上海電力學(xué)院電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)1

1、一、基爾霍夫電流定律的驗(yàn)證1.電路課程設(shè)計(jì)目的（1） 驗(yàn)證基爾霍夫定律的正確性，加深對(duì)基爾霍夫定律的理解。（2） 學(xué)習(xí)使用Multisim仿真軟件進(jìn)行電路模擬。2. 設(shè)計(jì)仿真電路原理與說(shuō)明 基爾霍夫定律是電路的基本定律。測(cè)量某電路的各支路電流及每個(gè)元件兩端的電壓，應(yīng)能分別滿(mǎn)足基爾霍夫電流定律（KCL）和電壓定律（KVL）。即對(duì)電路中的任一個(gè)節(jié)點(diǎn)而言，應(yīng)有；對(duì)任何一個(gè)閉合回路而言，應(yīng)有。運(yùn)用上述定律時(shí)必須注意各支路或閉合回路中電流的正方向，此方向可預(yù)先任意設(shè)定。3. 電路課程設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟電路原理圖如下圖1所示： 圖1列出KCL方程： （1）列出KVL方程： （2） （3）聯(lián)立以上方程，解得，且

2、 如圖2所示，設(shè)計(jì)仿真電路。 圖2 Multisim仿真電路具體步驟：1. 先任意設(shè)定三條支路和三個(gè)閉合回路的電流正方向。2. 分別將兩個(gè)直流穩(wěn)壓源接入電路。3. 接入各個(gè)電阻。4. 接入電流表和電壓表。5. 用直流數(shù)字電壓表分別測(cè)量?jī)陕冯娫醇半娮柙系碾妷褐?，并記錄。接入示波器觀察波形：由于電壓源是直流穩(wěn)壓的，所以示波器的波形是一條直線。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格如下：被測(cè)量I1(A)I2(mA)I3(A)U1(V) U2(V)計(jì)算值O.0168O.7317-0.0175126測(cè)量值0.0170.732-0.01812.0006.000相對(duì)誤差0.00020.00030.000500被測(cè)量UFA(V)U

3、AB(V)UAD(V)UCD(V) UDE(V)計(jì)算值3.3600.3665.250-0.336-3.360測(cè)量值3.3660.3665.268-0.366-3.366相對(duì)誤差0.00600.01800.0064. 誤差分析：理論計(jì)算是理想狀態(tài)的分析結(jié)果，仿真電路比較接近實(shí)際測(cè)量情況。比如，電壓表和電流表都有內(nèi)阻存在，會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生一定的影響。用示波器觀測(cè)短路電流時(shí)，在短路線上串一微小電阻也會(huì)對(duì)測(cè)試產(chǎn)生一定的誤差。 但是我們只要精心準(zhǔn)備仿真試驗(yàn)，盡力減小各種因素的影響，就可以得到較好的仿真結(jié)果。5. 設(shè)計(jì)總結(jié) 由于剛剛接觸Multisim這個(gè)軟件，一開(kāi)始對(duì)軟件的使用還不太熟悉。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中碰到了

4、一些問(wèn)題，不過(guò)經(jīng)過(guò)不斷的修改和重復(fù)，最后問(wèn)題得到了解決。通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我親自驗(yàn)證了基爾霍夫定律的正確性，加深了對(duì)基爾霍夫定律的理解。并且初步學(xué)會(huì)使用Multisim軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)仿真，感覺(jué)收獲很大。在設(shè)計(jì)電路時(shí)一定要細(xì)心謹(jǐn)慎才能做好實(shí)驗(yàn)。二、節(jié)點(diǎn)電壓法的驗(yàn)證1.電路課程設(shè)計(jì)目的（1）驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)電壓法的正確性（2）學(xué)習(xí)使用Multisim仿真軟件進(jìn)行電路模擬。2.設(shè)計(jì)仿真電路原理與說(shuō)明 節(jié)點(diǎn)電壓法以結(jié)點(diǎn)電壓作為未知量，應(yīng)用KCL列出與節(jié)點(diǎn)電壓數(shù)相等的獨(dú)立方程數(shù)，聯(lián)立求解得節(jié)點(diǎn)電壓，然后計(jì)算支路電流等。任意選擇電路中某一節(jié)點(diǎn)作為參考結(jié)點(diǎn)，其余結(jié)點(diǎn)與此參考節(jié)點(diǎn)間的電壓分別稱(chēng)為對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)電壓，節(jié)點(diǎn)電壓

