《Multisim電子電路仿真教程》課件第5章

第5章

電路基礎(chǔ)Multisim仿真實(shí)驗(yàn)

5.1直流電路仿真實(shí)驗(yàn)

5.2正弦交流電路仿真實(shí)驗(yàn)

5.3移相電路仿真實(shí)驗(yàn)

5.4三相交流電路仿真實(shí)驗(yàn)

5.5動(dòng)態(tài)電路仿真實(shí)驗(yàn)

5.6諧振電路仿真實(shí)驗(yàn)

5.7非正弦周期電流電路仿真實(shí)驗(yàn)

5.1直流電路仿真實(shí)驗(yàn)

5.1.1驗(yàn)證歐姆定律

1．實(shí)驗(yàn)要求與目的

(1)驗(yàn)證歐姆定律的正確性，熟練掌握電壓U、電流I和電阻R之間的關(guān)系。

(2)研究電壓表和電流表內(nèi)阻對(duì)測(cè)量的影響。

2．實(shí)驗(yàn)原理

歐姆定律的表達(dá)式：

采用不斷地改變直流電路的相關(guān)參數(shù)的方法，監(jiān)測(cè)電路中電壓和電流的變化，從而歸納出其規(guī)律，驗(yàn)證歐姆定律的正確性。

3．實(shí)驗(yàn)電路

改變電阻時(shí)歐姆定律的實(shí)驗(yàn)電路如圖5-1所示，改變電壓時(shí)歐姆定律的實(shí)驗(yàn)電路如圖5-2所示。

圖5-1改變電阻時(shí)歐姆定律實(shí)驗(yàn)電路

圖5-2改變電壓時(shí)歐姆定律實(shí)驗(yàn)電路

4．實(shí)驗(yàn)步驟

(1)按圖5-1連接電路，電位器的電阻R1為10Ω，通過鍵盤“a”或“shift+a”改變箭頭指向部分電阻占總電阻的比例，0%對(duì)應(yīng)0Ω

，100%對(duì)應(yīng)10Ω

。依次改變電阻的值，打開仿真開關(guān)，將測(cè)量結(jié)果填入表5-1中。

表5-1改變電阻時(shí)的測(cè)量結(jié)果

(2)按圖5-2連接電路，調(diào)節(jié)電位器可以改變電阻R2兩端的電壓，依次改變電壓的值，打開仿真開關(guān)，將測(cè)量結(jié)果填入表5-2中。

表5-2改變電壓時(shí)的測(cè)量結(jié)果

在以上兩個(gè)測(cè)量電路中，圖5-1采用的是電壓表外接的測(cè)量方法，實(shí)際測(cè)量的電壓值是電阻和電流表串聯(lián)后兩端的電壓。電壓表的讀數(shù)除了電阻兩端的電壓，還包含了電流表兩端的電壓。圖5-2采用的是電壓表內(nèi)接的測(cè)量方法，實(shí)際測(cè)量的電流值是電阻和電壓表并聯(lián)后的電流，電流表的讀數(shù)除了有電阻元件的電流外，還包括了流過電壓表的電流。顯然，無論采用哪種電路都會(huì)引起測(cè)量的誤差。由于Multisim提供的電流表的默認(rèn)內(nèi)阻為1×10－9

Ω，電壓表的內(nèi)阻為1GΩ

，所以仿真的誤差很小。但在實(shí)際測(cè)量中電壓表的內(nèi)阻不是足夠大，電流表的內(nèi)阻也不是足夠小，因此在實(shí)際測(cè)量中會(huì)引起一定的誤差。

