北京理工大學(xué)電路仿真實驗報告

1、 6/6北京理工大學(xué)電路仿真實驗報告 實驗1疊加定理的驗證 實驗原理： 實驗步驟： 1.原理圖編輯: 分別調(diào)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，并按上圖連接； 2.設(shè)置電路參數(shù)： 電阻R1=R2=R3=R4=1，直流電壓源V1為12V，直流電流源I1為10A。 3實驗步驟： 1）點擊運行按鈕記錄電壓表電流表的值U1和I1； 2）點擊停止按鈕記錄，將直流電壓源的電壓值設(shè)置為0V，再次點擊運行按鈕記錄電壓表電流表的值U2和I2； 3）點擊停止按鈕記錄，將直流電壓源的電壓值設(shè)置為12V，將直流電流源的電流值設(shè)置為0A，再次點擊運行按鈕記錄電壓表電流表的值U3和

2、I3； 原理分析： 以電流表示數(shù)i為例： 設(shè)響應(yīng)i對激勵Us、Is的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)為H1、H2，則i=H1*Us+H2*Is 由上式可知，由兩個激勵產(chǎn)生的響應(yīng)為每一個激勵單獨作用時產(chǎn)生的響應(yīng)之和。 則有，I1=I2+I3（1）;同理，U1=U2+U3（2）. 經(jīng)檢驗，6.800=2.000+4.800，-1.600=-4.000+2.400，符合式（1）、（2），即疊加原理成立。 實驗2并聯(lián)諧振電路仿真 實驗原理： 實驗步驟： 1.原理圖編輯: 分別調(diào)出電阻R1、R2，電容C1，電感L1，信號源V1； 2.設(shè)置電路參數(shù)： 電阻R1=10，電阻R2=2K，電感L1=2.5mH,電容C1=40uF。信號

3、源V1設(shè)置為AC=5v，Voff=0，F(xiàn)reqence=500Hz。 3.分析參數(shù)設(shè)置： （1）AC分析： 要求：頻率范圍1HZ100MEGHZ，輸出節(jié)點為Vout。 步驟：依次選擇選擇菜單欄里的“simulate-Analyses-AC Analysis”，調(diào)出交流分析參數(shù)設(shè)置對話窗口，起始頻率設(shè)為1Hz，停止頻率設(shè)為100MHz，掃描類型為十倍頻程，每十倍頻程點數(shù)設(shè) 為10，垂直刻度設(shè)為線性，其他保持默認(rèn)，單擊“OK”。然后選擇對話框菜單欄的“output”按鈕，在左側(cè)的變量中選擇“V(out)”,單擊“Add”按鈕。這樣，交流分析參數(shù)設(shè)置完畢。在交流分析參數(shù)都設(shè)置好以后，單擊對話框中的“

4、simulate”按鈕，開始仿真，得到如下真結(jié)果： （2）TRAN分析： 要求：分析5個時鐘周期的，輸出節(jié)點為Vout。 步驟：由信號源的f=500Hz，可得其周期為0.002s。依次選擇選擇菜單欄里的“simulate-Analyses-Transient Analysis”，調(diào)出瞬態(tài)分析參數(shù)設(shè)置對話窗口，起始時間設(shè)為0s，結(jié)束時間設(shè)為5*0.002s=0.01s，其他參數(shù)保持默認(rèn)，單擊“OK”。然后選擇對話框菜單欄的“output”按鈕，在左側(cè)的變量中選擇“V(out)”,單擊“Add”按鈕。這樣，瞬態(tài)分析參數(shù)設(shè)置完畢。在參數(shù)都設(shè)置好以后，單擊對話框中的“simulate”按鈕，開始仿真，

5、仿真結(jié)果如下 圖所示： 原理分析： 這是并聯(lián)諧振電路，諧振頻率0=LC1,此時阻抗模最小，故電容的響應(yīng)幅度在=0最大，遠(yuǎn)離0，響應(yīng)幅度減小，所以在=0處出現(xiàn)峰值，對應(yīng)的頻率f=0/2=503.5；實際測量值f=501.4，誤差允許范圍內(nèi)，符合理論值。 實驗3含運算放大器的比例器仿真 1.原理圖編輯: 分別調(diào)出電阻R1、R2，虛擬運算放大器OPAMP_3T_VIRTUA 調(diào)用虛擬儀器函數(shù)發(fā)生器Function Generator與虛擬示波器Oscilloscope。 2.設(shè)置電路參數(shù)： 電阻R1=1K，電阻R2=5K。信號源V1設(shè)置為Voltage=1v。 函數(shù)發(fā)生器分別為正弦波信號、方波信號與

