電路大作業(yè)設(shè)計(jì) 張嘉哲 20111337.doc

上海電力學(xué)院本科課程設(shè)計(jì)電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（2） 院系：電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)院 專業(yè)年級(jí)（班級(jí)）： 2011025學(xué)生姓名： 張嘉哲 學(xué)號(hào)：20111337指導(dǎo)教師： 成 績(jī)： 2013年 11月 25 日教師評(píng)語(yǔ)： 仿真實(shí)驗(yàn)一 RC微分電路和積分電路一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 測(cè)試RC一階電路的零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)及完全響應(yīng)。2. 通過示波器測(cè)定時(shí)間常數(shù)。3. 用示波器觀察波形，了解相應(yīng)參量。二、原理 1. 動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的過渡過程是十分短暫的單次變化過程, 對(duì)時(shí)間常數(shù)較大的電路,可用慢掃描長(zhǎng)余輝示波器觀察光點(diǎn)移動(dòng)的軌跡.然而能用一般的雙蹤示波器觀察過渡過程和測(cè)量有關(guān)的參數(shù),必須使這種單次變化的過程重復(fù)出現(xiàn).為此,我們利用信號(hào)發(fā)生器輸出的方波來模擬階躍激勵(lì)信號(hào),即令方波輸出的上升沿作為零狀態(tài)響應(yīng)的正階躍激勵(lì)信號(hào);方波下降沿作為零輸入響應(yīng)的負(fù)階躍激勵(lì)信號(hào),只要選擇方波的重復(fù)周期遠(yuǎn)大于電路的時(shí)間常數(shù),電路在這樣的方波序列脈沖信號(hào)的激勵(lì)下,它的影響和直流電源接通與斷開的過渡過程是基本相同的. 2. RC一階電路的零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)分別按指數(shù)規(guī)律衰減和增長(zhǎng),其變化的快慢決定于電路的時(shí)間常數(shù)，其測(cè)量方法為：使用一階微分方程求解得到,此時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就等于，亦可用零狀態(tài)響應(yīng)波形增加到0.632所對(duì)應(yīng)的時(shí)間測(cè)得，如圖可見。 當(dāng)時(shí)（T為方波脈沖的重復(fù)周期），R兩端的電壓作為響應(yīng)輸出。則該電路就是一個(gè)微分電路。當(dāng)時(shí)，且以C作為響應(yīng)輸出，則電路成為RC積分電路。三、設(shè)計(jì)(1)零狀態(tài)、零輸入響應(yīng)由示波器端口啊圖像：；且；當(dāng)t=時(shí)，（2）微分電路示波器端口B圖像：如果繼續(xù)增大R的值（R=20000歐姆）即示波器端口B圖像的變化如下：（3）積分電路：讓，可得波形為：經(jīng)試驗(yàn)可得，完全符合計(jì)算結(jié)果，符合實(shí)驗(yàn)要求，在允許誤差之內(nèi)。4、 實(shí)驗(yàn)小結(jié)： 本實(shí)驗(yàn)（積分微分電路）總體考察對(duì)電路的計(jì)算和理解，在時(shí)間常數(shù)的選擇上應(yīng)當(dāng)尤為注意，過大過小均不利于觀察和測(cè)量，所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)各儀器的使用是個(gè)考驗(yàn)。 仿真實(shí)驗(yàn)二、二階電路響應(yīng)的三種狀態(tài)軌跡及其特點(diǎn)一、目的1.了解二階電路的基本結(jié)構(gòu)。2.熟悉二階電路的響應(yīng)方程和波形。3.測(cè)量計(jì)算二階電路的諸如電流電壓的參量。2、 原理 如圖所示，列出KVL方程式為：將如下R、L、C元件的電壓電流表示式：根據(jù)前述方程得到以下微分方程這是一個(gè)常系數(shù)非齊次線性二階微分方程。零輸入響應(yīng)方程為其特征方程為其特征根為電路微分方程的特征根，稱為電路的固有頻率。當(dāng)R，L，C的量值不同時(shí)，特征根可能出現(xiàn)以下三種情況1.時(shí)，s1,s2為不相等的實(shí)根。過阻尼情況。2. 時(shí)，s1,s2為兩個(gè)相等的實(shí)根。臨界阻尼情況。3. 時(shí)，s1,s2為共軛復(fù)數(shù)根。欠阻尼情況。一、欠阻尼情況當(dāng)時(shí)，電路的固有頻率s1，s2為為兩個(gè)共軛復(fù)數(shù)根，它們可以表示為其中齊次微分方程的解答具有下面的形式由初始條件iL(0)和uC(0)確定常數(shù)A1，A2后，得到電容電壓的零輸入響應(yīng)，再利用KCL和VCR方程得到電感電流的零輸入響應(yīng)。二、過阻尼情況當(dāng)時(shí)，電路的固有頻率s1，s2為兩個(gè)不相同的實(shí)數(shù)，齊次微分方程的解答具有下面的形式式中的兩個(gè)常數(shù)A1，A2由初始條件iL(0)和uc(0) 確定。