NI Multisim12.0在电学物理实验中的应用

吴卫华，朱小芹，眭永兴

（江苏理工学院 数理学院，江苏 常州 213001）

利用Multisim12.0仿真软件搭建虚拟实验平台、设置元器件参数，可以实现电路的实时仿真，分析结果直观、正确，可以激发学生的学习兴趣，加深对理论知识的理解与掌握，同时可以提高实验效率，降低实验成本，提高实验教学质量，为电学专业学生的后续专业课学习奠定基础。

NI Multisim12.0是美国国家仪器公司（NI）2012年3月份推出的最新的电子线路仿真软件，它可以对电路原理、电路功能进行仿真和测试，具有可视化界面、操作简便，采用图形方式创建电路、元器件参数设置灵活、仿真分析功能全面等优点，适合在电路及电子技术基础学习和实际工程设计中广泛应用。Multisim12.0具有强大的电路分析能力，可实现电路的瞬态分析和稳态分析、时域分析和频率分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等［1－4］。

1 在电学物理实验中的应用实例

1.1 RC串联电路的暂态过程研究

RC串联电路如图1所示。暂态过程即为电容的充放电过程［5－7］。

当开关置于1时，电源E对电容C充电，电容两端的电压为

当开关置于2时，电容C对电阻R放电，电容两端的电压为

电容两端的电压UC随指数规律变化。充电和放电的快慢与时间常数τ有关，τ＝RC，是表征暂态过程快慢的一个物理量。τ值大，变化缓慢，过渡时间长。

应用Multisim12.0建立RC串联电路仿真图如图2所示。其中：V1为方波信号源电压，这里用方波代替图1电路中的开关，其幅度为1V，频率为50 kHz，电容C＝0.47μF，XSC1为双踪示波器。选择不同的电阻R1运行电路，观测方波信号源电压V1和电容两端电压UC的波形（如图3所示），图3（a）和3（b）分别为R1＝1kΩ和R1＝10kΩ时暂态过程的仿真分析结果。

图1 RC串联电路的暂态过程分析电路图

图2 RC串联电路Multisim仿真模型图

图3 RC串联电路暂态过程仿真分析

对图2所示电路进行实验，通过数字双踪示波器观察方波信号源和电容两端的电压波形如图4所示，图4（a）和图4（b）分别为R1＝1kΩ和R1＝10kΩ时暂态过程的实验结果。

图4 RC串联电路暂态过程实验结果

对比分析图3的仿真结果和图4的实验结果，其波形形状、幅度和频率完全对应相同，验证了RC串联电路Multisim仿真模型的正确性。学生在做电路仿真实验时，可以对元件参数进行任意设置，观察不同的暂态过程现象，分析电容充放电速度与时间常数τ的关系，加深对理论的理解与掌握。通过仿真实验，体现了软件的实用性、灵活性、便捷性和高效性，可以引起学生的实验兴趣和学习动力，避免进行枯燥重复的电路连接、检查和测量读数。

1.2 二极管正向伏安特性的仿真与实验分析

二极管正向伏安特性的实验电路如图5所示［8－10］，其中 R1为滑线变阻器，R2为串联限流保护电阻。

图5 二极管正向伏安特性实验电路图

利用Multisim12.0建立仿真模型如图6所示，其中V1＝3V，R1为阻值为1kΩ的滑线变阻器，R2＝36 Ω，D1选用1N4007型二极管，XMM1设置为直流电流表，XMM2设置为直流电压表。运行电路，移动滑线变阻器R1的滑片，观测记录二极管D1两端的电压U1和流过的电流I1。

根据图5所示电路进行实验，其中：E＝3V，R1为 阻值1kΩ的滑线变阻器，R2＝36Ω，D1选用1N4007型二极管。选择合适的直流电压表和直流电流表的量程，测量记录数据二极管D1两端的电压U2和流过的电流I2。

图6 二极管正向伏安特性仿真模型

利用Matlab 12.0软件绘制出二极管正向伏安特性曲线和实验测量结果（如图7所示），结果表明：二极管正向伏安特性为非线性关系，两者波形形状基本一致，存在差异的原因是实际的电压表和电流表等对实验结果产生一定的影响，从而造成测量误差。

图7 二极管正向伏安特性的仿真与实验结果

2 结束语

将Multisim12.0应用于大学物理实验，其仿真结果正确、直观，有利于激发学生求知欲，调动学习积极性，充分发挥学生的主体性和能动性，培养学生的软件应用能力。同时，仿真实验避免了实验时对元件参数的选择和调整、电路的调试、仪器的误差等诸多不利因素，大大提高了实验效率和教学质量。

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［1］王冠华.Multisim10电路设计及应用［M］.北京：国防工业出版社，2008.

［2］张新喜，许军.Multisim10电路仿真设计及应用［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［3］崔霞，魏鲁源.Multisim10.0在电子技术实习中的应用［J］.实验科学与技术，2010，8（6）：42－43.

［4］罗廷芳，南江，李伟.NI Multisim10在电工电子技术教学中的应用［J］.电子设计工程，2012，20（6）：154－157.

［5］眭永兴，许雪芬.普通物理实验［M］.2版.南京：南京大学出版社，2004.

［6］邱关源.电路［M］.5版.北京：高等教育出版社，2006.

［7］李瀚荪.电路分析基础［M］.4版.北京：高等教育出版社，2006.

［8］童诗白，华成英.模拟电子技术基础［M］.3版.北京：高等教育出版社，2001.

［9］康华光.电子技术基础：模拟部分［M］.5版.北京：高等教育出版社，2008.

［10］江有永.Multisim和Excel在二极管特性实验教学改革中的应用［J］.实验技术与管理，2011，28（2）：106－109.