程被称之为暂态过程。接下来对包含有动态原件的电路的暂态过程进行一系列的分析。

1.专业术语的介绍: (1)稳态

动态电路的稳定状态,称之为稳态。 (2)换路

在包含动态原件的电路中,当电路发生断开、接通和电源发生变化等,称之为“环路”。

(3)暂态

动态原件包含的能量一般都是不间断变化的,而且不发生跃变,但是经过环路以后,会给电路带来动态原件的响应变化。因为电路发生变化的时间非常短暂,所以称之为“暂态”。

(4)零状态响应

电路换路之前,动态原件的初始能量是等于零的。发生换路时候,只由外加激励而产生的电路电压与电流的变化,称之为“零状态响应”。

(5)零输入响应

电路换路之前,动态原件中已经存储了一定能量。发生换路时候,外加的激励为零。现在由动态原件上本身存在的能量使得电路中的电流、电压发生一定的变化,称之为“零输入相应”。

(6)全响应

电路换路之前,动态原件中已经存储了一定能量,而且在发生换路的时候,还受到外加激励的作用,两者共同作用引起的电路中电流、电压的变化,称作为“全响应”。在线性电路中,全响应是零输入响应和零状态响应叠加产生的结果。 2.一阶动态电路零输入响应(RC一阶电路)

图2 RC零输入响应电路

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RC放电电路如图2所示,其实RC零输入响应电路,就是RC放电电路。 当电路中的开关S处于1位置的时候,电压源会对电容C进行充电,过一段时间时,电容C已经被充满,RC电路已经处于了稳定状态(稳态)。现在经过电容C的电流是零。当t=0时,进行换路,把开关从位置1变换到位置2,外加的激励变为零及断开之前的电压源,电容C从先前的充电变成了放电电路,把存储在电容C的电荷通过电阻R释放出来,开始了放电过程。

电容C放电开始的瞬间,由换路定律得

UC(0?)?Uc(0?)?Us

根据KVL定律得

UR?Uc?0

由于UR?Ric??RCduc得 dtRCduc?uc?0 dt-tRC-tRC 求解上面这个一阶常系数的线性齐次微分方程得

uc(t)?uc(0?)e?Use (2-1)

令上式中的RC=τ,所以RC电路的零输入响应为

Uc(0?)e (2-2)

t-τ 把τ=RC称作动态电路的时间常数,经过电容C的电流为

ducUs?τic??C?e(2-3)

dtRt由(2-1)、(2-3)两个式子可得,电压UC和电流ic都会随着随着时间的增长按照指数关系不断的进行衰减,如图3可见。根据指数函数规律来分析,需要无限长的时间以后,才可以进入稳态,然而事实上经过3τ-5τ时间时,电容所剩余的电压值已经非常之小了,这样一来就可以认为电路已经达到了稳态。

Uc ic Us US/R o t o t (a) (b) 图3 与ic响Uc应曲线

时间常数τ=RC越大的话,放电的时间就会越久,如电容C越大,那么电容开始存储得到的电荷能量就很多,这样一来其放电的时间就会越长。在实际电路

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