基于虚拟仿真平台的电路波形的时间参数分析

摘要：针对电路结构中的参数分析，开展虚拟仿真实验验证，用仿真演示的直观效果，解决理论分析中的迷茫，通过具体内容的授课实施，提高同学们的分析与设计能力。

关键词：电路 元件 仿真 时间参数

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）05-0213-03

应用型人才培养是高等教育的职责，实践能力和职业素养是关键，专业基础课和专业主干课的学习是重要环节。电路分析基础、模拟电子技术、高频电子线路等课程是电子信息类相关专业的专业基础课，这一类型的课程是抽象的技术基础课，在理论学习中电路分析通过数学公式推导，枯燥无味；在实际应用中面对设计需求，不知道从何处切入分析。针对于此，借助虚拟仿真平台，利用设备库中的调测仪器进行电路的技术指标测试，进而达到熟练掌握电路原理和自行分析问题的能力。

电容是电路中的基本元器件，其本身是一种动态的记忆储能元件，物理电量电压和电流随时间而变化，两者存在微积分关系。当电路的元件参数发生变化时，电路的状态将随之发生改变，这种转变在电路中称为过渡过程，理论分析电路状态稳定时，电容近似于开路处理。

1 RC一阶电路

在没有外加电源输入的条件下，电路由非零初始状态采用电容元件的储能引起的工作状态，可以看成是电容的放电过程；在电容元件的初始储能为零的情况下，由外加电源输入引起的工作状态可以看成是电容的充电过程。时间参数RC为电路的充放电时间常数，电压和电流按指数规律变化。

图1为利用方波对电容元件充放电的电路原理图，在虚拟环境下通过函数信号发生器给定方波信号。则理论上采用公式计算出的时间参数τ=RC=1KΩ*1μF=1ms，仿真的波形如图2所示。

图3是改变电路参数R时得到的波形图。可见，电路对电容充放电时间周期如果大于交流信号的周期，电容电压始终不能回零。如果小于交流信号的周期，电流还没有回到零，电容已放电完毕。只有两者周期相同时，电容电压才和电路电压变化一致。也说明时间常数越小，电容的充电和放电速度越快。

电容元件上的端电压u和流过的电流i呈微积分关系：i=cdu/dt，利用电压的微分关系表示电流，利用电流的积分关系表示电压，从而得到集成芯片的微积分电路。

2 RC积分电路

RC积分电路如图4所示，设输入信号为ui，输出信号为uo，则理论分析公式为：uo=─1/RC*∫uidt。该电路可以完成对输入电压的积分运算，即其输出电压与输入电压的积分成比例关系。由于输入信号接在集成芯片的反相输入端，故而称为反相积分电路，可以用来实现波形变换，如图5、6是方波三角波变换电路的波形图。

由RC积分电路不难看出，参数的改变和信号的频率对波形变化都有相应的影响。

3 正弦波振荡电路

正弦波振荡电路在电子电路中的应用非常广泛，正弦信号常用作测试信号或控制信号，还可以作为载波信号在通信系统里实现信息的传递。振荡电路可以看成是能量转换器，是在没有输入信号的情况下，将电源的直流能量转换成具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号的能量，如图7产生的是有无到有、由小到大的等幅振荡波。

图8是常见的RC桥式振荡器，该电路由放大器、正反馈网络、选频网路组成，理论上分析产生的正弦波的频率为：f=1/2πRC=1/（2π*162KΩ*1μF≈1.0179≈1HZ，波形如图9。

经过仿真验证，反馈系数的大小直接影响产生波形的好坏，反馈系数太小，达不到起振的效果，反馈系数太大容易造成波形失真。

4 方波发生器

图10的方波产生电路主要有两部分构成，滞回比较器作为开关，RC组成积分电路，方波产生电路的周期T=2RC*ln（1+2R1/Rf），理论计算时间参数为：

如若改变占空比即可产生矩形波。

5 三角波发生器

三角波发生器由迟滞比较器和反相积分器构成，理论分析上周期T=4R1RC/R2，则如图11的波形发生器，时间参数理论计算为：4*10 KΩ*1 KΩ*0.1μF/10 KΩ=400ms。通常先调整滞回器模块的电阻参数R1、R2，使得输出电压大小合适，然后再调整积分器的R、C，输出一定的振荡频率。

三角波的波形是正负半周对称的信号，占空比50%，在三角波的基础上改变占空比就可以产生锯齿波。

综上，虚拟环境仿真有效地辅助了课程教学，提高了分析电路的能力，引发了学习的兴趣。同时也解决了理论学习中的电路结构原理抽象，摸不着；技术指标公式繁琐，记不住；理论与实际结合不到一起等疑难问题。所以在授课中通常以系统为主线、基本元器件为基础、实际应用为目标进行教学设计，强调管为路用，即基本元器件为电路所用，在理解工作原理的基础上学会分析电路，利用仿真平台验证功能电路的技术指标，引导同学们独立分析问题、自行解决问题。