北理工 電路仿真實驗

1、 本科實驗報告實驗名稱： 電路仿真實驗 課程名稱：電路仿真實驗實驗時間：任課教師：實驗地點：實驗教師：實驗類型：ü 原理驗證 綜合設計 自主創(chuàng)新學生姓名：學號/班級：組 號：學 院：信息與電子學院同組搭檔：專 業(yè)：成 績：實驗一 實驗1.疊加定理的驗證實驗步驟：（1）分別調出接地符、電阻R1、R2、R3、R4，直流電壓源、直流電流源，電流表電壓表。注意電流表和電壓表的參考方向）。 所有的電阻均設為1，直流電壓源V1為12V，直流電流源 I1為10A。（2）點擊運行按鈕記錄電壓表電流表的值U1和I1；（3）點擊停止按鈕記錄，將直流電壓源的電壓值設置為0V，再次點擊運行按鈕記錄電壓表電流

2、表的值U2和I2；（4）點擊停止按鈕記錄，將直流電壓源的電壓值設置為12V，將直流電流源的電流值設置為0A，再次點擊運行按鈕記錄電壓表電流表的值U3和I3；實驗結果：按順序分別為兩電源同時激勵，電流源單獨激勵，電壓源單獨激勵：分析：由線性電阻、線性受控源及獨立源組成的電路中，每一元件的電流或電壓可以看成是每一個獨立源單獨作用于電路時，在該元件上產(chǎn)生惡電流或電壓的代數(shù)和，這就是疊加原理。本次的電路仿真實驗充分驗證了疊加原理的正確性。如圖所示，第一幅圖片上的電壓表和電流表的數(shù)值分別等于二三幅圖片上電壓表和電流表的代數(shù)和。結果驗證：電流表：6.800A=2.000A+4.800A電壓表：-1.600

3、V=-4.000V+2.400V滿足理論分析的結果，驗證了疊加定理。實驗2.并聯(lián)諧振電路仿真實驗步驟：1.分別調出接地符、電阻R1、R2，電容C1，電感L1，信號源V1，按原理圖連接并修改按照例如修改電路的網(wǎng)絡標號。2.然后調整電路元件參數(shù)：電阻R1=10，電阻R2=2K，電感L1=2.5mH,電容C1=40uF。信號源V1設置為AC=5v，Voff=0，F(xiàn)reqence=500Hz。3.分析參數(shù)設置：AC分析：頻率范圍1HZ100MHZ，縱坐標為10倍頻程，掃描點數(shù)為10，觀察輸出節(jié)點為Vout響應。TRAN分析： 分析5個周期輸出節(jié)點為Vout的時域響應。實驗結果：按照順序分別為實驗原理圖

4、，AC分析圖像與瞬態(tài)分析圖像：分析：當C=1L時滿足諧振發(fā)生條件。則該RLC并聯(lián)諧振角頻率是=1LC ，同時可以算出諧振頻率為f=12LC。由RLC并聯(lián)諧振電路的特點可以知道在諧振時該電路呈電阻性，阻抗的模最大，導納的模最小。證明該電路在電壓一定時，諧振時該并聯(lián)部分中流過電容和電感的電流達到了最大值且并聯(lián)部分的電壓與外施電流同相。結果分析：此電路的諧振頻率f=12LC=503.29HZ500HZ，而且此電路電源的頻率也恰好為500HZ，所以可知此該電路處在諧振狀態(tài)下。由AC分析的兩張圖可知當頻率為500Hz時，電壓最大，且兩端的電壓與電流同相和預測結果符合的很好。再看由瞬態(tài)分析結果，也可以看出

