Multisim7快速入門

1、第8章 在電路分析中的應(yīng)用電路基本原理的掌握是學(xué)習(xí)電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，本章主要通過Multisim7在電路分析中的一些典型應(yīng)用，深入理解電路基本理論，掌握電路測(cè)試和實(shí)驗(yàn)的常用設(shè)計(jì)方法，為真實(shí)電路設(shè)計(jì)和調(diào)試奠定基礎(chǔ)。8.1 測(cè)定元件伏安特性電阻的伏安特性是了解電阻特性的必要手段，本例通過對(duì)電阻元件的測(cè)量，了解如何測(cè)試一個(gè)電阻元件的性質(zhì)。首先建立如圖8-1所示電路，該電路采用阻值可調(diào)的50歐姆電阻調(diào)節(jié)電壓從0V升高到24V，負(fù)載電阻為100k，遠(yuǎn)大于可調(diào)電阻阻值，因此可以忽略負(fù)載電阻對(duì)可調(diào)電阻的影響。本例使用兩種方法測(cè)量電阻元件伏安特性：一種是通過電流表和電壓表測(cè)試該元件的電壓和電流；另外一種則是采用

2、Multisim7的直流掃描分析方法測(cè)量。圖8-1伏安法測(cè)試原理圖1 采用伏安法測(cè)量采用伏安法測(cè)量其步驟如下：（1）按下鍵盤小寫【a】鍵，將可調(diào)電阻Rw調(diào)到100%，使電阻RL上電壓為0。（2）雙擊可調(diào)電阻Rw，設(shè)置可調(diào)電阻增量為20%。激活電路，按下鍵盤大寫【A】鍵，將電阻RL上電壓從0V升壓到24V，每4.8V測(cè)試一組電壓電流數(shù)據(jù)。（3）將測(cè)試結(jié)果填入表中，得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)的電壓電流數(shù)據(jù)，如表8-1所示。表8-1 伏安法測(cè)試數(shù)據(jù)電源（V）表讀數(shù)04.89.614.419.224電壓表（V）04.7969.58714.38119.18324電流表（mA）00.0480.0960.1440.192

3、0.242 采用直流掃描分析測(cè)量直流掃描分析的目的是觀察直流轉(zhuǎn)移特性。當(dāng)輸入直流在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，分析輸出的變化情況。如電壓源從0V升高到24V，步長(zhǎng)可用戶自己設(shè)定，此處為了和表8-1數(shù)據(jù)對(duì)比選取步長(zhǎng)為4.8V。每個(gè)相應(yīng)的電壓都將計(jì)算出一套電路參數(shù)并用于顯示。下面用它來分析電阻的伏安特性。其步驟如下： （1）把圖8-1中可調(diào)電阻調(diào)到0%，即可調(diào)電阻輸出電壓為24V。在主窗口中依次執(zhí)行“Simulate”/“Analysis”/“DC Sweep”命令，將彈出如圖8-2對(duì)話框，分別設(shè)置輸入直流電壓源、步長(zhǎng)、掃描初值和終值。圖8-2直流掃描分析設(shè)置（2）單擊圖8-2中“Output variab

4、les”選項(xiàng)卡，設(shè)置輸出變量，此處選擇電阻RL上電壓即圖8-1中節(jié)點(diǎn)1為輸出，鼠標(biāo)單擊“Add”按鈕，得到輸出變量設(shè)置如圖8-3所示圖8-3直流掃描分析輸出變量設(shè)置（3）單擊“Simulate”按鈕，得到分析結(jié)果如圖8-4所示，從結(jié)果可看出，縱坐標(biāo)是一電壓，不是電流，因?yàn)樵贛ultisim7的直流掃描分析不能設(shè)置輸出結(jié)果為電流，因此可以使用后處理器來得到電流輸出。圖8-4直流掃描分析輸出結(jié)果（4）執(zhí)行“Simulate”/“Postprocessor”命令，將彈出如圖8-5所示對(duì)話框，把輸出節(jié)點(diǎn)電壓除以阻值100k，則可以得到輸出的電流。圖8-5后處理器設(shè)置（5）單擊圖8-5中“Graph”選

