电路仿真性实训.docx

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电路仿真性实训

4.3.6一阶电路的仿真实验研究

1.实验目的

1）加深对一阶电路动态响应过程的理解。

2）理解一阶电路零输入响应和零状态响应的过程。

3）掌握一阶电路的仿真实验研究方法。

2.实验原理

1）零输入响应

电路中的激励为零，仅由储能元件的初始状态引起的响应称为零输入响应。

2）状态响应

储能元件的初始能量为零，仅由外加激励引起的响应称为零状态响应

3）全响应

由电路的非零初始状态和外加激励共同作用下的响应称为全响应。

3.实验指导

1）打开Multisim工作界面，零输入响应、零状态响应、全响应仿真电路。

2）从基本元件库中选取电阻电容、和电感元件并设定参数，从仪表库中选取函数信号发生器和双踪示波器。

3）进行一阶电路的仿真实验研究，观察其响应的过渡过程波形。

4.实验内容与步骤

1）一阶RC电路

（1）在电子仿真软件Multisim10基本界面的电子平台山建立如图1所示的仿真电路。

其中，虚拟信号发生器和示波器从基本界面的虚拟仪器工具条中调出。

（2）双击虚拟函数信号发生器图标，在弹出的放大面板上，先双击“方波”信号，再将频率栏设置成“1kHz”，然后将幅值设置成“2Vp”，如图2所示，关闭函数信号发生器放大面板窗口。

图1一阶RC电路仿真图图2设置函数信号发生器图

（3）开启仿真开关，双击虚拟示波器图标“XSC1”，将弹出放大面板，如图3所示，放大面板各栏数据参照图中设置。

这时便可看到一阶电路的电容的零状态响应充、放电波形。

图3示波器放大面板

（4）对应方波信号的上升沿，电容初始状态（储能）为零，由方波信号激励电容开始按指数规律

充电，式中，

（图3中下面信号幅值为4V）为电容达到稳态时的电压、

，是电容的充电时间常数。

将示波器屏幕下方“Timebase”框下“Scale”栏的数据设置成“

”，根据电容充电到稳态值电压的63％左右时所对应的时间就是一阶电路的电容充电时间常数

的定义，

，拉出屏幕上的两条读数指针到图4位置，从屏幕下方“T2－T1”栏数据可以看到：

，这与计算结果

基本相当。

（5）根据电容放电到零状态电压的37％左右时所对应的电容放电时间常数

的定义，参照上述方法求出

的值，并在屏幕上调出相应的波形和读数指针位置并通过读数指针读出

，与计算值进行比较。

（6）将函数信号发生器改成频率为10kHz、幅值仍为2V，的方波信号，电阻换成10kΩ，电容换成1nF，重做上述实验，并做好计算和记录。

2）微分电路

（1）在电子仿真软件Multisim10基本界面的电子平台上建立如图4所示的微分电路。

（2）双击虚拟函数信号发生器图标，将其设置成10kHz、3V的方波信号，关闭函数信号发生器的放大面板窗口。

（3）开启仿真开关，双击虚拟示波器图标，从虚拟示波器放大面板的屏幕上可以看到微分波形，如图5所示，放大面板各栏参数设置成如图5所示。

图4电容的充电时间常数

图5微分仿真电路

（4）微分仿真电路参数选择是否符合

（T为方波脉冲信号的周期）？

（5）根据公式

，请在选取元件参数和激励信号频率，设计组成一个另一个微分仿真电路来进行仿真验证，并做好计算和记录。

图5微分电路仿真波形

3）积分电路

（1）在电子仿真软件Multisim10基本界面的电子平台上建立如图6所示的积分仿真电路。

（2）虚拟函数信号发生器设者与微分仿真电路相同，开启仿真开关，双击虚拟示波器图标，从虚拟示波器放大面板上的屏幕上可以看到积分电路波形，如图7所示，放大面板参数设置如图7所示。