(3)采用圖5-3所示的電壓表外接測(cè)量方法分別測(cè)量1?、10Ω

、100Ω

、1kΩ

、10kΩ電阻的電壓和電流。雙擊電壓表和電流表，打開其屬性框，將電壓表內(nèi)阻設(shè)定為200kΩ

，電流表的內(nèi)阻設(shè)定為0.1Ω

。測(cè)量的結(jié)果填入表5-3中。

圖5-3電壓表外接測(cè)量電路

表5-3電壓表外接法改變電阻時(shí)的測(cè)量結(jié)果

(4)采用圖5-4所示的電壓表內(nèi)接測(cè)量方法分別測(cè)量1Ω

、10Ω

、100Ω

、1kΩ

、10kΩ電阻的電壓和電流。將電壓表內(nèi)阻設(shè)定為200kΩ

，電流表的內(nèi)阻設(shè)定為0.1Ω

。測(cè)量的結(jié)果填入表5-4中。

圖5-4電壓表內(nèi)接測(cè)量電路

表5-4電壓表內(nèi)接法改變電阻時(shí)的測(cè)量結(jié)果

5．?dāng)?shù)據(jù)分析與結(jié)論

分析表5-2所列的測(cè)量數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)電位器，電壓改變，電流也隨之改變，但U、I、R三者之間完全符合歐姆定律的規(guī)律，即

分析表5-3和表5-4所列的測(cè)量結(jié)果，電壓表和電流表的內(nèi)阻對(duì)測(cè)試結(jié)果有影響。為了減小測(cè)量誤差，當(dāng)被測(cè)電阻比較大時(shí)應(yīng)采用電壓表外接法測(cè)量，當(dāng)被測(cè)電阻比較小時(shí)，應(yīng)采用電壓表內(nèi)接法測(cè)量。

5.1.2求戴維南及諾頓等效電路

1．實(shí)驗(yàn)要求與目的

(1)求線性含源二端網(wǎng)絡(luò)的戴維南等效電路或諾頓等效電路。

(2)掌握戴維南定理及諾頓定理。

2．實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)戴維南定理和諾頓定理，任何一個(gè)線性含源二端網(wǎng)絡(luò)都可以等效為一個(gè)理想電壓源與一個(gè)電阻串聯(lián)的實(shí)際電壓源形式或一個(gè)理想電流源與一個(gè)電阻并聯(lián)的實(shí)際電流源形式。這個(gè)理想電壓源的值等于二端網(wǎng)絡(luò)端口處的開路電壓，這個(gè)理想電流源的值等于二端網(wǎng)絡(luò)兩端口短路時(shí)的電流，這個(gè)電阻的值是將含源二端網(wǎng)絡(luò)中的獨(dú)立源全部置0后兩端口間的等效電阻。根據(jù)兩種實(shí)際電源之間的互換規(guī)律，這個(gè)電阻實(shí)際上也等于開路電壓與短路電流的比值。

3．實(shí)驗(yàn)電路

含源二端線性網(wǎng)絡(luò)如圖5-5所示。

圖5-5含源二端線性網(wǎng)絡(luò)

4．實(shí)驗(yàn)步驟

(1)在電路窗口中編輯圖5-5，節(jié)點(diǎn)a、b的端點(diǎn)通過啟動(dòng)Place菜單中的PlaceJunction命令獲得；a、b文字標(biāo)識(shí)在啟動(dòng)Place菜單中的PlaceText后，在確定位置輸入所需的文字即可。

(2)從儀器欄中取出萬用表，并設(shè)置到直流，電壓擋位，連接到a、b兩端點(diǎn)，測(cè)量開路電壓，測(cè)得開路電壓Uab=7.820V，如圖5-6所示。

圖5-6開路電壓的測(cè)量電路及測(cè)量結(jié)果

圖5-7短路電流測(cè)量結(jié)果

(3)將萬用表設(shè)置到直流電流擋位，測(cè)量短路電流，測(cè)得的短路電流Is=78.909mA，如圖5-7所示。

(4)求二端網(wǎng)絡(luò)的等效電阻。

方法一：通過測(cè)得的開路電壓和短路電流，可求得該二端網(wǎng)絡(luò)的等效電阻。

方法二：將二端網(wǎng)絡(luò)中所有獨(dú)立源置0，即電壓源用短路代替，電流源用開路代替，直接用萬用表的歐姆擋測(cè)量a、b兩端點(diǎn)之間的電阻。測(cè)得R0=99.099≈99.1Ω