5、當頻率為500Hz時，電路處于諧振狀態(tài)下。并且此時電壓值達到了5V，在有一個電阻串聯(lián)綜上所述，在誤差允許的范圍內，可以證明電路在此時刻發(fā)生了諧振。實驗3.含運算放大器的比例器仿真實驗步驟：1.分別調出電阻R1、R2，虛擬運算放大器OPAMP_3T_VIRTUA（在ANALOG庫中的ANALOG_VIRTUAL中，放置時注意同相和方向引腳的方向）。2.在軟件界面右側調用虛擬儀器函數(shù)發(fā)生器Function Generator與虛擬示波器Oscilloscope。然后設置電阻R1=1K，電阻R2=5K。3.函數(shù)發(fā)生器分別為正弦波信號、方波信號與三角波信號。頻率均為1khz，電壓值均為1。其中方波信號

6、和三角波信號占空比均為50%。實驗結果。所記錄數(shù)據(jù)在后文的分析中顯示。分析：此電路為一反相比例放大器電路，且反向比例放大器的輸入/輸出關系是VA=-R2R1VB=-5VB ,其中的VA為示波器A通道所測得的電壓，VB為示波器B通道所測得的電壓。當頻率發(fā)生器峰值設為1V時，因為信號輸出不經(jīng)過公共端，所以電壓幅值是設置值的2倍，峰-峰值是設置值的四倍。所以B通道的波形幅值應為2V。結果分析：（1）當輸入信號波形為正弦波時，使示波器兩光標處于A通道波形相鄰波峰上，此時兩光標在B通道波形上恰好處于兩相鄰波谷。暫停電路并記錄此時刻通道A和通道B的電壓值。現(xiàn)在有一組數(shù)據(jù)： Time Channel A C

7、hannel B 86.767ms 9.939V -1.988V 85.767ms 9.939V -1.988V由圖形及數(shù)據(jù)得，兩通道波形頻率相同但反相。A通道波形電壓幅值為B通道電壓幅值的9.939-1.988=-4.999497-5，在誤差允許的范圍內，滿足理論分析結果。（2）當輸入信號波形為三角波時，使示波器兩光標處于A通道波形相鄰波峰上，此時兩光標在B通道波形上恰好處于兩相鄰波谷。暫停電路并記錄此時刻通道A和通道B的電壓值?，F(xiàn)在有一組數(shù)據(jù)： Time Channel A Channel B 28.000ms 9.999V -2.000V 29.000ms 9.999V -2.000V由

8、圖形及數(shù)據(jù)得，兩通道波形頻率相同但反相。A通道波形電壓幅值為B通道電壓幅值的9.999-2.000=-4.9995-5，在誤差允許的范圍內，滿足理論分析結果。（3）當輸入信號波形為方波時，使示波器兩光標處于A通道波形相鄰波峰上，此時兩光標在B通道波形上恰好處于兩相鄰波谷。暫停電路并記錄此時刻通道A和通道B的電壓值。現(xiàn)在有一組數(shù)據(jù)： Time Channel A Channel B 10.496ms -10.000V 2.000V 9.492ms -10.000V 2.000V由圖形及數(shù)據(jù)得，兩通道波形頻率相同但反相。A通道波形電壓幅值為B通道電壓幅值的-10.0002.000=-5，仍然滿足理

9、論分析結果。實驗4.二階電路瞬態(tài)仿真實驗步驟：1. 調出一個電容初始電壓設置為5V。再調出一個電感，設置為1mH。2. 分析參數(shù)設置：打開參數(shù)掃描設置，掃描參數(shù)選擇器件參數(shù)，器件類型選擇Capacitor，名稱為C1，參數(shù)為capacitance，掃描變差類型選擇列表，值列表輸入：0.001, 0.0005,0.0001,0.00001,。待掃描的分析選擇瞬態(tài)分析，在編輯分析中初始條件選擇用戶自定義，結束時間輸入0.02s。為使仿真更加精確，調整最大時間步長由1e-005s1e-007s。輸出選擇V(out)。點擊仿真，查看結果并調出光標保存數(shù)據(jù)。3. 保存實驗結果并分析。實驗結果：瞬態(tài)分析圖

