NI Multisim12.0在電學(xué)物理實驗中的應(yīng)用

吳衛(wèi)華，朱小芹，眭永興

（江蘇理工學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，江蘇 常州 213001）

利用Multisim12.0仿真軟件搭建虛擬實驗平臺、設(shè)置元器件參數(shù)，可以實現(xiàn)電路的實時仿真，分析結(jié)果直觀、正確，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對理論知識的理解與掌握，同時可以提高實驗效率，降低實驗成本，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，為電學(xué)專業(yè)學(xué)生的后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

NI Multisim12.0是美國國家儀器公司（NI）2012年3月份推出的最新的電子線路仿真軟件，它可以對電路原理、電路功能進行仿真和測試，具有可視化界面、操作簡便，采用圖形方式創(chuàng)建電路、元器件參數(shù)設(shè)置靈活、仿真分析功能全面等優(yōu)點，適合在電路及電子技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)和實際工程設(shè)計中廣泛應(yīng)用。Multisim12.0具有強大的電路分析能力，可實現(xiàn)電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時域分析和頻率分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析、離散傅里葉分析、電路零極點分析、交直流靈敏度分析等［1－4］。

1 在電學(xué)物理實驗中的應(yīng)用實例

1.1 RC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程研究

RC串聯(lián)電路如圖1所示。暫態(tài)過程即為電容的充放電過程［5－7］。

當(dāng)開關(guān)置于1時，電源E對電容C充電，電容兩端的電壓為

當(dāng)開關(guān)置于2時，電容C對電阻R放電，電容兩端的電壓為

電容兩端的電壓UC隨指數(shù)規(guī)律變化。充電和放電的快慢與時間常數(shù)τ有關(guān)，τ＝RC，是表征暫態(tài)過程快慢的一個物理量。τ值大，變化緩慢，過渡時間長。

應(yīng)用Multisim12.0建立RC串聯(lián)電路仿真圖如圖2所示。其中：V1為方波信號源電壓，這里用方波代替圖1電路中的開關(guān)，其幅度為1V，頻率為50 kHz，電容C＝0.47μF，XSC1為雙蹤示波器。選擇不同的電阻R1運行電路，觀測方波信號源電壓V1和電容兩端電壓UC的波形（如圖3所示），圖3（a）和3（b）分別為R1＝1kΩ和R1＝10kΩ時暫態(tài)過程的仿真分析結(jié)果。

圖1 RC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程分析電路圖

圖2 RC串聯(lián)電路Multisim仿真模型圖

圖3 RC串聯(lián)電路暫態(tài)過程仿真分析

對圖2所示電路進行實驗，通過數(shù)字雙蹤示波器觀察方波信號源和電容兩端的電壓波形如圖4所示，圖4（a）和圖4（b）分別為R1＝1kΩ和R1＝10kΩ時暫態(tài)過程的實驗結(jié)果。

圖4 RC串聯(lián)電路暫態(tài)過程實驗結(jié)果

對比分析圖3的仿真結(jié)果和圖4的實驗結(jié)果，其波形形狀、幅度和頻率完全對應(yīng)相同，驗證了RC串聯(lián)電路Multisim仿真模型的正確性。學(xué)生在做電路仿真實驗時，可以對元件參數(shù)進行任意設(shè)置，觀察不同的暫態(tài)過程現(xiàn)象，分析電容充放電速度與時間常數(shù)τ的關(guān)系，加深對理論的理解與掌握。通過仿真實驗，體現(xiàn)了軟件的實用性、靈活性、便捷性和高效性，可以引起學(xué)生的實驗興趣和學(xué)習(xí)動力，避免進行枯燥重復(fù)的電路連接、檢查和測量讀數(shù)。

1.2 二極管正向伏安特性的仿真與實驗分析

二極管正向伏安特性的實驗電路如圖5所示［8－10］，其中 R1為滑線變阻器，R2為串聯(lián)限流保護電阻。

圖5 二極管正向伏安特性實驗電路圖

利用Multisim12.0建立仿真模型如圖6所示，其中V1＝3V，R1為阻值為1kΩ的滑線變阻器，R2＝36 Ω，D1選用1N4007型二極管，XMM1設(shè)置為直流電流表，XMM2設(shè)置為直流電壓表。運行電路，移動滑線變阻器R1的滑片，觀測記錄二極管D1兩端的電壓U1和流過的電流I1。

根據(jù)圖5所示電路進行實驗，其中：E＝3V，R1為 阻值1kΩ的滑線變阻器，R2＝36Ω，D1選用1N4007型二極管。選擇合適的直流電壓表和直流電流表的量程，測量記錄數(shù)據(jù)二極管D1兩端的電壓U2和流過的電流I2。

圖6 二極管正向伏安特性仿真模型

利用Matlab 12.0軟件繪制出二極管正向伏安特性曲線和實驗測量結(jié)果（如圖7所示），結(jié)果表明：二極管正向伏安特性為非線性關(guān)系，兩者波形形狀基本一致，存在差異的原因是實際的電壓表和電流表等對實驗結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，從而造成測量誤差。

圖7 二極管正向伏安特性的仿真與實驗結(jié)果

2 結(jié)束語

將Multisim12.0應(yīng)用于大學(xué)物理實驗，其仿真結(jié)果正確、直觀，有利于激發(fā)學(xué)生求知欲，調(diào)動學(xué)習(xí)積極性，充分發(fā)揮學(xué)生的主體性和能動性，培養(yǎng)學(xué)生的軟件應(yīng)用能力。同時，仿真實驗避免了實驗時對元件參數(shù)的選擇和調(diào)整、電路的調(diào)試、儀器的誤差等諸多不利因素，大大提高了實驗效率和教學(xué)質(zhì)量。

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［1］王冠華.Multisim10電路設(shè)計及應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

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