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文檔簡介
1、實(shí)用文檔4.1 仿真設(shè)計(jì)1、用網(wǎng)孔法和節(jié)點(diǎn)法求解電路。如圖4.1-1所示電路: EMBED Equation.DSMT4 _+_+圖4.1-1i(a) 用網(wǎng)孔電流法計(jì)算電壓u的理論值。(b) 利用multisim進(jìn)行電路仿真,用虛擬儀表驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。(c) 用節(jié)點(diǎn)電位法計(jì)算電流i的理論值。(d) 用虛擬儀表驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。解:電路圖:(a)i1=2 解得 i1=25i2-31-i3=2 i21i3=-3 i3=-3 u=2 v(b)如圖所示:(c)列出方程4/3 U1- U2=2 解得 U13 v U2=2 v2U1- U2=2 i=1 A結(jié)果:計(jì)算結(jié)果與電路仿真結(jié)果一致。結(jié)論分析:理論值與仿真
2、軟件的結(jié)果一致。2、疊加定理和齊次定理的驗(yàn)證。21242A3u+4V-+u-圖4.1-2如圖4.1-2所示電路:(a)使用疊加定理求解電壓u的理論值;(b)利用multisim進(jìn)行電路仿真,驗(yàn)證疊加定理。(c)如果電路中的電壓源擴(kuò)大為原來的3倍,電流源擴(kuò)大為原來的2倍,使用齊次定理,計(jì)算此時(shí)的電壓u;(d)利用multisim對(c)進(jìn)行電路仿真,驗(yàn)證齊次定理。電路圖:(a)I1=27 I2-2 I1- I3=03 I3- I2-2 I4=0 解得 U1=7(V) I4=-3 U1U1=2(I1- I2)如圖所示電壓源單獨(dú)作用時(shí)根據(jù)網(wǎng)孔法列方程得:3 I1-2 I2- I3=4I2=-3 U2
3、7 I3 - I1=0 解得 U2=9(V) U2=4-2 I3所以 U= U1+ U2=16(V)(b)如圖所示。(c)根據(jù)齊次定理,U=2U1+3U2=14+27=41 v(d)結(jié)果:理論值與仿真電路計(jì)算的值一樣。結(jié)論分析:齊次定理和疊加定理成立。三、替代定理的驗(yàn)證。(a)求R上的電壓u和電流I的理論值;(b)利用multisim進(jìn)行電路仿真,分別用相應(yīng)的電壓源u和電流源I替代電阻R,分別測量替代前后支路1的電流i1和支路的電壓u2,驗(yàn)證替代定理。電路圖:(a)如圖3-1所示根據(jù)網(wǎng)孔法列方程得:4 I1-2 I2- I3=2 5 I2-2 I1= -6 3 I3- I1=6 解得: I1=
4、0.588(A) I2= -0.977(A)I3 =2.186(A) I= I3=2.186(A) U=2I=4.372(V) U2= -3 I2=2.931(V)(b)分別用電壓源和電流源代替。 結(jié)果:替代前后,電路的各個(gè)數(shù)值沒變。結(jié)論分析:替代前后結(jié)果一致,替代定理成立。四、測圖4.1-4電路中N1 N2的戴維南等效電路圖的參數(shù),并根據(jù)測得參數(shù)搭建其等效電路;分別測量等效前后外部電流I,并驗(yàn)證是否一致。 電路圖:戴維南等效后結(jié)果:等效前后,外電路的電流不變。結(jié)論分析:戴維南等效,等效前后,外電路不變。五、設(shè)計(jì)一階動(dòng)態(tài)電路,驗(yàn)證零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)齊次性。如下圖所示電路,t<0時(shí),S
