大学物理实验RC电路时间常数的Multisim仿真测试

第２０卷　第５期　Ｖ０１．２０　Ｎｏ．５　电子设计工程　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｓｉｍａ　Ｅｎｚ　２０１２年３月　Ｍａｒ．２０１２　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）　摘要：基于探索大学物理电学实验仿真技术的目的。采用ＭｕｈｉｓｉｍｌＯ仿真软件对ＲＣ电路时间常数参数进行了仿真　实验测试。从ＲＣ电路电容充、放电时电容电压　的表达式出发，分析了Ｍｃ与时间常数之间的关系，给出了几种　Ｍｕｈｉｓｉｍ仿真测试时间常数的实验方案。仿真实验可直观形象地描述　Ｃ电路的工作过程及有关参数测试。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。　关键词：电学实验；ＲＣ电路；时间常数；Ｍｕｈｉｓｉｍ；电路仿真　中图分类号：ＴＰ３９１．９　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—６２３６（２０１２）０５＂０１００—０３　Ｍｕｌｔｉｓｉｍ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔ　ｆ０ｒ　Ｃ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｔｉｍｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｉｎ　ｃｏｌｌｅｇｅ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ＴＥＮＧ　Ｘｉａｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｂｏｈａｉ　Ｕｎｖｅｒｓ　，Ｊｉｎｚｈｏｕ　１２１０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｔｅｓｔ　ｆｏｒ　ＲＣ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｔｉｍｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　Ｍｕｌｔｉｓｉｍ　１０　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ　ｔｈｅ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｃｏｌｌｅｇｅ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　Ｕ，Ｃ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ａ　ｌｏｔ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｃｈｅｍｅ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｂａｓｅ　ｏｎ　ｕｃ　ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｖｏｌａｔｇｅ　ｏｆ　ＲＣ　ｃｉｒｃｕｉｔ’Ｓ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｃｈａｒｇｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＲＣ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｔｅｓｔ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｄｉｒｅｃｔ　ａｎｄ　ｖｉｓｕａｌ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｉｔ’Ｓ　ｇｏｏｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ　ｔｒａｎｓｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｍａｋｅｓ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｏｒｅ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ａｎｄ　ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｄｉｖｅｒｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ　ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ　ｏｆ　ｃｉｒｃｕｉｔ’ｓ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｍｏｄｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ＲＣ　ｃｉｒｃｕｉｔ；ｔｉｍｅ　ｃｏｎｓｔｎａｔ；Ｍｕｈｉｓｉｍ；ｃｉｒｃｕｉｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　大学物理是高校理工科专业的理论与实践结合密切的　电阻Ｒ放电。　课程，在教学过程中引入演示实验将增强知识内容的直观　由ＲＣ电路暂态理论可知，电容充电时电压ｕｃ的表达　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］。　式为　引入Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真技术１３－８］可将实验由单一的硬件方式　一上．　