電路課程設(shè)計---電路仿真設(shè)計實驗

1、<p><b>　　電路仿真設(shè)計實驗</b></p><p>　　院 系　　 電氣信息工程學(xué)院</p><p>　　專 業(yè)　 電氣信息類</p><p>　　班 級　　10級電氣信息類五班</p><p>　　組 長 </p&

2、gt;<p><b>　　2011年12月</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 緒論........................................................... 2</p><p>　　2 Multisim簡介........

3、........................................... 3</p><p>　　2.1 Multisim的特點............................................. 3</p><p>　　2.2 Multisim包含的工具庫.............. .............. ......... 4</

4、p><p>　　2.2 Muitisim的分析方法......................................... 4</p><p>　　3 RLC串聯(lián)諧振電路的實驗研究...................................... 5</p><p>　　3.1 RLC串聯(lián)的頻率響應(yīng)........................

5、.................. 5</p><p>　　3.2 RLC電路的頻率響應(yīng)仿真...................................... 6</p><p>　　3.3 結(jié)論........................................................ 12</p><p>　　4 二階電路零輸

6、入響應(yīng).............................................. 14</p><p>　　4.1 原理分析.................................................... 14</p><p>　　4.2 課程設(shè)計與內(nèi)容.............................................. 1

7、6</p><p>　　4.3 實例驗證.................................................... 21</p><p>　　5驗證疊加定理.....................................................22</p><p>　　6學(xué)習(xí)Multisim心得............

8、....................................27</p><p>　　7參考文獻.........................................................28</p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　為了實現(xiàn)本科培養(yǎng)方案中關(guān)于學(xué)生動手能力的要求，本設(shè)計與

9、課本的聯(lián)系緊密，是學(xué)生對課本知識有一個深刻了解的契機，同時也要求學(xué)生能掌握一個仿真軟件的使用，為后續(xù)的課程做準備。</p><p>　　本設(shè)計是學(xué)生根據(jù)自己對課本知識的掌握，對自己不是很了解的知識點運用仿真技術(shù)進行更加真實的接觸從而達到深刻的了解。本設(shè)計的內(nèi)容包含</p><p>　　1、RLC串聯(lián)諧振時頻率響應(yīng)及達到諧振時電路的特點性質(zhì)，；</p><p>　　2

10、、二階電路零輸入響應(yīng)三種狀態(tài)的波形研究；</p><p>　　3、疊加定理的驗證。</p><p>　　2 Multisim簡介</p><p>　　2.1 Multisim的特點  Multisim能幫助專業(yè)人員分析電路，采用直觀、易用的軟件平臺將原理圖輸入，并將工業(yè)標準的Spice仿真集成在同一環(huán)境中，即可方便地仿真和分析電路同時Multisim為

11、教育工作者的教學(xué)和專業(yè)設(shè)計人員分別提供相應(yīng)的軟件版本。  工程師、研究人員使用Multisim進行原理圖輸入、Spice仿真和電路設(shè)計，無需Spice專業(yè)知識，即可通過仿真來減少設(shè)計流程前期的原型反復(fù)。Multisim可用于識別錯誤、驗證設(shè)計，以及更快地恢復(fù)原型。此外，Multisim原理圖可便捷地轉(zhuǎn)換到NI Ultiboard中完成PCB設(shè)計。</p><p>　　2．2 Multisim包含的工具

12、庫</p><p>　　二極管庫包含有二極管、可控硅等多種器件。二極管庫中的虛擬器件的參數(shù)是可以任意設(shè)置的，非虛擬元器件的參數(shù)是固定的，但是是可以選擇的。 晶體管庫包含有晶體管、FET等多種器件。晶體管庫中的虛擬器件的參數(shù)是可以任意設(shè)置的， 非虛擬元器件的參數(shù)是固定的，但是是可以選擇的。 模擬集成電路庫包含有多種運算放大器。模擬集成電路庫中的虛擬器件的參數(shù)是可以任意設(shè)置的，非虛擬元器件的參數(shù)是固定

