電路仿真實驗報告

實用文檔上海電力學院本科課程設(shè)計電路計算機輔助設(shè)計（）院系：電力與自動化工程學院專業(yè)年級（班級）：0802w1學生姓名：蔣超學號：20083510指導教師：楊爾濱楊歡紅劉蓉暉李曉華李俊等成績：年月日教師評語：一、RC微分和積分電路一、仿真實驗目的1掌握有關(guān)微分和積分電路的概念。2學會利用EWB仿真電路軟件觀察RC微分電路和積分電路波形。二、仿真電路設(shè)計及理論分析1）動態(tài)電路與瞬時分析由于電路中含有動態(tài)元件（電感C和電感L），并在某時刻發(fā)生換路（電路的結(jié)構(gòu)或元件參數(shù)發(fā)生變化），電路會從一種穩(wěn)定狀態(tài)逐步過渡到另一種穩(wěn)定狀態(tài)，稱為動態(tài)電路，分析這個動態(tài)過程就是瞬態(tài)分析。2）換路定則電路結(jié)構(gòu)或元件參數(shù)的改變稱為換路。設(shè)時發(fā)生換路，“換路前一瞬間”記為，換路后一瞬間記為。對于線性電容和電感，若電容電流和電感電壓為有限值，則換路前后瞬間電容電壓和電感電流保持不變。即，。時刻等效電路，即換路前的結(jié)構(gòu)，由換路前的穩(wěn)定狀態(tài)求、。的等效電路就是換路后的等效電路，電容C等效為電壓源，其電壓；電感L等效為電流源，其電流。3）時間常數(shù)對于RC電路，=RC；對于RL電路，=L/R；特別指出；R是電容C或電感L以外的戴維寧等效電路的等效電阻。反映了響應衰退的快慢，越大，響應衰減慢；越小，響應衰減快。過渡過程的時間一般?。?~5）。4）微分電路和積分電路RCR微分電路和積分電路是RC一階嗲記錄中比較典型的電路，它對電路元件參數(shù)和輸入信號的周期有著特定的要求。一個簡單的RC串聯(lián)電路，在方波序列的重復激勵下，當滿足=RCT/2時（T為方波脈沖的重復周期），且由R兩端的電壓作為響應輸出，則該電路就是一個微分電路。因為此時電路的輸出信號電壓與輸入電壓信號的微分成正比。如圖2-1所示。RCR圖2-1微分電路圖2-2積分電路若將圖2-1中的R與C位置調(diào)換一下，如圖2-2所示，由C兩端的電壓作為響應輸出，且當電路的參數(shù)滿足，則該RC電路稱為積分電路。因為此時電路的輸出信號電壓與輸入信號電壓的積分成正比。利用積分電路可以將方波轉(zhuǎn)變成為三角波。仿真實驗測試 通過微分和積分的電路的原始圖用仿真實驗觀察其波形了解其特性。具體步驟：利用仿真電路觀察微分和積分電路的波形，微分仿真電路如圖2-8所示。圖2-8微分仿真電路圖通過示波器觀察微分電路的圖形如圖2-9所示圖2-9微分電路波形圖 積分仿真電路圖如圖2-10所示，圖2-10積分仿真電路圖 通過用示波器觀察積分電路的波形，如圖2-11所示。圖2-11積分電路波形 通過觀察波形圖我們很容易發(fā)現(xiàn)微分電路與積分電路的特性。結(jié)論理論計算結(jié)果與仿真測量結(jié)果有一定的誤差。主要原因是：理論計算是理想狀態(tài)的分析結(jié)果，仿真電路比較接近實際測量情況。比如，電壓表和電流表都有內(nèi)阻存在，會對測量產(chǎn)生一定的影響。通過開關(guān)觀察電流值是由于開關(guān)的打開或者閉合中存在一定的時間因此誤差在所難免。只要我們只要認證準備仿真試驗，調(diào)整好電壓電流表的內(nèi)阻盡力去減小各種因素的影響，就可以得到較好的仿真結(jié)果。二、二階電路響應的三種狀態(tài)軌跡及其特點一、仿真實驗目的1、熟悉二階電路的時域分析法；2、熟悉RLC二階電路零輸入響應及電路的過阻尼、臨界阻尼和欠阻尼狀態(tài)。二、仿真電路設(shè)計及理論分析1、二階電路的微分方程及響應如果建立的電路微分方程是二階的，被稱為二階電路。經(jīng)典法分析二階電路的基本步驟：先選擇適當?shù)碾娐纷兞?