5、項(xiàng)卡，設(shè)置輸出的圖形后，再單擊“Caculate”按鈕，即可得到處理后的伏安特性，將縱坐標(biāo)改為電流，單位“uA”，則得到最后結(jié)果如圖8-6所示。圖8-6后處理器輸出結(jié)果從圖8-6所示結(jié)果和用伏安法測(cè)量結(jié)果表8-1對(duì)比，數(shù)據(jù)完全吻合。8.2 電路基本定理驗(yàn)證8.2.1 戴維南和諾頓等效電路戴維南和諾頓等效電路是電路分析中常用的簡(jiǎn)化電路的兩種基本方法，在電路原理學(xué)習(xí)中，都采用人工計(jì)算，并運(yùn)用很多步驟才得到，本節(jié)通過Multisim7的仿真，可以很快求出其等效電路。操作步驟如下所示：圖8-7戴維南電路測(cè)試（1）首先建立如圖8-7所示電路，該電路含有一電壓控電壓源，通過測(cè)量負(fù)載電阻RL兩端的開路電壓和

6、短路電流來求得等效電路。（2）測(cè)試開路電壓。開關(guān)J1打開，使負(fù)載開路，將萬(wàn)用表打到直流電壓檔，并聯(lián)在負(fù)載電阻RL所在支路兩端，并激活電路，測(cè)得開路電壓Uoc=184.095V。（3）測(cè)試短路電流。接線不變，把萬(wàn)用表電壓檔位換成直流電流檔位測(cè)得電流1.002A。（4）測(cè)試等效電阻。根據(jù)等效電阻定義，將所有獨(dú)立電壓源短路，獨(dú)立電流源開路，得到無(wú)源單端口網(wǎng)絡(luò)，如圖8-8所示，因此，只需在端口處接一萬(wàn)用表，用電阻檔就可直接測(cè)量其電阻 。激活電路，測(cè)得等效電阻RO=183.697。圖8-8戴維南電路等效電阻測(cè)試通過以上三個(gè)參數(shù)測(cè)量，就可以獲得該電路的戴維蘭和諾頓等效電路。當(dāng)然其中第三步不是必須的，測(cè)量出

7、了開路電壓和短路電流后自然可計(jì)算出等效電阻，但此處給讀者提供一個(gè)測(cè)量等效電阻的方法。8.2.2 疊加定理和互易定理驗(yàn)證下面仍以圖8-1所示的例子來說明疊加定理和互易定理，以RL支路上電壓來說明。1 疊加定理疊加定理的操作步驟如下：（1）首先用上節(jié)得到的戴維蘭等效電路求出RL支路上電壓。建立如圖8-9所示戴維南等效電路，激活該電路，測(cè)得RL上電壓為155.525V。圖8-9戴維南等效電路（2）讓3V電壓源單獨(dú)作用，電流源開路得到如圖8-10所示。激活電路，測(cè)得電壓336.312mV。（3）讓1A電流源單獨(dú)作用，電壓源短路得到如圖8-11所示。激活電路，測(cè)得電壓155.189V。圖8-10電壓源單

8、獨(dú)作用電路圖8-11電流源單獨(dú)作用電路圖8-10和圖8-11所示兩個(gè)電路測(cè)試的電壓值相加正好等于圖8-9所示電路測(cè)試結(jié)果，因此疊加定理得到驗(yàn)證。2 互易定理互易定理其操作步驟如下：（1）建立電路如圖8-12所示，以ab為激勵(lì)端口，RL支路cd為響應(yīng)端口。激活電路，萬(wàn)用表測(cè)得電流-560.552uA。圖8-12互易定理交換前電路（2）交換電壓源和電流表位置，得到電路如圖8-13所示。激活電路后測(cè)得電流表讀數(shù)為-560.52uA。圖8-13互易定理交換后電路由此可見，電壓源和電流表位置互換前后，電流表讀數(shù)不變，互易定理得到驗(yàn)證。8.3 求解電路的節(jié)點(diǎn)電壓建立電路如圖8-14所示，該圖如通過電路原理