，如圖5-8所示。圖5-8等效電阻的測(cè)量電路和測(cè)量結(jié)果

(5)畫出等效電路。戴維南等效電路如圖5-9(a)所示，諾頓等效電路如圖5-9(b)所示。

圖5-9戴維南等效電路和諾頓等效電路

5．等效電路驗(yàn)證

可以在原二端網(wǎng)絡(luò)和等效電路的端口處加同一電阻，對(duì)該電阻上的電壓電流進(jìn)行測(cè)量，若完全相同，則說明原二端網(wǎng)絡(luò)可以用戴維南等效電路或諾頓等效電路來代替。

5.1.3復(fù)雜直流電路的求解

1．實(shí)驗(yàn)要求與目的

學(xué)會(huì)使用Multisim軟件分析復(fù)雜電路。

2．實(shí)驗(yàn)原理

Multisim提供了直流工作點(diǎn)的分析方法，可以對(duì)一個(gè)復(fù)雜的直流電路快速地分析出節(jié)點(diǎn)電壓等。

3．實(shí)驗(yàn)電路

復(fù)雜電路如圖5-10所示。

圖5-10復(fù)雜電路

4．實(shí)驗(yàn)步驟

(1)在電路窗口按圖5-10構(gòu)建一個(gè)復(fù)雜電路。

(2)顯示各節(jié)點(diǎn)編號(hào)。啟動(dòng)菜單Options/Preferences，打開參數(shù)設(shè)置框，在Circuit頁將Shownodenames選中，電路就會(huì)自動(dòng)顯示節(jié)點(diǎn)的編號(hào)。

(3)直接分析出各節(jié)點(diǎn)電壓。啟動(dòng)Simulate/Analyses/DCOperatingPoint...命令，在打開的直流工作點(diǎn)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中選取要分析的節(jié)點(diǎn)號(hào)，這里將全部變量設(shè)置為分析變量。仿真分析后的結(jié)果如圖5-11所示。

圖5-11仿真分析結(jié)果

5．?dāng)?shù)據(jù)分析與結(jié)論

由圖5-11可知：φ1=24V，φ2=8.96705V，φ3=31.0653V，φ4=9.77902V，φ5=-8.27572V，φ6=-2.22098V。若求流過R2的電流，則

采用Multisim提供的直流工作點(diǎn)分析方法可以快速得到各節(jié)點(diǎn)電壓和電壓源支路的電流，從而可以很方便地求得其他支路的電流。

5.2正弦交流電路仿真實(shí)驗(yàn)

5.2.1RLC串聯(lián)電路

1．實(shí)驗(yàn)要求與目的

(1)測(cè)量各元件兩端的電壓、電路中的電流及電路功率，掌握它們之間的關(guān)系。

(2)熟悉RLC串聯(lián)電路的特性。

2．實(shí)驗(yàn)原理

RLC串聯(lián)電路有效值之間的關(guān)系為

有功功率與視在功率之間的關(guān)系為

3．實(shí)驗(yàn)電路

RLC串聯(lián)電路如圖5-12所示。

圖5-12RLC串聯(lián)電路

4．實(shí)驗(yàn)步驟

(1)測(cè)量各元件兩端的電壓。按圖5-12連接電路，將萬用表全部調(diào)到交流電壓擋，打開仿真開關(guān)，測(cè)得結(jié)果如圖5-13所示。

圖5-13萬用表測(cè)量結(jié)果

(2)測(cè)量電路中的電流和功率。按圖5-14連接好功率表和萬用表，將萬用表調(diào)到交流電流擋，打開仿真開關(guān)，測(cè)得的結(jié)果如圖5-15所示。

