基于Multisim的RC积分电路仿真实验教学研究

李素玲

（南宁学院机电学院，广西南宁 530200）

基于Multisim的RC积分电路仿真实验教学研究

李素玲

（南宁学院机电学院，广西南宁 530200）

针对学生在利用RC积分电路进行波形变换实验中出现的波形失真、元件参数选取困难等问题，利用Multisim仿真软件并结合理论分析，验证了理论数据与实验结果的一致性，并从实验中一步步引导学生找出确定元件参数的规律，更直观地帮助学生对积分电路的理解和运用，对提高实验教学质量有很大的帮助。关键词：RC积分电路；Multisim仿真；实验教学

RC积分电路是模拟电子技术里一个基本的单元功能电路，其应用非常广泛，例如在波形变换电路、移相电路、振荡电路、积分型模数转换电路中都起到非常关键的作用［1］。然而很多学校在积分电路的实验教学中只做一个方波变三角波的波形变换实验，或者做一个直流电的充电过程实验，只要学生能实现波形变换，实验就算完成，并没有进行有关参数选取的探讨。所以，当学生把这个电路应用于自己的电子产品小制作中时，遇到的很多问题就无法理解，例如进行波形变换中的波形失真问题、元件参数选取找不到规律等。为此，笔者利用Multisim仿真软件，对RC积分电路实验教学进行了重新设计，培养学生对电路的分析能力、发现规律并验证结果的综合创新实践能力，使学生掌握科学的学习方法［2］。

1 无运放的RC积分电路实验研究

1．1 理论分析

电路如图1所示。

闭合K，参考方向如图1所示，据KVL定理，

可有：

即：

图2 UC－t关系曲线

由函数及其图像可知，电容两端电压不是随时间线性增加，而是以e为底的指数增加，且RC越大，到达接近Us的时间越短，此时电压明显增加过程可近似看作线性，之后随时间增加慢慢趋于恒定值Us［3－4］。

1．2 Multisim仿真实验研究

电路如图3所示。考虑到平时市电频率，先任选了一组元件参数：信号源Us，频率50Hz，幅值10V，方波，R＝2kΩ，C＝1μF。

图3 无运放RC积分仿真电路图

闭合开关，运行电路，得到如图4所示红色波形（绿色方波为输入信号波形）。从波形图可知，正向充电及反向充电过程并不是公式（1）理论分析的那样呈线性关系，但是在积分开始一小段时间内近似线性［5］。

接下来，在原来参数的基础上，利用控制变量法分别改变各个参数，得到以下这样的现象。

（1）信号不变，C值不变，减小R的值，发现波形弯曲的部分保持更长；增大R的值，波形弯曲部分减少；当R增大到RC≈（1．5～2．5）T时（T为输入信号的周期），波形开始为近似三角形输出；如果继续增大R，依然是三角形输出，但输出值随R增大而减小。

图4 参数如图3条件下运行波形图

（2）信号不变，R不变，减小C的值，发现波形弯曲的部分保持更长；增大C的值，波形弯曲地方减少；当C增大到RC≈（1．5～2．5）T时，输出波形为近似三角形；如果继续增大C，依然是三角形输出，但输出值随增大而减小。

调查发现，企业对于职位需求最多的为销售岗位，比例达到42.08%，其次为工程技术人员和商务人员需求，占比分别为30.83%与26.25%,如表4所示。

（3）R和C值保持不变，减少信号的频率（即T增大），发现波形弯曲的部分保持更长；增大信号频率值（T减小），波形弯曲地方减少；当频率增大到RC≈（1．5～2．5）T时，波形为近似三角形输出；如果继续增大频率，依然是三角形输出，但输出值随频率增大而减小；而且频率越大，系数在1．5～2．5间的取值偏向大值（见图5和图6）。

图5 输出近似线性波形

总结以上规律，可以得到这样的结论：方波经过一个没有运放的积分电路时，只有符合RC≥（1．5～2．5）T时，在输出端才能得到三角波；在符合此条件的前提下，保持输入信号幅值，当的比值越大，输出幅值越小，且成比例关系。这与公式（1）体现出来的规律一致。在这个电路里，改变输入信号的幅值，相应输

图6 输出正三角波形

出值减小之外，但并没有发现对结论RC≥（1．5～2．5）T有影响。

2 有运放的积分电路实验研究

2．1 理论分析

有运放的积分电路如图7所示。当ui是个恒量时则有

如果单从数学角度看，输出电压与时间成线性关系（如图8所示），如果输入占空比为50%的方波，则输出应该为三角波。但是，由于受到运算放大器线性工作区域的影响，输入信号的频率、幅度和R、C的值都会影响输出的波形及幅值。

图7 有运放的积分电路

图8 有运放积分电路uc－t关系曲线

2．2 Multisim仿真实验研究

从式（1）和式（2）可看出，R和C的乘积应该具有时间量纲，因此也常把RC称为积分时间常数τ。通过实验的方法（电路如图9所示，运放为μA741），可以引导学生学习如何确定各元件参数和了解各参量对输出的影响规律。先任选一组元件参数：信号为50Hz，峰值电压Up＝500mV的方波，R1＝R2＝R＝2kΩ，在以下的改变中，R的变化即为R1和R2的变化，C＝1 μF，此时运行得到输出波形如图10所示。