5、位于“1”,電路以達(dá)穩(wěn)態(tài)。今于t=0時(shí)刻S由“1”閉合至“2”。(a)計(jì)算t>0時(shí)的電壓U1x(t), U1f(t)理論值,并合理搭建求解時(shí)所需仿真電路圖。(b)若Us改為16V,重新計(jì)算U1x(t)理論值。并用示波器觀察波形。找出此時(shí)U1x(t)與(a)中U1x(t)的關(guān)系。(c)Us仍為8V,Is改為2A,重新計(jì)算U1f(t)理論值。并用示波器觀察波形。找出此時(shí)U1f(t)與(a)中U1f(t)的關(guān)系。(d)若Us改為24V,Is改為8A,計(jì)算U1(t)全響應(yīng)。電路圖:當(dāng)t=0-時(shí)零輸入響應(yīng)()戴維南等效電阻(a)、計(jì)算過程:當(dāng)t>0零輸入時(shí)刻電容相當(dāng)于一個(gè)電壓源,在t<
6、0時(shí),Uc(0-)=-4v;所以Uc(0+)=-4v;此時(shí)當(dāng)開關(guān)位于2時(shí),電流源開路,此時(shí)由換路定理有Uc(0-)=Uc(0+)U1x(0+)=Uc(0+)/(3/6+2);從而解得U1x(0+)=-2v; 當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),電容放電完畢,此時(shí)U1x()=0v; 所以零輸入時(shí)刻為U1x(t)=-2 e-250t ;(t>=0)當(dāng)t>0時(shí),零狀態(tài)時(shí)刻電容相當(dāng)短路,此時(shí)有U1f(0+)=Is* 【 (2/6) / (3/6/2) 】; 解得 U1f (0+)=4v;當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),電容相當(dāng)于開路此時(shí)有 U1*(1/3+1/6)=4;解得U1f()=8v;所以電路的零狀態(tài)響應(yīng)為U1f(
7、t)=8-4 e-250t;(t>=0)(b)、若Us改為16v,重新計(jì)算U1x(t)理論值。并觀察示波器的波形,找出此時(shí)U1x(t)與(a)中U1x(t)的關(guān)系。 解:當(dāng)Us=16v,所得Uc(0+)=-8v; 根據(jù)齊次定理解得 U1x(0+)=-4v;當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)Uc()=0v; 所以當(dāng)Us改為16v時(shí)U1x(t)=-4 e-250t;(t>=0)(c)Us仍為8V,Is改為2A,重新計(jì)算U1f(t)理論值。并用示波器觀察波形。找出此時(shí)u1f(t)的關(guān)系;解:當(dāng)電流源改為2A時(shí),此時(shí)有U1f(0+)=Is* 【 (2/6) / (3/6/2) 】; 解得 U1f(0+)=2
8、v;當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)此時(shí)有 U1f()* (1/3+1/6)=2;解得U1f()=4v;綜上所述可得到U1f(t)=4-2 e-250t;(t>=0)(d)、若Us改為24v,Is改為8A,計(jì)算U1(t)全響應(yīng)。 解:因?yàn)闈M足齊次性,所以得到U1x(t)=-6 e-250t;(t>=0) U1f(x)=16-8 e-250t;(t>=0) 根據(jù)戴維南等效的Req=4;所以t=Rc=0.004; 帶入三要素公式得到 U1(t)=16-14 e-250t;(t>=0)結(jié)果:滿足零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)的齊次性;結(jié)論分析:零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)的齊次性成立。六、計(jì)算從下圖 a,
9、b端看入的戴維南等效電路理論值,搭建仿真電路,測量驗(yàn)證理論值是否正確。電路圖:戴維南等效后,電路如圖:計(jì)算:Roc=(R1/R5+R2)/R4=10 由節(jié)點(diǎn)法 (1/20+1/20+1/10)U1-(1/10)Uoc=50/20; -(1/10)U1+(1/10+1/20)Uoc=50/20解得 Uoc=37.5V;結(jié)果:戴維南等效前后,電阻的電壓不變。結(jié)論分析:戴維南等效后,電路與原電路等效。七、如圖所示電路,設(shè)毫安表內(nèi)阻為零,已知各毫安表計(jì)讀數(shù)依次為40mA、80mA、50mA,求總電流I。仿真電路值計(jì)算(所用值都為有效值):R1=U/i1=10/0.04=250;L=U/i2=10/(5
