复杂直流电路与电路暂态的仿真分析.docx
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复杂直流电路与电路暂态的仿真分析
武汉大学计算机学院教学实验报告
课程名称
电路与电子技术实验
成绩
教师签名
实验名称
复杂直流电路与电路暂态的仿真分析
实验序号
2
实验日期
2012.11.25
姓名
学号
专业
年级-班
一年级一班
1、实验目的及实验内容
（本次实验所涉及并要求掌握的知识；实验内容；必要的原理分析）
小题分：
实验目的：
1.熟悉基本定理、定律；
2.掌握电压法和电流法；
3.了解电阻的Y/△等效变换，电源的Y/U等效变换。
实验内容：
1.测量复杂直流电路中各元件上的电压；
2.测量复杂直流电路中各元件上的电流；
3.测量复杂直流电路中各电源单独作用下各元件的电压与电流；
4.测量复杂直流电路的等效电阻；
5.测量复杂直流电路的等效电源；
6.测量复杂直流电路的节点电压；
7.测量复杂直流电路的支路电流；
8.测量RC电路的电压波形；
9.测量RL电路的电压波形。
原理分析：
1.基尔霍夫电流定律：
在任一瞬时，流向某一结点的电流之和恒等于由该结点流出的电流之和；
2.基尔霍夫电压定律：
在任一瞬间，沿电路中的任一回路绕行一周，在该回路上电动势之和恒等于各电阻上的电压降之和；
3.叠加原理：
在线性电路中，有多个电源同时作用时，任一支路的电流或电压都是电路中每个独立电源单独作用时在该支路中所产生的电流或电压的代数和；
4.戴维宁定理：
任何一个线性有源二端网络，总可以用一个理想电压源和一个等效电阻串联来代替；
5.等效电阻：
几个连接起来的电阻所起的作用，可以用一个电阻来代替，这个电阻就是那些电阻的等效电阻；
6.RC电路动态响应：
开关闭合、断开，电容会相应充电、放电；
7.RL电路动态响应：
开关闭合、断开，电感会储藏、释放电磁能。
2、实验环境及实验步骤
（本次实验所使用的器件、仪器设备等的情况；具体的实验步骤）
小题分：
实验环境：
1.实验平台：
Multisim；
2.虚拟仪器：
万用表、示波器、信号源等；
3.虚拟器件：
电源、电阻、电容、电感、开关等。
实验步骤：
一、基尔霍夫电压定律
1.画好电路图；
2.取E1=12V、E2=10V、R1=1kΩ、R2=2kΩ、R3分别取1、2、3、4、5kΩ；
3.按电路图连接完毕；
4.更换R3阻值，分别测量R1、R2、E1、E2两端电压；
5.记录数据；
6.分析数据，计算UE1—UR1—UR2—UE2是否等于零。
2、基尔霍夫电流定律
1.画好电路图；
2.取E1=12V、E2=10V、R1=1kΩ、R2=2kΩ、R3分别取1、2、3、4、5kΩ；
3.按电路图连接完毕；
4.更换R3阻值，分别测量通过R1、R2、R3的电流；
5.记录数据；
6.分析数据，计算IR2+IR3=IR1是否成立。
3、电源叠加原理
1.画好电路图；
2.取E1=12V、E2=10V、R1=1kΩ、R2=2kΩ、R3分别取1、2、3、4、5kΩ；
3.按电路图连接完毕；
4.先使E1单独作用，更换R3阻值，测量R3两端电压UE1及通过它的电流IE1；
5.再使E2单独作用，更换R3阻值，测量R3两端电压及UE2通过它的电流IE2；
6.让E1、E2同时作用，更换R3阻值，测量R3两端电压UR3及通过它的电流IR3；
7.记录数据；
8.分析数据，计算UE1+UE2=UR3、IE1+IE2=IR3是否成立。
四、等效电阻
1.画好电路图；
2.取E1=12V，E2=10V，R1=R5=0.5Ω，R2=1kΩ，R4=2kΩ，R3分别取1、2、3、4、5kΩ，R6=2、3、4、5、6kΩ，R7=3、4、5、6、7kΩ；
3.按电路图连接完毕，计算等效阻值RL的值；
4.测原电路电压与等效电阻两端电压作对比。
五、等效电源
1.画好电路图；
2.根据要求屈指相应数值的元件，连接元件；
3.计算等效电阻；
4.测量等效电阻出断路电压、短路电流；
5.根据所测数据计算等效电源内阻。
六、RC直流电路暂态分析
1.画好电路图；
2.选取所需元件连接电路图；
3.测量电容C两端电压在开关闭合、断开瞬间的变化；
4.在示波器中观察该变化。
七、RL直流电路暂态分析
1.画好电路图；
2.选取所需元件连接电路图；
3.测量电感L两端电压在开关闭合、断开瞬间的变化；
4.在示波器中观察该变化。
3、实验过程分析
（详细记录实验过程中发生的故障和问题，进行故障分析，说明故障排除的过程及方法。
根据具体实验，记录、整理相应的数据表格、绘制曲线、波形等）
小题分：
测量复杂直流电路中各元件上的电压（验证KVL）
R3（kΩ）
1
2
3
4
5
UR1（V）
5.2
3.5
2.727
2.286
2
UR2（V）
—3.2
—1.5
—0.727
—0.286
0
UE1（V）
12
12
12
12
12
UE2（V）
10
10
10
10
10
根据数据，有无论R3取何值，都有UE1—UR1—UR2—UE2=0.