6、三角波信號。頻率均為1khz，電壓值均為1。其中方波信號和三角波信號占空比均為50%。 3.分析示波器測量結(jié)果： 單擊“運行”按鈕，電路開始仿真，雙擊示波器，可以觀察到仿真結(jié)果，如下： 實驗結(jié)果： 原理分析： 對于理想運放器，可以等效以下電路圖： 列出節(jié)點方程：（G1+G2）u2-G1u1-G2u3=0 由于反相端“虛地”故u2=0 u3=-R2/R1*u1 故u0/us=-5 對應(yīng)的示波器channel A示數(shù)是channel B示數(shù)的-5倍；在誤差允許的范圍內(nèi)，實驗數(shù)據(jù)符合這一結(jié)論。 實驗4二階電路瞬態(tài)仿真 實驗原理： 實驗步驟： 1.原理圖編輯: 上圖中其中C1的電容值分別取1000u,

7、500u.100u.10u，其他參數(shù)值如圖所示.，并設(shè)置初始值為5V，電感L1=1mH，利用multisim軟件使用瞬態(tài)分析求出上圖中各節(jié)點的V(out)節(jié)點的時域響應(yīng),并能通過數(shù)據(jù)計算出對應(yīng)電路諧振頻率(零輸入響應(yīng)) 2.參數(shù)設(shè)置： （1）.參數(shù)掃描分析參數(shù)設(shè)置 依次選擇選擇菜單欄里的“simulate-Analyses-Parameter Sweep Analysis”，調(diào)出參數(shù)掃描分析對話窗口，選擇掃描參數(shù)的器件類型為“capacitor”，掃描變量類型為“l(fā)ist”，分別將0.001,0.0005,0.0001, 1e-005輸入選框內(nèi)。然后選擇對話框菜單欄的“output”按鈕，在左

8、側(cè)的變量中選擇“V(out)”,單擊“Add”按鈕，這樣，參數(shù)掃描分析設(shè)置完成。 （2）.瞬態(tài)分析參數(shù)設(shè)置 在參數(shù)掃描分析對話窗口的“more options”的“analysis to sweep”下拉菜單中選擇“transient analysis”，然后單擊“edit analysis”，調(diào)出瞬態(tài)分析掃描對話框，初始條件設(shè)為“user-defined”，起始時間設(shè)為0，結(jié)束時間設(shè)為0.01，單擊“OK”，參數(shù)設(shè)置完畢。 在電路分析參數(shù)都設(shè)置好以后，單擊參數(shù)掃描分析對話框的“simulate”按鈕，開始仿真，仿真結(jié)果如下： LC 電路的零輸入響應(yīng)是按正弦方式變化的等幅振蕩，由仿真數(shù)據(jù)計算得

9、對應(yīng)的諧振頻率如下：電容C/uF 100050010010周期 6.4ms 4.4ms 2.0ms 664.83us 頻率/Hz 156.25227.275001504.14/(rad/s) 981.751428.003141.59 9450.82原理分析：由角頻率表達(dá)式LC 1 =可知，電感大小不變時，大小與C 有關(guān)，C 越小，越大，周期越小，振動頻率越大。 實驗5戴維南等效定理的驗證 實驗原理： Figure 1 實驗步驟： 1.原理圖編輯: 1)分別調(diào)出接地符、電阻R ，直流電壓源電流表電壓表，并按Figure 1連接運行，并記錄電壓表和電流表的值； 2)如Figure 2連接，將電壓源

10、從電路中移除，并使用虛擬一下數(shù) 字萬用表測量電路阻抗； Figure2電路等效電阻測量 3)如Figure3連接，將電阻RL從電路中移除，并使用電壓表測 量開路電壓； Figure3電路開路電壓值測量 4)如Figure4連接，驗證戴維南定理； Figure4戴維南等效電路圖 2.設(shè)置電路參數(shù)： 電阻、電源參數(shù)如上述圖中所示。 3實驗步驟： 如原理圖，分別記錄對應(yīng)電路的電壓、電流和電阻值。 原理分析： 計算等效電阻R0： R0=91+(220|330)=233; 計算開路電壓U oc： U oc=220/（220+330）*10=4V; 由戴維南等效電路的知識，figure1與figure4是

