電工電子技術(shù) 課件 1任務(wù)二 基于Multisim的手電筒電路的仿真

任務(wù)二、基于Multisim的手電筒電路的仿真電工電子技術(shù)

黃燕華任務(wù)導(dǎo)學(xué)工程中經(jīng)常需要測量電路中電流的大小或某元器件的端電壓，通過查找電流、電壓的測量案例，思考在測量電流、電壓時儀表應(yīng)如何接線，以及是否需要考慮正、負(fù)極性。

任務(wù)導(dǎo)學(xué)在直流電路中要測量電路中的電壓應(yīng)將儀表并聯(lián)在電路中，要測量電流應(yīng)將儀表串聯(lián)在電路中，對于指針式儀表需要主要儀表的正負(fù)極性，否則指針偏擺方向?qū)⑾喾?，對于?shù)字式儀表則會出現(xiàn)測量結(jié)果正負(fù)號不同的問題。任務(wù)情境基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真軟件(簡稱Ｍｕｌｔｉｓｉｍ)繪制任務(wù)一中的手電筒電路模型并進(jìn)行仿真分析，測出白熾燈的端電壓和流過白熾燈的電流，觀察電位器改變時白熾燈亮度的變化情況，記錄過程中的數(shù)據(jù)，根據(jù)電路中電參數(shù)的大小和方向總結(jié)白熾燈的伏安特性。然后，更改直流電源的方向，觀察萬用表的測量值將如何變化。任務(wù)實施１)根據(jù)圖１-１６ａ所示手電筒電路的電路原理圖，基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ構(gòu)建仿真電路，進(jìn)行仿真接線，完成圖１-１６ｂ。2）圖１-１７所示為Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真軟件中的萬用表。寫出其測量模式和參數(shù)類型，完成表１-１和表１-２。圖1-17Multisim中萬用表示意圖電參數(shù)AVΩdB被測電參數(shù)

表1-1Multisim中萬用表電參數(shù)的含義交/直流模式~－被測模式

表1-2Multisim中萬用表交/直流模式選擇３)應(yīng)用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ中萬用表測量電參數(shù)時，如何選擇其測量模式和參數(shù)類型，寫出操作步驟。圖１-１８所示的萬用表ＸＭＭ１和ＸＭＭ２分別表示對什么電參數(shù)進(jìn)行測試?圖1-18Multisim中萬用表的測量模式和參數(shù)類型的選擇４)根據(jù)仿真結(jié)果完成表１-３，表中Ｕ１為白熾燈Ｘ的端電壓，Ｉ為流過白熾燈的電流，α為電位器的調(diào)節(jié)增量(０~１００％)。開關(guān)狀態(tài)電位器調(diào)節(jié)增量ɑ白熾燈的端電壓Ｕ１/Ｖ流過白熾燈的電流Ｉ/ｍＡ斷開50%

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表1-3基于Multisim的手電筒電路的電壓、電流仿真參數(shù)記錄表５)觀察調(diào)節(jié)電位器時白熾燈的亮滅變化情況，并總結(jié)規(guī)律。６)總結(jié)白熾燈的端電壓Ｕ1和流過的電流Ｉ與電位器調(diào)節(jié)增量α的變化之間的關(guān)系(提示:從電參數(shù)大小進(jìn)行分析)。７)總結(jié)該手電筒電路中的電壓和電流之間的數(shù)值關(guān)系(提示:從兩種電參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析)。８)通過仿真數(shù)據(jù)總結(jié)電路中各元器件的電壓之間的關(guān)系，用數(shù)學(xué)公式表示(假設(shè)直流電壓源用Ｅ表示，白熾燈等效電阻Ｒ的端電壓為Ｕ１，電路中流過的電流為Ｉ，各參數(shù)的參考方向已在圖１-１９中標(biāo)出)。圖1-19手電筒電路中各參數(shù)符號及參考方向９)僅更改直流電源的方向，如圖１-２０所示，保持萬用表的接線不變，重新記錄仿真中的參數(shù)，填入表１-４。圖1-20僅更改直流電源方向后的手電筒電路開關(guān)狀態(tài)電位器調(diào)節(jié)增量ɑ白熾燈的端電壓Ｕ１/Ｖ流過白熾燈的電流Ｉ/ｍＡ斷開50%

