Multisim2001在電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用-06Multisim在電路分析中的應(yīng)用

第6章Multisim在電路分析中的應(yīng)用6.1戴維南等效電路的計(jì)算6.2疊加定理6.3電容充放電6.4暫態(tài)響應(yīng)6.5互易定理6.6串聯(lián)諧振電路6.7微分和積分電路習(xí)題

6.1戴維南等效電路的計(jì)算

在電路分析中，戴維南定理是一個(gè)非常重要的內(nèi)容，利用其求解電路也是一個(gè)難點(diǎn)。但在Multisim中用萬用表分別測量電路的端口電壓和端口短路電流，就可以輕松求出線性電路的戴維南等效電路。我們以圖6-1所示電路為例，利用戴維南定理求解戴維南等效電路，同時(shí)，熟悉在Multisim中選取元件、連接電路、表頭測量的基本操作過程。

圖6-1戴維南定理應(yīng)用電路圖

基本操作：(1)首先從元件庫中選取電壓源和電阻，創(chuàng)建圖6-1所示電路。(2)啟動(dòng)Place菜單中的PlaceJunction命令，再啟動(dòng)Place菜單中的PlaceText命令，在需添加端點(diǎn)的位置上點(diǎn)擊鼠標(biāo)，輸入文字A、B。從右邊儀表庫中選出數(shù)字萬用表(Multimeter)，并接至端點(diǎn)A、B：表頭“+”與A連接，“-”與B連接，如圖6-2所示。雙擊XMM1，在面板上選擇“V”和“DC”。啟動(dòng)仿真開關(guān)，萬用表讀數(shù)為8.0V，此為A、B兩端開路電壓值。

(3)仍將萬用表接至A、B兩端，在面板上選擇“A”和“DC”，啟動(dòng)仿真開關(guān)，萬用表讀數(shù)為2mA，此為A、B兩端短路電流的值。(4)根據(jù)戴維南定理，戴維南等效電阻等于電路的端口開路電壓和端口短路電流的比值。故該電路的戴維南等效電阻R=8/2=4kohm。(5)據(jù)此可畫出戴維南等效電路，如圖6-3所示。

圖6-2測量開路電壓和短路電流

圖6-3戴維南等效電路

6.2疊

加

定

理

疊加定理是電路中一個(gè)很重要的定理，可利用Multisim來驗(yàn)證此定理。

以圖6-4所示電路為例，利用疊加定理求解電壓源、電流源共同作用下R2兩端的電壓?；静僮鳎?1)從元件庫中選取電流源、電壓源以及電阻R1和R2，再從元件庫中選取電壓表并選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)，創(chuàng)建圖6-4所示電路。

圖6-4疊加定理應(yīng)用圖(2)測量電流源開路時(shí)R2兩端的電壓。雙擊電流源圖標(biāo)，將電流源設(shè)置為開路。此時(shí)，啟動(dòng)仿真開關(guān)，電壓表讀數(shù)為4V，測量等效電路如圖6-5所示。(3)測量電壓源短路時(shí)R2兩端的電壓。雙擊電壓源圖標(biāo)，將電壓源設(shè)置為短路。此時(shí)，啟動(dòng)仿真開關(guān)，電壓表讀數(shù)為0.667V，測量等效電路如圖6-6所示。

圖6-5電壓源單獨(dú)作用圖

圖6-6電流源單獨(dú)作用圖

(4)測量電壓源、電流源兩個(gè)電源共同作用時(shí)R2兩端的電壓。啟動(dòng)仿真開關(guān)，電壓表讀數(shù)4.667V，測量等效電路如圖6-4所示。可以看出，圖6-4中R2兩端電壓(電壓源、電流源同時(shí)作用)等于圖6-5(只有12V電壓源單獨(dú)作用)中的R2兩端電壓和圖6-6(只有1A電流源單獨(dú)作用)中的R2兩端電壓之和。這正驗(yàn)證了疊加定理。

6.3電

容

充

放

電

基本操作：(1)從元件庫中選取電阻、電壓源和電鍵，從儀器庫選取示波器，連接為圖6-7所示電路。在該電路中，用電鍵來控制充放電路的轉(zhuǎn)換。電鍵由Space健控制。按一下Space鍵，電鍵從一邊連接到另一邊。(2)當(dāng)J1打在右邊時(shí)，電容通過R2放電；當(dāng)J1打在左邊時(shí)，電源V1通過R1對電容C1充電。(3)雙擊示波器圖標(biāo)，運(yùn)行仿真開關(guān)，再反復(fù)按下空格鍵，使電鍵J1反復(fù)打開和閉合，就會(huì)在示波器的屏幕上觀測到圖6-8所示的輸出波形，這就是電容的充放電曲線。

圖6-7電容充放電原理圖

圖6-8電容電壓波形圖

6.4暫

態(tài)

響

應(yīng)

過渡過程持續(xù)的時(shí)間長短、發(fā)生的快慢與電路中的元件參數(shù)有關(guān)。本節(jié)將利用虛擬示波器來觀察參數(shù)改變前后的波形變化。圖6-9所示電路為一個(gè)RC電路，電路中有兩個(gè)電壓源V1和V2，電鍵J1用于控制哪個(gè)電壓源接入電路。當(dāng)V1接入電路時(shí)，電容C1充電；當(dāng)V2接入電路時(shí)，電容C1反向充電。電容器充放電是一個(gè)暫態(tài)過程，按指數(shù)規(guī)律變化，暫態(tài)過程持續(xù)的時(shí)間由時(shí)間常數(shù)τ=RC來決定，式中，R和C分別為電容器充放電回路中的電阻和電容。

