基于Multisim的電容特性仿真實驗

湖南省株洲市二中 劉 傳 周睿康

湖南鐵道職業技術學院 劉 彤

基于Multisim的電容特性仿真實驗

湖南省株洲市二中 劉 傳 周睿康

湖南鐵道職業技術學院 劉 彤

本文探討Multisim仿真軟件在電容電路實驗中的應用，利用電路仿真，驗證元件和電路特性，實驗數據更加直觀、精確，便于理解電容特性。

Multisim；仿真；電容

0 引言

Multisim是在計算機輔助設計 （CAD） 技術的基礎上發展起來的計算機電路設計和仿真軟件，對高中物理電學的實驗教學和學生自學中起到了很好的輔助、提高作用。

1 Multisim仿真的方法[1]

使用Multisim進行電路仿真通常需要構造和測試電路和電路仿真運行兩個步驟。

（1）放置元件，搭建電路

1）根據實驗內容從元件庫選擇元件放到工作區；元件直接用鼠標拖入作圖區域， 鼠標單擊元件的管腳然后單擊另一元件的管腳， 即可完成元件的連接。

2） 將工作區中的元件按照電路布局進行放置，用導線將元件連接起來，并設置好元件參數和模型；

3）在電路中需要觀測的節點放置、連接電壓、電流表計和示波器、信號發生器等觀測儀器；

4）根據測試要求設定儀器參數，進行電路仿真、觀測。

（2）電路仿真、分析

電路搭建完畢，對電路當中的元件參數進行設置，虛擬測試儀器儀表參數進行設置，然后點擊“運行（Run）”開關后，就可以從測試儀器上看到波形或讀到電路中被測數據。點擊“view-＞Grapher”還可以查看各種分析圖形數據。

2 電容充放電仿真

電容是非線性儲能元件，通過仿真實驗可以更好的理解元件的特性。電容的兩塊極板可以儲存電荷，電荷的變化與電路的電流有關，如圖1所示，電路由一個5V的方波信號源、可變電阻和一個100nf的電容組成，用來研究電容充放電的特性。

圖1 電容充放電仿真電路

圖2 電容充放電波形圖

設定信號源頻率500Hz，示波器A通道黃色，B通道紅色，將信號源接入虛擬示波器的A通道，電容端接入B通道，調整可變電阻，設置示波器時基比例500us/div，A、B通道縱向比例2V/div，運行仿真，可以在示波器上看到電容充放電的波形如圖2所示，可以看出，方波正半周，電容電壓逐漸上升，經過一段時間才達到最高點；方波負半周，電容兩端電壓逐漸下降，經過一段時間，達到最低點。

為了更精確的分析電容充放電過程，使用Grapherview觀察從放電波形數據，如圖3所示。通過光標，可以精確的測量出電容充放電時間，方波信號正半周光標1在76ms時，電容電壓0V，光標2在76.8ms時，電容電壓達到信號電壓5V，說明100uf電容，電路可變電阻為5K*20%=1K時，電容充電時間為0.8ms，電容充電電流可以計算為

i=△U/△t=5V/0.8ms=6.25mA。

圖3 電容充放電數據分析圖

可見，調整可變電阻的阻值，可以調整充電時間，電阻越大，充電時間越長，當充電時間小于方波半個周期時，電容兩端的電壓可以達到5V；當充電時間大于方波半個周期時，電容兩端的電壓達不到信號電壓5V，就開始進入負半周放電階段。

圖4 電容隔直流仿真圖

3 電容對交變電流的阻礙作用

當直流電路中接入電容器時，由于極板中間充滿了絕緣介質，故充電后的電容器阻隔直流電流[2]；當交流電路接入電容器時，極板的電壓作周期性變化，電容器的帶電量也會周期性的增大或減小，電容器將會反復充電或放電，就是說電容器可以通交流，但對交流電也有阻礙作用。

建立如圖4仿真電路，兩個相同的12V/25W燈泡X1和X2，X1通過電容C1與X2并聯，接在交流12V/60Hz電源V1上，X1支路和X2支路穿接電流表U1和U2，可以看出，通過燈泡X2支路的電流為2.083A，而X1支路電流為0.907A，X1燈泡兩端的交流電壓為5.22V，X2比X1亮，說明電容對交流電是有阻礙作用的，這個阻礙作用大小可以用容抗XC=1/2πfC來表示。

調整交流電頻率到120Hz，可以測量到流過燈泡X1支路的電流增大到1.449A，電壓增大到8.345V，說明電容對交流電來說，具有通高頻，阻低頻的特性，如圖5所示。

圖5 電容通高頻，阻低頻仿真圖

4 結論

multisim仿真軟件不僅可以觀察到電容元件實驗現象，同時還能夠利用虛擬儀器精確測量出電路數據，生成圖表，進行數據分析，驗證電容電路特性，對電學實驗有很大幫助。

[1]梁振華．multisim9電路仿真在高中物理電學實驗中的應用[J]．物理教學探討,2011．08(53-55)．

[2]楊立志．MultiSim 11教育版在高中物理電學教學中的應用[J]．中小學電教,2012．04(18-19)．

Simulation of capacitor character based on Multisim

LiuChuan, Rui-kang Zhou,Liu Tong
(No.2 High School of ZhuZhou,Hunan Railway Professional Technology College，ZhuZhou, China,412001)

The article research the application of capacitor circuit based on Multisim. Testing capacitor and circuit character through simulation. clear and accurate experiment data are convenient understanding component character of capacitor.

Multisim; simulate;capacitor

劉彤（1972-），男，工程師，廣西工學院工學碩士，主要研究領域為控制理論與控制工程。

基金支持：2016湖南鐵道職業技術學院校級課題（課題編號：K201609）。