13、的，但是是可以選擇的。 TTL數(shù)字集成電路庫包含有74××系列和74LS××系列等74系列數(shù)字電路器件。 CMOS數(shù)字集成電路庫包含有40××系列和74HC××系列多種CMOS數(shù)字集成電路系列器件。 數(shù)字器件庫包含有DSP、FPGA、CPLD、VHDL等多種器件。 數(shù)?；旌霞呻娐穾彀蠥DC/DAC、555定時器等

14、多種數(shù)?；旌霞呻娐菲骷?。 指示器件庫包含有電壓表、電流表、七段數(shù)碼管等多種器件。 電源器件庫包含有三端穩(wěn)壓器、PWM控制器等多種電源器件。 其他器件庫包含有晶體、濾波器等多種器件。 鍵盤顯示器庫包含有鍵盤、</p><p>　　2.3 Muitisim的分析方法</p><p>　　Multisim提供了多種分析方法，它利用仿真產(chǎn)生的數(shù)據(jù)執(zhí)行分析，

15、分析范圍很廣，從基本的到極端的不常見的都有，并可以將一個分析作為另一個分析的一部分自動執(zhí)行。  對于每種分析方法，用戶只需告訴Multisim哪些分析要做，系統(tǒng)就會自動地進行分析，并把結(jié)果以圖形的方式或數(shù)據(jù)列表的方式展現(xiàn)出來。用戶也可以通過輸入Spice命令來創(chuàng)建自定義分析。  交流分析常用于電路的頻率響應(yīng)。在交流分析中，對于所有的非線性元件的小信號模型，首先通過直流工作點分析計算得到線性之后創(chuàng)建一個復(fù)矩陣，

16、直流源都設(shè)置為零值。交流源、電容和電感通過自身的交流模型呈現(xiàn)；非線性元件通過線性交流小信號模型呈現(xiàn)，它源自直流工作點的運算分析結(jié)果。所有輸入源都被認為是正弦信號，源的頻率被忽略。如果函數(shù)發(fā)生器設(shè)置為正弦波以外的波形，它將自動切換到內(nèi)置的正弦信號，再進行分析計算函數(shù)和頻率響應(yīng)。</p><p>　　3 RLC串聯(lián)諧振電路的實驗研究</p><p>　　從RLC串聯(lián)諧振電路的方程分析出發(fā)，推導(dǎo)

17、了電路在諧振狀態(tài)下的諧振頻率、通頻帶、品質(zhì)因數(shù)和輸入阻抗，并且基于Multisim 10仿真軟件創(chuàng)建RLC串聯(lián)諧振電路，利用其虛擬儀表和仿真分析，分別用測量及仿真分析的方法驗證它的理論根據(jù)。其結(jié)果表明了仿真與理論分析的一致性，為仿真分析在電子電路設(shè)計中的運用提供了一種可行的研究方法。</p><p>　　在含有電感L、電容C和電阻R的串聯(lián)諧振電路中，需要研究在不同頻率正弦激勵下響應(yīng)隨頻率變化的情況，即頻率特性。M

18、ultisim 1O仿真軟件可以實現(xiàn)原理圖的捕獲、電路分析、電路仿真、仿真儀器測試等方面的應(yīng)用，其數(shù)量眾多的元件數(shù)據(jù)庫、標準化仿真儀器、直觀界面、簡潔明了的操作、強大的分析測試、可信的測試結(jié)果都為眾多的電子工程設(shè)計人員提供了一種可靠的分析方法，同時也縮短了產(chǎn)品的研發(fā)時間。</p><p>　　3．1 RLC串聯(lián)的頻率響應(yīng)RLC二階電路的頻率響應(yīng)電路如圖3-1所示。設(shè)輸出電壓取自電阻，則轉(zhuǎn)移電壓比為： 

19、;    （3-1） 由下式可知，當時，|Au|達到最大值；當ω等于某一特定值ω0時，   達到最大值為1，在ω=時，輸出電壓等于輸入電壓，稱為帶通電路的中心頻率。當下降為其最大值得70.7%時，兩個頻率分別上半功率頻率和下半功率頻率，高于中心頻