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表1-4更改直流電源方向后電壓、電流參數(shù)記錄表１０)分析更改直流電源方向后的電路仿真結(jié)果，總結(jié)規(guī)律并說明結(jié)果變化的原因(提示:從電流、電壓的方向進(jìn)行分析)。１１)電路中電流、電壓的實際方向如何確定?１２)根據(jù)歐姆定律、串聯(lián)回路方程，求解圖１-１９中電阻Ｒ的端電壓Ｕ１、電位器ＲＰ的端電壓Ｕ２、回路中的電流I完成表１-５。圖1-19理想化電路模型中各元器件的電參量符號和方向名稱計算公式計算結(jié)果(ＲＰ中α＝５０％)串聯(lián)回路中各元器件之間的電壓方程

電路中電流I

電阻R兩端電壓U1

電位器RP兩端電壓U2

表１-５手電筒電路中各電參數(shù)的計算公式及結(jié)果１３)將ＲＰ中α＝５０％時各電參數(shù)的仿真結(jié)果填入表１-６中，與表１-５中的計算結(jié)果進(jìn)行對比。直流電源電E電流I電阻R電壓U1電位器RP電壓U2

表1-6理想化電路模型中各元器件的電參數(shù)１４)根據(jù)圖１-２０，計算直流電源Ｅ、電阻Ｒ和電位器ＲＰ的功率，指出各元器件是吸收功率還是釋放功率，完成表１-７，驗證回路中功率是否守恒。元器件名稱功率計算公式功率大小吸收功率還是釋放功率電壓源E

電阻R

電位器RP

結(jié)論：表1-7直流電路中各元器件的功率計算表知識鏈接一、電流的參考方向二、電壓的參考方向三、電流、電壓的關(guān)聯(lián)參考方向四、電功率

五、Multisim軟件中萬用表的使用

一、電流的參考方向電工電子技術(shù)

黃燕華電流的參考方向電流單位：安培（A

）電流的實際方向

正電荷的運動方向。帶電微粒有規(guī)則地定向運動形成電流。直流電流電流的方向和大小都不隨時間變化。在電流可能的兩個實際方向中，任選一個作為標(biāo)準(zhǔn)（參考），并用箭頭標(biāo)出。當(dāng)電流I的實際方向與之相同時，I為正值；反之，I是負(fù)值。電流的參考方向又稱為假定正方向或正方向。是確定電流實際方向的一種方法、手段。I＞0一段電路電流的實際方向為未知規(guī)定的參考方向與實際方向相同，I＞0；反之，I＜0。規(guī)定其參考方向如圖示(紅色箭頭表示)I實際方向I實際方向I＜0參考方向與代數(shù)量結(jié)合，即可確定電流的實際方向。I＞0實際方向I實際方向II＜0結(jié)論相對于電流的參考方向（標(biāo)準(zhǔn)），電流I是一個代數(shù)量。表明該支路電流實際方向與圖示參考方向相同。例RI表明該支路電流實際方向與圖示參考方向相反。未標(biāo)出電流的參考方向，電流的正、負(fù)值沒有意義。若計算得到I=1.5A

若計算得到I=--1.5A分析、計算電路首先要在電路圖中標(biāo)出參考方向。二、電壓的參考方向電工電子技術(shù)