图6积分仿真电路

（3）积分仿真电路参数选择是否符合

（T为方波脉冲信号的周期）？

（4）根据以上条件，请再选择元件参数和激励信号的频率，设计组成一个另一个微分仿真电路来进行仿真验证，并做好计算和记录。

图7积分电路仿真波形

5.实验研究

1）改变实验电路中元器件的参数，并进行测量验证。

2）改变实验电路中电源的个数或性质，并进行测量验证。

3）独立设计一个实验电路，验证叠加定理。

6.实验报告

实验报告的主要内容包括：

1）实验目的、基本原理、电路图、元器件和所需仪表等。

2）实验内容与操作步骤。

3）参数测量和数据分析。

4）实验研究结果。

5）实验总结。

4.3.7二阶电路的仿真实验研究

1.实验目的

1）加深对二阶电路的理解。

2）了解RLC串联电路欠阻尼、临界阻尼和过阻尼三种工作状态。

3）掌握二阶电路的仿真实验研究方法。

2.实验原理

对于二阶RLC串联电路，无论是零输入响应、零状态响应还是全响应，电路动态过程的性质完全由特征方程

的特征根

来决定，式中：

。

1）如果

，则

为一对共轭复根，电路动态过程的性质为欠阻尼振荡过程。

2）

，则

为两个相等的负实根，电路动态过程的性质为临界阻尼振荡过程。

3）

，则

为两个不相等的负实根，电路动态过程的性质为过阻尼振荡过程。

改变电路参数R、L、C，均可使电路发生上述三种不同性质的过程。

3.实验指导

1）打开Multisim工作界面，创建KCL和KVL测试电路。

2）从基本元件库中选取电阻、电容和电感，从仪表库中选取双踪示波器。

3）进行二阶电路的仿真实验研究，观察三种状态的过渡过程。

4.实验内容与步骤

1）欠阻尼仿真实验

欠阻尼仿真实验电路如图1所示，电路参数：

R1=100Ω，L1=100mH，C1=100nF，函数信号发生器输出电压幅值为4V/50Hz方波信号。

当开关S1闭合时，在示波器上可以看到欠阻尼电压波形，如图2所示。

2）临界阻尼仿真实验

临界阻尼仿真实验电路如图1所示，电路参数改为：

R1=2kΩ，L1=100mH，C1=100nF，函数信号发生器输出电压幅值为4V/50Hz方波信号。

当开关S1闭合时，在示波器上可以看到欠阻尼电压波形，如图3所示。

3）过阻尼仿真实验

过阻尼仿真实验电路如图1所示。

电路参数改为：

R1=2.1kΩ，L1=100mH，C1=100nF，。

函数信号发生器输出电压幅值为4V/50Hz方波信号。

当开关S1闭合时，在示波器上可以看到过阻尼电压波形，如图4所示。

图1RLC串联电路（欠阻尼情况）

图2RLC串联电路的欠阻尼波形

5.实验研究

1）对于RLC串联电路三种情况下的响应曲线进行分析比较。

2）改变实验电路中电源的性质，并进行测量验证。

3）独立设计一个RLC串联电路全响应的仿真实验电路，并观察其响应波形。

6.实验报告

实验报告的主要内容包括：

1）实验目的、基本原理、电路图、元器件和所需仪表等。

2）实验内容与操作步骤。

3）参数测量和数据分析。

4）实验研究结果。

5）实验总结。

图3RLC串联电路的临界阻尼波形

图4RLC串联电路的过阻尼波形

4.3.9RLC串联谐振电路的仿真实验研究

1.实验目的

1）加深对RLC串联谐振电路的理解。

2）掌握RLC串联谐振电路的仿真实验研究方法。

2.实验原理

在RLC串联电路中，当交流电源的频率

发生变化时，电路中的感抗和容抗也相应的随之发生变化，因此电路中的电流也随着频率

的变化而变化，当电流I和电源电压US同相位时，称之为电路发生了谐振，由于电路为RLC串联电路，所以称之为RLC串联谐振。

谐振时的频率用

来表示，且

。

电路发生谐振时，感抗和容抗相等，即：

，电路表现为纯电阻性，且阻抗模最小，电流最大，激励全部加在电阻上，电阻上的电压达到最大值，即激励源电压。

使电路发生谐振的方法：

1）改变激励源的频率

。

2）调节电路参数L或C。

3.实验指导

1）打开Multisim工作界面，创建RLC串联谐振电路。

2）从基本元件库中选取电阻、电感和电容，从电源库中选取交流电压源，从指示器库中选用电压表和电流表，从仪表库中选取双踪示波器和波特图仪。

3）进行RLC串联谐振电路仿真实验，并观察幅频特性和相频特性曲线的波形。

4.实验内容与步骤

1）用示波器和波特图仪测试

创建RLC仿真电路如图1所示。

电路参数：

交流电源V1=2V/1kHz，电阻R1=300Ω，电感L1=100mH，电容C1=253.3nF，其中，电压表和电流表的作用为测量谐振时的电压和电流，双踪示波器用来观察电路的电压和电流的相位波形，波特图仪用来观察电路的幅频和相频特性曲线。

图1所示电路中的参数正好使得电路发生串联谐振，这时电路呈纯电阻性，外加电压全部加在了电阻的两端，从图1中电压表上可以清楚地看到，其有效值为2V，而且电压源的电压与电路中的电流同相位，其波形图如图2所示。

幅频特性曲线如图3所示，参数均按照面板给出的数值进行设置。

相频特性曲线如图4所示，参数均按照面板给出的数值进行设置。

需要注意的问题：

观测幅频特性和相频特性曲线要使用波特图仪，方法是：

打开波特图仪面板，运行仿真开关，测试幅频特性，需单击“Magnitude”按钮，测试相频特性，需单击“Phase”按钮，其中放大面板里都有相应的具体设置。

图1RLC串联谐振仿真电路

图2RLC串联谐振电路的电压、电流波形

2）AC分析法

仿真测试电路如图5所示。

电路参数：

交流电源V1=2V/1kHz，电阻R1=300Ω，电感L1=100mH，电容C1=253.3nF。

操作步骤

（1）单击“Option/SheetProperties”命令，打开“SheetProperties”对话框，在“Circuit”选项卡中，选中“NetNames”中的“ShowAll”项，电路自动生产结点并显示在电路图上。

（2）启动“Simulate/Analyses”下的“ACAnalyses”命令，在“ACAnalyses”对话框中设定“VERTICALScale”为“Liner”，“OutVariables”为结点3。

然后单击“ACAnalyses”对话框上的“Simulate”按钮，就会出现一个仿真窗口，如图6所示。

其中显示了幅频特性和相频特性曲线。

图3RLC串联谐振电路的幅频特性曲线

图4RLC串联谐振电路的相频特性曲线

图5RLC串联谐振仿真电路（AC分析）

5.实验研究

1）改变实验电路中元器件的参数，并进行测量验证。

2）如何判断RLC串联电路处于谐振状态。

3）如何能够使得RLC电路发生串联谐振。

6.实验报告

实验报告的主要内容包括：

1）实验目的、基本原理、电路图、元器件和所需仪表等。

2）实验内容与操作步骤。

3）参数测量和数据分析。

4）实验研究结果。

5）实验总结。