20、率記為ω2，低于中心頻率記為ω1，如圖3-2所示，頻率差定義為通頻帶BW，即：</p><p>　　圖3-1 電路原理圖</p><p>　　衡量幅頻特性是否陡峭，就看中心頻率對通帶的比值如何，這一比值稱為品質(zhì)因數(shù)，記為Q，即：</p><p>　?。?-2）

21、   如圖3-3所示，給出不同R值的相頻特性曲線。串聯(lián)回路中的電阻R值越大，同曲線越平坦，通頻帶越寬，反之，通頻帶越窄。</p><p>　?。?-3） </p><p>　　RLC串聯(lián)電路的輸入阻抗Z為：     （3-4）

22、  式(3-4)中的實部是一常數(shù)，而虛部則為頻率的函數(shù)。在某一頻率時(ω0)，電抗為零，阻抗的模為最小值，且為純電阻。在一定的輸入電壓作用下，電路中的電流最大，且電流與輸入電壓同相。</p><p>　　3. 2 RLC電路的頻率響應(yīng)仿真3. 2．1 創(chuàng)建仿真電路  在Multisim 10仿真軟件的工作界面上建立如圖4所示的仿真電路，并設(shè)置電感L1=25 mH，C1=10 nF，R1

23、=10 Ω。雙擊"XFG1”函數(shù)發(fā)生器，調(diào)整“Wavefrms”為正弦波，“Frequency”為1 kHz，“Amplitude”為1 V。</p><p><b>　　圖3-2 通頻帶</b></p><p>　　圖3-3 不同R值的幅頻特性</p><p><b>　　圖3-4 仿真電路</b></p

24、><p>　　3. 2．2 打開仿真開關(guān)  雙擊“XSC1”虛擬示波器和“XMM1”電壓表，將電壓表調(diào)整為交流檔，并拖放到合適的位置，再調(diào)整“XFG1”函數(shù)發(fā)生器中的“Frequ-ency”正弦波頻率，分別觀察示波器的輸出電壓波形和電壓表的電壓，使示波器的輸出電壓最大或電壓表輸出最高；然后記錄下“XFG1”函數(shù)發(fā)生器中的“Frequency”正弦波頻率，如圖3-5所示。</p><p

25、>　　圖3-5 函數(shù)信號發(fā)生器圖示</p><p>　　其中，XMM1為電阻的電壓值；XMM2為的電壓值；XMM3為的電壓值。</p><p>　　3. 2．3 諧振狀態(tài)下的特性  串聯(lián)回路總電抗，此時，諧振回路阻抗|Zo|為最小值，整個回路相當于一個純電阻電路，激勵電源的電壓與回路的響應(yīng)電壓同相位。  諧振時，電感ωoL與容抗相等，電感上的電壓UL與電容

26、上的電壓Uc大小相等，相位差180°。如圖3-6所示</p><p>　　圖3-6 各個部位的電壓值</p><p>　　圖3-6 諧振時各部位的電壓在激勵電源電壓(有效值)不變的情況下，諧振回路中的電流I=Ui／R為最值。  </p><p>　　3. 2．4 諧振電路的頻率特</p><p>　　串聯(lián)回路響應(yīng)

27、電壓與激勵電源角頻率之間的關(guān)系稱為幅頻特性。在Multisim 10仿真軟件中可使用波特圖儀或交流分析方法進行觀察。  波特圖儀法：雙擊“XBP1”波特圖儀，幅頻特性如圖3-10所示，當fo約為lO kHz時輸出電壓為最大值。</p><p>　　交流分析法：選擇“Simulate”菜單中的“Analysis”進入“AC Analysis”的交流分析，分析前進行相關(guān)設(shè)置。在“Frequency Pa

28、r-ameters”選項卡中“Start frequency”設(shè)置為1 kHz，“Stop frequency”設(shè)置為100 kHz，如圖3-8所示。在“Output”選項卡中，選擇“V[5]”為輸出點，如圖3-9所示。單擊“Simulate”開始仿真，交流仿真如</p><p><b>　　圖10所示。 </b></p><p>　　圖3-8 交流分析對話框<