测量复杂直流电路中各元件上的电流（KCL）
R3（kΩ）
1
2
3
4
5
IR3（mA）
6.801
4.249
3.091
2.428
2
IR1（mA）
5.2
3.499
2.727
2.286
2
IR2（mA）
—1.6
—0.751
—0.364
—0.140
0
根据数据，有无论R3取何值，都有IR2+IR3=IR1。
复杂直流电路中各电源E1单独作用下各元件的电压与电流
R3（kΩ）
1
2
3
4
5
UE1（V）
4.8
6
6.545
6.858
7.059
IE1（mA）
4.8
3
2.182
1.714
1.412
复杂直流电路中各电源E2单独作用下各元件的电压与电流
R3（kΩ）
1
2
3
4
5
UE2（V）
2
2.5
2.727
2.857
2.941
IE2（mA）
2
1.25
0.909
0.714
0.588
复杂直流电路中各电源E1和E2一同作用下各元件的电压与电流
R3（kΩ）
1
2
3
4
5
URL（V）
6.8
8.501
9.273
9.715
10
IRL（mA）
6.8
4.249
3.091
2.428
2
分析数据得，不论R3为何值，都有UE1+UE2=UR3、IE1+IE2=IR3。
戴维宁定理的验证
R3开路电压UR3（V）
11.333
R3短路电流IR3（mA）
17
所以，等效电源电动势为U0=11.333V
等效电阻R0=U0/IR3=666.65Ω
复杂直流电路中的等效电阻
R3（kΩ）
1
2
3
4
5
R6（kΩ）
2
3
4
5
6
R7（kΩ）
3
4
5
6
7
RL（kΩ）
2.2
3.714
5.222
6.727
8.230
URL（V）
8.696
9.608
10.094
10.31
10.484
IRL（mA）
3.954
2.586
1.924
1.533
1.274
U'RL（V）
8.696
9.608
10.094
10.31
10.484
I'RL（mA）
3.954
2.588
1.924
1.533
1.274
复杂直流电路中的等效电源
R3（kΩ）
1
2
3
4
5
R6（kΩ）
2
3
4
5
6
R7（kΩ）
3
4
5
6
7
E1（V）
-12
-6
0
6
12
E2（V）
0
2
4
6
12
RL（kΩ）
2.2
3.714
5.222
6.727
8.230
IRL（mA）
-2.791
-0.761
0.226
0.812
1.348
I'RL（mA）
-2.791
-0.761
0.226
0.812
1.348
RC动态电路
RL动态电路
4、实验结果总结
（对实验结果进行分析，完成思考题目，总结实验的新的体会，并提出实验的改进意见）
小题分：
实验总结：
1.成功验证了基尔霍夫定律、戴维宁定理、电源叠加原理；
2.验证了等效电阻在电路中的作用与原电阻相同；
3.成功观察了RC电路充放电、RL电路储能释能。
体会与改进：
1.关于RC、RL动态电路观察可以考虑用方波信号代替直流电源，这样就可以自动模拟开关的闭合与断开；
2.为了更好观察电容充放电现象，可以增大电容值。
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