圖5-14測(cè)量電路的功率和電流

圖5-15測(cè)量結(jié)果

(3)將交流電源的頻率改為100Hz，其他參數(shù)不變，對(duì)以上數(shù)據(jù)重新測(cè)量一次。將結(jié)果填入表5-5中。

表5-5RLC串聯(lián)電路測(cè)量結(jié)果

5．?dāng)?shù)據(jù)分析及結(jié)論

(1)當(dāng)頻率改變時(shí)，電路中的各響應(yīng)都會(huì)隨之變化，說明電路的響應(yīng)是頻率的函數(shù)。

(2)當(dāng)f=50Hz時(shí)：

當(dāng)f=100Hz時(shí)：

所以，電壓有效值之間的關(guān)系為

當(dāng)f=50Hz時(shí)：

又因?yàn)椋?/p>

當(dāng)f=100Hz時(shí)：

P?=?42.933W又因?yàn)椋?/p>

P?=?3.456?W

所以，有功功率和視在功率之間的關(guān)系為

5.2.2電感性負(fù)載和電容并聯(lián)電路

1．實(shí)驗(yàn)要求與目的

(1)測(cè)量電感性負(fù)載與電容并聯(lián)電路的電流、功率因數(shù)和功率。

(2)研究提高電感性負(fù)載功率因數(shù)的方法。

2．實(shí)驗(yàn)原理

在電感性負(fù)載和電容并聯(lián)電路中，由于電容支路的電流與電感支路電流的無功分量的相位是相反的，可以相互抵消，因此可以提高電路的功率因數(shù)。

3．實(shí)驗(yàn)電路

電感性負(fù)載和電容并聯(lián)電路如圖5-16所示。

圖5-16電感性負(fù)載和電容并聯(lián)電路

4．實(shí)驗(yàn)步驟

(1)按圖5-16連接電路，可變電容C1暫不要連接，測(cè)量電路中的電流、功率及功率因數(shù)，將數(shù)據(jù)記錄在表5-6中。

(2)在電感性負(fù)載的兩端并聯(lián)一個(gè)1mF的可變電容，按a或shift+a改變電容的大小，同時(shí)監(jiān)測(cè)電路中的電流、功率及功率因數(shù)，將數(shù)據(jù)記錄在表5-6中。

5．?dāng)?shù)據(jù)分析及結(jié)論

分析表5-6中的數(shù)據(jù)，隨著并聯(lián)電容的增加，電路中的平均功率基本不變，電路中的總電流先減少后增加，功率因數(shù)先增加后減小，這說明在感性負(fù)載的兩端并聯(lián)一個(gè)電容確實(shí)能提高電路的功率因數(shù)。但并聯(lián)的這個(gè)電容要合適，太小可能達(dá)不到要求，太大則可能過補(bǔ)償。

表5-6測(cè)

量

結(jié)

果

5.3移相電路仿真實(shí)驗(yàn)

1．實(shí)驗(yàn)要求與目的

(1)連接各種基本移相電路，掌握各種移相電路的電路形式。

(2)測(cè)量各種基本移相電路的輸入、輸出波形，掌握電路的移相規(guī)律和元件參數(shù)對(duì)移相的影響。

2．實(shí)驗(yàn)原理

電路中電容上的電壓滯后電流的變化，電感上的電壓超前電流的變化，利用電容和電感的特性，在電路中引入移相。下面通過測(cè)試實(shí)際電路的輸入、輸出波形來掌握移相電路的電路形式和移相規(guī)律。通過改變某些元件的參數(shù)來了解元件參數(shù)對(duì)移相的影響。

3．實(shí)驗(yàn)電路

移相電路如圖5-17～圖5-21所示。

4．實(shí)驗(yàn)步驟

(1)按實(shí)驗(yàn)電路圖5-17(a)連接電路，為了便于觀察輸入、輸出波形，連接到輸出信號(hào)的導(dǎo)線顏色改為紅色。打開示波器，記錄輸入、輸出波形，如圖5-17(b)所示。

(2)改變電路中元件的參數(shù)，觀察移相情況。

(3)分別按實(shí)驗(yàn)電路圖5-18(a)～圖5-21(a)連接電路，重復(fù)步驟(1)、(2)，輸入、輸出波形分別如圖5-18(b)～圖5-21(b)所示。

