電子設(shè)計仿真與虛擬實驗

1、成都理工大學(xué)電子設(shè)計仿真與虛擬實驗課程設(shè)計題目名稱戴維寧定理和諾頓定理的驗證學(xué)院名稱所屬專業(yè)學(xué)生姓名 學(xué) 號班 級是否選課:郵箱：日期：設(shè)計的題目及其要求設(shè)計題目戴維寧定理和諾頓定理的驗證課程設(shè)計的目標(biāo)、基本要求及其功能設(shè)計能夠驗證戴維寧定理和諾頓定理的電路，并對其進行仿 真分析。對外部電路而言，任何一個線性有源二端網(wǎng)絡(luò)，都 可以用一個戴維寧等效電源和諾頓等效電源來代替。戴維寧 等效電源中的等效電源電壓Ues等于原有源二端網(wǎng)絡(luò)的開 路電壓Uoc，內(nèi)電阻Ro等于原有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓Uoc 與短路電流Isc之比，也等于將原有源二端網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部除源 (即將所有電壓源代之以短路，電流源代之以開路)后，

2、在 端口處得到的等效電阻。諾頓等效電源中的等效源電流Ies 等于原有源二端網(wǎng)絡(luò)的短路電流Isc之比，也等于將原有源 二端網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部除源后，在端口處得到的等效電阻。也就是說， 諾頓等效電源中的內(nèi)電阻與戴維寧等效電源中的內(nèi)電阻求 法相同，即內(nèi)電阻Ro等于原有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓Uoc 與短路電流Isc之比。通過對等效電源定理的應(yīng)用以達(dá)到簡 化電路的目的。設(shè)計要求的最終指標(biāo)利用戴維寧定理和諾頓定理等效電壓源定理和等效電 流源定理可以將一個復(fù)雜電路簡化成一個簡單電路，尤其是 只需要計算復(fù)雜電路中某一支路的電流或電壓時，應(yīng)用等效 電源定理比較方便，而待求支路可以是無源支路，也可以是有源支路。二、設(shè)計的基本

3、思路及其設(shè)計出發(fā)點本電路采用直流穩(wěn)壓電源，直流電流源，直流電壓表，百 流毫安表和萬用表。用電壓源和電流源以及4個電阻構(gòu)成有源 二端網(wǎng)絡(luò)，用萬用表直接測Ro,用滑動變阻器調(diào)節(jié)外部電路 電阻來驗證戴維寧定理和諾頓定理。戴維寧等效電源和諾頓等 效電源既然都可以用來等效代替同一個有源二端網(wǎng)絡(luò)，因而在 對外等效的條件下，相互之間可以等效替換。由上述兩定理可 矢口，等效變換的公式為Ies=Ues/Ro，變換時內(nèi)電阻Ro不變， Ies的方向應(yīng)由Ues的負(fù)極流向正極。三、方案原理論述下圖是由二端口網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的實驗電路圖（1）任何一個線性含源網(wǎng)絡(luò)，如果僅研究其中一條支路的電壓和電流則可將電路的其余部分看作是一個有

4、源二端網(wǎng)絡(luò)。戴維寧定理指出：任何一個線性有源二端口網(wǎng)絡(luò)，總可以用一個電壓源和一個串聯(lián)來等效代替，其電壓源的電動勢Us等于這個 有源二端口網(wǎng)絡(luò)飛開路電壓Uoc,其等效內(nèi)阻Ro等于該網(wǎng)絡(luò)中 所有獨立源均置零（理想電壓源視為短接，理想電流源視為開路） 時，的等效電阻。諾頓定理指出：任何一個線性有源網(wǎng)絡(luò)，總可以用一個電流源與 一個電阻的并聯(lián)組合來等效代替，此電流源的電流Is等于這個 有源二端網(wǎng)絡(luò)的短路電流Isc，其等效內(nèi)阻Ro定義同戴維南定 理。Uoc（Us）和Ro或者Isc（Is）和Ro稱為有源二端網(wǎng)絡(luò)的 等效參數(shù)。（2）有源二端網(wǎng)絡(luò)等效參數(shù)的測量方法開路電壓、短路電流法測Ro在有源二端網(wǎng)絡(luò)輸出端開

