北京理工大学电路仿真实验报告

实验1叠加定理的验证实验原理：实验步骤：1.原理图编辑:分别调出接地符、电阻R1、R2、R3、R4，直流电压源、直流电流源，电流表电压表，并按上图连接；2.设置电路参数：电阻R1=R2=R3=R4=1Ω，直流电压源V1为12V，直流电流源I1为10A。3．实验步骤：1）点击运行按钮记录电压表电流表的值U1和I1；2）点击停止按钮记录，将直流电压源的电压值设置为0V，再次点击运行按钮记录电压表电流表的值U2和I2；3）点击停止按钮记录，将直流电压源的电压值设置为12V，将直流电流源的电流值设置为0A，再次点击运行按钮记录电压表电流表的值U3和I3；原理分析：以电流表示数i为例：设响应i对激励Us、Is的网络函数为H1、H2，则i=H1*Us+H2*Is由上式可知，由两个激励产生的响应为每一个激励单独作用时产生的响应之和。则有，I1=I2+I3（1）;同理，U1=U2+U3（2）.经检验，6.800=2.000+4.800，-1.600=-4.000+2.400，符合式（1）、（2），即叠加原理成立。实验2并联谐振电路仿真实验原理：实验步骤：1.原理图编辑:分别调出电阻R1、R2，电容C1，电感L1，信号源V1；2.设置电路参数：电阻R1=10Ω，电阻R2=2KΩ，电感L1=2.5mH,电容C1=40uF。信号源V1设置为AC=5v，Voff=0，Freqence=500Hz。3.分析参数设置：（1）AC分析：要求：频率范围1HZ—100MEGHZ，输出节点为Vout。步骤：依次选择选择菜单栏里的“simulate-Analyses-ACAnalysis”，调出交流分析参数设置对话窗口，起始频率设为1Hz，停止频率设为100MHz，扫描类型为十倍频程，每十倍频程点数设为10，垂直刻度设为线性，其他保持默认，单击“OK”。然后选择对话框菜单栏的“output”按钮，在左侧的变量中选择“V(out)”,单击“Add”按钮。这样，交流分析参数设置完毕。在交流分析参数都设置好以后，单击对话框中的“simulate”按钮，开始仿真，得到如下真结果：（2）TRAN分析：要求：分析5个时钟周期的，输出节点为Vout。步骤：由信号源的f=500Hz，可得其周期为0.002s。依次选择选择菜单栏里的“simulate-Analyses-TransientAnalysis”，调出瞬态分析参数设置对话窗口，起始时间设为0s，结束时间设为5*0.002s=0.01s，其他参数保持默认，单击“OK”。然后选择对话框菜单栏的“output”按钮，在左侧的变量中选择“V(out)”,单击“Add”按钮。这样，瞬态分析参数设置完毕。在参数都设置好以后，单击对话框中的“simulate”按钮，开始仿真，仿真结果如下图所示：原理分析：这是并联谐振电路，谐振频率ω0=LC1,此时阻抗模最小，故电容的响应幅度在ω=ω0最大，远离ω0，响应幅度减小，所以在ω=ω0处出现峰值，对应的频率f=ω0/2π=503.5；实际测量值f=501.4，误差允许范围内，符合理论值。实验3含运算放大器的比例器仿真1.原理图编辑:分别调出电阻R1、R2，虚拟运算放大器OPAMP_3T_VIRTUA调用虚拟仪器函数发生器FunctionGenerator与虚拟示波器Oscilloscope。2.设置电路参数：电阻R1=1KΩ，电阻R2=5KΩ。信号源V1设置为Voltage=1v。函数发生器分别为正弦波信号、方波信号与三角波信号。频率均为1khz，电压值均为1。其中方波信号和三角波信号占空比均为50%。3.分析示波器测量结果：单击“运行”按钮，电路开始仿真，双击示波器，可以观察到仿真结果，如下：实验结果：原理分析：对于理想运放器，可以等效以下电路图：列出节点方程：（G1+G2）u2-G1u1-G2u3=0由于反相端“虚地”故u2=0u3=-R2/R1*u1故u0/us=-5对应的示波器channelA示数是channelB示数的-5倍；在误差允许的范围内，实验数据符合这一结论。