圖6-9暫態(tài)響應(yīng)電路圖

基本操作：(1)從元件庫中選取所需元件，并選擇適當(dāng)參數(shù)，連接成圖6-9所示電路。從儀器庫中選取示波器并接在C1的兩端。運(yùn)行仿真開關(guān)，反復(fù)按下空格鍵，使電鍵J1反復(fù)打開和閉合，在示波器上可觀察到圖6-10所示的波形。

圖6-10電容電壓波形圖

(2)暫停電路運(yùn)行，改變C1的大小，使C1=1uF。保持示波器面板其他選項(xiàng)不變，再運(yùn)行仿真開關(guān)。反復(fù)按下空格鍵，使電鍵J1反復(fù)打開和閉合，在示波器上可觀察到如圖6-11所示的波形。比較圖6-10和圖6-11，可以看到：電容減小后，暫態(tài)過程所經(jīng)歷的時(shí)間變短了，波形上升沿和下降沿變陡了。

圖6-11改變電容參數(shù)后的電壓波形圖

6.5互

易

定

理

互易定理對于簡化求解過程和進(jìn)一步深入分析電路都有較大的作用。在Multisim中，可設(shè)計(jì)電路來驗(yàn)證此定理。

圖6-12所示電路為一個(gè)簡單的電阻網(wǎng)絡(luò)，含有電壓源V1和電流表。由互易定理可知，交換電壓源和電流表的位置，電流表讀數(shù)不變。

圖6-12互易前電路圖

基本操作：(1)從元件庫中選取所需元件并選擇適當(dāng)參數(shù)，創(chuàng)建圖6-12所示電路。在R2支路串聯(lián)電流表，電流表讀數(shù)為0.800?A。(2)交換電壓源和電流表的位置，如圖6-13所示，保持其他元件位置不變，電流表讀數(shù)為0.800A。由此可見，電壓源與電流表位置互換前后，電流表讀數(shù)不變。這正好驗(yàn)證了互易定理。

圖6-13互易后電路圖6.6串聯(lián)諧振電路

諧振是正弦電路中可能發(fā)生的一種電路現(xiàn)象。在實(shí)際的應(yīng)用中，對它進(jìn)行頻率分析并不是很直觀、準(zhǔn)確。但在Multisim中，利用虛擬波特圖儀可以很容易地測出電路在諧振時(shí)的頻率特性。

圖6-14所示電路是由電阻、電容和電感組成的串聯(lián)諧振電路。XBP1為波特圖儀，用來測量頻率特性。

圖6-14串聯(lián)諧振電路圖

基本操作：(1)創(chuàng)建圖6-14所示電路，運(yùn)行仿真開關(guān)，雙擊波特圖儀圖標(biāo)，這時(shí)在波特圖儀的顯示屏上顯示出圖6-15所示的幅頻特性曲線。

圖6-15幅頻特性曲線

(2)由圖6-15所示幅頻特性曲線可以看出，諧振頻率ω0=1.479kHz。用光標(biāo)拖動(dòng)波特圖儀面板上的紅色指針，可讀出任意頻率時(shí)的幅值。如果點(diǎn)擊波特圖儀面板上的Phase，則可以看到圖6-14所示電路的相頻特性。

6.7微分和積分電路

微分和積分電路是工程上常用的電路。在電路分析中，微分和積分電路可以由電容與電阻元件或電感與電阻元件組成。在Multisim中，可利用虛擬示波器方便地觀察微分和積分電路的輸入輸出波形。

本節(jié)以RC微分電路為例，如圖6-16所示。

圖6-16微分電路圖

基本操作：(1)創(chuàng)建圖6-16所示電路，需要注意的是，輸入源是一個(gè)函數(shù)發(fā)生器。雙擊函數(shù)發(fā)生器圖標(biāo)，彈出函數(shù)發(fā)生器面板，如圖6-17所示。面板參數(shù)設(shè)置如下：Waveforms欄選擇三角波輸入；SignalOptions欄選擇Frequency：1kHz，DutyCycle：50%，Amplitude：10V，Offet：0。(2)運(yùn)行仿真開關(guān)，在示波器屏幕上會(huì)出現(xiàn)圖6-18所示的波形，三角波(藍(lán)色)是輸入波形，方波(紅色)是輸出波形。由圖6-18可以清晰地看出，輸入和輸出之間呈現(xiàn)的是微分關(guān)系。移動(dòng)指針1和指針2，可以測出輸入、輸出波形的幅值和周期等參數(shù)。

圖6-17函數(shù)發(fā)生器面板

圖6-18微分波形圖

習(xí)題

1.仿真圖6-19所示電路，利用戴維南等效電路求U。

圖6-19戴維南應(yīng)用實(shí)踐一

2.仿真圖6-20所示電路，利用戴維南等效電路求IAB。

圖6-20戴維南應(yīng)用實(shí)踐二

3．利用疊加定理求圖6-21所示電路中的U。

圖6-21疊加定理應(yīng)用練習(xí)

4．利用示波器觀察圖6-22所示電路的電容的充放電情況。

圖6