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。