向多元化方式转移，在课堂教学中插入Ｍｕｈｉｓｉｍ仿真演示实　ｕｃ（￡）＝Ｕ（１－ｅ　）　（１）　验将显著提高教学效果，并且Ｍｕｈｉｓｉｍ仿真可方便改变测试　电容的放电时电压Ｕ　的表达式为　一上．　方法、实验方案、电路参数，利于培养学生的知识综合、知识　Ｕｃ（ｔ）＝Ｕｅ　（２）　应用、知识迁移的能力，使实验更加灵活和直观。　其中时间常数的理论计算值为　文中以Ｍｕｈｉｓｉｍｌ０版本给出ＲＣ电路时间常数的几种仿　．ｒ；ＲＣ＝１　０００ｘｌｘｌＯ－￣＝ｌ０－３　ｓ＝ｌ　ｍｓ　（３）　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＝Ｉ　ｋｌ＇ｌ、电容Ｃ＝Ｉ　Ｆ，信号源输出频率　１００　Ｈｚ（周期　０．０１　ｓ＝１０　ｍｓ）、幅度　１０　Ｖ、占空比ｑ＝ｌ／２的方波，双踪示波　器用于观测信号源及电容Ｃ两端电压“。的波形。　在方波信号源１Ｏ　Ｖ高电平输出期间，通过电阻　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　图１　ＲＣ仿真电路　Ｆｉｇ．１　ＲＣ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　收稿日期：２０１１－１２—１９　稿件编号：２０１ｌ１２１１０　基金项目：渤海大学２０１１年度校级教改Ａ类项目（ＢＤＪＧ２０ｌ１－Ａ０ｌ１）　作者简介：腾香（１９６４一），女，辽宁葫芦岛人，硕士，副教授。研究方向：电子与控制信息。　一１ｏ０一　腾香　大学物理实验ＲＣ电路时间常数的Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真测试　１．１仿真方案１　选择充电期间测试时间常数。由式（１），设电容Ｃ开始充　电时刻为￡　、Ｍ　（ｔＩ）＝０　ｖ，ｔ２时刻电容ｃ充电使“ｃ（ｔ２）ｔ＝　测量电容充电时电压Ｕｃ（ｔ２）Ｔ＝　时所需的时间ｔ２－ｔ。，　由式（１）间接计算出时间常数　为：　ｒ＝　（４）　选择充电期间测试时间常数的Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真波形如图　２所示。其中由上至下依次是输入方波信号、电容两端电压　Ｕｃ（ｔ）的波形，将游标指针１位于充电开始的位置，游标指针２　位于　ｃ（￡）＝　１　５　Ｖ的位置，可读出ｔ２－ｔｌ＝Ｚ　Ｔ￣－６９６．０９５　ｓ。　由式（４）计算出时间常数为：　ｒ：—６９　６．０　９５：１　００４．２５　ｓ一１　ｍｓ　（５）　Ｉｎ二　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　ｃｉｃｒｕｉｔ’ｓ　ｔｉｍｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ｃｈａｒｇｉｎｇ　ｔｉｍｅ　１．２仿真方案２　选择放电期间测试时间常数。由式（２），设电容Ｃ开始放　电时刻为ｔｌ，“ｃ（ｆ。）＝ｕ，ｔ２时刻电容Ｇ放电时，Ｕｃ（ｔｚ）　＝　。　测量电容放电时电压ｔｉｃ（ｔ）　＝　时，所需的时间为　ｈ－ｔ１，由式（２）间接计算出时间常数．ｒ的公式同式（４）。其中ｔ　为开始放电的时刻，ｔ２为放电使ｕｃ（ｔ２）＝　１　Ｕ的时刻。　选择放电期间测试时间常数的Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真波形如图　３所示，其中由上至下依次是输入方波信号、电容两端电压　ｕ　（ｔ）的波形，将游标指针１位于放电开始的位置，游标指针２　位于“ｃ（ｔ）＝　Ｕ＝５　Ｖ的位置，可读出ｔｚ－ｔｌ＝Ｔｚ＇－Ｔｌ＝６９３．８４０　Ｉｘｓ。　由式（４）计算出时间常数为：　ｆ：—。６９　ｌ３．８４０ｎ　２　：ｌ…　０００．一　９９　ｓ一１‘　　１１１８　（６）　与式（３）的理论值近似相等。　１．３仿真方案３　选择充电期问测试时间常数。由式（１），当ｔ＝Ｔ时有　ｔ耥　　■■　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　“ｃ（ｔ）＝Ｕ（１－ｅ　）＝０．６３２Ｕ　（７）　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　。　’　选择充电期间测试常数，用Ｍｕｈｉｓｉｍ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Ｙｌ—Ｏ　Ｖ，游标指针２位于ｙ２＝０．６３２Ｕ￣－６．３３９　８　Ｖ的　位置。可读出：　ｒ＝ｔ＝ｄｘ＝６９８．３６３　３　ｔｒｓ一１　ｍｓ　（８）　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　ｃｏｎｓｔｎａｔ　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＝Ｔ时，由式（２）有　Ｈｃ（ｆ）＝Ｅ，ｅ　：０．３６８Ｕ　（９）　即电容从　值开始放电的过程中，两端电压下降到　０＿３６８　的时间为时间常数ｒ。　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ｙｚ＝Ｕ．￣９．－８９４　３　Ｖ、游标指针２位于ｙ２＝Ｏ．３６８Ｕ￣　３．６１４　６　Ｖ的位置，可读出：　ｒ＝ｔ＝ｄｘ＝１．００７　０　ｍ８　１　ｍｓ　（１０）　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　一１０１—　《电子设计工程）２０１２年第５期　【Ｍ】．北京：电子工业出版社，２００２．　ｆ４１任骏原．用Ｍｕｈｉｓｉｍ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．，Ｉ＇ｈｅ　ｓｔａｔｅ　ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｏｆ　ｆｌｉｐ－ｆｌｏｐ　ｂｙ　ｍｕｈｉｓｉｍ［Ｊ］．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１　１，９（１）：　５３—５６．　［５】任骏原．