RC电路正弦稳态特性的Multisim仿真分析

腾香

（渤海大学 数理学院，辽宁 锦州 121000）

在交流电路的研究中，常需要通过电阻、电感、电容等元件的不同组合来改变输出正弦信号和输入正弦信号之间的相位差，或构成放大电路、振荡电路、选频电路、滤波电路等。因此，对RC串联电路稳态过程的研究，在电路理论、工程技术上有着重要的地位与作用，是高校普通物理实验之一[1-2]。

用Multisim仿真软件[3-8]进行RC电路正弦稳态工作过程波形仿真分析，以信号源元件库中的交流电压源或虚拟仪器中的函数信号发生器做实验中的信号源产生所需的正弦信号，用多个四踪示波器以面板部分重叠方式显示电路中各电量的波形，可直观观测稳态时各电量的相位关系，定量测量反映超前、滞后关系的相位差及各电量的数值大小。

以下分析用Multisim10版本。

图1 RC电路仿真实验电路创建Fig.1 Experimental circuit establishion of RC circuit simulation

1 RC电路正弦稳态过程的Multisim仿真原理

1.1 仿真电路的创建及各电量的向量关系

在Multisim10中创建的RC正弦稳态特性仿真电路如图1所示。

图1中，RC电路由电阻R1、电容C1串联构成，元件参数的选取为电阻R1=1 kΩ、电容C1=1μF。正弦信号源选用信号源元件库中的交流电压源，最大值为UIm=1 V、初相位φ=0°、频率f=50 Hz；示波器XSC1用于显示信号源信号uI、电容两端电压uC的波形，示波器XSC2用于显示电阻两端电压uR的波形。

电阻两端电压uR是非对地的电压，用示波器间可接测试其波形，方法如下。

由图1有：

由运算放大器、电阻R2、R3构成比例系数为1的反相比例运算电路，输入信号为uC、输出信号为－uC，示波器XSC2的A通道输入uI信号、B通道输入－uC信号，以A+B方式显示即实现式（ 关系得到R的波形。

由图1有各电量的向量关系为：

RC电路的复阻抗为：

电阻两端电压uR的向量为：

式（4）表明，电阻两端电压的最大值为0.299 V、超前电源电压 72.57°。

电容两端电压uC的向量为：

式（5）表明，电容两端电压的最大值为0.954 V、滞后电源电压 17.43°。

1.2 Multisim仿真结果分析

示波器XSC1、XSC2的面板以部分重叠方式显示，且两个面板的 Timebase区中的 Scale、X position要设置一致。Multisim仿真波形如图2所示，由上至下依次是信号源信号uI、电容两端电压uC、电阻两端电压uR的波形。

仿真结果反映了电容两端电压uC滞后信号源电压uI、电阻两端电压uR超前信号源电压uI。示波器XSC1的面板中，电容两端电压的最大值约为0.95 V；通过游标指针2和1可读出uC滞后uI的时间为T2-T1=978.916μs，计算出电容两端电压uC滞后信号源电压uI的角度为：

与理论值基本一致。

示波器XSC2的面板中，电阻两端电压的最大值约为0.3 V；通过游标指针2和1可读出uR超前uI的时间为T2-T1=4.069 ms，计算出电阻两端电压uR超前信号源电压uI的角度为：

图2 RC电路的Multisim稳态仿真波形Fig.2 Multisim steady state simulation waveform of RCcircuit

与理论值基本一致。

2 结束语

用硬件实验仪器对RC电路稳态过程进行测试，无法同时显示信号源信号uI、电容两端电压uC、电阻两端电压uR的波形，用Multisim软件仿真解决了这一问题。将计算机仿真软件Multisim引入到电路实验中，使电路的分析、仿真、测试非常方便，所述方法具有实际应用意义，亦可应用于RLC电路的正弦稳态分析中。将电路的硬件实验方式向多元化方式转移，利于培养知识综合、知识应用、知识迁移的能力，使电路分析更加灵活和直观。

[1]符时民，陈维石，封丽.基础物理实验（第三册）[M].沈阳：东北大学出版社，2007.

[2]杨述武.普通物理基础（电磁学部分）[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3]郑步生，吴渭.Multisim2001电路设计及仿真入门与应用[M].北京：电子工业出版社，2002.

[4]任骏原.用Multisim仿真软件分析触发器的状态变化过程[J].实验科学与技术，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]任骏原.Multisim在触发器工作波形分析中的应用[J].现代电子技术，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]任骏原.74LS161异步置零法构成任意进制计数器的Multisim仿真[J].电子设计工程，2011，19（14）:135-137.REN Jun-yuan.Multisim simulation for modulo-N counter composed by 74LS161with asynchronous reset method[J].Electronic Design Engineering，2011，19（14）:135-137.

[7]腾香.二进制译码器逻辑功能的Multisim仿真方案[J].现代电子技术，2010，33（20）：11-13.TENG Xiang.Multisim simulation program of Binary decoder logic function[J].Modern Electronics Technique，2010，33（20）：11-13.

[8]马敬敏.基本RS触发器工作状态的Multisim仿真 [J].电子设计工程，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.