10、 參數(shù)掃描分析圖分析：首先進行理論計算：當C1=10F時，諧振頻率為：f=2=12LC1591.55HZ；當C1=100F時，諧振頻率為：f=2=12LC503.29HZ；當C1=500F時，諧振頻率為：f=2=12LC225.08HZ；當C1=1000F時，諧振頻率為：f=2=12LC159.16HZ。結果分析：當C1=10F時，使光標位于兩相鄰波峰處，得相鄰兩波峰之間的時間間隔為628.3s，由此可得諧振頻率為：f=1628.3s=1591.596HZ；當C1=100F時，使光標位于兩相鄰波峰處，得相鄰兩波峰之間的時間間隔為1.9869ms，由此可得諧振頻率為：f=11.9869ms=50

11、3.297HZ；當C1=500F時，使光標位于兩相鄰波峰處，得相鄰兩波峰之間的時間間隔為4.4429ms，由此可得諧振頻率為：f=14.4429ms=225.078HZ；當C1=1000F時，使光標位于兩相鄰波峰處，得相鄰兩波峰之間的時間間隔為6.2831ms，由此可得諧振頻率為：f=16.2831ms=159.157HZ；在誤差允許的范圍內，四種情況下均滿足理論分析結果。實驗二實驗1.戴維南等效定理的驗證實驗步驟：1. 分別調出接地符、電阻 R，直流電壓源電流表電壓表（注意電流表和電壓表的參考方向） ，調整元件以及電源的值，并按電路原理圖連接運行，記錄電壓表和電流表的值。 2. 將電壓源從電

12、路中移除，并使用虛擬一下數(shù)字萬用表測試電路阻抗并記錄。3. 將電阻RL從電路中移除，并使用電壓表測量開路電壓并記錄。4. 將電路按照戴維南等效電路連接，記錄電流表電壓表示數(shù)。實驗結果：測得電阻值為223理論分析：正如戴維南定理所述：含電源和線性電阻、受控源的單口網(wǎng)絡，不論其結構如何復雜，就其端口來說，可等效為一個電壓源串聯(lián)電阻支路。電壓源的電壓等于該網(wǎng)絡N的開路電壓uoc，串聯(lián)電阻R0等于該網(wǎng)絡中所有獨立源為零值時所得網(wǎng)絡N0的等效電阻Rab。該實驗中開路電壓uoc=4V，等效電阻Rab=223，由此我們可以得到該電路的戴維南等效電路圖如最后一幅所示，其端口設備的所有值均與之前相同。實驗結果分

13、析：戴維南等效電路端口端與原電路產(chǎn)生了同樣的響應，成功驗證了戴維南等效定理。實驗2.元件模型參數(shù)的并聯(lián)諧振電路實驗步驟：1、調出兩個電阻一個電感一個電容以及一個SIGNAL_VOLTAGE_SOURCE中的AC_VOLTAGE。設置兩電阻為10和2k，電容2.5mH。電壓源峰值5V，500Hz，交流分析量值為5V。2、分析參數(shù)設置：打開參數(shù)掃描設置，掃描參數(shù)選擇器件參數(shù)，器件類型選擇Capacitor，名稱為C1，參數(shù)為capacitance，掃描變差類型選擇列表，值列表輸入：4e-007,4e-006,4e-005,4e-004,。待掃描的分析選擇交流分析，掃描范圍 1Hz100MHz,橫坐

14、標掃描模式為 Decade, 每十倍頻程掃描點數(shù)分別為10、100、1000點。縱坐標為線性。實驗結果： 上圖只貼出當每十倍頻程掃描點數(shù)為1000點時的仿真圖像。當掃描點數(shù)為10和100點時圖像與1000點的圖像形狀大致一樣，但是掃描點數(shù)越大，圖像曲線越光滑。分析：此次并聯(lián)諧振實驗中所用到電容的電容值分別為4×10-7F、4×10-6F、4×10-5F和4×10-4F。根據(jù)諧振關系我們可以求得各個不同電容下的諧振頻率f=2=12LC，分別為5032.92HZ、1591.55HZ、503.29HZ和159.15HZ。由于我們掃描的是電容兩端的電壓值，所以在