Ｍｕｈｉｓｉｍ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　ｍｕｈｉｓｉｍ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　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　ｗａｖｅ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｏｆ　ｌｆｉｐ－ｌｆｏｐ【Ｊ】．Ｍｏｄｅｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，　ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｗｉｔｈ　ＡＣ　ａｎａｌｙｓｉｓ　２０ｌＯ，３３（１５）：１８４－１８６．　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　【６】任骏原．７４Ｌｓ１６ｌ异步置零法构成任意进制计数器的　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。　Ｍｕｌｔｉｓｉｍ４￣真ｆＪ］．电子设计工程，２０１１，１９（１４）：１３５－１３７．　所述测试方案１、２亦可用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ的ＡＣ交流分析功能　ＲＥＮ　Ｊｕｎ—ｙｕａｎ．Ｍｕｈｉｓｉｍ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｍｏｄｕｌｏ．Ｎ　ｃｏｕｎｔｅｒ　完成。　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｂｙ　７４ＬＳ１　６１　ｗｉｔｈ　ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｒｅｓｅｔ　ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．　通过所述的几个测试方案。可深入理解ＲＣ电路时间常　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１　１，１９（１４）：１３５－１３７．　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　【７］腾香．二进制译码器逻辑功能Ｍｕｈｉｓｉｍ＇ｂ￥－真方案【Ｊ】．现代　创新测试方法。　电子技术，２０１０，３３（２０）：ｌ１—１３．　将计算机仿真软件Ｍｕｈｉｓｉｍ引入到大学物理实验中，使　ＴＥＮＧ　Ｘｉａｎｇ．Ｍｕｈｉｓｉｍ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｏｆ　ｂｉｎａｒｙ　ｄｅｃｏｄｅｒ　实验的仿真、测试非常方便，特别便于电路参数改变时的测　ｌｏｇｉｃ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ【Ｊ】．Ｍｏｄｅｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，２０１０，３３　试。所述方法具有实际应用意义。　（２０）：ｌ１－１３．　参考文献：　【８］马敬敏．基本ＲＳ触发器工作状态的Ｍｕｈｉｓｉｍ仿真【Ｊ】．电子　［１】符时民，陈维石，封丽．基础物理实验【Ｍ】．３册．沈阳：东北　设计工程，２０１１，１９（１７）：２４～２６．　大学出版社．２００７．　Ｍａ　Ｊｉｎｇ－ｍｉｎ．Ｍｕｌｔｉｓｉｍ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂａｓｉｃ　ＲＳ　ｆｌｉｐ－ｌｆｏｐ　ｗｏｒｋｉｎｇ　［２Ｊ杨述武．普通物理基础（电磁学部分）［Ｍ】．北京：高等教育　ｃｏｎｄｉｉｔｏｎｓ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１１，１９（１４）：　出版社．２ｏ０Ｏ．　２４－２６．　［３】郑步生，吴渭．Ｍｕｈｉｓｉｍ２００１电路设计及仿真入门与应用　（上接第９９页）　小，可以通过修改反馈电阻的值，获得理想的电流值。　［２】Ｎｍｉｏｎａｌ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．ＬＭ２５９６　ｄａｔａ　ｓｈｅｅｔ【ＥＢ／　４结束语　０ＬＩ．（２００２－０５）［２０１　１－ｏ８－ｏ１］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎａｔｉｏｎａ１．ｃｏｍ／ｄｓ／ＬＭ／　ＬＭ２５９６．ｐｄｆ．　基于ＬＭ２５９６－ＡＤＪ的ＬＥＤ开关恒流稳压电源已经投入　［３】Ｐｒｅｓｓｍａｎ　Ａ　Ｉ，Ｂｉｌｌｉｎｇｓ　Ｋ，Ｍｏｒｅｙ　Ｔ．开关电源设计［Ｍ】．王志　实际使用，且长期工作稳定可靠，该电路的成功设计，说明了　强，肖文勋，虞龙，等译．３版．北京：电子工业出版社，２０１０．　利用市面常用ＤＣ／ＤＣ稳压器设计成高效的ＬＥＤ恒流驱动的　［４】Ｗｉｎｄｅｒ　Ｓ．ＬＥＤ￣＠电路设计【Ｍ］．谢运祥，王晓刚，译．北　方法的可行性，且取材广泛，成本低　从实验数据可以看出，　京：人民邮电出版社，２００９．　电路具有恒流精度高、效率高。该电源电路不仅可用于大功　【５】Ｔｅｘａｓ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ．ＬＥＤ参考设计指南【ＥＢ／ＯＬ］．　率ＬＥＤ驱动．还可用于电池充电等。　（２０１０－２）［２０ｌｌ－０８－０１］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｉ．ｃｏｒｎ．ｃｎ／ｃｒｄｌｉｆｓｇ／ｚｈｃｔ　参考文献：　０６３ａ／ｚｈｃｔ０６３ａ．ｐｄｆ．　【１】周志敏，纪爱华．白光ＬＥＤ驱动电路设计与应用实例嗍．北　【６】童诗白，华成英．模拟电子技术基础【Ｍ］．３版．北京：高等　京：人民邮电出版社，２００９．　教育出版社．２００１．　欢迎订阅２０１２年度《电子设计工程》（８－Ｂ刊）　国内邮发代号：５２—１４２　国际发行代号：Ｍ２９９６　订价：１５．０ｏ元，期３６０．Ｏ０元，年　一１０２—