基礎物理實驗中RC微積分電路的Multisim仿真

齊曉華

（渤海大學 數理學院物理系，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，還與電路的時間常數和方波信號的周期的相對大小有關。

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信號發生器做實驗中的信號源、用雙蹤示波器測試有關波形，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系。電路由電阻R、電容C構成，電阻兩端電壓作為輸出電壓，構建的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τ=RC＜＜T。

電路方程為：

在輸入信號高電平期間，uI經電阻對電容充電，且電容的初始電壓為0，產生零狀態響應

將式（2）代入式（1）有

在輸入信號低電平期間，電容經電阻放電，產生零輸入響應：

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，仿真結果反映了式（3）、（5）的變化規律。

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系。電路由電阻R、電容C構成，電容兩端電壓作為輸出電壓，構建的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τ=RC>>T。

電路方程為

在方波信號的一個周期內電容沒有完成充、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，仿真結果反映了式（10）、（11）的變化規律。

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，儀器輸出參數調整較為繁瑣，信號頻率偏高或偏低時波形顯示不穩定。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移，利于培養知識綜合、知識應用、知識遷移的能力，使電路分析更加靈活和直觀。

[1]符時民，陳維石，封麗.基礎物理實驗[M].3冊.沈陽：東北大學出版社，2007.

[2]楊述武.普通物理基礎（電磁學部分）[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3]鄭步生，吳渭.Multisim2001電路設計及仿真入門與應用[M].北京：電子工業出版社，2002.

[4]任駿原.用Multisim仿真軟件分析觸發器的狀態變化過程[J].實驗科學與技術，2011，9（1）：53-56.

REN Jun-yuan.The state transition analyzing of flip-flop by multisim[J].Experiment Science&Technology，2011，9（1）：53-56.

[5]任駿原.Multisim在觸發器工作波形分析中的應用[J].現代電子技術，2010，33（15）：184-186.

REN Jun-yuan.An application of multisim to the working wave analyzing of flip-flop[J].Modern Electronics Technique，2010，33（15）：184-186.

[6]任駿原.74LS161異步置零法構成任意進制計數器的Multisim仿真[J].電子設計工程，2011，19（14）：135-137.

REN Jun-yuan.Multisim simulation for modulo-N counter composed by 74LS161 with asynchronous reset method[J].Electronic Design Engineering，2011，19（14）：135-137.

[7]馬敬敏.基本RS觸發器工作狀態的Multisim仿真 [J].電子設計工程，2011，19（17）：24-26.

MA Jing-min.Multisim simulation of basic RS flip-flop working conditions[J].Electronic Design Engineering，2011，19 （14）：24-26.

[8]馬敬敏.集成計數器74LS161的Multisim仿真[J].現代電子技術，2011，34（3）：166-167.

MA Jing-min.Simulation of the integration counter 74LS161 based on the Multisim software[J].Modern Electronics Technique，2011，34（3）：166-167.