电路课程设计电路仿真设计实验

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1、电路仿真设计实验院 系 电气信息工程学院专 业 电气信息类班 级10级电气信息类五班组 长 张 宁 2011年12月目录1 绪论. 22 Multisim简介. 32.1 Multisim的特点. 32.2 Multisim包含的工具库. . . 42.2 Muitisim的分析方法. 43 RLC串联谐振电路的实验研究. 53.1 RLC串联的频率响应. 53.2 RLC电路的频率响应仿真. 63.3 结论. 124 二阶电路零输入响应. 144.1 原理分析. 144.2 课程设计与内容. 164.3 实例验证. 215验证叠加定理.226学习Multisim心得.277参考文献.281绪

2、论为了实现本科培养方案中关于学生动手能力的要求，本设计与课本的联系紧密，是学生对课本知识有一个深刻了解的契机，同时也要求学生能掌握一个仿真软件的使用，为后续的课程做准备。本设计是学生根据自己对课本知识的掌握，对自己不是很了解的知识点运用仿真技术进行更加真实的接触从而达到深刻的了解。本设计的内容包含1、RLC串联谐振时频率响应及达到谐振时电路的特点性质，；2、二阶电路零输入响应三种状态的波形研究；3、叠加定理的验证。2 Multisim简介2.1 Multisim的特点 Multisim能帮助专业人员分析电路，采用直观、易用的软件平台将原理图输入，并将工业标准的Spice仿真集成在同一环境中，即

3、可方便地仿真和分析电路同时Multisim为教育工作者的教学和专业设计人员分别提供相应的软件版本。 工程师、研究人员使用Multisim进行原理图输入、Spice仿真和电路设计，无需Spice专业知识，即可通过仿真来减少设计流程前期的原型反复。Multisim可用于识别错误、验证设计，以及更快地恢复原型。此外，Multisim原理图可便捷地转换到NI Ultiboard中完成PCB设计。22 Multisim包含的工具库二极管库包含有二极管、可控硅等多种器件。二极管库中的虚拟器件的参数是可以任意设置的，非虚拟元器件的参数是固定的，但是是可以选择的。 晶体管库包含有晶体管、FET等多种器件。晶体

4、管库中的虚拟器件的参数是可以任意设置的， 非虚拟元器件的参数是固定的，但是是可以选择的。 模拟集成电路库包含有多种运算放大器。模拟集成电路库中的虚拟器件的参数是可以任意设置的，非虚拟元器件的参数是固定的，但是是可以选择的。 TTL数字集成电路库包含有74系列和74LS系列等74系列数字电路器件。 CMOS数字集成电路库包含有40系列和74HC系列多种CMOS数字集成电路系列器件。 数字器件库包含有DSP、FPGA、CPLD、VHDL等多种器件。 数模混合集成电路库包含有ADC/DAC、555定时器等多种数模混合集成电路器件。 指示器件库包含有电压表、电流表、七段数码管等多种器件。 电源器件库包

5、含有三端稳压器、PWM控制器等多种电源器件。 其他器件库包含有晶体、滤波器等多种器件。 键盘显示器库包含有键盘、LCD等多种器件。 机电类器件库包含有开关、继电器等多种机电类器件。 微控制器件库包含有8051、PIC等多种微控制器。 射频元器件库包含有射频晶体管、射频FET、微带线等多种射频元器件。 子电路是由用户自己定义的一个电路（相当于一个电路模块），可存放在自定元器件库中供电路设计时反复调用。利用子电路可使大型的、复杂系统的设计模块化、层次化，从而提高设计效率与设计文档的简洁性、可读性，实现设计的重用，缩短产品的开发周期。2.3 Muitisim的分析方法Multisim提供了多种分析方

6、法，它利用仿真产生的数据执行分析，分析范围很广，从基本的到极端的不常见的都有，并可以将一个分析作为另一个分析的一部分自动执行。 对于每种分析方法，用户只需告诉Multisim哪些分析要做，系统就会自动地进行分析，并把结果以图形的方式或数据列表的方式展现出来。用户也可以通过输入Spice命令来创建自定义分析。 交流分析常用于电路的频率响应。在交流分析中，对于所有的非线性元件的小信号模型，首先通过直流工作点分析计算得到线性之后创建一个复矩阵，直流源都设置为零值。交流源、电容和电感通过自身的交流模型呈现；非线性元件通过线性交流小信号模型呈现，它源自直流工作点的运算分析结果。所有输入源都被认为是正弦信