9、知識(shí)采用節(jié)點(diǎn)法來手動(dòng)計(jì)算，計(jì)算比較復(fù)雜。下面在Multisim7里面可輕松求出該電路節(jié)點(diǎn)電壓。操作步驟如下：圖8-14節(jié)點(diǎn)法求解電路（1）在圖8-14中的n2節(jié)點(diǎn)上并聯(lián)一個(gè)萬(wàn)用表測(cè)量電壓以便和直流工作點(diǎn)分析比較。（2）依次執(zhí)行“Simulate”/“Analyses”/“DC Oerateing Point.”命令，在Output variables 選項(xiàng)卡選擇n1，n2，n3，n4為輸出節(jié)點(diǎn)，如圖8-15所示，單擊圖中“Simulate”按鈕，得到結(jié)果如圖8-16所示。圖8-15直流工作點(diǎn)分析輸出設(shè)置圖8-16直流工作點(diǎn)分析結(jié)果（3）雙擊萬(wàn)用表，萬(wàn)用表測(cè)得n2節(jié)點(diǎn)上電壓是545.963mV，

10、和直流工作點(diǎn)分析結(jié)果一致，同樣其他節(jié)點(diǎn)上電壓也可萬(wàn)用表測(cè)量，結(jié)果和直流工作點(diǎn)分析結(jié)果是一致的?？梢?，在Multisim7里面求解電路節(jié)點(diǎn)電壓非常簡(jiǎn)單，可利用直流工作點(diǎn)分析或萬(wàn)用表直接就能得到節(jié)點(diǎn)電壓。8.4 觀察RC電路暫態(tài)過程RC充放電電路是電路學(xué)習(xí)中的常見電路，其過渡過程持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)短、發(fā)生的快慢與電路中的元件參數(shù)有關(guān)。本節(jié)將利用示波器觀察RC電路的暫態(tài)過程。建立如圖8-17所示一階RC電路，電路中開關(guān)J1用于控制電壓源Vl是否接入電路。當(dāng)V1接入電路時(shí)，電容C1充電；當(dāng)V1未接入電路時(shí)，電容Cl放電。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)來決定，RC越大

11、，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，R和C分別為電容器充放電回路中的等效電阻和電容。圖8-17一階RC電路其具體仿真操作步驟如下：（1）在激活電路后，反復(fù)按下空格鍵，使開關(guān)J1反復(fù)打開閉合，在示波器上可觀察到如圖8-18所示的波形。（2）把電容C1換成10uF，重新激活電路，并反復(fù)按下空格鍵，使開關(guān)J1反復(fù)打開閉合，得到波形如圖8-19所示。 圖8-18 RC電路充放電暫態(tài)過程 圖8-19電容增大后RC電路充放電暫態(tài)過程從兩圖的結(jié)果可看出，電容增大后，時(shí)間常數(shù)增大，充放電時(shí)間都增長(zhǎng)，因此波形的上升和下降時(shí)間延長(zhǎng)。8.5 測(cè)試串聯(lián)諧振電路諧振是正弦電路中一種常見現(xiàn)象，本節(jié)通過對(duì)串聯(lián)諧振電路仿真分析，了解諧振電路的特

12、性和分析方法。首先建立由R、L、C組成的串聯(lián)諧振電路，如圖8-20所示。通過示波器和波特圖儀觀察諧振電路的特點(diǎn)。圖8-20RLC串聯(lián)諧振電路該電路固有諧振頻率，因此只要信號(hào)源頻率設(shè)置為1kHz該電路就發(fā)生諧振。下面對(duì)該電路進(jìn)行分析，具體步驟如下：（1）激活電路，雙擊波特圖儀，觀察波特圖儀結(jié)果如圖8-21所示，在頻率為1kHz時(shí)電路發(fā)生諧振，和前面計(jì)算結(jié)果一致。電路發(fā)生諧振后，電容和電感上電壓相位相反，大小相等，因此相互抵消，信號(hào)源電壓全部加到電阻R1上，電阻R1上電壓最大。圖8-21波特圖儀分析結(jié)果（2）雙擊示波器觀察電阻R1和信號(hào)源波形如圖8-22所示，電阻R1上波形和信號(hào)源波形完全一致，說