黃燕華電壓是衡量電場力推動正電荷運動,對正電荷作功能力的物理量。電壓的參考方向單位：伏（V）+-UAB電路中A、B兩點之間的電壓在數(shù)值上等于電場力把單位正電荷自A點移動到B點所做的功。A、B兩點之間的電壓高電位點A低電位點B電場力推動正電荷沿電壓的實際方向運動,對正電荷做正功。電位逐點降低，消耗電能。電壓的參考方向自假設(shè)的高電位點指向低電位點。電壓的實際方向與電壓的參考方向一致，為正值；反之，為負(fù)值。確定參考方向之后，電壓是代數(shù)量。UAB+--AB電壓的實際方向自高電位點指向低電位點用“+”、“--”分別表示假設(shè)的高電位點和低電位點。用雙下標(biāo)字母表示，如UAB，第一個字母A表示假設(shè)的高電位點，第二個字母B表示假設(shè)的低電位點。+--AB電壓參考方向的表示方法UABUAB+--AB如果計算出的UAB＞0,則電壓的實際方向與參考方向相同,A點是高電位點,B點是低電位點。如果計算出的UAB＜0,則電壓的實際方向與參考方向相反,B點是高電位點,A點是低電位點。+--+--+--U1U2U3I3I2I1AB例題已知:

U1=－10V，求電壓的實際方向。解：電壓的實際方向(B點是高電位點,A點是低電位點)。

三、電壓、電流的關(guān)聯(lián)參考方向電工電子技術(shù)

黃燕華電壓、電流的關(guān)聯(lián)參考方向ABAB關(guān)聯(lián)參考方向關(guān)聯(lián)參考方向電流的參考方向與電壓降的參考方向一致。IU+--IU+--非關(guān)聯(lián)參考方向電阻元件U+--ABIRU+--ABIR非關(guān)聯(lián)參考方向。關(guān)聯(lián)參考方向。BAUI+--例關(guān)聯(lián)參考方向與非關(guān)聯(lián)參考方向是對于某一段確定電路來說的。在圖示參考方向下對于元件A來說，所在支路參考電壓、參考電流是對于元件B來說，所在支路參考電壓、參考電流是圖示電路例題在圖示參考方向下，哪些是非關(guān)聯(lián)參考方向，哪些是關(guān)聯(lián)參考方向？+--+--+--U1U2U3I3I2I1AB123—AB+I1U11AB+I2U2—2U3、I3非關(guān)聯(lián)參考方向U1、I1—AB+I3U33關(guān)聯(lián)參考方向

U2、I2四、電功率電工電子技術(shù)

黃燕華一段電路或某一電路元件在單位時間內(nèi)所吸收（消耗）或提供（產(chǎn)生）的電能稱為電功率。在直流電路中電功率在國際單位制中，功率的單位是瓦［特］（W）。1瓦（W）功率等于每秒吸收或提供1焦［耳］（J）的能量。相對于確定的參考方向，U和I都有可能是正值或負(fù)值，所以用公式1-6算出的電功率P可能是正值，也可能是負(fù)值。以圖1-23所示電路為例，當(dāng)電流I和電壓U為關(guān)聯(lián)參考方向時，若計算得出的P為正值，則表明這一段電路是吸收電功率的。這是因為P為正值，必然是U、I同為正或同為負(fù)。物理意義是這時電流(正電荷)在電場力作用下從高電位點流向低電位點，是電場力做功，將電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量。反之，在電流I和電壓U為關(guān)聯(lián)參考方向時，若計算得出的P為負(fù)值，則表明這一段電路是提供電功率。圖1-23電流、電壓的關(guān)聯(lián)參考方向與非關(guān)聯(lián)參考方向根據(jù)以上分析，我們可以得出以下結(jié)論：當(dāng)電流I和電壓U為關(guān)聯(lián)參考方向時，計算得出的P為正值，該段電路就是吸收電功率的。反之，計算得出的P是負(fù)值，則表明該段電路就是提供電功率的。當(dāng)電流I和電壓U取非關(guān)聯(lián)參考方向時，計算得出的P是正值，這一段電路是提供電功率的。反之，計算得出的P是負(fù)值，則表明這一段電路是吸收電功率的。因為關(guān)聯(lián)參考方向和非關(guān)聯(lián)參考方向的UI乘積只差一個“負(fù)”號，加上“負(fù)”號后即可將非關(guān)聯(lián)參考方向轉(zhuǎn)換為關(guān)聯(lián)參考方向。五、Multisim軟件中萬用表的使用電工電子技術(shù)