15、圖上不會出現(xiàn)超高電流的情況，也就是說不論電容值為多少，諧振時只會出現(xiàn)電容兩端的電壓達到最大（即電源電壓值），因為此時電路的電流和電壓的相位差為零，電阻上的電壓值為可以達到電源電壓，從而使電容和電感兩端的電壓值也最大。實驗結果分析：當C=4×10-7F時，測得諧振頻率f=5035.061HZ;當C=4×10-6F時，測得諧振頻率f=1592.209HZ;當C=4×10-5F時，測得諧振頻率f=503.501HZ; 當C=4×10-4F時，測得諧振頻率f=159.221HZ; 以上的測量結果均表明在誤差允許的范圍內測量值與理論值吻合。AC分析、參數(shù)分析的特點

16、 ：交流分析是在正弦小信號工作條件下的一種頻域分析。它計算電路的幅頻特性和相頻特性，是一種線性分析方法。其是一種線性頻域分析。程序首先計算電路的直流工作點，以確定電路中非線性器件的線性化模型參數(shù)，然后在用戶指定的頻率范圍內，對此線性化電路進行頻率掃描分析，在進行交流頻率分析時，首先分析電路的直流工作點，并在直流工作點處對各個非線性元件做線性化處理，得到線性化的交流小信號等效電路，并用交流小信號等效電路計算電路輸出交流信號的變化。 參數(shù)掃描分析是在規(guī)定范圍內改變指定元器件參數(shù)，對電路的指定節(jié)點進行直流工作點分析，瞬態(tài)分析和交流頻率特性等分析。其能夠在一幅圖上顯示出不同的特性下

17、的曲線。實驗3.電路過渡過程的仿真分析實驗步驟：1、分別調出電阻 R、電感 L、電容 C、接地符和信號源 V1，其中，信號源是 Source 庫 SIGNAL_VOLTAGE_SOURCES 組中調用 PULSE_VOLTAGE，參數(shù)如下：InitialValue1V， PulsedValue0V，DelayTime0s，RiseTime0s，F(xiàn)allTime0s，Pulse Width 60s,Period 120s。（該電壓源用于產(chǎn)生方波信號）。電路其他元件調整為R1=5k，L1=1mH,C1=1nF。2、觀察電容上的電壓波形（使用瞬態(tài)分析，分析時間為600s）瞬態(tài)分析設置：初始條件選擇用

18、戶自定義，結束時間選擇0.0006s。3、通過計算的阻尼電阻，使用參數(shù)分析方法設置三個電阻值（分別對應過阻尼/欠阻尼/臨界阻 尼狀態(tài)），觀察出其它三種響應形式（過阻尼/欠阻尼/臨界阻尼)。參數(shù)分析設置：掃描參數(shù)選擇器件參數(shù)，器件類型選擇Resistor，選擇R1，參數(shù)選擇resistance，掃描變差類型選擇列表，值列表輸入1000,2000,5000,。待掃描的分析選擇瞬態(tài)分析，點擊編輯分析，將初始條件選為用戶自定義，結束時間選擇0.0006s。實驗結果：分析：（1）由臨界阻尼Rd=2LC可知，此電路的臨界阻尼為Rd=2000，當R1=5k時電路為過阻尼情況。（2）當電阻阻值分別為1000、2000和5000時，電路對應的響應分別為欠阻尼，臨界阻尼和過阻尼響應情況。結果分析： 瞬態(tài)分析圖像是過阻尼時刻的響應圖像。參數(shù)掃描分析中的紅、綠、藍分別對應這三種相應的圖像。均與理論分析預測相符。且從圖中可以看出，在欠阻尼情況時電路會有一個“上沖”的過程，在臨界阻尼時電路達到穩(wěn)態(tài)值的速度是最快的。之所以得到的圖像不同，原因是不同的阻值對應了不同的電路情況，當阻值越來越大時，電路的能量損耗很快，導致震蕩曲線無法形成，而是直接緩緩趨近于穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)分析和參數(shù)掃描分析的特點：（1）瞬態(tài)分析是一種非線