對(duì)式(95)求導(dǎo)，再令t=0得到求解以上兩個(gè)方程，可以得到由此得到電容電壓的零輸入響應(yīng)，再利用KCL方程和電容的VCR可以得到電感電流的零輸入響應(yīng)。三、臨界情況當(dāng)時(shí)，電路的固有頻率s1, s2為兩個(gè)相同的實(shí)數(shù)s1=s2=s。齊次微分方程的解答具有下面的形式式中的兩個(gè)常數(shù)A1，A2由初始條件iL(0)和uC(0) 確定。令式中的t=0得到對(duì)式求導(dǎo)，再令得到 聯(lián)立求解以上兩個(gè)方程，可以得到將 A1, A2的計(jì)算結(jié)果，代入式得到電容電壓的零輸入響應(yīng)，3、 設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn) , , , 時(shí)閉合開關(guān)，求開關(guān)閉合后的。 已知,而, 故此時(shí)電路為非振蕩電路放電過程。 已知,而, 故此時(shí)電路為臨界阻尼放電過程。 已知,而, 故此時(shí)電路為振蕩電路放電過程。經(jīng)試驗(yàn)可得，完全符合計(jì)算結(jié)果，符合實(shí)驗(yàn)要求，在允許誤差之內(nèi)。4、 實(shí)驗(yàn)小結(jié)： 本實(shí)驗(yàn)（二階電路響應(yīng)的三種狀態(tài)軌跡及其特點(diǎn)）總體偏難，但十分好的考察分析實(shí)踐能力，在電壓電流的的測(cè)量和計(jì)算上應(yīng)當(dāng)著重注意，在時(shí)間參數(shù)的選取上應(yīng)當(dāng)主注意，過大過小都不利于其觀測(cè)和計(jì)算，其次一些較少使用的變阻器、開關(guān)等也應(yīng)進(jìn)行使用。仿真實(shí)驗(yàn)三 二端口電路的設(shè)計(jì)一、 目的測(cè)量計(jì)算開路阻抗參數(shù)、短路導(dǎo)納參數(shù)、傳輸參數(shù)等，驗(yàn)證等效雙口網(wǎng)絡(luò)的傳輸參數(shù)與級(jí)聯(lián)的兩個(gè)雙口網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù)之間的關(guān)系二、 原理 如果線性無(wú)獨(dú)立源四端網(wǎng)絡(luò)的4個(gè)接線端能夠成二端口，則該四端網(wǎng)絡(luò)稱為二端口網(wǎng)絡(luò)或簡(jiǎn)稱為二端口。如圖所示，左邊的U1和i1構(gòu)成端口1，右邊的U2和i2構(gòu)成端口2，同時(shí)也標(biāo)注了電流的參考方向，有時(shí)把端口1稱為能量輸入端，把端口2稱為能量輸出端。一、Z參數(shù)方程 2、 Y參數(shù)方程實(shí)驗(yàn) 3、 T參數(shù)方程 4、 級(jí)聯(lián)：一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)的輸出端與另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的輸入端相連。級(jí)聯(lián)后的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)： +T +T +T 證明： 三、 設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn) 如圖，求證此二端口網(wǎng)絡(luò)的Z參數(shù)、Y參數(shù)、T參數(shù)。并且求出如圖所示二端口網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)后的電路參數(shù)。計(jì)算 Z參數(shù)方程 Y參數(shù)方程實(shí)驗(yàn) T參數(shù)方程 實(shí)驗(yàn)： 級(jí)聯(lián)實(shí)驗(yàn)：計(jì)算結(jié)果： 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)圖：經(jīng)試驗(yàn)可得，完全符合計(jì)算結(jié)果，符合實(shí)驗(yàn)要求，在允許誤差之內(nèi)。4、 實(shí)驗(yàn)小結(jié)： 本實(shí)驗(yàn)（二端口網(wǎng)絡(luò)）總體偏易，但考察計(jì)算和理解，在電壓電流的的測(cè)量和計(jì)算上應(yīng)當(dāng)著重注意，尤其注意電流的參考方向，防止正負(fù)計(jì)算錯(cuò)誤導(dǎo)致失敗。 仿真實(shí)驗(yàn)四 特勒根定理1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1.了解特勒根定理的基本原理 2.學(xué)習(xí)特勒根定理的證明及其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基本理解 3.