基于Multisim的电容特性仿真实验

湖南省株洲市二中 刘 传 周睿康

湖南铁道职业技术学院 刘 彤

基于Multisim的电容特性仿真实验

湖南省株洲市二中 刘 传 周睿康

湖南铁道职业技术学院 刘 彤

本文探讨Multisim仿真软件在电容电路实验中的应用，利用电路仿真，验证元件和电路特性，实验数据更加直观、精确，便于理解电容特性。

Multisim；仿真；电容

0 引言

Multisim是在计算机辅助设计 （CAD） 技术的基础上发展起来的计算机电路设计和仿真软件，对高中物理电学的实验教学和学生自学中起到了很好的辅助、提高作用。

1 Multisim仿真的方法[1]

使用Multisim进行电路仿真通常需要构造和测试电路和电路仿真运行两个步骤。

（1）放置元件，搭建电路

1）根据实验内容从元件库选择元件放到工作区；元件直接用鼠标拖入作图区域， 鼠标单击元件的管脚然后单击另一元件的管脚， 即可完成元件的连接。

2） 将工作区中的元件按照电路布局进行放置，用导线将元件连接起来，并设置好元件参数和模型；

3）在电路中需要观测的节点放置、连接电压、电流表计和示波器、信号发生器等观测仪器；

4）根据测试要求设定仪器参数，进行电路仿真、观测。

（2）电路仿真、分析

电路搭建完毕，对电路当中的元件参数进行设置，虚拟测试仪器仪表参数进行设置，然后点击“运行（Run）”开关后，就可以从测试仪器上看到波形或读到电路中被测数据。点击“view-＞Grapher”还可以查看各种分析图形数据。

2 电容充放电仿真

电容是非线性储能元件，通过仿真实验可以更好的理解元件的特性。电容的两块极板可以储存电荷，电荷的变化与电路的电流有关，如图1所示，电路由一个5V的方波信号源、可变电阻和一个100nf的电容组成，用来研究电容充放电的特性。

图1 电容充放电仿真电路

图2 电容充放电波形图

设定信号源频率500Hz，示波器A通道黄色，B通道红色，将信号源接入虚拟示波器的A通道，电容端接入B通道，调整可变电阻，设置示波器时基比例500us/div，A、B通道纵向比例2V/div，运行仿真，可以在示波器上看到电容充放电的波形如图2所示，可以看出，方波正半周，电容电压逐渐上升，经过一段时间才达到最高点；方波负半周，电容两端电压逐渐下降，经过一段时间，达到最低点。

为了更精确的分析电容充放电过程，使用Grapherview观察从放电波形数据，如图3所示。通过光标，可以精确的测量出电容充放电时间，方波信号正半周光标1在76ms时，电容电压0V，光标2在76.8ms时，电容电压达到信号电压5V，说明100uf电容，电路可变电阻为5K*20%=1K时，电容充电时间为0.8ms，电容充电电流可以计算为

i=△U/△t=5V/0.8ms=6.25mA。

图3 电容充放电数据分析图

可见，调整可变电阻的阻值，可以调整充电时间，电阻越大，充电时间越长，当充电时间小于方波半个周期时，电容两端的电压可以达到5V；当充电时间大于方波半个周期时，电容两端的电压达不到信号电压5V，就开始进入负半周放电阶段。

图4 电容隔直流仿真图

3 电容对交变电流的阻碍作用

当直流电路中接入电容器时，由于极板中间充满了绝缘介质，故充电后的电容器阻隔直流电流[2]；当交流电路接入电容器时，极板的电压作周期性变化，电容器的带电量也会周期性的增大或减小，电容器将会反复充电或放电，就是说电容器可以通交流，但对交流电也有阻碍作用。

建立如图4仿真电路，两个相同的12V/25W灯泡X1和X2，X1通过电容C1与X2并联，接在交流12V/60Hz电源V1上，X1支路和X2支路穿接电流表U1和U2，可以看出，通过灯泡X2支路的电流为2.083A，而X1支路电流为0.907A，X1灯泡两端的交流电压为5.22V，X2比X1亮，说明电容对交流电是有阻碍作用的，这个阻碍作用大小可以用容抗XC=1/2πfC来表示。

调整交流电频率到120Hz，可以测量到流过灯泡X1支路的电流增大到1.449A，电压增大到8.345V，说明电容对交流电来说，具有通高频，阻低频的特性，如图5所示。

图5 电容通高频，阻低频仿真图

4 结论

multisim仿真软件不仅可以观察到电容元件实验现象，同时还能够利用虚拟仪器精确测量出电路数据，生成图表，进行数据分析，验证电容电路特性，对电学实验有很大帮助。

[1]梁振华．multisim9电路仿真在高中物理电学实验中的应用[J]．物理教学探讨,2011．08(53-55)．

[2]杨立志．MultiSim 11教育版在高中物理电学教学中的应用[J]．中小学电教,2012．04(18-19)．

Simulation of capacitor character based on Multisim

LiuChuan, Rui-kang Zhou,Liu Tong
(No.2 High School of ZhuZhou,Hunan Railway Professional Technology College，ZhuZhou, China,412001)

The article research the application of capacitor circuit based on Multisim. Testing capacitor and circuit character through simulation. clear and accurate experiment data are convenient understanding component character of capacitor.

Multisim; simulate;capacitor

刘彤（1972-），男，工程师，广西工学院工学硕士，主要研究领域为控制理论与控制工程。

基金支持：2016湖南铁道职业技术学院校级课题（课题编号：K201609）。