29、/p><p>　　圖3-9 設(shè)置輸出節(jié)點 </p><p>　　圖3-10 RLC幅相頻特性</p><p>　　3. 2．5 品質(zhì)因數(shù)Q  RLC串聯(lián)回路中的L和C保持不變，改變R的大小，可以得出不同Q值時的幅頻特性曲線。取R=1 Ω，R=10 Ω和R=100 Ω三種阻值分別觀察品質(zhì)因數(shù)Q。  雙擊電阻R1，在彈出的對話框中修改電阻的阻值

30、為1 Ω，雙擊“XBP1”波特圖儀，打開仿真開關(guān)，幅頻特性如圖3-11所示。</p><p>　　圖3-11 R=1歐姆的幅頻特性</p><p>　　關(guān)閉仿真開關(guān)，修改R1電阻阻值為10 Ω，雙擊“XBP1”波特圖儀，打開仿真開關(guān)，幅頻特性如圖3-7所示。關(guān)閉仿真開關(guān)，將R1電阻阻值為100 Ω，雙擊“XBP1”波特儀，</p><p>　　再打開仿真開關(guān)，幅頻特

31、性如圖3-12所示。 </p><p>　　圖3-7 R=10歐姆的幅頻特性</p><p>　　圖3-12 R=100歐姆的幅頻特性</p><p>　　顯然，Q值越高，曲線越尖銳，電路的選擇性越好，通頻帶也越窄。</p><p>　　3.3 結(jié)論  從Multisim 10仿真軟件進行RLC串聯(lián)諧振電路實驗的結(jié)果來看，RLC

32、串聯(lián)諧振電路在發(fā)生諧振時，電感上的電壓UL與電容上的電壓Uc大小相等，相位相反。這時電路處于純電阻狀態(tài)，且阻抗最小，激勵電源的電壓與回路的響應(yīng)電壓同相位。諧振頻率fo與回路中的電感L和電容C有關(guān)，與電阻R和激勵電源無關(guān)。品質(zhì)因數(shù)Q值反映了曲線的尖銳程度，電阻R的阻值直接影響Q值。   實驗過程中，使用者可方便地選用元器件。通過虛擬儀器，免去了昂貴的儀表費用，并可以毫無風(fēng)險地接觸所有儀器，仿真軟件多種分析方法提供了可靠的分析

33、結(jié)果，這是現(xiàn)實中很難實現(xiàn)的。 </p><p>　　同學(xué)們可以可以通過仿真實驗掌握課本要求掌握的知識點，從而免去了高昂的實驗器材費用，達到了很理想的效果。</p><p>　　四、二階電路零輸入響應(yīng)</p><p>　　根據(jù)對二階電路的認識，通過對兩個參數(shù)的比較來確定此二階電路的屬于那種情況的動態(tài)電路。通過仿真軟件的實現(xiàn)來明確動態(tài)電路的波形及電路中各參數(shù)的變化。&

34、lt;/p><p><b>　　4.1原理分析</b></p><p>　　RLC串聯(lián)電路是典型的而階電路，如下圖所示，設(shè)開關(guān)閉合前，電容器已充了電，電感線圈中沒有電流，即電路的初始狀態(tài)，。</p><p>　　圖4-1 RLC串聯(lián)電路</p><p>　　圖4-2 函數(shù)發(fā)生器圖示</p><p>　

35、　由KVL可以列出方程</p><p><b>　　由以上方程可以得到</b></p><p><b>　　特征根為</b></p><p><b>　　因此</b></p><p><b>　　由初始條件可以得到</b></p><p