5、路時，用電壓表直接測其輸出端的 開路電壓Uoc，然后再將其輸出端短路，用電流表測其短路 電流Isc，則等效內(nèi)阻為Ro=Uoc/Isc。如果二端網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)阻 很小，若將其輸出端口短路則易損壞其內(nèi)部元件，因此不宜 用此法。用電壓表、電流表測出有源二端網(wǎng)Ro絡(luò)的外特性曲線，如右圖所示根。據(jù)外伏安法測Ro特性曲線求出斜率tgw，則內(nèi)阻U UocRo = tg0= IIsc也可以先測量開路電壓Uoc,再測量電流為額定值In時的 輸出端電壓值Un，則內(nèi)阻為Ro= (Uoc-Un) /In。半電壓法測Ro如右圖所示，當(dāng)負(fù)載電壓為被測網(wǎng)絡(luò) 開路電壓的一半時，負(fù)載電阻(由電 阻箱的讀數(shù)確定)即為被測有源二端!網(wǎng)絡(luò)

6、的等效內(nèi)阻值。_零示法測Uoc在測量具有高內(nèi)阻有源二端網(wǎng)絡(luò)的開 路電壓時，用電壓表直接測量會造成 較大的誤差。為了消除電壓表內(nèi)阻的影響，往往采用零示測量法，如右圖所示。零示法測量原理是用一低內(nèi)阻的穩(wěn)壓電源與被測有源二端 網(wǎng)絡(luò)進行比較，當(dāng)穩(wěn)壓電源的輸出電壓與有源二端網(wǎng)絡(luò)的 開路電壓相等時，電壓表的讀數(shù)將為“0”。然后將電路斷 開，測量此時穩(wěn)壓電源的輸出電壓，即為被測有源二端網(wǎng) 絡(luò)的開路電壓。四、仿真設(shè)計分析本次仿真過程采用MULTISIM7.0進行仿真分析，其中由于 在其元件庫中找不到直流穩(wěn)壓電源，所以采用了普通電壓源進行仿真分析，應(yīng)該對本次仿真分析影響不大。本次仿真分析進行了如下分析：直流工作

7、點分析、瞬態(tài)分析、直流掃描分析、參數(shù)掃描分析全部仿真分析情況如下：（1）百流工作點分析情況如下1圖所示（2）瞬態(tài)分析情況如下2圖所示（3）直流掃描分析如下3圖所示（4）參數(shù)掃描分析如下4圖所示通過對比我發(fā)現(xiàn)在負(fù)載R5為零的時候上述分析結(jié)果一致。qEEELft旦 Elgranl匪一皿一IE頂gl口回耕虱&國一國 SHS mwHS -辭1 opeTsB-g P2.HT用開路電壓、短路電流法測定戴維南等效電路的Uoc、Ro和諾 頓等效電路的Isc、Roo按下圖接入直流電源Us=12V和百流電 流源Is=10mA，不接入日5,即R5的阻值調(diào)到0%。測出Uoc和 Isc,并計算出Ro。負(fù)載實驗按上圖改變

8、R5阻值，測量有源二端網(wǎng)絡(luò)的外特性曲線。驗證戴維寧定理：從電阻箱上取得按步驟“1”所得的等效電阻 R0之值，然后令其與直流穩(wěn)壓電源（調(diào)到步驟“1”時所測得 的開路電壓Uoc之值）相串聯(lián)，如下圖所示，仿照步驟2”測 其外特性，對戴氏定理進行驗證。驗證諾頓定理：從電阻箱上取得按步驟“1”所得的等效電阻Ro之值，然后令其與百流恒流源（調(diào)到步驟“1”時 所測得的短路電流Isc之值）相并聯(lián)， 如右圖所示，仿照步驟“2 “測其外 特性，對諾頓定理進行驗證。（4）有源二端網(wǎng)絡(luò)等效電阻（又稱入端電阻）的直接測量法。將被 測有源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有獨立源置零（將電流源Is斷開，去掉電壓 源Us，并在原電壓源所接的兩點用