，一般選uc或iL作未知量，然后根據(jù)KCL、KVL、VCR列出電路的微分方程。（1）根據(jù)KCL、KVL及元件的VCR寫出以uc或iL為變量的二階微分方程+a1+a0f(t)=s(t)當s(t)=0時，方程為齊次方程；當s(t)≠0時，方程為非齊次方程。（2）由uc(0+)=uc(0_)和iL(0+)=iL(0_)確定電路的初始狀態(tài)，uc(0+)，或iL(0+)，的值。（3）求穩(wěn)態(tài)分量fp：即非齊次方程的特解，這是由電源的特性決定。當激勵為恒定電源時，穩(wěn)態(tài)分量也為常數(shù)；當激勵為正弦量時，穩(wěn)態(tài)分量也為同頻率的正弦量。（4）求瞬態(tài)分量fh：即齊次方程的通解。根據(jù)特征根P1和p2的不同，齊次方程的通解一般分為三種情況：P1不等于P2為兩個不等的實根（過阻尼狀態(tài)）fh=A1e+A2eP1等于P2等于P為相等實根（臨界狀態(tài)）fh=(A1+A2t)eP1,2=-為共軛復數(shù)（欠阻尼狀態(tài)）fh=eAsin(+)2、二階電路零輸入響應分析如圖所示RLC串聯(lián)電路的零輸入響應，以電容電壓為變量，電路的微分方程為+uc+uc—iLLC+RC+uc=0以上二階微分方程的特征方程為LCp+RCp+1=0方程的特征根為p1,2=-設(shè)uc(0+)=Uo,iL(0+)=Io,由微分方程可知，求解以uc為變量的二階微分方程，除已知uc(0+)外，還需知道值。特征根也稱電路的固有頻率，根據(jù)p的表達式，根號內(nèi)的值有可能大于零，等于零或小于零，以下分為幾種情況討論。（1）p1和p2為不相等的負實根（R>2,過阻尼）p1,2=-uc=A1e+A2euc(0+)=A1+A2iL(0+)=-C（A1p1+A2p2）求出A1和A2（2）p1和p2為相等的負實根（R=2,臨界阻尼）p1,2=-uc=(A1+A2t)euc(0+)=A1iL(0+)=-C（A1p+A2）求出A1和A2（3）p1和p2為共軛復數(shù)(R<2,欠阻尼）P1,2=-uc=eAsin(+)uc(0+)=AsiniL(0+)=-C（-A）求出A和仿真實驗測試L=1HC=1F過阻尼狀態(tài)電阻為3Ω，滿足R>2電感電壓和電容電壓波形如下圖示波器所示電流波形如下圖示波器所示臨界阻尼狀態(tài)電阻為2Ω，滿足R=2電感電壓和電容電壓波形如下圖示波器所示電流波形如下圖示波器所示欠阻尼狀態(tài)電阻為1Ω，滿足R<2電感電壓和電容電壓波形如下圖示波器所示電流波形如下圖示波器所示結(jié)論由仿真圖形可看出，過阻尼狀態(tài)下uc從Uo開始單調(diào)衰減到0，i從0逐漸增大到最大值然后衰減到0，uL從0躍變到Uo，然后過零點出現(xiàn)最小值，最后衰減到0。臨界阻尼狀態(tài)下，電壓和電流都單調(diào)的衰減最后趨近于0。欠阻尼狀態(tài)下，電壓和電流均按e衰減的同頻率的正弦波。三、測量計算開路阻抗參數(shù)一、仿真實驗目的熟練掌握二端口網(wǎng)絡的Y，Z，T這三組常用的參數(shù)方程，理解各組參數(shù)的物理意義。二、仿真電路設(shè)計及理論分析Ｚ＝稱為Ｚ參數(shù)矩陣，Ｚ參數(shù)也叫開路阻抗參數(shù)。=推導出Ｚ11=Ｚ21=Ｚ22=Ｚ12=Y＝稱為Y參數(shù)矩陣，Y參數(shù)也叫短路導納參數(shù)。=同理推導出Y11=Y21=Y12=Y22=T＝稱為傳輸參數(shù)矩陣。=同理推導出A=C=B=D=以Z參數(shù)為例：4Ω1Ω4Ω1Ω3Ω+_+_2Ω2Ω如圖，求雙口網(wǎng)絡的Z參數(shù)。解：=4+2（+）+1=2+（2+3+2）可得：Z11=7Ω，Z12=2Ω，Z21=2Ω，Z22=7Ω仿真實驗測試驗證Z11是否為10Ω：設(shè)外施電流=1A，由圖可知若Z11=7Ω，Ｚ11=，則應該為10V，仿真圖中電壓表測得值為7V，所以Z11=7Ω得到驗證是正確的。驗證Z21是否為2Ω：設(shè)外施電流=1A，由圖可知若Z21=2Ω，為3，Ｚ21=，=1A，則應該為2V，仿真圖中電壓表測得值為2V，所以Z21=2Ω得到驗證是正確的。驗證Z22是否為7Ω：設(shè)外施電流=1A，由圖可知若Z22=7Ω，Ｚ22=，=1A，則應該為7V，仿真圖中電壓表測得值為7V，所以Z22=7Ω得到驗證是正確的。驗證Z12是否為2Ω：設(shè)外施電流=1A，