7、号，源的频率被忽略。如果函数发生器设置为正弦波以外的波形，它将自动切换到内置的正弦信号，再进行分析计算函数和频率响应。3 RLC串联谐振电路的实验研究从RLC串联谐振电路的方程分析出发，推导了电路在谐振状态下的谐振频率、通频带、品质因数和输入阻抗，并且基于Multisim 10仿真软件创建RLC串联谐振电路，利用其虚拟仪表和仿真分析，分别用测量及仿真分析的方法验证它的理论根据。其结果表明了仿真与理论分析的一致性，为仿真分析在电子电路设计中的运用提供了一种可行的研究方法。在含有电感L、电容C和电阻R的串联谐振电路中，需要研究在不同频率正弦激励下响应随频率变化的情况，即频率特性。Multisim

8、1O仿真软件可以实现原理图的捕获、电路分析、电路仿真、仿真仪器测试等方面的应用，其数量众多的元件数据库、标准化仿真仪器、直观界面、简洁明了的操作、强大的分析测试、可信的测试结果都为众多的电子工程设计人员提供了一种可靠的分析方法，同时也缩短了产品的研发时间。31 RLC串联的频率响应RLC二阶电路的频率响应电路如图3-1所示。设输出电压取自电阻，则转移电压比为： （3-1） 由下式可知，当时，|Au|达到最大值；当等于某一特定值0时， 达到最大值为1，在=时，输出电压等于输入电压，称为带通电路的中心频率。当下降为其最大值得70.7%时，两个频率分别上半功率频率和下半功率频率，高于中心频率记为2，

9、低于中心频率记为1，如图3-2所示，频率差定义为通频带BW，即：图3-1 电路原理图衡量幅频特性是否陡峭，就看中心频率对通带的比值如何，这一比值称为品质因数，记为Q，即： （3-2） 如图3-3所示，给出不同R值的相频特性曲线。串联回路中的电阻R值越大，同曲线越平坦，通频带越宽，反之，通频带越窄。 （3-3） RLC串联电路的输入阻抗Z为： （3-4） 式(3-4)中的实部是一常数，而虚部则为频率的函数。在某一频率时(0)，电抗为零，阻抗的模为最小值，且为纯电阻。在一定的输入电压作用下，电路中的电流最大，且电流与输入电压同相。3. 2 RLC电路的频率响应仿真3. 21 创建仿真电路 在Mul

10、tisim 10仿真软件的工作界面上建立如图4所示的仿真电路，并设置电感L1=25 mH，C1=10 nF，R1=10 。双击XFG1”函数发生器，调整“Wavefrms”为正弦波，“Frequency”为1 kHz，“Amplitude”为1 V。图3-2 通频带图3-3 不同R值的幅频特性图3-4 仿真电路3. 22 打开仿真开关 双击“XSC1”虚拟示波器和“XMM1”电压表，将电压表调整为交流档，并拖放到合适的位置，再调整“XFG1”函数发生器中的“Frequ-ency”正弦波频率，分别观察示波器的输出电压波形和电压表的电压，使示波器的输出电压最大或电压表输出最高；然后记录下“XFG1

11、”函数发生器中的“Frequency”正弦波频率，如图3-5所示。图3-5 函数信号发生器图示其中，XMM1为电阻的电压值；XMM2为的电压值；XMM3为的电压值。3. 23 谐振状态下的特性 串联回路总电抗，此时，谐振回路阻抗|Zo|为最小值，整个回路相当于一个纯电阻电路，激励电源的电压与回路的响应电压同相位。 谐振时，电感oL与容抗相等，电感上的电压UL与电容上的电压Uc大小相等，相位差180。如图3-6所示图3-6 各个部位的电压值图3-6 谐振时各部位的电压在激励电源电压(有效值)不变的情况下，谐振回路中的电流I=UiR为最值。3. 24 谐振电路的频率特串联回路响应电压与激励电源角频

