騰香

（渤海大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

在交流電路的研究中，常需要通過電阻、電感、電容等元件的不同組合來改變輸出正弦信號和輸入正弦信號之間的相位差，或構(gòu)成放大電路、振蕩電路、選頻電路、濾波電路等。因此，對RC串聯(lián)電路穩(wěn)態(tài)過程的研究，在電路理論、工程技術(shù)上有著重要的地位與作用，是高校普通物理實驗之一[1-2]。

用Multisim仿真軟件[3-8]進行RC電路正弦穩(wěn)態(tài)工作過程波形仿真分析，以信號源元件庫中的交流電壓源或虛擬儀器中的函數(shù)信號發(fā)生器做實驗中的信號源產(chǎn)生所需的正弦信號，用多個四蹤示波器以面板部分重疊方式顯示電路中各電量的波形，可直觀觀測穩(wěn)態(tài)時各電量的相位關(guān)系，定量測量反映超前、滯后關(guān)系的相位差及各電量的數(shù)值大小。

以下分析用Multisim10版本。

圖1 RC電路仿真實驗電路創(chuàng)建Fig.1 Experimental circuit establishion of RC circuit simulation

1 RC電路正弦穩(wěn)態(tài)過程的Multisim仿真原理

1.1 仿真電路的創(chuàng)建及各電量的向量關(guān)系

在Multisim10中創(chuàng)建的RC正弦穩(wěn)態(tài)特性仿真電路如圖1所示。

圖1中，RC電路由電阻R1、電容C1串聯(lián)構(gòu)成，元件參數(shù)的選取為電阻R1=1 kΩ、電容C1=1μF。正弦信號源選用信號源元件庫中的交流電壓源，最大值為UIm=1 V、初相位φ=0°、頻率f=50 Hz；示波器XSC1用于顯示信號源信號uI、電容兩端電壓uC的波形，示波器XSC2用于顯示電阻兩端電壓uR的波形。

電阻兩端電壓uR是非對地的電壓，用示波器間可接測試其波形，方法如下。

由圖1有：

由運算放大器、電阻R2、R3構(gòu)成比例系數(shù)為1的反相比例運算電路，輸入信號為uC、輸出信號為－uC，示波器XSC2的A通道輸入uI信號、B通道輸入－uC信號，以A+B方式顯示即實現(xiàn)式（ 關(guān)系得到R的波形。

由圖1有各電量的向量關(guān)系為：

RC電路的復(fù)阻抗為：

電阻兩端電壓uR的向量為：

式（4）表明，電阻兩端電壓的最大值為0.299 V、超前電源電壓 72.57°。

電容兩端電壓uC的向量為：

式（5）表明，電容兩端電壓的最大值為0.954 V、滯后電源電壓 17.43°。

1.2 Multisim仿真結(jié)果分析

示波器XSC1、XSC2的面板以部分重疊方式顯示，且兩個面板的 Timebase區(qū)中的 Scale、X position要設(shè)置一致。Multisim仿真波形如圖2所示，由上至下依次是信號源信號uI、電容兩端電壓uC、電阻兩端電壓uR的波形。

仿真結(jié)果反映了電容兩端電壓uC滯后信號源電壓uI、電阻兩端電壓uR超前信號源電壓uI。示波器XSC1的面板中，電容兩端電壓的最大值約為0.95 V；通過游標(biāo)指針2和1可讀出uC滯后uI的時間為T2-T1=978.916μs，計算出電容兩端電壓uC滯后信號源電壓uI的角度為：

與理論值基本一致。

示波器XSC2的面板中，電阻兩端電壓的最大值約為0.3 V；通過游標(biāo)指針2和1可讀出uR超前uI的時間為T2-T1=4.069 ms，計算出電阻兩端電壓uR超前信號源電壓uI的角度為：

圖2 RC電路的Multisim穩(wěn)態(tài)仿真波形Fig.2 Multisim steady state simulation waveform of RCcircuit

與理論值基本一致。

2 結(jié)束語

用硬件實驗儀器對RC電路穩(wěn)態(tài)過程進行測試，無法同時顯示信號源信號uI、電容兩端電壓uC、電阻兩端電壓uR的波形，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，所述方法具有實際應(yīng)用意義，亦可應(yīng)用于RLC電路的正弦穩(wěn)態(tài)分析中。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(yīng)用、知識遷移的能力，使電路分析更加靈活和直觀。

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