36、>　　二階電路會發(fā)生那種類型的過渡過程，取決于和是實數(shù)還是復(fù)數(shù)，或者說是依賴于參數(shù)R與L和C的相互關(guān)系這樣可以分為以下四種情況，響應(yīng)的零輸入響應(yīng)等也可分為以下四種類型</p><p>　?。?）,和是兩個不相等的負實數(shù)，暫態(tài)屬非振蕩類型，稱電路是過阻尼。此時電路的響應(yīng)為</p><p>　?。?）和是兩個相等的負實數(shù)，電路處在臨界阻尼，暫態(tài)是非振蕩的。此時的電路響應(yīng)為</p&g

37、t;<p>　?。?），和是一對共軛復(fù)數(shù)，暫態(tài)屬振蕩類型，稱電路是欠阻尼。此時的電路響應(yīng)為</p><p><b>　　其中衰減振蕩角頻率</b></p><p><b>　　， </b></p><p>　　4.2 課程設(shè)計與內(nèi)容</p><p>　　如圖所示的電路中，時，閉合開關(guān)S

38、,調(diào)節(jié)R使得電路在臨界阻尼、過阻尼、欠阻尼情況</p><p><b>　　解：（1）過阻尼</b></p><p>　　此時取時R=2000歐，L=10mH,C=1.0uF仿真下如圖4-3</p><p>　　圖4-3 過阻尼仿真電路圖</p><p>　　圖4-4 過阻尼狀態(tài)下的波形圖</p><

39、p><b>　?。?）臨界阻尼</b></p><p>　　此時取R=200歐，L=10mH,C=1.0uF，此時的電路如圖4-5，此時得到波形為圖4-6。</p><p>　　圖4-5臨界阻尼仿真電路圖</p><p>　　圖4-6 臨界阻尼狀態(tài)下的波形圖</p><p><b>　　（3）欠阻尼<

40、;/b></p><p>　　此時取R=20歐，L=10mH,C=1.0uF，此時的電路如圖4-7，此時得到波形如圖4-8。</p><p>　　圖4-7 欠阻尼仿真電路圖</p><p>　　圖4-8 欠阻尼狀態(tài)下的波形圖</p><p><b>　　4.3實例驗證：</b></p><p&g

41、t;　　例：電路如圖，t=0時打開開關(guān)。求Uc并畫出其變化曲線。</p><p><b>　　圖4-9 電路圖</b></p><p><b>　　解：</b></p><p><b>　　（1）</b></p><p>　　開關(guān)打開為RLC串聯(lián)電路，方程為</p>

42、<p><b>　　特征方程為</b></p><p><b>　　得</b></p><p><b>　　A=356，=</b></p><p>　　圖4-10 仿真的電路圖</p><p>　　經(jīng)過例題驗證，動態(tài)電路的情況分析與在仿真軟件的得到的結(jié)果相一致，通

43、過仿真及實例的驗證對二階電路的分析更加的明白透徹。</p><p><b>　　5驗證疊加定理</b></p><p>　　作為線性系統(tǒng)（包含線性電路）最基本的性質(zhì)——線性性質(zhì)，它包含可加性與其次性兩方面。疊加定理就是可加性的反應(yīng)，它是線性電路的一個重要定理。可加性的概念可以說貫穿于電路分析之中，并在疊加定理中得到直接應(yīng)用。</p><p>　

44、　現(xiàn)就一下題目對疊加定理進行驗證。</p><p>　　5.1習(xí)題4-4（b）</p><p><b>　　已知：；；；</b></p><p><b>　??； </b></p><p><b>　　圖5-1</b></p><p>　　由圖5-1可測得

45、原電路兩端電壓為1V。</p><p>　　運用疊加定理分別將、置零，得到圖5-2、圖5-3。</p><p><b>　　圖5-2 電路圖</b></p><p>　　將置零，仿真測得兩端電壓為-3V。</p><p>　　圖5-3 電路仿真圖</p><p>　　將置零，仿真測得兩端電壓為4V

46、。</p><p>　　將其疊加-3+4=1。經(jīng)驗證：疊加定理成立。</p><p><b>　　5.2 例題4-1</b></p><p><b>　??；；；</b></p><p><b>　　；</b></p><p><b>　　流經(jīng)電