12、率之间的关系称为幅频特性。在Multisim 10仿真软件中可使用波特图仪或交流分析方法进行观察。 波特图仪法：双击“XBP1”波特图仪，幅频特性如图3-10所示，当fo约为lO kHz时输出电压为最大值。 交流分析法：选择“Simulate”菜单中的“Analysis”进入“AC Analysis”的交流分析，分析前进行相关设置。在“Frequency Par-ameters”选项卡中“Start frequency”设置为1 kHz，“Stop frequency”设置为100 kHz，如图3-8所示。在“Output”选项卡中，选择“V5”为输出点，如图3-9所示。单击“Simulate

13、”开始仿真，交流仿真如图10所示。 图3-8 交流分析对话框图3-9 设置输出节点 图3-10 RLC幅相频特性3. 25 品质因数Q RLC串联回路中的L和C保持不变，改变R的大小，可以得出不同Q值时的幅频特性曲线。取R=1 ，R=10 和R=100 三种阻值分别观察品质因数Q。 双击电阻R1，在弹出的对话框中修改电阻的阻值为1 ，双击“XBP1”波特图仪，打开仿真开关，幅频特性如图3-11所示。图3-11 R=1欧姆的幅频特性 关闭仿真开关，修改R1电阻阻值为10 ，双击“XBP1”波特图仪，打开仿真开关，幅频特性如图3-7所示。关闭仿真开关，将R1电阻阻值为100 ，双击“XBP1”波特

14、仪，再打开仿真开关，幅频特性如图3-12所示。 图3-7 R=10欧姆的幅频特性图3-12 R=100欧姆的幅频特性显然，Q值越高，曲线越尖锐，电路的选择性越好，通频带也越窄。3.3 结论 从Multisim 10仿真软件进行RLC串联谐振电路实验的结果来看，RLC串联谐振电路在发生谐振时，电感上的电压UL与电容上的电压Uc大小相等，相位相反。这时电路处于纯电阻状态，且阻抗最小，激励电源的电压与回路的响应电压同相位。谐振频率fo与回路中的电感L和电容C有关，与电阻R和激励电源无关。品质因数Q值反映了曲线的尖锐程度，电阻R的阻值直接影响Q值。 实验过程中，使用者可方便地选用元器件。通过虚拟仪器，

15、免去了昂贵的仪表费用，并可以毫无风险地接触所有仪器，仿真软件多种分析方法提供了可靠的分析结果，这是现实中很难实现的。 同学们可以可以通过仿真实验掌握课本要求掌握的知识点，从而免去了高昂的实验器材费用，达到了很理想的效果。四、二阶电路零输入响应根据对二阶电路的认识，通过对两个参数的比较来确定此二阶电路的属于那种情况的动态电路。通过仿真软件的实现来明确动态电路的波形及电路中各参数的变化。4.1原理分析RLC串联电路是典型的而阶电路，如下图所示，设开关闭合前，电容器已充了电，电感线圈中没有电流，即电路的初始状态，。图4-1 RLC串联电路图4-2 函数发生器图示由KVL可以列出方程由以上方程可以得到

16、特征根为因此由初始条件可以得到二阶电路会发生那种类型的过渡过程，取决于和是实数还是复数，或者说是依赖于参数R与L和C的相互关系这样可以分为以下四种情况，响应的零输入响应等也可分为以下四种类型（1）,和是两个不相等的负实数，暂态属非振荡类型，称电路是过阻尼。此时电路的响应为（2）和是两个相等的负实数，电路处在临界阻尼，暂态是非振荡的。此时的电路响应为（3），和是一对共轭复数，暂态属振荡类型，称电路是欠阻尼。此时的电路响应为其中衰减振荡角频率 ， 4.2 课程设计与内容如图所示的电路中，时，闭合开关S,调节R使得电路在临界阻尼、过阻尼、欠阻尼情况解：（1）过阻尼此时取时R=2000欧，L=10mH