实验4二阶电路瞬态仿真实验原理：实验步骤：1.原理图编辑:上图中其中C1的电容值分别取1000u,500u.100u.10u，其他参数值如图所示.，并设置初始值为5V，电感L1=1mH，利用multisim软件使用瞬态分析求出上图中各节点的V(out)节点的时域响应,并能通过数据计算出对应电路谐振频率(零输入响应)2.参数设置：（1）.参数扫描分析参数设置依次选择选择菜单栏里的“simulate-Analyses-ParameterSweepAnalysis”，调出参数扫描分析对话窗口，选择扫描参数的器件类型为“capacitor”，扫描变量类型为“list”，分别将0.001,0.0005,0.0001,1e-005输入选框内。然后选择对话框菜单栏的“output”按钮，在左侧的变量中选择“V(out)”,单击“Add”按钮，这样，参数扫描分析设置完成。（2）.瞬态分析参数设置在参数扫描分析对话窗口的“moreoptions”的“analysistosweep”下拉菜单中选择“transientanalysis”，然后单击“editanalysis”，调出瞬态分析扫描对话框，初始条件设为“user-defined”，起始时间设为0，结束时间设为0.01，单击“OK”，参数设置完毕。在电路分析参数都设置好以后，单击参数扫描分析对话框的“simulate”按钮，开始仿真，仿真结果如下：LC电路的零输入响应是按正弦方式变化的等幅振荡，由仿真数据计算得对应的谐振频率如下：电容C/uF100050010010周期6.4ms4.4ms2.0ms664.83us频率/Hz156.25227.275001504.14ω/(rad/s)981.751428.003141.599450.82原理分析：由角频率表达式可知，电感大小不变时，大小与C有关，C越小，越大，周期越小，振动频率越大。实验5戴维南等效定理的验证实验原理：Figure1实验步骤：1.原理图编辑:1)分别调出接地符、电阻R，直流电压源电流表电压表，并按Figure1连接运行，并记录电压表和电流表的值；LC1330Ω10V0.000A+-0.000V+-91Ω220Ω470ΩRL2)如Figure2连接，将电压源从电路中移除，并使用虚拟一下数字万用表测量电路阻抗；Figure2电路等效电阻测量3)如Figure3连接，将电阻RL从电路中移除，并使用电压表测量开路电压；Figure3电路开路电压值测量4)如Figure4连接，验证戴维南定理；Figure4戴维南等效电路图2.设置电路参数：电阻、电源参数如上述图中所示。3．实验步骤：如原理图，分别记录对应电路的电压、电流和电阻值。原理分析：计算等效电阻R0：R0=91+(220||330)=233Ω;计算开路电压Uoc：Uoc=220/（220+330）*10=4V;由戴维南等效电路的知识，figure1与figure4是等效的，故470Ω电阻的电流和电压是相同的。实验6元件模型参数的并联谐振电路1.原理图编辑，设置参数：分别调出电阻R、电感L、电容C和信号源V1（注意区分信号源族和电源族中，交流电压源的区别，信号源的AC设置为5），参数如图所示。2.参数扫描分析设置：simulate–ParameterSweep：AC分析设置：扫描范围1Hz~100MHz,横坐标扫描模式为Decade,纵坐标为线性。每十倍频程扫描点数为10点，再设置100和1000点并分析所得结果的异同。观察电容的容值发生变化时，记录电路的幅频响应。下面依次是每十倍频程扫描点数为10点，100点，1000点的结果：原理分析：1.