图9 有运放的RC积分仿真电路图

图10 有运放的RC积分仿真电路输出波形图

虽然输出为三角波，但出现了积分漂移、波形整体上移现象，且输出幅值比较小。可以用控制变量法，在这组参数的基础上变换不同的参数值，来寻找确定参数的规律［6］。

（1）其他参量不变，改变R值。可以看到：随着R的增大，三角波的电压幅值减小，并出现削顶现象，当R增大到50kΩ时，输出基本是一条平行t轴的直线；而减小R的值，输出三角波下移，幅值变大。当R值降到约220Ω时，输出的三角波幅值最大，而且以t轴对称，没有上下漂移。此时 （4．3～4．5）RC ≈，U和U分别是输入信号的幅值和输出信inomax号的最大值，f是输入信号频率，本实验取μA741运放最大输出10V。当R继续减小时，输出为梯形波；如再继续减小，输出为方波。

（3）其他参量不变，改变f的值。可以看到：随着f的增大，三角波的幅值减小，出现了削顶现象，并向纵轴正向平移；减小f的值，输出三角波下移，而且幅

（2）其他参量不变，改变C的值。可以看到：随着C的增大，三角波的幅值减小，出现了削顶现象，并向纵轴正向平移；减小C的值，输出三角波下移，而且幅出的三角波幅值最大，而且以t轴对称，没有上下漂移。

（4）其他参量不变，改变输入信号幅值。可以看到：随着Uin的减小，三角波幅值减小，出现了削顶现象，并向纵轴正向平移；减小输入幅值，输出三角波下移，而且幅值变大。当Uin降到（4．3～4．5）RC≈时，输出的三角波幅值最大，而且以t轴对称，没有上下漂移。

图11 参数符合判断公式时输出波形图

从以上实验现象可以得到结论：方波经过一个有运放的简单积分电路时，只有符合（4．3～4．5）RC≈时，在输出端才能得到三角波；在符合此条件的前提下，RC的系数为（4．3～4．5）时，输出最大；当系数大于这个范围时，三角波会上移，出现积分漂移现象；当系数小于这个范围时，输出会变成梯形甚至变成方波。保持输入信号幅值，当某个参量变化时，只要改变另一个量，总可以使波形输出不变。

2．3 电路的改进

3 结束语

利用Multisim仿真软件对RC积分电路实验进行探讨，使学生自己归纳出参数变化对输出波形及幅值的影响规律。比较本文的判别式（4．3～4．5）RC≈和文献［1］所介绍的判别式，如果给定Uin、Uomax和f，确定RC参数并比较电路的输出，会发现前者输出电压比后者要大，后者输出电压相对前者较小且伴随直流成分。当然，不管是哪一个判别式，都是在一定情况下总结出的结果，而这也正好体现了电子技术课程具有实践性和工程性特点。根据判断式算出的数值必须在实际电路中进行调整，直到得到最佳结果。通过这样方式引导学生分析、归纳、总结，继承和批判，从而培养学生的实践能力和创新能力。

（References）

［1］和毓伟．积分电路实验教学探讨［J］．实验技术与管理，1999，16（3）：98－100．

［2］钟化兰．Multisim在模拟电子技术设计性实验中应用的研究［J］．华东交通大学学报，2005，22（4）：88－89．

［3］董军堂，宋永东，常艳玲．RC积分电路实验研究［J］．延安大学学报：自然科学版，2006，25（2）：37－38．

［4］齐晓华．基础物理实验中RC微分电路的Multisim仿真［J］．电子设计工程，2012，20（3）：37－43．

［5］李莉，卜新华，姚美菱．Multisim 2001在模拟电子技术教学中的应用［J］．学术研究，2013（5）：41．

［6］温慧星，屠华．RC积分电路获取三角波信号的研究［J］．科技视窗，2012（29）：286－289．

［7］杨蕊．基于Multisim仿真RC电路在微积分电路中的对比教学法探究［J］．信息通信，2014（5）：88－90．

［8］蒋玲．基于PSpice对积分电路的研究［J］．元器件与应用，2009（14）：170－171．

Research on RC integrated circuit experimental teaching based on Multisim simulation

Li Suling
（Electrical and Mechanical Institute，Nanning College，Nanning 530200，China）

Aiming at existing problems in students’waveform transform experiments by using the RC integrated circuit，such as waveform distortion，parameter selection，etc．the Multisim simulation software is used，combined with theoretical analysis，which can give the detailed verification of the conformity of the theory with experimental results，and the experimental process can step by step guide students to find out the rules of determining element parameters，more intuitively to help students grasp the perceptual knowledge of integrated circuit，which should be a great help to improve the quality of experiment teaching．

RC integrated circuit；Multisim simulation；experimental teaching

TM13

A

1002－4956（2015）3－0129－04

2014－08－17 修改日期：2014－10－13

2013年度广西高等教育教学改革工程立项项目“基于‘实践型’人才培养的电类开放式实验教学探索与实践”（2013JGA447）；2014年度南宁学院教学改革项目“泛在学习理念下模拟电子技术资源共享课程建设”（2014XJJG19）

李素玲（1975—），女（壮族），广西南宁，硕士，副教授，主要研究方向为实验教学改革．

E－mail：aboutsuling＠163．com