由圖可知若Z12=2Ω，Ｚ12=，=1A，則應該為2V，仿真圖中電壓表測得值為2V，所以Z12=2Ω得到驗證是正確的。二端口網(wǎng)絡的串聯(lián)驗證U1'U1''U2''U2'I2'I1'I1U2U1I2N2[Z2]N1[Z1]U1'U1''U2''U2'I2'I1'I1U2U1I2N2[Z2]N1[Z1]例題通過計算得出得出Z11=9得出Z12=Z21=5Z22=8與運算結(jié)果相等。四、結(jié)論通過這次仿真我掌握并學會應用常用參數(shù)方程。四、非正弦周期電路一、仿真實驗目的1、熟練掌握用諧波分析法計算非正弦周期電流電路，掌握非正弦周期電流電路有效值、平均值和平均功率的概念；2、分析并聯(lián)和串聯(lián)諧振對波形的影響。二、仿真電路設(shè)計及理論分析1）非正弦周期信號在工程上，所遇到的周期電源或信號，除了正弦量以外，還有隨時間作非正弦變化的，簡稱非正弦量。非正弦周期信號是由不同頻率的正弦信號疊加而成的。一個非正弦的周期信號就可以分解為角頻率為、2、3等的諧波。其中角頻率為的諧波為一次諧波，也稱基波；角頻率為2及以上的諧波統(tǒng)稱為高次諧波。即 （2）非正弦周期電流、電壓的有效值和平均功率 非正弦周期電流、電壓的瞬時值記為和，最大值記為和，有效值記為和，這些量從不同的物理意義上表示了非正弦周期電流和電壓的大小。 （i）有效值 任何周期電流或電壓的有效值即是方均根值 同理非正弦周期電流或電壓的有效值，等于它的恒定分量的平方與它的各次諧波有效值的平方之和的平方根，它與各次諧波的初相角無關(guān)。非正弦周期量的有效值與最大值之間一般不存在倍的關(guān)系。 （ii）平均功率 非正弦周期電流電路的平均功率等于各次諧波的平均功率之和，即 其中，即次諧波電壓和電流的相位角。 只有同此諧波電壓和電流才產(chǎn)生平均功率，不同次的諧波電壓和電流雖然可產(chǎn)生瞬時功率，但不產(chǎn)生平均功率。下面以并聯(lián)諧振對波形的影響為例+ui+ui—LC1C2+uoR—在圖中電路中，濾波器的輸入電壓ui=U1msinwt+U3msin3wtV。如L=1H,w=100rad/s。要使輸出電壓uo=U1msinwt,問C1,C2如何選值？解：uo中無三次諧波，說明L和C1對三次諧波發(fā)生并聯(lián)諧振，即3wL==300Ω=900ΩL、C1和C2的串并聯(lián)電路對于一次諧波電抗等于零，可得：C1=11.1Ω，C2=88.9Ω仿真實驗測試仿真電路中兩個電壓源分別為30V/47.7707Hz和100V/15.9236Hz電阻為100歐姆，頻率由w=2f求得仿真得到的波形如下所示紅線是電源的波形，藍色是負載的波形四、結(jié)論在這次實驗中起初只是對非正弦周期信號只有感性的認識，在這次實驗通過觀察非正弦的波形，深刻理解非正弦波形是通過各諧波疊加形成的。五、回轉(zhuǎn)器的研究一、實驗目的了解回轉(zhuǎn)器的基本特性及其運放實現(xiàn)。掌握回轉(zhuǎn)器參數(shù)的測試方法，了解回轉(zhuǎn)器的應用。二、實驗原理回轉(zhuǎn)器的概念是B.D.H.Tellegen于1948年提出的。六十年代由L.P.Huelsman及B.A.Sheei等人用運算放大器及晶體管電路實現(xiàn)?；剞D(zhuǎn)器是一種二端口器件，其電路符號如圖6—1所示。