并联谐振电路中，UC=US,品质因数Q=UC/US=1保持不变，故幅度峰值保持不变；2.通频带QBW，谐振频率ω0=LC1可知C越大，ω0越小,BW越小，即通频带越窄。四条图线（紫，绿，蓝，红）对应的电容C大小依次是4e-004,4e-005,4e-006,4e-007.符合以上分析过程。四条图线（紫，绿，蓝，红）对应的谐振频率f=ω0/2π，故f理论值分别是159.2Hz，503.5Hz，1592Hz，5035Hz；下图是分别用光标测得的f0，分别为158.6Hz，502.9Hz，15945Hz，50043Hz。与理论值吻合较好。3.3.每十倍频程扫描点数为10点，100点，1000点的图像形状大致一样，但是扫描点数越大，图像曲线越光滑。4.AC分析、参数分析的特点交流分析是在正弦小信号工作条件下的一种频域分析。它计算电路的幅频特性和相频特性，是一种线性分析方法。在进行交流频率分析时，首先分析电路的直流工作点，并在直流工作点处对各个非线性元件做线性化处理，得到线性化的交流小信号等效电路，并用交流小信号等效电路计算电路输出交流信号的变化。参数扫描分析是在用户指定每个参数变化值的情况下，对电路的特性进行分析。实验7电路过渡过程的仿真分析实验原理：实验步骤：1.原理图编辑，设置参数：分别调出电阻R、电感L、电容C和信号源V1，其中，信号源是Source库SIGNAL_VOLTAGE_SOURCES组中调用PULSE_VOLTAGE，参数如下：InitialValue1V，PulsedValue0V，DelayTime0s，RiseTime0s，FallTime0s，PulseWidth60μs，Period120μs。（该电压源用于产生一方波信号）2.观察电容上的电压波形（使用瞬态分析，分析时间为5倍的方波信号周期），并判断UC(t)的响应属于何种形式(过阻尼/欠阻尼/临界阻尼)？3.通过计算的电阻的阻值，使用参数分析方法分别观察出其它三种响应形式（过阻尼/欠阻尼/临界阻尼)。4.电路分析参数设置及电路仿真瞬态分析参数设置依次选择选择菜单栏里的“simulate-Analyses-TransientAnalysis”，调出瞬态分析参数设置对话窗口，起始时间设为0，结束时间设为5*120us=0.0006s，其他保持默认。然后选择对话框菜单栏的“output”按钮，在左侧的变量中选择“V(3)”,单击“Add”按钮，这样，瞬态分析参数设置完成。在电路分析参数都设置好以后，单击“simulate”按钮，开始仿真，得到如下仿真：下面分别是R等于10000Ω，2000Ω，50Ω时瞬态分析的结果：原理分析：1.由临界阻尼CLR2d可得，该电路中临近阻尼状态对应的Rd=2000Ω。则当R=5KΩ时，是过阻尼情形。2.过阻尼响应形式为：uc（t）=K1*exp（s1t）+K2*exp（s2t）临界阻尼响应形式为：uc（t）=（K1+K2t）*exp（st）欠阻尼响应形式为：uc（t）=exp（-αt）*[K1cos(ωdt)+K2sin(ωdt)]由表达式可知响应波形不同。3.瞬态分析、参数分析的特点（1）.瞬态分析是一种非线性时域分析方法，是在给定输入激励信号时，分析电路输出端的瞬态响应。在进行瞬态分析时，首先计算电路的初始状态，然后从初始时刻起，到某个给定的时间范围内，选择合理的时间步长，计算输出端在每个时间点的输出电压，输出电压由一个完整周期中的各个时间点的电压来决定。启动瞬态分析时，只要定义起始时间和终止时间，Multisim可以自动调节合理的时间步进值，以兼顾分析精度和计算时需要的时间，也可以自行定义时间步长，以满足一些特殊要求。（2）.参数扫描分析是指在规定范围内改变指定元器件参数，对电路的指定节点进行直流工作点分析，瞬态分析和交流频率特性等分析。该分析可用于电路性能的优化。