基于Multisim8的串聯(lián)諧振電路的仿真分析

1、基于multisim 8的串聯(lián)諧振電路的仿真分析摘 要：針對(duì)串聯(lián)諧振電路分析中不同元件性能參 數(shù)不同而導(dǎo)致一些理論計(jì)算復(fù)雜、繁瑣并且難于理解的情 況，通過(guò)對(duì)串聯(lián)諧振電路的理論研究和利用multisim 8仿 真軟件對(duì)電路實(shí)際工作情況進(jìn)行模擬，根據(jù)二者結(jié)果的對(duì) 比，研究并提出了串聯(lián)諧振電路的multisim電路仿真研究 的方法。multisim 8仿真分析中圖像清晰、現(xiàn)象直觀、結(jié)果 精確，是一種很好的輔助實(shí)驗(yàn)手段。關(guān)鍵詞：multisim 8；串聯(lián)諧振電路；諧振頻率；品 質(zhì)因數(shù)中圖分類號(hào)：tn710934文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)： 10047373x (2013) 08?0143?02在串聯(lián)諧振電

2、路分析時(shí)，許多學(xué)生無(wú)法正確理解其物理 概念，為了解決這一難題，在教學(xué)實(shí)踐中引入了 multisim8 對(duì)其仿真分析，教學(xué)效果非常顯著，增強(qiáng)了學(xué)生的感想認(rèn)識(shí), 彌補(bǔ)了教學(xué)上的不足。1 multisim 8軟件介紹multisim8軟件是加拿大iit公司推出的用于電子電路 仿真的代表性的軟件，它挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)受實(shí) 驗(yàn)室條件限制的局限性，用計(jì)算機(jī)仿真虛擬元件，搭建所 設(shè)計(jì)的電路，用虛擬儀器儀表完成各項(xiàng)參數(shù)和性能指標(biāo)的測(cè) 試，利用它可以完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程，其軟件界面直觀， 操作方便，系統(tǒng)高度集成。該軟件在計(jì)算機(jī)屏幕上模擬實(shí)驗(yàn) 室的工作臺(tái)，用屏幕抓取的方式繪制電路圖、選取所需的元 器件、創(chuàng)

3、建電路和連接測(cè)試儀器，操作方法簡(jiǎn)單易學(xué)。支持 電路基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、模擬數(shù)字混合電 路、射頻電路和plc控制電路的仿真與設(shè)計(jì)，尤其適合復(fù)雜 電路系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)?？梢酝瓿呻娐返乃矐B(tài)和穩(wěn)態(tài)分析、 器件的線性和非線性分析、失真分析等，幫助設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)人員 全面分析電路的性能。該軟件可以仿真一般實(shí)驗(yàn)室配備的通 用儀器儀表，如示波器、萬(wàn)用表、穩(wěn)壓電源及波特圖示儀等 。2串聯(lián)諧振電路的理論分析2. 1串聯(lián)諧振電路的諧振頻率由電感線圈和電容器串聯(lián)可組成串聯(lián)諧振電路，其電路 圖如圖1所示。在角頻率3的正弦電壓的作用下，該電路的阻抗為： z二r+j( wl-1/wc )二r+j( xl-xc )=

4、r+jx= |z| z屮二r2+x2arctanxr當(dāng) o 變動(dòng)時(shí)，感抗 xl=«l隨頻率成正比變化，容抗xc=1 3c隨頻率成反比變 化，有xl和xc有相互抵消作用。當(dāng)s為某一特定頻率30 即3 = 30時(shí)，有x(30) =xl-xc=0,這時(shí)端口上的電壓與 電流同相（即屮=0）。將電路的這種工作狀態(tài)稱為諧振，發(fā) 生在rlc串聯(lián)電路中，稱為串聯(lián)諧振2。發(fā)生的條件為：x=0xl=xco0l=lo0c當(dāng)電源角頻率3 = 30 （或f二f0）時(shí)，電路發(fā)生諧振。 則有oo=llco 相應(yīng)的諧振頻率f0=12 jtlco 圖1所示電路中，當(dāng)l=1 h, c=1 nf時(shí)，其該電路的 諧振頻率f

5、0=12 ji lc=160. 502 hzo 從這個(gè)式子可以說(shuō)明, 當(dāng)串聯(lián)電路發(fā)生諧振時(shí)so （或f0）僅取決于電路本身的參 數(shù)l和c,與電路的電源、電阻無(wú)關(guān)。當(dāng)電源頻率變化時(shí)， 串聯(lián)諧振電路的阻抗z隨頻率變化，其中阻抗的模值隨頻率 的變化稱為幅頻特性，阻抗角隨頻率的變化稱為相頻特性3 。2.2串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)q值串聯(lián)諧振時(shí)的阻抗、電路的特性阻抗和品質(zhì)因數(shù)有如下 關(guān)系；z=z0=r+jx=r ,感抗和容抗分別為： xl0=w0l=lc = p oxc0= 1 w0clc= p , 所 以wol=looc=p , p稱為電路的特性阻抗，單位為q, 它的大小僅由l和c決定，說(shuō)明諧振時(shí)感抗和