13、明此時(shí)電路發(fā)生了諧振。此處為便于觀察將電阻R1波形向下偏置了2格。圖8-22諧振時(shí)電阻R1上的波形（3）改變電源頻率為2kHz，重新啟動(dòng)仿真，得到電阻R1上波形如圖8-23所示，電壓幅值明顯降低，說明沒有發(fā)生諧振，電感和電容電壓未相互抵消，并分得了部分信號(hào)源電壓，因此電阻上電壓降低了。圖8-23未發(fā)生諧振時(shí)電阻R1上的波形8.6 測(cè)量三相交流電路功率三相交流電路的功率測(cè)量是在電路學(xué)習(xí)和實(shí)際工程上的常見問題，一般采用瓦特表測(cè)量三相交流電路功率。根據(jù)使用瓦特表的個(gè)數(shù)分為兩瓦法和三瓦法。兩瓦法采用兩只瓦特表測(cè)量三相功率，因?yàn)殡娫措妷簩?duì)稱，瓦特表電壓端只測(cè)量?jī)山M線電壓即可，將兩只瓦特表的電壓公共端接在

14、另外一相上，電流端串聯(lián)入電路即可。三瓦法采用三只瓦特表，將三只瓦特表的電壓公共端接在中性點(diǎn)上，測(cè)量的是三相電路的相電壓，電流端分別串入每相電路中。圖8-24三瓦法測(cè)試電路建立三相功率三瓦法測(cè)試電路如圖8-24所示，將電源接成三相星型連接，電源為三相對(duì)稱電源，幅值相等，相位互差120度。負(fù)載也接成星型，為對(duì)稱純電阻負(fù)載。由于采用三瓦法，因此將每只瓦特表的電壓端的負(fù)接線端子都接在中性點(diǎn)上，正接線端子分別接在A、B、C相上，將每只瓦特表的電流端分別串入A、B、C相中。圖8-25瓦特表讀數(shù)啟動(dòng)仿真開關(guān)，雙擊三個(gè)瓦特表觀察讀數(shù)，瓦特表讀數(shù)都一樣，如圖8-25所示，每相功率都是49.722W，因?yàn)槭羌冸娮?/p>

15、負(fù)載，Power Factor（功率因數(shù)）為1，因此總功率為三相功率之和P=149.166W。雙擊電流表，測(cè)得B相電流表讀數(shù)為0.226A，由于三相負(fù)載和電源都對(duì)稱，故也可以算出總功率P=，和瓦特表測(cè)量結(jié)果幾乎一樣，誤差很小。U 注意：如果此處負(fù)載不是純電阻負(fù)載，功率因數(shù)就不能取1，就不能用電流表來測(cè)量和計(jì)算功率，必須使用瓦特表。將圖8-24換成兩瓦法測(cè)量，觀察結(jié)果如圖8-26所示，兩只瓦特表讀數(shù)之和等于149.16W，它與三瓦法測(cè)試結(jié)果幾乎相等，誤差非常小。因?yàn)殡娫措妷簩?duì)稱，可以證明兩瓦法和三瓦法測(cè)量結(jié)果理論上應(yīng)該是一樣的，但此處產(chǎn)生了微小的誤差，這主要是軟件本身的原因，但這樣小的誤差對(duì)結(jié)果

