基礎(chǔ)物理實驗中RC微積分電路的Multisim仿真

齊曉華

（渤海大學 數(shù)理學院物理系，遼寧 錦州 121000）

微分電路和積分電路是RC一階電路中較典型的電路[1-2]，它對電路元件參數(shù)和輸入信號的周期有著特定的要求。當激勵是一個矩形波信號時，是微分電路還是積分電路不僅與輸出量有關(guān)，還與電路的時間常數(shù)和方波信號的周期的相對大小有關(guān)。

用Multisim仿真軟件[3-8]進行微分電路和積分電路仿真分析，以虛擬儀器中的函數(shù)信號發(fā)生器做實驗中的信號源、用雙蹤示波器測試有關(guān)波形，可直觀描述電路工作過程。

以下分析用Multisim10版本。

圖1 RC微分仿真電路Fig.1 RC differential circuit simulation

1 RC微分電路的Multisim仿真

RC微分電路的輸出電壓與輸入電壓之間為微分運算關(guān)系。電路由電阻R、電容C構(gòu)成，電阻兩端電壓作為輸出電壓，構(gòu)建的Multisim仿真電路如圖1所示。其中，輸入信號uI為占空比q=50%、幅值±U=±10 V、頻率f=1 kHz（周期T=0.001 s）的矩形波，雙蹤示波器用于觀測輸入信號uI及電阻兩端電壓uR的波形，電路的時間常數(shù)τ=RC＜＜T。

電路方程為：

在輸入信號高電平期間，uI經(jīng)電阻對電容充電，且電容的初始電壓為0，產(chǎn)生零狀態(tài)響應

將式（2）代入式（1）有

在輸入信號低電平期間，電容經(jīng)電阻放電，產(chǎn)生零輸入響應：

將式（4）代入式（1）有：

由式（3）、式（4）可知，電路輸出為正、負尖脈沖。

仿真電路中，選取電阻 R=10 kΩ、電容 C=0.001 μF，電路的時間常數(shù)為 τ=RC=1×10-5s＜＜T。

RC微分電路的Multisim仿真波形如圖2所示，其中由上至下依次是輸入方波信號、電阻兩端電壓uR的波形，仿真結(jié)果反映了式（3）、（5）的變化規(guī)律。

圖2 RC微分電路的仿真波形Fig.2 RC differential circuit simulation waveforms

2 RC積分電路的Multisim仿真

RC微分電路的輸出電壓與輸入電壓之間為積分運算關(guān)系。電路由電阻R、電容C構(gòu)成，電容兩端電壓作為輸出電壓，構(gòu)建的Multisim仿真電路如圖3所示。其中，輸入信號uI為占空比q=50%、幅值±U=±10 V、頻率f=1 kHz（周期T=0.001 s）的矩形波，雙蹤示波器用于觀測輸入信號uI及電容兩端電壓uC的波形，電路的時間常數(shù)τ=RC>>T。

電路方程為

在方波信號的一個周期內(nèi)電容沒有完成充、放電，所以

將式（8）代入式（6）有：

即輸出電壓uC近似與輸入電壓uS的積分成正比。

在輸入信號高電平期間uI=U，有：

在輸入信號低電平期間uI=-U，有：

由式（10）、式（11）可知，電路輸出為三角波形。

仿真電路中，選取電阻R=10 kΩ、電容C=1 μF，電路的時間常數(shù)為τ=RC=0.01 s>>T。

RC微分電路的Multisim仿真波形如圖4所示，其中由上至下依次是輸入矩形波信號、電容兩端電壓uC的波形，仿真結(jié)果反映了式（10）、（11）的變化規(guī)律。

圖3 RC積分仿真電路Fig.3 RC integral circuit simulation

圖4 RC積分電路的仿真波形Fig.4 RC integral circuit simulation waveforms

3 結(jié)束語

用硬件實驗儀器對RC微積分電路工作過程進行測試時，儀器輸出參數(shù)調(diào)整較為繁瑣，信號頻率偏高或偏低時波形顯示不穩(wěn)定。用Multisim軟件仿真解決了這一問題，將計算機仿真軟件Multisim引入到電路實驗中，使電路的分析、仿真、測試非常方便，特別便于電路參數(shù)改變時的測試。所述方法具有實際應用意義。將電路的硬件實驗方式向多元化方式轉(zhuǎn)移，利于培養(yǎng)知識綜合、知識應用、知識遷移的能力，使電路分析更加靈活和直觀。

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