圖5-17RC移相電路1圖5-18RC移相電路2圖5-19RL移相電路1圖5-21RLC移相電路

5．波形分析與結(jié)論

各電路的波形分別對(duì)應(yīng)圖5-17(b)～圖5～21(b)所示。

圖5-17所示RC移相電路，輸出波形超前輸入波形，相位超前。

圖5-18所示RC移相電路，輸出波形滯后輸入波形，相位滯后。

圖5-19所示RL移相電路，輸出波形滯后輸入波形，相位滯后。

圖5-20所示RL移相電路，輸入波形超前輸入波形，相位超前。

圖5-21所示RLC移相電路，調(diào)節(jié)電容C的大小，相位可超前也可滯后，可調(diào)移相電路。

5.4三相交流電路仿真實(shí)驗(yàn)

1．實(shí)驗(yàn)要求與目的

(1)測(cè)量三相交流電源的相序，掌握判斷相序的方法。

(2)觀察三相負(fù)載變化對(duì)三相電路的影響，掌握三相交流電路的特性。

2．實(shí)驗(yàn)原理

(1)當(dāng)負(fù)載Y形連接并有中線時(shí)，不論三相負(fù)載對(duì)稱與否，三相負(fù)載的電壓都是對(duì)稱的，且線電壓是相電壓的倍，線電流等于對(duì)應(yīng)的相電流。當(dāng)負(fù)載對(duì)稱時(shí)，中線電流為零；當(dāng)負(fù)載不對(duì)稱時(shí)，中線電流不再為零。

(2)當(dāng)負(fù)載Y形連接但沒有中線時(shí)，若三相負(fù)載對(duì)稱，則三相負(fù)載電壓是對(duì)稱的；若負(fù)載不對(duì)稱，則三相負(fù)載電壓不再對(duì)稱。

(3)當(dāng)負(fù)載△形連接時(shí)，每相負(fù)載上的電壓是對(duì)應(yīng)的線電壓，當(dāng)三相負(fù)載對(duì)稱時(shí)，線電流是相電流的倍；當(dāng)三相負(fù)載不對(duì)稱時(shí)，三相負(fù)載電流不再對(duì)稱。

3．實(shí)驗(yàn)步驟

(1)建立三相電源子電路。選擇三個(gè)正弦交流電源，頻率設(shè)置為50Hz，有效值設(shè)置為220V，相位設(shè)置分別為0°、120°、240°

，按圖5-22連接電路。(注意：由于軟件本身的原因，參數(shù)設(shè)置中初相為正，但仿真電源波形時(shí)初相為負(fù)，因此實(shí)際電源的初相應(yīng)為設(shè)置值的負(fù)值，圖5-22中三電源的初相分別為0°、-120°、-240°)。選中全部電路，選擇菜單Place/ReplacebySubcircuit命令，彈出子電路命名對(duì)話框，輸入3Ph或其他名字，點(diǎn)擊OK即可得到圖5-23所示的子電路。

圖5-22三相電源

圖5-23三相電源子電路

(2)確定三相電源相序。在實(shí)際應(yīng)用中，常規(guī)的測(cè)相序的方法是用一個(gè)電容與兩個(gè)燈泡組成圖5-23所示的測(cè)試電路進(jìn)行測(cè)定。如果電容所接的相為A相，則燈泡較亮的是B相，較暗的是C相。相序是A→B→C。

仿真過程中,燈泡會(huì)一閃一閃地亮，電壓較高的燈泡上下都有光線出現(xiàn)，電壓較低時(shí)僅一邊有光線。從圖5-24中可以看出，判斷相序的仿真效果與實(shí)際操作的結(jié)果是一致的。

圖5-24三相電源相序測(cè)試電路

(3)觀察三相負(fù)載變化對(duì)三相電路的影響。三相電路的負(fù)載連接方式分為Y形(又稱為星形)和△形(即三角形)兩種。圖5-25所示是以三只150W(220V)的燈泡為負(fù)載的Y形連接的電路，其中Fu1、Fu2和Fu3是三只1A的保險(xiǎn)絲。通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，進(jìn)行以下各項(xiàng)的測(cè)量或觀察。注意：圖中電壓表、電流表應(yīng)設(shè)置成AC模式，所顯示的讀數(shù)為有效值。