9、一根短路導(dǎo)線相連），然后 用伏安法或者直接用萬用表的歐姆檔去測定負(fù)載R5開路時A、 B兩點間的電阻，此即為被測網(wǎng)絡(luò)的等效內(nèi)阻Ro,或稱網(wǎng)絡(luò)的 入端電阻Rio五、本電路的實際應(yīng)用戴維寧定理只適用于線性網(wǎng)絡(luò)，不適用于非線性網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)只需求 解電路中一條支路（或某一部分電路），用戴維寧定理比較方 便。戴維寧定理的本質(zhì)是求解任一復(fù)雜含源一端口網(wǎng)絡(luò)等效電 路的方法。戴維寧定理和諾頓定理統(tǒng)稱等效電源定理，戴維寧 定理和諾頓定理的一個典型應(yīng)用就是尋找一個負(fù)載在什么情 況下可以從含源一端口網(wǎng)絡(luò)NS獲得最大功率以及求得最大功 率。戴維寧定理在電路分析中得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)只對電路中某 一條支路或幾條支路（記為NL）的

10、電壓電流感興趣時，可以將 電路分解為兩個單口網(wǎng)絡(luò)NL與N1的連接。用戴維寧等效電路 代替更復(fù)雜的含源單口 N1，不會影響單口 NL（不必是線性的或 電阻性的）中的電壓和電流。代替后的電路規(guī)模減小，使電路的分析和計算變得更加簡單。六、總結(jié)和設(shè)計心得體會完成本次電子仿真設(shè)計是對我電工學(xué)（少學(xué)時）所學(xué)第一章直流 電路第9節(jié)等效電源定理熟練程度的檢驗以及對multism仿真 軟件使用方法的實踐。通過此次設(shè)計我驗證了戴維寧定理和諾 頓定理的實用性，加深了我對戴維寧定理和諾頓定理的理解， 知道了有關(guān)有源二端口網(wǎng)絡(luò)等效電路參數(shù)的測量方法。此次電子仿真設(shè)計雖然只是簡單的驗證等效電源定理，電 路圖也不是自己設(shè)計

11、的而是參考書上的電路圖，但完成整個設(shè) 計對我而言難度依然很大。首先是如何設(shè)計電路圖來驗證戴維 寧定理和諾頓定理，這個難度不大，因為驗證的電路圖可以在 實驗指導(dǎo)書上找到。在找到電路圖后，就要考慮如何用唐老師 提供的multism7.0綠色漢化版把電路圖轉(zhuǎn)化到仿真軟件中。 由于起初運用電子仿真軟件不太熟練，在仿真軟件上還原電路 圖的時候，出了很多小錯誤，包括直流毫安表和直流電壓表在 仿真開關(guān)打開后的數(shù)值始終為零，在仔細(xì)核對電路圖后發(fā)現(xiàn)我 在連接上出現(xiàn)了錯誤，把這兩個表都連接在了接地線上，還有 就是在選擇Us=12V的穩(wěn)壓電壓源時，我在元器件里面只找到 了交流電壓源和普通的電壓源，在查看了穩(wěn)壓電壓源的相關(guān)概 念后還是不是很清楚，用萬用表分別查看了交流電壓源和普通 電壓源兩端的電壓后我發(fā)現(xiàn)普通電壓源兩端電壓滿足12V，而 交流電壓源只有8V，所以我選擇了普通的電壓源來提供整個 電路的電壓，最后就是我開始一直沒在菜單欄找到如何顯示節(jié) 點名，最后總算在鼠標(biāo)右鍵顯示里面找到顯示節(jié)點名了。通過設(shè)計這個電路，