5、的參考極性均以所對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)為正極性端，一參考節(jié)點(diǎn)為負(fù)極性端。使用節(jié)點(diǎn)電壓后，電路中所有的回路均自動(dòng)滿(mǎn)足KVL。所以節(jié)點(diǎn)電壓法中不必再列KVL方程。3. 電路設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟（1） 指定參考節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)間的電壓就是節(jié)點(diǎn)電壓，節(jié)點(diǎn)電壓均以參考節(jié)點(diǎn)為負(fù)極性端。（2） 列出節(jié)點(diǎn)電壓方程。（3） 從節(jié)點(diǎn)電壓法方程解出各節(jié)點(diǎn)電壓，然后求得各支路電流。求如圖1所示電路中，電流源的端電壓以及電壓源支路的電流。 I2I1 圖1由節(jié)點(diǎn)電壓法列出方程： （1） （2） （3） （4） （5）解得,如圖2，設(shè)計(jì)仿真電路圖2通過(guò)仿真測(cè)出的電壓電流值為，和理論計(jì)算結(jié)果一致。觀察示波器電壓波形圖：由于電壓源都是直流

6、的，因此示波器波形圖為兩條直線。4. 誤差分析： 仿真實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值完全一致。誤差為0%。 我們只要精心準(zhǔn)備仿真試驗(yàn)，盡力減小各種因素的影響，就可以得到較好的仿真結(jié)果。5. 設(shè)計(jì)總結(jié) 通過(guò)節(jié)點(diǎn)法這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我對(duì)用軟件設(shè)計(jì)仿真有了進(jìn)一步的了解。我驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)電壓法的正確性，學(xué)習(xí)使用了Multisim仿真軟件進(jìn)行電路模擬。在接仿真電路時(shí)，要注意節(jié)點(diǎn)的放置。由于我在實(shí)驗(yàn)時(shí)的疏忽大意，忘記放置了一個(gè)節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致仿真出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)不同。后來(lái)通過(guò)檢查電路圖才發(fā)現(xiàn)了這一問(wèn)題，并改正了。所以在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)一定要注意這些小細(xì)節(jié)。三、（含受控源）戴維寧定理的驗(yàn)證1. 電路課程設(shè)計(jì)目的（1） 驗(yàn)證戴維寧定理的正確性

7、，加深對(duì)該定理的理解。（2） 掌握測(cè)量二端網(wǎng)絡(luò)等效參數(shù)的一般方法。（3） 學(xué)習(xí)使用Multisim仿真軟件進(jìn)行電路模擬。2. 仿真電路設(shè)計(jì)原理 1.任何一個(gè)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(gè)有源二端網(wǎng)絡(luò)。戴維寧定理指出：任何一個(gè)線性有源網(wǎng)絡(luò)，總可以用一個(gè)電壓源與一個(gè)電阻的串聯(lián)來(lái)等效代替，此電壓源的電動(dòng)勢(shì)等于這個(gè)有源二端網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)路電壓,其等效內(nèi)阻等于該網(wǎng)絡(luò)中所有獨(dú)立源均置零（理想電壓源視為短接，理想電流源視為開(kāi)路）時(shí)的等效內(nèi)阻。和或者和稱(chēng)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(cè)量方法 開(kāi)路電壓、短路電流法測(cè)：在有源二端網(wǎng)絡(luò)輸出端開(kāi)路時(shí)

8、，用電壓表直接測(cè)出其輸出端的開(kāi)路電壓，然后再將其輸出端短路，用電流表測(cè)其短路電流，則等效內(nèi)阻為3. 電路設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟1. 用開(kāi)路電壓、短路電流法測(cè)定戴維寧等效電路的、。按圖接入穩(wěn)壓電源和恒流源，不接入。測(cè)出和，并計(jì)算出。（測(cè)時(shí)，不接入mA表）2. 驗(yàn)證戴維寧定理。用戴維寧定理求如圖所示電路中的電壓。原理電路圖如圖1所示：圖1首先計(jì)算 求 （1） （2）聯(lián)立（1）、（2）得 ,計(jì)算等效電阻 按下圖2接仿真電路，測(cè)圖2觀察電壓表示數(shù)可知開(kāi)路電壓，和計(jì)算值一致。由于電路開(kāi)路，此時(shí)受控電壓源不作用。按圖3接仿真電路，從而測(cè)圖3觀察電流表示數(shù)可知，和計(jì)算值一致。由于電路短路，因此按圖2接好電路就可測(cè)得