黃燕華Multisim14.0提供的普通虛擬數(shù)字萬用表外觀與實際的萬用表相似，但測量面板的操作更加方便、靈活，測試功能更加強大。圖數(shù)字萬用表圖標(biāo)及面板數(shù)字萬用表可以用來測電流A、電壓V、電阻Ω和分貝值dB等電參量，還可以對直流信號或交流信號進(jìn)行測量，并根據(jù)被測參數(shù)的大小自動修正量程。在Multisim14.0仿真軟件中，可以通過設(shè)置虛擬數(shù)字萬用表的內(nèi)部參數(shù)來真實地模擬實際儀表的測量結(jié)果。在功能設(shè)置區(qū)有7個按鈕，當(dāng)需要選擇某項功能時，只需單擊相應(yīng)的按鈕即可。1）A（電流檔）：測量電路中某支路的電流。測量時，數(shù)字萬用表應(yīng)串聯(lián)在待測支路中。用作電流表時，數(shù)字萬用表的內(nèi)阻非常?。?nΩ)。2）V（電壓檔）：測量電路兩節(jié)點之間的電壓（某段電路端電壓）。測量時，數(shù)字萬用表應(yīng)與兩節(jié)點并聯(lián)。用作電壓表時，數(shù)字萬用表的內(nèi)阻非常高，可以達(dá)到1GΩ。3）Ω（歐姆檔）：測量電路兩節(jié)點之間的電阻。被測節(jié)點與節(jié)點之間的所有元件當(dāng)作一個“元件網(wǎng)絡(luò)”。測量時，數(shù)字萬用表應(yīng)與“元件網(wǎng)絡(luò)”并聯(lián)。4）dB（分貝檔）：測量電路兩節(jié)點之間電壓降的分貝值。5）交流信號或直流信號：功能設(shè)置區(qū)的第2行按鈕用于被測交流信號或直流信號的選擇。6)Set：單擊Set按鈕，彈出如圖所示的Multimetersettings（數(shù)字萬用表設(shè)置）對話框，從中可以對數(shù)宇萬用表的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。①“Electronicsetting”（電氣特性設(shè)置）選項區(qū)各選項功能如下。Ammeterresistance(R)：設(shè)置測試電流時表頭的內(nèi)阻，其大小影響電流的測量精度。Voltmeterresistance(R)：設(shè)置測試電壓時表頭的內(nèi)阻。Ohmmetercurrent(I)：設(shè)置測試電阻時流過表頭的電流值。dBrelativevalue(V)：用于設(shè)置分貝相對值，預(yù)先設(shè)置為774.597mV數(shù)字萬用表設(shè)置對話框②“Displaysetting”（顯示特性設(shè)置）選項區(qū)各選項功能如下。Ammeteroverrange(I)：設(shè)置電流表的測量范圍。Voltmeteroverrange(V)：設(shè)置電壓表的測量范圍。Ohmmeteroverrange(R)：設(shè)置歐姆表的測量范圍。設(shè)置完成后，單擊“OK”按鈕保存設(shè)置；單擊“Cancel”按鈕取消本次設(shè)置。數(shù)字萬用表設(shè)置對話框任務(wù)實施１)根據(jù)圖１-１６ａ所示手電筒電路的電路原理圖，基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ構(gòu)建仿真電路，進(jìn)行仿真接線，完成圖１-１６ｂ。2）圖１-１７所示為Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真軟件中的萬用表。寫出其測量模式和參數(shù)類型，完成表１-１和表１-２。圖1-17Multisim中萬用表示意圖電參數(shù)AVΩdB被測電參數(shù)電流

