完整word版multisim 电路仿真 课程设计.docx

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完整word版multisim电路仿真课程设计

4.1仿真设计

1、用网孔法和节点法求解电路。

如图4.1-1所示电路：

（a）用网孔电流法计算电压u的理论值。

（b）利用multisim进行电路仿真，用虚拟仪表验证计算结果。

（c）用节点电位法计算电流i的理论值。

（d）用虚拟仪表验证计算结果。

解：

电路图：

（a）

i1=2解得i1=2

5i2-31-i3=2i2＝1

i3=-3i3=-3u=2v

（b）如图所示：

（c）列出方程

4/3U1-U2=2解得U1＝3vU2=2v

2U1-U2=2i=1A

结果：

计算结果与电路仿真结果一致。

结论分析：

理论值与仿真软件的结果一致。

2、叠加定理和齐次定理的验证。

如图4.1-2所示电路：

（a）使用叠加定理求解电压u的理论值；

（b）利用multisim进行电路仿真，验证叠加定理。

（c）如果电路中的电压源扩大为原来的3倍，电流源扩大为原来的2倍，使用齐次定理，计算此时的电压u；

（d）利用multisim对（c）进行电路仿真，验证齐次定理。

电路图：

（a）

I1=2

7I2-2I1-I3=0

3I3-I2-2I4=0解得U1=7（V）

I4=-3U1

U1=2（I1-I2）

如图所示电压源单独作用时根据网孔法列方程得：

3I1-2I2-I3=4

I2=-3U2

7I3-I1=0解得U2=9（V）

U2=4-2I3

所以U=U1+U2=16（V）

（b）如图所示。

（c）根据齐次定理，U=2U1+3U2=14+27=41v

（d）

结果：

理论值与仿真电路计算的值一样。

结论分析：

齐次定理和叠加定理成立。

三、替代定理的验证。

（a）求R上的电压u和电流I的理论值；

（b）利用multisim进行电路仿真，分别用相应的电压源u和电流源I替代电阻R，分别测量替代前后支路1的电流i1和支路的电压u2，验证替代定理。

电路图：

（a）如图3-1所示根据网孔法列方程得：

4I1-2I2-I3=2

5I2-2I1=-6

3I3-I1=6

解得：

I1=0.588（A）

I2=-0.977（A）

I3=2.186（A）

I=I3=2.186（A）

U=2I=4.372（V）

U2=-3I2=2.931（V）

（b）分别用电压源和电流源代替。

结果：

替代前后，电路的各个数值没变。

结论分析：

替代前后结果一致，替代定理成立。

四、测图4.1-4电路中N1N2的戴维南等效电路图的参数，并根据测得参数搭建其等效电路；分别测量等效前后外部电流I，并验证是否一致。

电路图：

戴维南等效后

结果：

等效前后，外电路的电流不变。

结论分析：

戴维南等效，等效前后，外电路不变。

五、设计一阶动态电路，验证零输入响应和零状态响应齐次性。

如下图所示电路，t<0时，S位于“1”，电路以达稳态。

今于t=0时刻S由“1”闭合至“2”。

（a）计算t>0时的电压U1x（t）,U1f（t）理论值，并合理搭建求解时所需仿真电路图。

（b）若Us改为16V，重新计算U1x（t）理论值。

并用示波器观察波形。

找出此时U1x（t）与（a）中U1x（t）的关系。

（c）Us仍为8V，Is改为2A，重新计算U1f（t）理论值。

并用示波器观察波形。

找出此时U1f（t）与（a）中U1f（t）的关系。

（d）若Us改为24V，Is改为8A，计算U1（t）全响应。

电路图：

当t=0-时

零输入响应（ｔ０＋）

戴维南等效电阻

（a）、①计算过程：

当t>0零输入时刻电容相当于一个电压源，在t<0时,Uc（0-）=-4v;所以Uc（0+）=-4v;

此时当开关位于2时，电流源开路，此时由换路定理有Uc（0-）=Uc（0+）

U1x（0+）=Uc（0+）/（3//6+2）;∞

从而解得U1x（0+）=-2v;

当电路达到稳态时，电容放电完毕，此时U1x（∞）=0v;

所以零输入时刻为U1x（t）=-2e-250t;（t>=0）

②当t>0时，零状态时刻电容相当短路，此时有

U1f（0+）=Is*【（2//6）/（3//6//2）】;

解得U1f（0+）=4v;

当电路达到稳态时，电容相当于开路此时有U1*（1/3+1/6）=4;

解得U1f（∞）=8v;

所以电路的零状态响应为U1f（t）=8-4e-250t;（t>=0）

（b）、若Us改为16v，重新计算U1x（t）理论值。

并观察示波器的波形，找出此时U1x（t）与（a）中

U1x（t）的关系。

解：

当Us=16v,所得Uc（0+）=-8v;

根据齐次定理解得U1x（0+）=-4v;

当电路达到稳态时Uc（∞）=0v;

所以当Us改为16v时U1x（t）=-4e-250t;（t>=0）

（c）Us仍为8V，Is改为2A,重新计算U1f（t）理论值。

并用示波器观察波形。

找出此时u1f（t）

的关系；

解：

当电流源改为2A时，此时有

U1f（0+）=Is*【（2//6）/（3//6//2）】;

