大学物理实验RC电路时间常数的Multisim仿真测试

腾香

（渤海大学 数理学院，辽宁 锦州 121000）

大学物理是高校理工科专业的理论与实践结合密切的课程，在教学过程中引入演示实验将增强知识内容的直观性，对提高学生的物理基础、培养创新能力有重要的作用[1-2]。

引入Multisim仿真技术[3-8]可将实验由单一的硬件方式向多元化方式转移，在课堂教学中插入Multisim仿真演示实验将显著提高教学效果，并且Multisim仿真可方便改变测试方法、实验方案、电路参数，利于培养学生的知识综合、知识应用、知识迁移的能力，使实验更加灵活和直观。

文中以Multisim10版本给出RC电路时间常数的几种仿真实验测试方法。

1 RC电路时间常数的Multisim仿真测试

RC仿真测试电路如图1所示，元件参数的选取为电阻R=1 kΩ、电容 C=1 μF，信号源输出频率 f=100 Hz（周期 T=0.01 s=10 ms）、幅度 U=10 V、占空比 q=1/2的方波，双踪示波器用于观测信号源及电容C两端电压uC的波形。

在方波信号源10 V高电平输出期间，通过电阻R对电容C充电，在方波信号源0 V低电平输出期间，电容C通过电阻R放电。

由RC电路暂态理论可知，电容充电时电压uC的表达式为

电容的放电时电压uC的表达式为

其中时间常数的理论计算值为

图1 RC仿真电路Fig.1 RC circuit simulation

1.1 仿真方案1

由式（4）计算出时间常数为：

与式（3）的理论值近似相等。

图2 RC电路的充电期间时间常数仿真测试Fig.2 RC circuit’s time constant simulation test of charging time

1.2 仿真方案2

由式（4）计算出时间常数为：

与式（3）的理论值近似相等。

1.3 仿真方案3

选择充电期间测试时间常数。由式（1），当t=τ时有

图3 RC电路的放电期间时间常数仿真测试Fig.3 The RC circuit’s time constant simulation test of discharging time

即电容从0 V开始充电过程中，两端电压上升到0.632U的时间为时间常数τ。

选择充电期间测试常数，用Multisim的AC交流分析功能得到的仿真波形如图4所示，将游标指针1位于充电开始的位置使y1≈0 V，游标指针2位于y2=0.632U≈6.339 8 V的位置，可读出：

与式（3）的理论值近似相等。

图4 用AC交流分析功能的RC电路充电期时间常数仿真测试Fig.4 RC circuit’s time constant simulation test of charging time with AC analysis

1.4 仿真方案4

选择放电期间测试常数。当t=τ时，由式（2）有

即电容从U值开始放电的过程中，两端电压下降到0.368U的时间为时间常数τ。

选择放电期间测试测试常数，用Multisim的AC交流分析功能得到的仿真波形如图5所示，将游标指针1位于放电开始的位置使y1=U≈9.894 3 V、游标指针2位于y2=0.368U≈3.614 6 V的位置，可读出：

与式（4）的理论值近似相等。

2 结束语

上述4种测试方案的测试结果都存在误差，原因是通过游标指针读取数据时不易精确定位。减小读数误差的简便方法是将仿真波形显示窗口横向拉长，游标指针定位后再缩小。

所述测试方案1、2亦可用Multisim的AC交流分析功能完成。

通过所述的几个测试方案，可深入理解RC电路时间常数与电路参数之间的关系，从而进一步理解实验测试原理及创新测试方法。

将计算机仿真软件Multisim引入到大学物理实验中，使实验的仿真、测试非常方便，特别便于电路参数改变时的测试。所述方法具有实际应用意义。

图5 用AC交流分析功能的RC电路放电期时间常数仿真测试Fig.5 The RC circuit’s time constant simulation test of discharging time with AC analysis

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