>有中線時(shí)電路的電流和電壓。

>無中線時(shí)電路的電流和電壓。

>有中線時(shí)，將其中的一相負(fù)載斷開，測(cè)量電路的電流與電壓。

>無中線時(shí)，將其中的一相負(fù)載斷開，觀察電路出現(xiàn)的現(xiàn)象。

>有中線時(shí)，將其中的負(fù)載短路，測(cè)量電路的電流與電壓。

>無中線時(shí)，將其中的一相短路，觀察電路出現(xiàn)的現(xiàn)象。

>有中線時(shí)，將其中的一相負(fù)載再并聯(lián)上一只同樣的燈泡，觀察電路出現(xiàn)的現(xiàn)象。

>無中線時(shí)，將其中的一相負(fù)載再并聯(lián)上一只同樣的燈泡，觀察電路出現(xiàn)的現(xiàn)象。

圖5-25Y形連接的三相電路

表5-7三相負(fù)載仿真實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)

4．三相交流電路功率的測(cè)量

測(cè)量三相交流電路的功率可以用三相功率表測(cè)量，也可以用三只瓦特表分別測(cè)出三相負(fù)載的功率后相加而得，這在電工上稱為“三瓦法”。還有一種方法在電工上也是常用的,即“兩瓦法”，其接法如圖5-26所示，這里取三相電動(dòng)機(jī)為負(fù)載，兩表讀數(shù)之和等于三相負(fù)載的總功率。在編輯原理圖時(shí)，在元件箱中取出的3PHMOTOR(三相電動(dòng)機(jī))作為負(fù)載。如果要改變?nèi)嚯妱?dòng)機(jī)負(fù)載功率的大小，需要修改其模型參數(shù)。方法是：雙擊原理圖上的

3PHMOTOR，在其屬性對(duì)話框中點(diǎn)擊“EditModel”按鈕，出現(xiàn)對(duì)話框。將其中的R1、R2和R3所取的2改成想要取的值(這里取150)，點(diǎn)擊ChangePartModel按鈕即可。運(yùn)行仿真開關(guān)，兩瓦特表顯示的數(shù)值如圖5-27所示。

圖5-26功率測(cè)量電路

圖5-27功率表讀數(shù)

三相交流電路的總功率為

P

=483.435+484.553=967.988W

從功率表我們還可以讀出電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)為0.87。

5.5動(dòng)態(tài)電路仿真實(shí)驗(yàn)

5.5.1一階動(dòng)態(tài)電路

1．實(shí)驗(yàn)要求與目的

(1)構(gòu)建RC一階動(dòng)態(tài)電路。

(2)觀察動(dòng)態(tài)電路的變化過程。

2．實(shí)驗(yàn)原理

含有儲(chǔ)能元件C(電容)和L(電感)的電路稱為動(dòng)態(tài)電路，這種電路當(dāng)電路結(jié)構(gòu)或元件參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，要進(jìn)入過渡狀態(tài)，即電路中的電流、電壓會(huì)存在一個(gè)變化過程，而后才漸趨穩(wěn)定值。

3．實(shí)驗(yàn)與步驟

(1)建立電容充放電電路，觀察電容的充電過程和放電過程。實(shí)驗(yàn)電路如圖5-28所示。

按照上圖編輯好電路圖后，運(yùn)行仿真開關(guān)，再反復(fù)按空格鍵，使得開關(guān)J1反復(fù)打開和閉合，同時(shí)打開示波器，觀察電容的充放電過程。圖5-29所示為示波器顯示的電容充放電曲線。

圖5-28RC一階電路

圖5-29電容充放電曲線

(2)構(gòu)建積分電路，觀察電路的輸入、輸出波形。

積分電路即實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)為輸入信號(hào)的積分。如將輸入方波信號(hào)V1加至RC串聯(lián)電路，輸出信號(hào)取自電容兩端電壓，且滿足輸入方波信號(hào)的脈寬遠(yuǎn)小于RC的時(shí)間常數(shù)，則構(gòu)成積分電路。實(shí)驗(yàn)電路如圖5-30所示。