10、0*0.08)=0.398;C=i3/U=0,05/(10*50)=15.9uF理論值計(jì)算:I=0.04+0.08900+0.05-900=0.04+0.03j最終I的有效值為:I=50mA結(jié)論分析:在正弦穩(wěn)態(tài)激勵(lì)下基爾霍夫電流定律仍然成立。 八、如下圖所示一階動(dòng)態(tài)電路,在t<0時(shí)開關(guān)位于“1”,電路已達(dá)到穩(wěn)態(tài)。t=0時(shí)開關(guān)閉合到“2”。(a)用三要素法求解t>=0時(shí),I1的完全響應(yīng)的理論值。(b)用實(shí)驗(yàn)仿真的方法求出三要素,從而求解I1的完全響應(yīng),并用示波器顯示相應(yīng)的波形。電路圖:()、設(shè)路端電壓為Uoc,則 Uoc=-2i3+6i1; 3i2=-6i1; i2=i1+i3; 解
11、得Req=Uoc/-i3=5歐姆; 于是 t=Req*C=0.1*5=0.5;所以i1的完全響應(yīng)為 i(t)=2/3(1-e-2t) ;(t>=0)(b)波形結(jié)果:仿真結(jié)果和計(jì)算結(jié)果相符結(jié)論分析:三要素法適用于解決直流電源作用下的一階電路響應(yīng)。九、設(shè)計(jì)積分電路,要求合理設(shè)置元件參數(shù),使輸入占空比為50的方波時(shí),穩(wěn)態(tài)輸出為三角波,觀察電路工作過程。電路圖:結(jié)論分析:由于電容對電流有記憶作用,電容兩端的電壓就等于電流對時(shí)間的積分,當(dāng)輸入占空比為0的電流方波時(shí),積分就會(huì)出現(xiàn)如圖所示的電壓波形。綜合設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)1:設(shè)計(jì)二極管整流電路。條件:輸入正弦電壓,有效值220v,頻率50Hz;要求:輸出直流電
12、壓20電路圖:結(jié)論分析:根據(jù)二極管的單向?qū)ㄔ?,?dāng)電路按照如圖所示輸入時(shí),經(jīng)二極管的整流作用后,00電阻上端總是為正極,下端為負(fù)極,且輸出電壓值恒定,即達(dá)到了輸出直流電壓的目的。設(shè)計(jì)2:設(shè)計(jì)風(fēng)扇無損調(diào)速器。條件:風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與風(fēng)扇電機(jī)的端電壓成正比;風(fēng)扇電機(jī)的電感線圈的內(nèi)阻為200歐姆,線圈的電感系數(shù)為500mH。風(fēng)扇工作電源為市電,即有效值220V,頻率50Hz的交流電。要求:無損調(diào)速器,將風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由最高至停止分為4檔,即0,1,2,3檔,其中0檔停止,3檔最高。電路圖:結(jié)論分析:當(dāng)開關(guān)(從左向右)依次置于圖示位置時(shí),電扇上的電壓依次增大,即從左向右為0,1,2,3檔,從而實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)風(fēng)扇風(fēng)俗的作用。設(shè)計(jì)3:設(shè)計(jì)1階RC濾波器。 條件:一數(shù)字電路的工作時(shí)鐘為5MHz,工作電壓5V。但是該數(shù)字電路的+5v電源上存在一個(gè)100MHz的高頻干擾。 要求:設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的RC電路,將高頻干擾濾除。電路圖:結(jié)論分析:電容有通高頻的作用,當(dāng)電路中有高頻干擾時(shí),可在電路中接近電源的地方加一小電容,即可將高頻干擾濾過,得到我們想要的工作電壓。設(shè)計(jì)10、設(shè)計(jì)一個(gè)指示燈變換電路,要求輸入信號源為占空比為25%
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