16、并無(wú)太大的影響。圖8-26兩瓦法測(cè)試電路8.7 測(cè)量二端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)Multisim7中測(cè)量二端口網(wǎng)絡(luò)在某個(gè)頻率下的S參數(shù)、Z參數(shù)、H參數(shù)和Y參數(shù)也是非常方便，只需使用網(wǎng)絡(luò)分析儀（Network Analyzer），并對(duì)其面板上的某些選項(xiàng)進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置即可。下面通過對(duì)圖8-27所示的二端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)在50Hz的頻率下進(jìn)行測(cè)試，說明Multisim7在二端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)測(cè)試中的應(yīng)用，測(cè)試步驟如下：（1）將網(wǎng)絡(luò)分析儀的P1端接二端口網(wǎng)絡(luò)的輸入端，P2端接二端口網(wǎng)絡(luò)的輸出端。（2）雙擊網(wǎng)絡(luò)分析儀，打開控制面板，啟動(dòng)仿真開關(guān)，在默認(rèn)狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置的工作頻率是1MHz。點(diǎn)擊該面板上Settings區(qū)的“S

17、imulation Set”按鈕，彈出測(cè)量參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，在該對(duì)話框修改其其始頻率為1Hz、終止頻率為100Hz、掃描類型為L(zhǎng)inear、掃描點(diǎn)數(shù)為100，得到如圖8-28所示設(shè)置結(jié)果，然后單擊“OK”按鈕。圖8-27二端口網(wǎng)絡(luò)圖8-28網(wǎng)絡(luò)分析儀參數(shù)設(shè)置對(duì)話框（3）重新運(yùn)行仿真開關(guān)，可以看到該二端口網(wǎng)絡(luò)在1Hz時(shí)的Z參數(shù)測(cè)量結(jié)果如圖8-29所示，將網(wǎng)絡(luò)分析儀面板底部的頻率選擇滑塊移動(dòng)，直到頻率為50Hz時(shí)，得到頻率為50Hz時(shí)的Z參數(shù)測(cè)量結(jié)果如圖8-30所示。圖8-29頻率為1Hz時(shí)的Z參數(shù)測(cè)量結(jié)果圖8-30頻率為50Hz時(shí)的Z參數(shù)測(cè)量結(jié)果（4）分別對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析儀控制面板Graph選項(xiàng)區(qū)域中的

18、Param下拉列表中的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行選擇，出現(xiàn)的S參數(shù)、H參數(shù)、Y參數(shù)在頻率為50Hz時(shí)的測(cè)量結(jié)果如圖8-31、8-32、8-33所示。圖8-31頻率為50Hz時(shí)的S參數(shù)測(cè)量結(jié)果圖8-32頻率為50Hz時(shí)的H參數(shù)測(cè)量結(jié)果圖8-33頻率為50Hz時(shí)的Y參數(shù)測(cè)量結(jié)果8.8 本章小結(jié)通過本章的學(xué)習(xí)，主要講述了以下內(nèi)容：l 講述了測(cè)試電阻元件伏安特性的兩種方法，通過伏安法和直流掃描分析測(cè)試。l 對(duì)電路的一些基本定律用Multisim7予以驗(yàn)證和分析，其目的是學(xué)會(huì)在Multisim7里面使用這些基本定律。l 講述了如何在Multisim7里面測(cè)量節(jié)點(diǎn)電壓的方法。l 講述了如何在Multisim7里面測(cè)量觀察RC電路的動(dòng)態(tài)充放電過程。l 對(duì)正弦諧振電路的特性通過仿真進(jìn)行了分析，說明了諧振時(shí)電路特性的變化。l 對(duì)三相交流電路的功率測(cè)量電路進(jìn)行了仿真，說明了在Multisim7里面測(cè)量三相交流電路功率的方法和原理。l 對(duì)二端口網(wǎng)絡(luò)的Z、S、H、Y參數(shù)使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行了測(cè)量，說明了在Multisim7里面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)測(cè)量的方法。8.9 習(xí) 題1、分別用伏安法和直流掃描分析方法測(cè)量如圖8-34所示電路中電阻元件的伏安特性，并將測(cè)試數(shù)據(jù)填入表格。2、做出圖8-35所示電路的戴維蘭與諾頓等效電路，其中RL