47、阻的電流為；</b></p><p><b>　　電流源兩端電壓為.</b></p><p><b>　　由圖5-4</b></p><p>　　圖5-4 仿真電路圖</p><p>　　更改電路進行疊加定理驗證。</p><p>　　運用疊加定理分別將電壓源短路

48、、電流源斷路，得到圖5-5；圖5-6。</p><p>　　圖5-5 仿真電路圖</p><p>　　將電流源處斷路，仿真測得電流源兩端端口處電壓為-2V，=0.5A。</p><p>　　圖5-6 仿真電路圖</p><p>　　圖5-6 仿真電路圖</p><p>　　將電壓源處短路，仿真測得電流源兩端電壓為11

49、V，=0.25A。</p><p>　　將其疊加I：0.75A=0.25A+0.5A；U：9V=11V-2V。</p><p>　　經(jīng)驗證：疊加定理成立。</p><p>　　6學(xué)習(xí)Multisim心得</p><p><b>　　6.1多動手</b></p><p>　　在剛接觸這個軟件時，無論

50、是下載，安裝，還是使用都遇見了很多的麻煩困難。但是如果寄希望于被人的幫助，你會發(fā)現(xiàn)什么東西都做不了。所以，在做課程設(shè)計時總結(jié)出來要多動手，無論什么事只要肯動手都能達到預(yù)期的效果。 6.2善于利用的幫助 可以這么說，任何問題都可以在Multisim的幫助里找到解決的辦法。問題不論大小，都是由更小的問題組成，把大問題化為小問題，小函數(shù)，然后再到Multisim幫助里去找這種小問題，小函數(shù)的用法。說實話，Multisim里的函數(shù)太

51、多，我也經(jīng)常忘記一些用法，這時HELP就幫忙了。 6.3善于向別人學(xué)習(xí) 在你解決一個問題后，你可能會發(fā)現(xiàn)別人有更簡便的方法解決，更強的函數(shù)，就時就是你向別人學(xué)習(xí)的時候。說實話，我們組向大三大四的學(xué)長們學(xué)習(xí)借鑒不少。并且在網(wǎng)上尋找教程，尋找對我們的設(shè)計有幫助的文獻，可以幫助我們的團隊更好地，更高效的學(xué)習(xí)。 6.4時間積累 時間長了，積累多了，當然也就有進步了。呵呵，也許再過幾年，你會發(fā)現(xiàn)原來問題也不是以前想的那么難

52、。要注重時間的積累，注重經(jīng)驗的沉積。</p><p><b>　　6.5團隊合作</b></p><p>　　這次的課程設(shè)計我們組的成員在對待問題時都能積極的動腦，利用自己有限的資源去尋求幫助，在我們遇見困難時大家都積極的想對策，在一起商討一起修改。這次的課程設(shè)計我們組的每一位成員參與了各個環(huán)節(jié)，因此此課程設(shè)計時我們合作的結(jié)果。</p><p>

53、;　　通過本次Mulisim的課程設(shè)計，我對Mulisim基礎(chǔ)知識有了深刻了解，了解了Mulisim軟件在電路仿真中的使用。學(xué)會了用Mulisim解簡的仿真。通過本次課程設(shè)計我還認識到了堅持和認真的重要性，雖然在任務(wù)的完成過程中遇到了很多的難題，但通過努力查閱書本和網(wǎng)絡(luò)資料都一一解決了。本次課程設(shè)計是我受益良多，為我以后對Mulisim的熟練使用打下了良好的基礎(chǔ)。非常感謝學(xué)校安排這次課程設(shè)計。</p><p>&

54、lt;b>　　7參考書目</b></p><p>　　[1] 邱關(guān)源，羅先覺 . 《電路》第五版 . 高等教育出版社</p><p>　　[2] 王艷春 . 《電子技術(shù)實驗與Mulisim仿真》 . 合肥工業(yè)大學(xué)出版社</p><p>　　[3] 蔣卓勤 . 《Mulisim及其在電子設(shè)計中的應(yīng)用》 . 西安電子科技大學(xué)出版社 </p>