能夠利用特勒根定理解決相應(yīng)題型2、 實(shí)驗(yàn)原理：特勒根定理1： 對(duì)于一個(gè)具有n個(gè)結(jié)點(diǎn)和b條支路的電路，假設(shè)各條支路電流和支路電壓取關(guān)聯(lián)參考方向，并令（i1,i2,ib）、（u1,u2,ub）分別為b條支路的電流和電壓，則對(duì)于任何時(shí)間t，有 推及任何含有n個(gè)節(jié)點(diǎn)b個(gè)支路的電路，即有 特勒根定理2： 如果有兩個(gè)具有n個(gè)結(jié)點(diǎn)和b條支路的電路、，具有相同的圖，但由內(nèi)容不同的支路構(gòu)成。假設(shè)各支路電流和電壓都取關(guān)聯(lián)參考方向，并分別用（i1，i2，,ib）、（u1,u2,ub）和（1,2,b）、（1、2、,b）表示兩電路中b條支路的電流和電壓，則對(duì)于任何時(shí)間t，有1*u1+2*u2+b*ub=0和i1*1+i2*2+ib*b=0 3、 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果： 實(shí)驗(yàn)預(yù)期計(jì)算：兩電阻電路，分別如圖所示，其電路結(jié)構(gòu)相似但電路中電氣元件不同，試通過此例證明特勒根定理1、2。 分析：使用回路電流法計(jì)算各回路電流，進(jìn)而通過其計(jì)算各支路上的電壓，同時(shí)也可以直接觀察仿真測(cè)試中的各電壓電流參量，通過其計(jì)算出，近而驗(yàn)證特勒根一、二定理。 通過計(jì)算，得出各支路電壓電流。電路一： 電路二： 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證： 電路一的各參量結(jié)果圖： 實(shí)驗(yàn)二的各參量結(jié)果圖：故符合特勒根定理一符合特勒根定理二，綜上可證。經(jīng)試驗(yàn)可得，完全符合計(jì)算結(jié)果，符合實(shí)驗(yàn)要求，在允許誤差之內(nèi)。四、實(shí)驗(yàn)小結(jié)：本實(shí)驗(yàn)（特勒根定理）設(shè)計(jì)較為巧妙，同時(shí)其結(jié)構(gòu)運(yùn)算應(yīng)當(dāng)細(xì)心處之，尤其在支路電流、節(jié)點(diǎn)電壓的的測(cè)量和計(jì)算上尤其如此，特勒根定理的核心是基爾霍夫定理，對(duì)于特勒根定理一其內(nèi)在原因是功率守恒原理，而特勒根定理二不能用功率守恒解釋，僅是對(duì)兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電壓和另一網(wǎng)絡(luò)的的電流，當(dāng)然究其核心實(shí)際是拓?fù)鋵W(xué)中的相關(guān)定理，與電氣元件無(wú)關(guān)。仿真實(shí)驗(yàn)五非線性電路（含有三極管的放大電路分析）1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1.了解三極管放大電路的基本分析原理 2.了解小信號(hào)分析的基本方法 3.了解非線性電路的基本分析方法2、 實(shí)驗(yàn)原理： 小信號(hào)分析法：非線性元件的特性使放大電路的分析變得復(fù)雜，一般不采用線性電路的原理來進(jìn)行計(jì)算。但在直流電源激勵(lì)下,各非線性元件(如二極管,三極管,運(yùn)算放大器等)中對(duì)應(yīng)合適電壓必存在一個(gè)合適電流值，這種合適的電壓和電流值在平面上對(duì)應(yīng)著一個(gè)特定的點(diǎn),稱為工作點(diǎn)。因此,非線性電路在直流電壓源激勵(lì)下的解又稱為工作點(diǎn).有時(shí)為了獲得有用的輸出信號(hào),在設(shè)定了工作點(diǎn)的電子電路中施加某些輸入信號(hào)(例如正弦波).假設(shè)在任何時(shí)刻都有,則把稱為小信號(hào)電壓.分析此類電路時(shí),采用小信號(hào)分析法則較為簡(jiǎn)便，要強(qiáng)調(diào)的是這種分析方法的條件是放大電路輸入信號(hào)為低頻小信號(hào)。應(yīng)用小信號(hào)分析法解題的一般步驟為：(1) 求解非線性電路的靜態(tài)工作點(diǎn); (2) 求解非線性電阻元件在靜態(tài)工作點(diǎn)處的動(dòng)態(tài)電導(dǎo)或動(dòng)態(tài)電阻; (3) 作出給定的非線性電阻在靜態(tài)工作點(diǎn)處的小信號(hào)等效電路; (4) 根據(jù)小信號(hào)等效電路求解。 BJT共發(fā)射極電路分析方法：由圖中所示直流通路Q電路的值，在條件下有 集電極電流 由此式可見，該電路集電極靜態(tài)電流只與直流電壓及電阻有關(guān)，因此隨溫度變化時(shí)，基本不變。基極電流 集電極-射極電壓 動(dòng)態(tài)性能分析（交流段分析）：1.求 因?yàn)橛?所以 由于有電容的隔直通交作用，故使短路，出現(xiàn) 式中符號(hào)表示輸出電壓和輸入電壓相位相反。 2.求輸入電阻：由于：所以：= =3、 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果：各參數(shù)參量見圖中所示，求放大倍數(shù)、輸入電阻的值。 穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)Q的分析（直流偏置分析）： 動(dòng)態(tài)性能分析（交流段分析）：1.求 因?yàn)橛?所以 由于有電容