9、。用戴維寧定理等效電路后，按圖4連接仿真電路，測(cè)得。圖4觀察萬(wàn)用表電壓示數(shù)可知，和計(jì)算值一致。觀察示波器的波形圖：由于電壓源是直流穩(wěn)壓的，所以示波器的波形是一條直線。4. 誤差分析 仿真實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值完全一致。誤差為0%。 我們只要精心準(zhǔn)備仿真試驗(yàn)，盡力減小各種因素的影響，就可以得到較好的仿真結(jié)果。5. 設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，我驗(yàn)證了戴維寧定理的正確性，加深了對(duì)該定理的理解，掌握了測(cè)量有源二端網(wǎng)絡(luò)等效參數(shù)的一般方法。在設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，由于電路含有一個(gè)電流控制電壓源，我對(duì)受控源的仿真接線有了一定了解。在仿真時(shí)，由于要測(cè)電路的開(kāi)路電壓和短路電流，又含有受控源，電路較為復(fù)雜。我在接受控源的時(shí)候沒(méi)有

10、注意正負(fù)方向，造成了一些錯(cuò)誤，無(wú)法得出正確結(jié)果，耽誤了不少時(shí)間。這讓我懂得了不管是在真實(shí)實(shí)驗(yàn)還是仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)都要在理解的基礎(chǔ)上謹(jǐn)慎小心，注意好每一個(gè)小細(xì)節(jié)，才能提高準(zhǔn)確度和效率。4、 運(yùn)算放大器電路輔助分析1.電路課程設(shè)計(jì)目的（1）理解運(yùn)算放大器電路模型，了解典型運(yùn)算放大器電路的功能，加深對(duì)運(yùn)算放大器的理解。（2）掌握理想運(yùn)算放大器的特點(diǎn)和分析方法。（3）學(xué)習(xí)使用Multisim仿真軟件進(jìn)行電路模擬。2.設(shè)計(jì)仿真電路原理與說(shuō)明運(yùn)算放大器簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)放，是一種體積很小的集成電路器件。一般放大器的作用是把輸入電壓放大一定倍數(shù)后再輸送出去，其輸出電壓與輸入電壓的比值稱(chēng)為電壓放大倍數(shù)或電壓增益。理性運(yùn)放的特點(diǎn)

11、：根據(jù)理想運(yùn)放的特點(diǎn)，可以得到以下兩條規(guī)則。（1） “虛斷”：由于理想運(yùn)放，則，故輸入端口的電流約為零，可近似視為斷路，稱(chēng)為“虛斷”。（2） “虛短”：由于理想運(yùn)放，為有限量，則，即兩輸入端電壓約等于零，可近似視為短路，稱(chēng)為“虛短”。 在分析含理想運(yùn)算放大器的電阻電路時(shí)，若理想運(yùn)算放大器工作在線性狀態(tài)，“虛斷”和“虛短”這兩條規(guī)則是同時(shí)滿(mǎn)足的。利用以上兩條規(guī)則，可使問(wèn)題得到極大的簡(jiǎn)化。分析含理想運(yùn)算放大器電阻電路，一般采用節(jié)點(diǎn)法，或根據(jù)KCL列寫(xiě)方程。運(yùn)算放大器輸入端直接連接的節(jié)點(diǎn)，一般不列KCL方程。3. 電路設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟按圖1所示設(shè)計(jì)電路。如圖所示運(yùn)算放大器電路，已知，求輸出電壓。 圖1