電路時(shí)間常數(shù)RC=2ms，方波信號(hào)的周期T=1ms，打開仿真開關(guān)，通過示波器觀察到的輸入、輸出波形如圖5-31所示。輸入的是方波信號(hào)，輸出的是三角波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了輸出是輸入的積分。

圖5-30積分電路

圖5-31積分電路仿真波形

(3)構(gòu)建微分電路，觀察電路的輸入、輸出波形。

微分電路即實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)為輸入信號(hào)的微分。如將輸入方波信號(hào)V1加至RC串聯(lián)電路，輸出信號(hào)取自電阻兩端電壓，且滿足輸入方波信號(hào)的脈寬遠(yuǎn)大于RC的時(shí)間常數(shù)，則構(gòu)成微分電路。實(shí)驗(yàn)電路如圖5-32所示。

電路時(shí)間常數(shù)RC=20μs，方波信號(hào)的周期T=1ms，打開仿真開關(guān)，通過示波器觀察到的輸入、輸出波形如圖5-33所示。輸入的是方波信號(hào)，輸出的是尖脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了輸出是輸入的微分。

圖5-32微分電路

圖5-33微分電路仿真波形

5.5.2二階動(dòng)態(tài)電路

1．實(shí)驗(yàn)要求與目的

(1)構(gòu)建RLC二階動(dòng)態(tài)電路。

(2)觀察電路的動(dòng)態(tài)過程。

3．實(shí)驗(yàn)電路

實(shí)驗(yàn)電路如圖5-34所示。

圖5-34RLC串聯(lián)電路

4．實(shí)驗(yàn)步驟

(1)取R=1.8kΩ，L=2mH，C=3nF，將R、L、C串聯(lián)起來后，加上頻率為12.5kHz，幅度為2V的方波激勵(lì)，用示波器觀察輸入信號(hào)波形和電容上的電壓波形。觀察到的結(jié)果如圖5-35所示，這是一個(gè)過阻尼情況。

圖5-35過阻尼情況輸入、輸出波形

(2)將R的值改為200Ω，方波激勵(lì)信號(hào)的頻率改為5kHz，用示波器觀察輸入信號(hào)波形和電容上的電壓波形。觀察到的結(jié)果如圖5-36所示，這是一個(gè)欠阻尼情況。

圖5-36欠阻尼情況輸入、輸出波形

5.6諧振電路仿真實(shí)驗(yàn)

5.6.1串聯(lián)諧振電路

1．實(shí)驗(yàn)要求與目的

(1)構(gòu)建串聯(lián)諧振電路。

(2)研究電路的頻率特性。

(3)掌握串聯(lián)諧振的特點(diǎn)。

2．實(shí)驗(yàn)原理

R、L、C串聯(lián)電路的阻抗為

當(dāng)X=0時(shí)，電路處于諧振狀態(tài)，此時(shí)，由此得到電路的諧振頻率為

諧振阻抗，諧振時(shí)電路的阻抗最小，電路中的電流最大，且電流與總電壓是同相的。

3．實(shí)驗(yàn)電路

串聯(lián)諧振電路如圖5-37所示。

圖5-37串聯(lián)諧振電路

4．實(shí)驗(yàn)步驟

(1)按圖5-37連接串聯(lián)諧振電路，設(shè)置各元件參數(shù)。

(2)用波特圖儀觀測(cè)電路的頻率特性曲線。

打開仿真開關(guān)及波特圖儀面板，按圖5-38所示設(shè)置面板上的各項(xiàng)內(nèi)容。波特圖儀顯示的曲線如圖5-38所示。

圖5-38波特圖儀顯示的幅頻曲線

(3)用交流分析法分析串聯(lián)諧振電路的頻率特性。

選擇分析菜單中的ACAnalysis...選項(xiàng)，在FrequencyParameters頁中將StartFrequency設(shè)置為1Hz，StopFrequency設(shè)置為1MHz。選擇節(jié)點(diǎn)3為分析節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)擊Simulate按鈕得到電路的頻率特性曲線，如圖5-39所示。