它的電流與電壓的關(guān)系為I1=gU2I2=-gU1或?qū)懗蒛1=-rI2U2=rI1圖6—1式中g(shù)和r=分別稱為回轉(zhuǎn)電導和回轉(zhuǎn)電阻，簡稱回轉(zhuǎn)常數(shù)。用矩陣形式可表示為或若在回轉(zhuǎn)器2—2′端口接以負載阻抗ZL，則在1—1′端口看入的輸入阻抗為如果負載阻抗ZL在1—1′端口，則從2—2′端口看入的等效阻抗為由上可見，回轉(zhuǎn)器的一個端口的阻抗是另一端口的阻抗的倒數(shù)(乘上一定比例常數(shù))，且與方向無關(guān)(即具有雙向性質(zhì))。利用這種性質(zhì)，回轉(zhuǎn)器可以把一個電容元件“回轉(zhuǎn)”成一個電感元件或反之。例如在2—2′端口接入電容C，在正弦穩(wěn)態(tài)條件下,即，則在1－1′端口看入的等效阻抗為式中：為1—1′端口看入的等效電感。同樣，在1—1′端接電容Ｃ，在正弦穩(wěn)態(tài)條件下，從2—2′看進去的輸入阻抗Ｚin2為式中：Ｌeg＝r2C。可見回轉(zhuǎn)器具有雙向特性?；剞D(zhuǎn)器具有的這種能方便地把電容“回轉(zhuǎn)”成電感的性質(zhì)在大規(guī)模集成電路生產(chǎn)中得到重要的應用?；剞D(zhuǎn)器是一個無源元件。這可以證明如下，按回轉(zhuǎn)器的定義公式，有上式說明回轉(zhuǎn)器既不發(fā)出功率又不消耗功率。一般說來，線性定常無源雙口網(wǎng)絡滿足互易定理，而回轉(zhuǎn)器雖然也是屬于線性定常無源網(wǎng)絡，但并不滿足互易定理。這一點可以簡單論證如下。參照圖6—1,如果在1—1′端口送入電流I1=1安，則在2—2′端口開路時，有I2=0,而U2=r伏。反之，在2—2′端口送入電流安，在1—1′端口的開路電壓伏?？梢?，即不滿足互易定理。回轉(zhuǎn)器可以用多種方法來構(gòu)成?，F(xiàn)介紹一種基本構(gòu)成方法。把回轉(zhuǎn)器的導納矩陣分解為這樣就可以用兩個極性相反的電壓控制電流源構(gòu)成回轉(zhuǎn)器，如圖6—2所示。圖6—2其中：Z1=Zd=R1=1KΩ、Z2=Z3=Zc=R2=100Ω、Z4=Za=R3=2KΩ、Zb=R4=300Ω圖6—3本實驗使用的回轉(zhuǎn)器由兩個運算放大器組成，如圖6—3所示。假設(shè)：運算放大器是理想運算放大器，即：輸入阻抗Zi→∞,流入兩個輸入端的電流為零，電壓放大倍數(shù)A→∞，兩個輸入端的電壓相等(虛短路)。回轉(zhuǎn)器的輸入幅度不超過允許值，以保證運算放大器在線性區(qū)工作。根據(jù)以上假設(shè)，則圖6—3中有：容易推導圖6—3二端口網(wǎng)絡的電壓、電流矩陣方程如下：已知回轉(zhuǎn)器的電壓、電流矩陣方程為比較以上兩個矩陣方程，應有=0=0=g=-g現(xiàn)選定：Z1=Zd=R1=1KΩ、Z2=Z3=Zc=R2=100Ω、Z4=Za=R3=2KΩ、Zb=R4=300Ω；則回轉(zhuǎn)電導為或回轉(zhuǎn)阻為三、仿真實驗設(shè)計與測試1、接電容負載，如圖6—4所示，通過觀測輸入端電壓電流波形，如圖6—5所示，可以看出為電壓超前電流90度，說明回轉(zhuǎn)器將電容轉(zhuǎn)換為電感。圖6—4注意：輸入信號（電壓）幅值要小于2V，使理想運放工作在線性工作區(qū)，這樣才可保證回轉(zhuǎn)器正常工作。2、當負載接一電感時，通過觀測輸入端電壓、電流波形，可以看出為電流超前電壓90度，說明回轉(zhuǎn)器將電感轉(zhuǎn)換為電容。如圖6—6、6—7所示，圖6—6圖6—73、利用回轉(zhuǎn)器構(gòu)成一RLC串聯(lián)諧振電路，如圖6—8所示。計算得諧振頻率為搭建的仿真電路如圖6—8所示，通過觀測輸入端電壓、電流波形，如圖6—9，可以看出電流與電壓同相。