6、容抗相等，都 等于電路的特性阻抗。把諧振電路的特性阻抗p 與電路電 阻的比值大小來(lái)表征諧振電路的性能，稱為諧振電路的品質(zhì) 因數(shù)，用q表示即：q=pr=w0lr=1rlco可以看出，串聯(lián) 諧振電路的品質(zhì)因數(shù)只與電路的參數(shù)l, c, r有關(guān)。l, c相 同、r不同的串聯(lián)諧振電路，r值越小，q值越大，諧振曲線 越尖銳，相反，r值越大，q值越小，諧振曲線越平坦4。3串聯(lián)諧振電路的仿真分析（1）創(chuàng)建電路。從元器件庫(kù)中選擇電壓源、電阻、電 容、電感連接成串聯(lián)諧振電路，如圖1所示；選擇頻率特性 儀xbp1,將其輸入端和電源連接，輸出端和負(fù)載連接。（2）電路的幅頻特性。單擊運(yùn)行（run）按鈕，雙擊頻 率特性儀

7、xbp1的圖標(biāo)，在mode選項(xiàng)組中單擊magnitude（幅 頻特性）按鈕，可得到該電路的幅頻特性，如圖2所示。從電路的幅頻特性可以看出，電路的諧振頻率f0=1. 605 khz。在信號(hào)頻率接近f0時(shí)幅值（增益）很大，而遠(yuǎn)離時(shí)增 益卻大大減少。電路的電源所選頻率為1 khz,若選擇其他 頻率，該電路的幅頻特性不變。（3）電路的相頻特性：在mode選項(xiàng)組中單擊phase （相 頻特性）按鈕，可得到該電路的相頻特性，如圖3所示。從電路的相頻特性可以看出，電路的以諧振頻率f0為 分界點(diǎn)，當(dāng)信號(hào)頻率低于f0時(shí)，相位超前；當(dāng)信號(hào)頻率高 于f0時(shí)，相位滯后。因?yàn)楫?dāng)信號(hào)頻率低于f0時(shí)，整個(gè)電路 呈容性，電流

8、相位（負(fù)載電阻上的電壓相位）超前于電壓（外 加電源）的相位；而當(dāng)信號(hào)頻率高于f0時(shí)，整個(gè)電路呈感 性，電流相位（負(fù)載電阻上的電壓相位）滯后于電壓（外加 電源）的相位5?6。該仿真結(jié)果與理論分析一致。(4) 電路的品質(zhì)因素q值和電路的選擇性關(guān)系：在保 持諧振頻率不變的情況下，即l, c不變，改變?cè)?shù)， 可改變電路的品質(zhì)因素q值。在如圖1所示的電路中r=1 kq , l=1 h, c=1 nf,則q=1rlc=1,對(duì)應(yīng)的幅頻特性如圖2所 示，若選擇電容cl=l pf,電感l(wèi)l=l h電阻rl=100 q, 則q=1rlc=1o,仿真得到幅頻特性如圖4所示。從幅頻特 性圖可以看出，對(duì)于rlc串聯(lián)

9、諧振電路來(lái)說(shuō)，不同的q值對(duì) 應(yīng)的幅頻特性曲線不同，q值越大，對(duì)應(yīng)的幅頻特性曲線越 尖，電路的選擇性越好，若用串聯(lián)選擇電路作為無(wú)線電檢波 電路，其靈敏度越高，抗干擾能力就越低；q值越小，對(duì)應(yīng) 的幅頻特性曲線越鈍，電路的選擇性變差，若作為無(wú)線電檢 波電路，其靈敏度降低，但它的抗干擾能力會(huì)提高，所以串 聯(lián)諧振電路的q值大小，要根據(jù)具體的應(yīng)用情況具體選擇， 不可一概而論。4結(jié)語(yǔ)從仿真曲線可以看出，測(cè)試的結(jié)果與理論計(jì)算值是一樣 的，諧振的頻率為160. 502 hz,串聯(lián)電阻越大，品質(zhì)因數(shù)越 小輸出曲線越平坦，電阻越小，品質(zhì)因數(shù)越大，輸出特性曲 線越陡哨。實(shí)踐證明，利用multisim 8軟件做串聯(lián)電路仿 真實(shí)驗(yàn)，不僅加強(qiáng)了學(xué)生基礎(chǔ)理論知識(shí)的掌握和理解，還可 以啟發(fā)和加深對(duì)物理概念的理解，是實(shí)現(xiàn)電路實(shí)驗(yàn)研究型教 學(xué)的一種有效的辦法，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一種新途徑。參考文獻(xiàn)1 從宏壽，程衛(wèi)群.multisim 8仿真與應(yīng)用實(shí)例開發(fā) m.北京：清華大學(xué)出版社，2008.2 黃昌志.電路基礎(chǔ)m.南京：南京大學(xué)出版社，2010.3 劉云覽，季長(zhǎng)江，舒信隆計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)與dis 實(shí)驗(yàn)技術(shù)的整合探索：論虛實(shí)一體仿真教學(xué)課件的研發(fā)j. 物理教學(xué)探討，2006 (7)：