電壓電阻

分貝

表1-1Multisim中萬用表電參數(shù)的含義交/直流模式~－被測模式

交流信號直流信號

表1-2Multisim中萬用表交/直流模式選擇３)應(yīng)用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ中萬用表測量電參數(shù)時，如何選擇其測量模式和參數(shù)類型，寫出操作步驟。圖１-１８所示的萬用表ＸＭＭ１和ＸＭＭ２分別表示對什么電參數(shù)進(jìn)行測試?圖1-18Multisim中萬用表的測量模式和參數(shù)類型的選擇3）首先，我們應(yīng)該根據(jù)被測量將測量儀表正確的連接到電路中；其次，確定我們需要測量電量的類別：是直流電量還是交流電量；最后，我們再根據(jù)被測量的需要選擇測量的參數(shù)。圖中萬用表XMM1是對直流電壓進(jìn)行測量，圖中萬用表XMM2是對交流電流進(jìn)行測量。４)根據(jù)仿真結(jié)果完成表１-３，表中Ｕ１為白熾燈Ｘ的端電壓，Ｉ為流過白熾燈的電流，α為電位器的調(diào)節(jié)增量(０~１００％)。開關(guān)狀態(tài)電位器調(diào)節(jié)增量ɑ白熾燈的端電壓Ｕ１/Ｖ流過白熾燈的電流Ｉ/ｍＡ斷開50%

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表1-3基于Multisim的手電筒電路的電壓、電流仿真參數(shù)記錄表５)觀察調(diào)節(jié)電位器時白熾燈的亮滅變化情況，并總結(jié)規(guī)律。６)總結(jié)白熾燈的端電壓Ｕ1和流過的電流Ｉ與電位器調(diào)節(jié)增量α的變化之間的關(guān)系(提示:從電參數(shù)大小進(jìn)行分析)。７)總結(jié)該手電筒電路中的電壓和電流之間的數(shù)值關(guān)系(提示:從兩種電參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析)。5）當(dāng)開關(guān)QS斷開時燈泡不亮，當(dāng)開關(guān)QS閉合時，隨著電位器的調(diào)節(jié)增量由0%-100%增加的過程中燈泡的亮度由亮到暗變化。6）電壓U1和電流I在開關(guān)QS斷開時的值幾乎為0，當(dāng)開關(guān)QS閉合后，隨著電位器的調(diào)節(jié)增量的增加（電位器接入的電阻由0Ω到25Ω）時，燈泡兩端電壓U1的數(shù)值由大到小，流過的電流I數(shù)值也由大到小。7）由表1-3可知當(dāng)開關(guān)QS閉合時，燈泡兩端的電壓U1與流過燈泡X的電流I成線性關(guān)系，并且其比值為一固定值。８)通過仿真數(shù)據(jù)總結(jié)電路中各元器件的電壓之間的關(guān)系，用數(shù)學(xué)公式表示(假設(shè)直流電壓源用Ｅ表示，白熾燈等效電阻Ｒ的端電壓為Ｕ１，電路中流過的電流為Ｉ，各參數(shù)的參考方向已在圖１-１９中標(biāo)出)。圖1-19手電筒電路中各參數(shù)符號及參考方向8）燈泡的理想化電路模型中等效為一個電阻元件，其參數(shù)用電阻R表示，從表1-3可知該電阻模型中電壓和電流之間成線性關(guān)系，I為電路中的電流，且滿足U1=IR，即電阻元件的歐姆定律。９)僅更改直流電源的方向，如圖１-２０所示，保持萬用表的接線不變，重新記錄仿真中的參數(shù)，填入表１-４。圖1-20僅更改直流電源方向后的手電筒電路開關(guān)狀態(tài)電位器調(diào)節(jié)增量ɑ白熾燈的端電壓Ｕ１/Ｖ流過白熾燈的電流Ｉ/ｍＡ斷開50%

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表1-4更改直流電源方向后電壓、電流參數(shù)記錄表１０)分析