解得U1f（0+）=2v;

当电路达到稳态时此时有U1f（∞）*（1/3+1/6）=2;

解得U1f（∞）=4v;

综上所述可得到U1f（t）=4-2e-250t;（t>=0）

（d）、若Us改为24v,Is改为8A,计算U1（t）全响应。

解：

因为满足齐次性，所以得到U1x（t）=-6e-250t;（t>=0）

U1f（x）=16-8e-250t;（t>=0）

根据戴维南等效的Req=4;所以t=Rc=0.004;

带入三要素公式得到U1（t）=16-14e-250t;（t>=0）

结果：

满足零输入响应和零状态响应的齐次性；

结论分析：

零输入响应和零状态响应的齐次性成立。

六、计算从下图a,b端看入的戴维南等效电路理论值，搭建仿真电路，测量验证理论值是否正确。

电路图：

戴维南等效后，电路如图：

计算：

Roc=（R1//R5+R2）//R4=10Ω

由节点法（1/20+1/20+1/10）U1-（1/10）Uoc=50/20;

-（1/10）U1+（1/10+1/20）Uoc=50/20

解得Uoc=37.5V;

结果：

戴维南等效前后，电阻的电压不变。

结论分析：

戴维南等效后，电路与原电路等效。

七、如图所示电路，设毫安表内阻为零，已知各毫安表计读数依次为40mA、80mA、50mA，求总电流I。

仿真电路值计算（所用值都为有效值）：

R1=U/i1=10/0.04=250Ω;

L=U/ωi2=10/（50*0.08）=0.398；C=i3/Uω=0,05/（10*50）=15.9uF

理论值计算：

I=0.04+0.08∠900+0.05∠-900=0.04+0.03j

最终I的有效值为：

I=50mA

结论分析：

在正弦稳态激励下基尔霍夫电流定律仍然成立。

八、如下图所示一阶动态电路，在t<0时开关位于“1”，电路已达到稳态。

t=0时开关闭合到“2”。

（a）用三要素法求解t>=0时，I1的完全响应的理论值。

（b）用实验仿真的方法求出三要素，从而求解I1的完全响应，并用示波器显示相应的波形。

电路图：

（ａ）、设路端电压为Uoc,则Uoc=-2i3+6i1;3i2=-6i1;i2=i1+i3；

解得Req=Uoc/-i3=5欧姆；于是t=Req*C=0.1*5=0.5;

所以i1的完全响应为i（t）=2/3（1-e-2t）;（t>=0）

（b）波形

结果：

仿真结果和计算结果相符

结论分析：

三要素法适用于解决直流电源作用下的一阶电路响应。

九、设计积分电路，要求合理设置元件参数，使输入占空比为50％的方波时，稳态输出为三角波，观察电路工作过程。

电路图：

结论分析：

由于电容对电流有记忆作用，电容两端的电压就等于电流对时间的积分，当输入占空比为％５0的电流方波时，积分就会出现如图所示的电压波形。

综合设计

设计1：

设计二极管整流电路。

条件：

输入正弦电压，有效值220v，频率50Hz；

要求：

输出直流电压20

电路图：

结论分析：

根据二极管的单向导通原理，当电路按照如图所示输入时，经二极管的整流作用后，１00Ω电阻上端总是为正极，下端为负极，且输出电压值恒定，即达到了输出直流电压的目的。

设计2：

设计风扇无损调速器。

条件：

风扇转速与风扇电机的端电压成正比；风扇电机的电感线圈的内阻为200欧姆，线圈的电感系数为500mH。

风扇工作电源为市电，即有效值220V，频率50Hz的交流电。

要求：

无损调速器，将风扇转速由最高至停止分为4档，即0，1，2，3档，其中0档停止，3档最高。

电路图：

结论分析：

当开关（从左向右）依次置于图示位置时，电扇上的电压依次增大，即从左向右为0，1，2，3档，从而实现了调节风扇风俗的作用。

设计3：

设计1阶RC滤波器。

条件：

一数字电路的工作时钟为5MHz，工作电压5V。

但是该数字电路的+5v电源上存在一个100MHz的高频干扰。

要求：

设计一个简单的RC电路，将高频干扰滤除。

电路图：

结论分析：

电容有通高频的作用，当电路中有高频干扰时，可在电路中接近电源的地方加一小电容，即可将高频干扰滤过，得到我们想要的工作电压。

设计10、设计一个指示灯变换电路，要求输入信号源为占空比为25%，直流偏置为零的矩形波，使得两个指示灯按照20Hz的频率等时间交替变换。

（要求：

设计报告中必须包含电路图，输入信号波形，两个指示灯端电压波形，以及理论分析过程）

输入信号波形：

设计12、已知运算放大器的理想模型，要求分别利用理想模型，和实际运放为核心，设计简单外围电路，实现电压放大功能，电压放大比Uo/Ui=10。

电路图：

结论分析：

如图所示，当在电路中接入一受控源时即可实现电压的放大功能。