11、等效的，故470電阻的電流和電壓是相同的。 實驗6元件模型參數(shù)的并聯(lián)諧振電路 1.原理圖編輯，設(shè)置參數(shù)： 分別調(diào)出電阻R、電感L、電容C和信號源V1（注意區(qū)分信號源族和電源族中，交流電壓源的區(qū)別，信號源的AC設(shè)置為5），參數(shù)如圖所示。 2.參數(shù)掃描分析設(shè)置：simulateParameter Sweep： AC分析設(shè)置：掃描范圍1Hz100MHz,橫坐標(biāo)掃描模式為Decade,縱坐標(biāo)為線性。每十倍頻程掃描點數(shù)為10點，再設(shè)置100和1000點并分析所得結(jié)果的異同。 觀察電容的容值發(fā)生變化時，記錄電路的幅頻響應(yīng)。 下面依次是每十倍頻程掃描點數(shù)為10點，100點，1000點的結(jié)果： 原理分析： 1

12、.并聯(lián)諧振電路中，U C =U S,品質(zhì)因數(shù)Q=U C /U S =1保持不變，故幅度峰值保持不變； 2.通頻帶Q BW =，諧振頻率0=LC 1可知C 越大，0越小,BW 越小，即通頻帶越窄。四條圖線（紫，綠，藍(lán)，紅）對應(yīng)的電容C 大小依次是4e-004,4e-005,4e-006,4e-007.符合以上分析過程。四條圖線（紫，綠，藍(lán)，紅）對應(yīng)的諧振頻率f=0/2，故f 理論值分別是159.2Hz ，503.5Hz ，1592Hz ，5035Hz ；下圖是分別用光標(biāo)測得的f 0，分別為158.6Hz ，502.9Hz ，15945Hz ，50043Hz 。與理論值吻合較好。 3. 3.每十倍

13、頻程掃描點數(shù)為10點，100點，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。 4.AC分析、參數(shù)分析的特點 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。在進(jìn)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)掃描分析是在用戶指定每個參數(shù)變化值的情況下，對電路的特性進(jìn)行分析。 實驗7電路過渡過程的仿真分析 實驗原理： 實驗步驟： 1.原理圖編輯，設(shè)置參數(shù)： 分別調(diào)出電阻R、電感L、電容C和信號

14、源V1，其中，信號源是 Source庫SIGNAL_VOLTAGE_SOURCES組中調(diào)用PULSE_VOLTAGE，參數(shù)如下：Initial Value1V，Pulsed Value0V，Delay Time0s，Rise Time0s，F(xiàn)all Time0s，Pulse Width60s，Period120s。（該電壓源用于產(chǎn)生一方波信號） 2.觀察電容上的電壓波形（使用瞬態(tài)分析，分析時間為5倍的方波信號周期），并判斷UC(t)的響應(yīng)屬于何種形式(過阻尼/欠阻尼/臨界阻尼)？ 3.通過計算的電阻的阻值，使用參數(shù)分析方法分別觀察出其它三種響應(yīng)形式（過阻尼/欠阻尼/臨界阻尼)。 4.電路分析參

15、數(shù)設(shè)置及電路仿真 瞬態(tài)分析參數(shù)設(shè)置 依次選擇選擇菜單欄里的“simulate-Analyses-Transient Analysis”，調(diào)出瞬態(tài)分析參數(shù)設(shè)置對話窗口，起始時間設(shè)為0，結(jié)束時間設(shè)為5*120us=0.0006s，其他保持默認(rèn)。然后選擇對話框菜單欄的“output”按鈕，在左側(cè)的變量中選擇“V(3)”,單擊“Add” 按鈕，這樣，瞬態(tài)分析參數(shù)設(shè)置完成。 在電路分析參數(shù)都設(shè)置好以后，單擊“simulate”按鈕，開始仿真，得到如下仿真： 下面分別是R等于10000，2000，50時瞬態(tài)分析的結(jié)果： 原理分析： 1.由臨界阻尼C L R 2d 可得，該電路中臨近阻尼狀態(tài)對應(yīng)的R d =2000。則當(dāng)R=5K 時，是過阻尼情形。 2.過阻尼響應(yīng)形式為：u c （t ）=K 1*exp （s 1t ）+K 2*exp （s 2t ）臨界阻尼響應(yīng)形式為：u c （t ）=（K 1+K 2t ）*exp （st ） 欠阻尼響應(yīng)形式為：u c （t ）=exp （-t ）*K 1cos(d t)+K 2sin(d t)由表達(dá)式可知響應(yīng)波形不同。 3.瞬態(tài)分析、參數(shù)分析的特點 （1）.瞬態(tài)分析是一種非線性時域分析方法，是在給定輸入激勵信號時，分析電路輸出端的瞬態(tài)響應(yīng)。在進(jìn)行瞬態(tài)