12、由運(yùn)算放大器“虛斷”，“虛短”可得方程 （1） （2）計(jì)算得電路仿真結(jié)果如圖2 圖2觀察電壓表可知，與計(jì)算結(jié)果一致。如下圖觀察示波器的波形圖： 圖3由于電壓源是直流穩(wěn)壓的，所以示波器的波形是一條直線。4. 誤差分析 仿真實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值完全一致。誤差為0%。 我們只要精心準(zhǔn)備仿真試驗(yàn)，盡力減小各種因素的影響，就可以得到較好的仿真結(jié)果。5.設(shè)計(jì)總結(jié) 通過(guò)該理想運(yùn)算放大器的實(shí)驗(yàn)，我理解了運(yùn)算放大器電路模型，了解典型運(yùn)算放大器電路的功能，加深了對(duì)運(yùn)算放大器的理解。掌握了理想運(yùn)算放大器的特點(diǎn)和分析方法，以及“虛斷”和“虛短”的概念。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我嘗試了多次都沒(méi)有做出正確結(jié)果，但我沒(méi)有放棄。通過(guò)請(qǐng)教老師

13、和同學(xué)以及自己的觀察，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題出在放大器的元件找錯(cuò)了。所以我們?cè)谠囼?yàn)中一定要學(xué)會(huì)堅(jiān)持，不要放棄。我覺(jué)得通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我對(duì)Multisim仿真軟件的了解又進(jìn)了一步。5、 串聯(lián)諧振電路的研究1.電路課程設(shè)計(jì)目的（1）掌握電路發(fā)生諧振的條件（2）加深理解電路發(fā)生諧振的條件及諧振電路的特點(diǎn)。（3）學(xué)習(xí)使用Multisim仿真軟件進(jìn)行電路模擬。2.設(shè)計(jì)仿真電路原理與說(shuō)明（1）諧振頻率發(fā)生諧振時(shí)滿(mǎn)足,則RLC諧振角頻率和諧振頻率分別是 由式可看到，調(diào)節(jié)的任一參數(shù)，只要滿(mǎn)足上述關(guān)系，就會(huì)發(fā)生諧振。 可見(jiàn)，諧振僅與有關(guān)。（2） 復(fù)阻抗可見(jiàn)，諧振時(shí)復(fù)阻抗的模最小，即。（3） 特性阻抗和品質(zhì)因數(shù)僅與電路參數(shù)有關(guān)。

14、反應(yīng)電路選擇性能好壞的指標(biāo)，也僅與電路參數(shù)有關(guān)。（4） 諧振電流大小為,可見(jiàn)，諧振時(shí)電流值最大。3. 電路設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟 電路諧振條件驗(yàn)證方法： 這里有幾種方法可以觀察電路發(fā)生串聯(lián)諧振：（1）利用電壓表測(cè)量電感元件和電容元件的電壓值，兩者相等時(shí)即為串聯(lián)諧振。（2）利用示波器觀察電源電壓與電阻兩端電壓的波形，兩者同相即為串聯(lián)諧振。2RLC串聯(lián)諧振電路的特點(diǎn)RLC串聯(lián)諧振電路有幾個(gè)主要特征：（1）諧振時(shí)，電路為阻性，阻抗最小，電流最大?？稍陔娐分写胍浑娏鞅?，在改變電路參數(shù)的同時(shí)觀察電流的讀數(shù)，并記錄，測(cè)試電路發(fā)生諧振時(shí)電流是否為最大。（2）諧振時(shí)，電源電壓與電流同相。這可以通過(guò)示波器觀察電源電壓

15、和電阻負(fù)載兩端電壓的波形中否同相得到。（3）諧振時(shí)，電感電壓與電容電壓大小相等，相位相反。這可以通過(guò)示波器觀察電感和電容兩端的波形是否反相得出，還可用電壓表測(cè)量其大小。3在Miltisim的電路工作區(qū)按圖連接電路。4根據(jù)自己設(shè)計(jì)的參數(shù)并選擇合適的方法驗(yàn)證串聯(lián)諧振條件。5根據(jù)上述給出的方法或自行設(shè)計(jì)的方法驗(yàn)證串聯(lián)諧振的條件。RLC串聯(lián)電路圖如圖1所示： 圖1已知,，電路處于串聯(lián)諧振狀態(tài)。 圖2 利用示波器觀察諧振：利用示波器觀察相位相反：當(dāng)電路發(fā)生諧振時(shí)，或 （諧振條件）RLC串聯(lián)電路諧振時(shí)，電路的阻抗最小，電流最大；電源電壓與電流同相；諧振時(shí)電感兩端電壓與電容兩端電壓大小相等，相位相