17、,C=1.0uF仿真下如图4-3图4-3 过阻尼仿真电路图图4-4 过阻尼状态下的波形图（2）临界阻尼此时取R=200欧，L=10mH,C=1.0uF，此时的电路如图4-5，此时得到波形为图4-6。图4-5临界阻尼仿真电路图图4-6 临界阻尼状态下的波形图（3）欠阻尼此时取R=20欧，L=10mH,C=1.0uF，此时的电路如图4-7，此时得到波形如图4-8。图4-7 欠阻尼仿真电路图图4-8 欠阻尼状态下的波形图4.3实例验证：例：电路如图，t=0时打开开关。求Uc并画出其变化曲线。图4-9 电路图解：（1）开关打开为RLC串联电路，方程为特征方程为得A=356，=图4-10 仿真的电路图经

18、过例题验证，动态电路的情况分析与在仿真软件的得到的结果相一致，通过仿真及实例的验证对二阶电路的分析更加的明白透彻。5验证叠加定理作为线性系统（包含线性电路）最基本的性质线性性质，它包含可加性与其次性两方面。叠加定理就是可加性的反应，它是线性电路的一个重要定理。可加性的概念可以说贯穿于电路分析之中，并在叠加定理中得到直接应用。现就一下题目对叠加定理进行验证。5.1习题4-4（b）已知：； 图5-1由图5-1可测得原电路两端电压为1V。运用叠加定理分别将、置零，得到图5-2、图5-3。图5-2 电路图将置零，仿真测得两端电压为-3V。图5-3 电路仿真图将置零，仿真测得两端电压为4V。将其叠加-3

19、+4=1。经验证：叠加定理成立。5.2 例题4-1；流经电阻的电流为；电流源两端电压为.由图5-4图5-4 仿真电路图更改电路进行叠加定理验证。运用叠加定理分别将电压源短路、电流源断路，得到图5-5；图5-6。图5-5 仿真电路图将电流源处断路，仿真测得电流源两端端口处电压为-2V，=0.5A。图5-6 仿真电路图图5-6 仿真电路图将电压源处短路，仿真测得电流源两端电压为11V，=0.25A。将其叠加I：0.75A=0.25A+0.5A；U：9V=11V-2V。经验证：叠加定理成立。6学习Multisim心得6.1多动手在刚接触这个软件时，无论是下载，安装，还是使用都遇见了很多的麻烦困难。但

20、是如果寄希望于被人的帮助，你会发现什么东西都做不了。所以，在做课程设计时总结出来要多动手，无论什么事只要肯动手都能达到预期的效果。 6.2善于利用的帮助 可以这么说，任何问题都可以在Multisim的帮助里找到解决的办法。问题不论大小，都是由更小的问题组成，把大问题化为小问题，小函数，然后再到Multisim帮助里去找这种小问题，小函数的用法。说实话，Multisim里的函数太多，我也经常忘记一些用法，这时HELP就帮忙了。 6.3善于向别人学习 在你解决一个问题后，你可能会发现别人有更简便的方法解决，更强的函数，就时就是你向别人学习的时候。说实话，我们组向大三大四的学长们学习借鉴不少。并且在

21、网上寻找教程，寻找对我们的设计有帮助的文献，可以帮助我们的团队更好地，更高效的学习。 6.4时间积累 时间长了，积累多了，当然也就有进步了。呵呵，也许再过几年，你会发现原来问题也不是以前想的那么难。要注重时间的积累，注重经验的沉积。6.5团队合作这次的课程设计我们组的成员在对待问题时都能积极的动脑，利用自己有限的资源去寻求帮助，在我们遇见困难时大家都积极的想对策，在一起商讨一起修改。这次的课程设计我们组的每一位成员参与了各个环节，因此此课程设计时我们合作的结果。通过本次Mulisim的课程设计，我对Mulisim基础知识有了深刻了解，了解了Mulisim软件在电路仿真中的使用。学会了用Mulisim解简的仿真。通过本次课程设计我还认识到了坚持和认真的重要性，虽然在任务的完成过程中遇到了很多的难题，但通过努力查阅书本和网络资料都一一解决了。本次课程设计是我受益良多，为我以后对Mulisim的熟练使用打下了良好的基础。非常感谢学校安排这次课程设计。7参考书目1 邱关源，罗先觉 . 电路第五版 . 高等教育出版社2 王艳春 . 电子技术实验与Mulisim仿真 . 合肥工业大学出版社3 蒋卓勤 . Mulisim及其在电子设计中的应用 . 西安电子科技大学出版社 4 齐齐哈尔大学 . 学报 . 第23卷第3期29