圖5-39串聯(lián)電路頻率特性曲線

5．實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

串聯(lián)電路諧振頻率為

實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。

5.6.2并聯(lián)諧振電路

1．實(shí)驗(yàn)要求與目的

(1)構(gòu)建并聯(lián)諧振電路。

(2)研究電路的頻率特性。

(3)掌握并聯(lián)諧振的特點(diǎn)。

2．實(shí)驗(yàn)原理

C和R、L并聯(lián)電路的導(dǎo)納為：

在諧振時(shí)，電路中電壓和電流同相，此時(shí)電路為純電阻，電路中的電納為零，即復(fù)導(dǎo)納的虛部為零，即

當(dāng)滿足時(shí)，由此得到電路的諧振頻率為

3．實(shí)驗(yàn)電路

并聯(lián)諧振電路如圖5-40所示。C1和R1、L1支路構(gòu)成并聯(lián)電路，R2是取樣電阻，R2兩端的電壓與電流源的電流值成正比。

4．實(shí)驗(yàn)步驟

(1)按圖5-40連接并聯(lián)諧振電路，設(shè)置各元件參數(shù)。

(2)用波特圖儀觀測(cè)電路的頻率特性曲線。

圖5-40并聯(lián)諧振電路

為了用波特圖儀觀測(cè)電路的頻率特性曲線，電路中加入了一個(gè)取樣電阻R2，以便將交流電流源的值轉(zhuǎn)換成電壓值連接到波特圖儀的輸入端。打開仿真開關(guān)及波特圖儀面板，按圖5-41所示設(shè)置面板上的各項(xiàng)內(nèi)容。波特圖儀顯示的曲線如圖5-41所示。移動(dòng)數(shù)軸至曲線的峰值處，可讀得電路的諧振頻率為5.012kHz。

圖5-41波特圖儀顯示的幅頻曲線

(3)用交流分析法分析并聯(lián)諧振電路的頻率特性。

選擇分析菜單中的ACAnalysis...選項(xiàng)，在FrequencyParameters頁中將StartFrequency設(shè)置為1Hz，StopFrequency設(shè)置為1MHz。選擇節(jié)點(diǎn)2為分析節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)擊Simulate按鈕得到電路的頻率特性曲線，如圖5-42所示。

圖5-42并聯(lián)電路頻率特性曲線

5．實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

并聯(lián)電路諧振頻率為

實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。

5.7非正弦周期電流電路仿真實(shí)驗(yàn)

5.7.1非正弦周期信號(hào)的諧波分析

1．實(shí)驗(yàn)要求與目的

(1)分析非正弦周期信號(hào)的諧波組成。

(2)掌握非正弦周期信號(hào)傅里葉分析的方法。

2．實(shí)驗(yàn)原理

從高等數(shù)學(xué)中知道，凡是滿足狄里赫利條件的周期信號(hào)都可以分解為傅里葉級(jí)數(shù)。設(shè)給定的周期信號(hào)f(t)的周期為T，角頻率w=2p/T

，則f(t)的傅里葉級(jí)數(shù)的展開式為

3．實(shí)驗(yàn)電路

周期信號(hào)諧波分析電路如圖5-43所示。

圖5-43周期信號(hào)諧波分析電路

4．實(shí)驗(yàn)步驟

(1)分析矩形波信號(hào)的諧波組成。

打開信號(hào)發(fā)生器面板進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如圖5-44(a)所示，打開仿真開關(guān)，用示波器觀察到信號(hào)的時(shí)域波形如圖5-44(b)所示。

圖5-44信號(hào)發(fā)生器面板設(shè)置和信號(hào)時(shí)域波形

啟動(dòng)分析菜單中的FourierAnalysis...選項(xiàng)，在彈出的對(duì)話框中按圖5-45進(jìn)行設(shè)置，選擇節(jié)點(diǎn)1為傅里葉分析節(jié)點(diǎn)，得到信號(hào)的頻譜圖，如圖5-46所示。

圖5-45FourierAnalysis對(duì)話框設(shè)置

圖5-46矩形信號(hào)頻譜圖

從頻譜圖分析矩形信號(hào)，主要包括1kHz、3kHz、5kHz等各奇次諧波，基波(1kHz頻率成分)的幅