16、反。4. 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 1.使用Multisim時(shí)注意選擇適當(dāng)?shù)姆抡鎯x表量程。2注意仿真儀表的接線是否正確。3每次要通過(guò)按下操作界面右上角的“啟動(dòng)/停止開(kāi)關(guān)”接通電源，或者暫停來(lái)觀察波形。4使用示波器時(shí)要注意選擇合適的時(shí)間和幅值來(lái)觀察波形。5.設(shè)計(jì)總結(jié) 我設(shè)計(jì)的電容和電感元件參數(shù)分別為1mF和0.1mH。通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)，我掌握了電路發(fā)生諧振的條件為或，加深理解了諧振電路的特點(diǎn)，并且進(jìn)一步掌握了使用Multisim仿真軟件進(jìn)行電路模擬的方法。在實(shí)驗(yàn)中，我發(fā)現(xiàn)對(duì)題目的設(shè)計(jì)是非常重要的，如果題目設(shè)計(jì)得不好，則也很難仿真出想要的結(jié)果。經(jīng)過(guò)多次嘗試，我終于得到了一組比較合適的數(shù)值。同時(shí)，在仿真中，合理選擇

17、示波器的單位格時(shí)間和幅值也是十分重要的，直接影響著觀測(cè)結(jié)果。六、三相交流穩(wěn)態(tài)電路輔助分析1. 電路課程設(shè)計(jì)目的（1） 掌握三相負(fù)載作星形聯(lián)接、三角形聯(lián)接的方法，驗(yàn)證這兩種接法下線、相電壓及線、相電流之間的關(guān)系。（2）學(xué)習(xí)使用Multisim仿真軟件進(jìn)行電路模擬。2.仿真電路設(shè)計(jì)原理 三相負(fù)載可接成星形（又稱(chēng)“Y”接）或三角形（又稱(chēng)“”接）。當(dāng)三相對(duì)稱(chēng)負(fù)載作Y形聯(lián)接時(shí)，線電壓是相電壓的倍。線電流等于相電流，即在這種情況下，流過(guò)中線的電流，所以可以省掉中線。當(dāng)對(duì)稱(chēng)三相負(fù)載作形聯(lián)接時(shí)，有。3. 電路設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟對(duì)稱(chēng)三相電路如圖所示，已知：對(duì)稱(chēng)線電壓為，求負(fù)載端的線電流和線電壓。該電路可以先將三角形

18、負(fù)載等效為星形負(fù)載，如圖2(a)所示，其中圖1因?yàn)閷?duì)稱(chēng)，可以先計(jì)算其中一相。令,可得到圖2（b）所示的A相計(jì)算電路。于是線電流所以 圖2(a) 圖2 (b)由圖2（b）可求得負(fù)載端的相電壓所以負(fù)載端的線電壓線電流與相電壓測(cè)量結(jié)果：觀察交流電流表、交流電壓表得,。電源端線電壓與負(fù)載端線電壓相位差角：電源端相電壓與負(fù)載端相電壓相位差角：4. 誤差分析理論計(jì)算結(jié)果與仿真測(cè)量結(jié)果有一定的誤差。主要原因有：（1）理論計(jì)算是理想狀態(tài)的分析結(jié)果，仿真電路比較接近實(shí)際測(cè)量情況。比如，電壓表和電流表都有內(nèi)阻存在，會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生一定的影響。用示波器觀測(cè)短路電流時(shí)，在短路線上串一微小電阻也會(huì)對(duì)測(cè)試產(chǎn)生一定的誤差；（2）觀測(cè)誤差；我們通過(guò)觀測(cè)開(kāi)路電壓和短路電流波形的起始點(diǎn)的時(shí)間差計(jì)算相位差，由于肉眼觀測(cè)必然會(huì)存在讀數(shù)誤差，從而引起的觀測(cè)誤差。 但是我們只要精心準(zhǔn)備仿真試驗(yàn)，盡力減小各種因素的影響，就可以得到較好的仿真結(jié)果。5. 設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，我掌握了三相負(fù)載作星形聯(lián)接、三角形聯(lián)接的方法，驗(yàn)證這兩種接法下線、相電壓及線、相電流之間的關(guān)系，并且學(xué)習(xí)使用了Multisim仿