圖6—8圖6—9四、對比分析與結(jié)論通過此次仿真實驗對回轉(zhuǎn)器的原理有了更深一步的了解。六、非線性電路1、加深理解非線性電路方程的列寫及求解方法。2、學會利用仿真軟件設(shè)計非線性電路并通過圖解法分析非線性元件的特性。一、仿真實驗目的1、加深理解非線性電路方程的列寫及求解方法。2、學會利用仿真軟件設(shè)計非線性電路并通過圖解法分析非線性元件的特性。二、仿真電路設(shè)計及理論分析非線性電路分析方法： 對于非線性電阻電路的分析，也是通過列寫電路KCL和KVL方程及支路的特性方程，得到一組求解電路的非線性方程。但非線性方程的求解一般難以得到解析解，在實際的非線性電路的分析和計算中多采用圖解法、線性化及數(shù)值法。此處主要討論前兩種方法。在線性化法中，，又有分段線性化和小信號分析法。 i）圖解法 如果電路元件的構(gòu)造關(guān)系不能由確切的函數(shù)來描述，而是用-特性曲線來表達的，事宜采用圖解法。非線性電阻電路的圖解法是建立在工作點概念的基礎(chǔ)上，因此要討論工作點的概念。 當非線性電阻工作于直流電源的電路中時，反映非線性電阻特性曲線和直流電流源激勵的伏安特性曲線的交點（工作點），稱之為靜態(tài)工作點。如圖5-2（a）所示電路中，虛線框內(nèi)為線性有源一端口網(wǎng)絡的戴維寧等效電路，非線性電阻特性為。非線性電阻的靜態(tài)工作點可由下面方程組聯(lián)立解出0 該解即為連條曲線在-平面上的交點（），也就是靜態(tài)工作點，如圖5-2（b）所示。0（a）(b)圖5-2 用圖解法求解非線性電阻電路的節(jié)，實際上就是決定工作點的問題。 ii）小信號分析法 小信號分析法的實質(zhì)是將工作點出的特性曲線線性化，即用工作點的動態(tài)電阻作出工作點處的小信號等效電路，然后求出電壓、電流的變化量。 非線性電路的外加激勵信號源，一般有直流信號源和交流信號源。在工程上的多數(shù)情況下，交流信號源比較微弱。把其絕對值在任何時候都小于直流信號源的交流信號源稱為小信號。如圖5-3（a）所示非線性電路中，有直流電壓源和交流電壓源共同作用。當時，稱為小信號，為偏置電源。 當時，如5-3(b)圖解所示，與線性電阻決定非線性電路的靜態(tài)工作點Q(,)。（a）非線性電路(b)圖解法 圖5-3 當時，作出單獨作用時的小信號等效電路如圖5-4所示，其中：是Q點的動態(tài)電阻，求作用下的、（、是Q點處的電壓、電流增量）。按圖5-4所示的參考方向有 求出電壓、電流變化量（增量）為最后得非線性電阻上的電壓、電流為圖5-4單獨作用時的小信號等效電路仿真實驗測試本次設(shè)計的二極管的原理電路圖如圖5-5所示，是一個橋式整流電容濾波的電路，若用直流電壓表測得輸出電壓分別為：（1）28V;(2)14V;(3)18V;(4)9V。說明它們是電路分別處在什么情況下得到的結(jié)果，要求指出是電路正常工作還是出現(xiàn)了某種故障。圖5-5非線性電路原始圖理論計算與分析圖5-5所示橋式整流電容濾波電路正常工作時，。（1），電路工作不正常，負載電阻開路；波形如圖5-6（a）所示。（2），電路工作正常；波形如5-6（b）所示。（3），這是橋式整流未經(jīng)過電容濾波輸出，故電路工作不正常，濾波電容開路。波形如5-6(c)所示。（4），這是半波整流未經(jīng)過電容濾波輸出，故電路工作不正常，有二極管（與中的一只或兩只；或者與中的一只或兩只）開路，的、濾波電容開路。波形如5-6（d）所示。（a）電阻開路（b）電路正常共工作(c)電容開路（d）二極管和電容開路圖5-63．仿真實驗內(nèi)容與步驟 (1)根據(jù)原理圖，在Multisim上得到的非線性電路的仿真圖如圖5-7圖5-7非線性電路仿真圖(2)通過示波器觀察電路分別處于四種情況下的波形圖。 i）負載電阻開路，仿真圖如圖5-8所示。 圖5-8電