NI Multisim12.0在電學物理實驗中的應用

吳衛華，朱小芹，眭永興

（江蘇理工學院 數理學院，江蘇 常州 213001）

利用Multisim12.0仿真軟件搭建虛擬實驗平臺、設置元器件參數，可以實現電路的實時仿真，分析結果直觀、正確，可以激發學生的學習興趣，加深對理論知識的理解與掌握，同時可以提高實驗效率，降低實驗成本，提高實驗教學質量，為電學專業學生的后續專業課學習奠定基礎。

NI Multisim12.0是美國國家儀器公司（NI）2012年3月份推出的最新的電子線路仿真軟件，它可以對電路原理、電路功能進行仿真和測試，具有可視化界面、操作簡便，采用圖形方式創建電路、元器件參數設置靈活、仿真分析功能全面等優點，適合在電路及電子技術基礎學習和實際工程設計中廣泛應用。Multisim12.0具有強大的電路分析能力，可實現電路的瞬態分析和穩態分析、時域分析和頻率分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析、離散傅里葉分析、電路零極點分析、交直流靈敏度分析等［1－4］。

1 在電學物理實驗中的應用實例

1.1 RC串聯電路的暫態過程研究

RC串聯電路如圖1所示。暫態過程即為電容的充放電過程［5－7］。

當開關置于1時，電源E對電容C充電，電容兩端的電壓為

當開關置于2時，電容C對電阻R放電，電容兩端的電壓為

電容兩端的電壓UC隨指數規律變化。充電和放電的快慢與時間常數τ有關，τ＝RC，是表征暫態過程快慢的一個物理量。τ值大，變化緩慢，過渡時間長。

應用Multisim12.0建立RC串聯電路仿真圖如圖2所示。其中：V1為方波信號源電壓，這里用方波代替圖1電路中的開關，其幅度為1V，頻率為50 kHz，電容C＝0.47μF，XSC1為雙蹤示波器。選擇不同的電阻R1運行電路，觀測方波信號源電壓V1和電容兩端電壓UC的波形（如圖3所示），圖3（a）和3（b）分別為R1＝1kΩ和R1＝10kΩ時暫態過程的仿真分析結果。

圖1 RC串聯電路的暫態過程分析電路圖

圖2 RC串聯電路Multisim仿真模型圖

圖3 RC串聯電路暫態過程仿真分析

對圖2所示電路進行實驗，通過數字雙蹤示波器觀察方波信號源和電容兩端的電壓波形如圖4所示，圖4（a）和圖4（b）分別為R1＝1kΩ和R1＝10kΩ時暫態過程的實驗結果。

圖4 RC串聯電路暫態過程實驗結果

對比分析圖3的仿真結果和圖4的實驗結果，其波形形狀、幅度和頻率完全對應相同，驗證了RC串聯電路Multisim仿真模型的正確性。學生在做電路仿真實驗時，可以對元件參數進行任意設置，觀察不同的暫態過程現象，分析電容充放電速度與時間常數τ的關系，加深對理論的理解與掌握。通過仿真實驗，體現了軟件的實用性、靈活性、便捷性和高效性，可以引起學生的實驗興趣和學習動力，避免進行枯燥重復的電路連接、檢查和測量讀數。

1.2 二極管正向伏安特性的仿真與實驗分析

二極管正向伏安特性的實驗電路如圖5所示［8－10］，其中 R1為滑線變阻器，R2為串聯限流保護電阻。

圖5 二極管正向伏安特性實驗電路圖

利用Multisim12.0建立仿真模型如圖6所示，其中V1＝3V，R1為阻值為1kΩ的滑線變阻器，R2＝36 Ω，D1選用1N4007型二極管，XMM1設置為直流電流表，XMM2設置為直流電壓表。運行電路，移動滑線變阻器R1的滑片，觀測記錄二極管D1兩端的電壓U1和流過的電流I1。

根據圖5所示電路進行實驗，其中：E＝3V，R1為 阻值1kΩ的滑線變阻器，R2＝36Ω，D1選用1N4007型二極管。選擇合適的直流電壓表和直流電流表的量程，測量記錄數據二極管D1兩端的電壓U2和流過的電流I2。

圖6 二極管正向伏安特性仿真模型

利用Matlab 12.0軟件繪制出二極管正向伏安特性曲線和實驗測量結果（如圖7所示），結果表明：二極管正向伏安特性為非線性關系，兩者波形形狀基本一致，存在差異的原因是實際的電壓表和電流表等對實驗結果產生一定的影響，從而造成測量誤差。

圖7 二極管正向伏安特性的仿真與實驗結果

2 結束語

將Multisim12.0應用于大學物理實驗，其仿真結果正確、直觀，有利于激發學生求知欲，調動學習積極性，充分發揮學生的主體性和能動性，培養學生的軟件應用能力。同時，仿真實驗避免了實驗時對元件參數的選擇和調整、電路的調試、儀器的誤差等諸多不利因素，大大提高了實驗效率和教學質量。

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