《Multisim電子電路仿真教程》課件第5章

第5章

電路基礎Multisim仿真實驗

5.1直流電路仿真實驗

5.2正弦交流電路仿真實驗

5.3移相電路仿真實驗

5.4三相交流電路仿真實驗

5.5動態(tài)電路仿真實驗

5.6諧振電路仿真實驗

5.7非正弦周期電流電路仿真實驗

5.1直流電路仿真實驗

5.1.1驗證歐姆定律

1．實驗要求與目的

(1)驗證歐姆定律的正確性，熟練掌握電壓U、電流I和電阻R之間的關系。

(2)研究電壓表和電流表內阻對測量的影響。

2．實驗原理

歐姆定律的表達式：

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

3．實驗電路

改變電阻時歐姆定律的實驗電路如圖5-1所示，改變電壓時歐姆定律的實驗電路如圖5-2所示。

圖5-1改變電阻時歐姆定律實驗電路

圖5-2改變電壓時歐姆定律實驗電路

4．實驗步驟

(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%對應0Ω

，100%對應10Ω

。依次改變電阻的值，打開仿真開關，將測量結果填入表5-1中。

表5-1改變電阻時的測量結果

(2)按圖5-2連接電路，調節(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，將測量結果填入表5-2中。

表5-2改變電壓時的測量結果

在以上兩個測量電路中，圖5-1采用的是電壓表外接的測量方法，實際測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采用的是電壓表內接的測量方法，實際測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引起測量的誤差。由于Multisim提供的電流表的默認內阻為1×10－9

Ω，電壓表的內阻為1GΩ

，所以仿真的誤差很小。但在實際測量中電壓表的內阻不是足夠大，電流表的內阻也不是足夠小，因此在實際測量中會引起一定的誤差。

(3)采用圖5-3所示的電壓表外接測量方法分別測量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，將電壓表內阻設定為200kΩ

，電流表的內阻設定為0.1Ω

。測量的結果填入表5-3中。

圖5-3電壓表外接測量電路

表5-3電壓表外接法改變電阻時的測量結果

(4)采用圖5-4所示的電壓表內接測量方法分別測量1Ω

、10Ω

、100Ω

、1kΩ

、10kΩ電阻的電壓和電流。將電壓表內阻設定為200kΩ

，電流表的內阻設定為0.1Ω

。測量的結果填入表5-4中。

圖5-4電壓表內接測量電路

表5-4電壓表內接法改變電阻時的測量結果

5．數(shù)據(jù)分析與結論

分析表5-2所列的測量數(shù)據(jù)，調節(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所列的測量結果，電壓表和電流表的內阻對測試結果有影響。為了減小測量誤差，當被測電阻比較大時應采用電壓表外接法測量，當被測電阻比較小時，應采用電壓表內接法測量。

5.1.2求戴維南及諾頓等效電路

1．實驗要求與目的

(1)求線性含源二端網絡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．實驗原理

根據(jù)戴維南定理和諾頓定理，任何一個線性含源二端網絡都可以等效為一個理想電壓源與一個電阻串聯(lián)的實際電壓源形式或一個理想電流源與一個電阻并聯(lián)的實際電流源形式。這個理想電壓源的值等于二端網絡端口處的開路電壓，這個理想電流源的值等于二端網絡兩端口短路時的電流，這個電阻的值是將含源二端網絡中的獨立源全部置0后兩端口間的等效電阻。根據(jù)兩種實際電源之間的互換規(guī)律，這個電阻實際上也等于開路電壓與短路電流的比值。

3．實驗電路

含源二端線性網絡如圖5-5所示。

圖5-5含源二端線性網絡

4．實驗步驟

(1)在電路窗口中編輯圖5-5，節(jié)點a、b的端點通過啟動Place菜單中的PlaceJunction命令獲得；a、b文字標識在啟動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，并設置到直流，電壓擋位，連接到a、b兩端點，測量開路電壓，測得開路電壓Uab=7.820V，如圖5-6所示。

圖5-6開路電壓的測量電路及測量結果

圖5-7短路電流測量結果

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

(4)求二端網絡的等效電阻。

方法一：通過測得的開路電壓和短路電流，可求得該二端網絡的等效電阻。

方法二：將二端網絡中所有獨立源置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量a、b兩端點之間的電阻。測得R0=99.099≈99.1Ω

，如圖5-8所示。圖5-8等效電阻的測量電路和測量結果

(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．等效電路驗證

可以在原二端網絡和等效電路的端口處加同一電阻，對該電阻上的電壓電流進行測量，若完全相同，則說明原二端網絡可以用戴維南等效電路或諾頓等效電路來代替。

5.1.3復雜直流電路的求解

1．實驗要求與目的

學會使用Multisim軟件分析復雜電路。

2．實驗原理

Multisim提供了直流工作點的分析方法，可以對一個復雜的直流電路快速地分析出節(jié)點電壓等。

3．實驗電路

復雜電路如圖5-10所示。

圖5-10復雜電路

4．實驗步驟

(1)在電路窗口按圖5-10構建一個復雜電路。

(2)顯示各節(jié)點編號。啟動菜單Options/Preferences，打開參數(shù)設置框，在Circuit頁將Shownodenames選中，電路就會自動顯示節(jié)點的編號。

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

圖5-11仿真分析結果

5．數(shù)據(jù)分析與結論

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提供的直流工作點分析方法可以快速得到各節(jié)點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驗

5.2.1RLC串聯(lián)電路

1．實驗要求與目的

(1)測量各元件兩端的電壓、電路中的電流及電路功率，掌握它們之間的關系。

(2)熟悉RLC串聯(lián)電路的特性。

2．實驗原理

RLC串聯(lián)電路有效值之間的關系為

有功功率與視在功率之間的關系為

3．實驗電路

RLC串聯(lián)電路如圖5-12所示。

圖5-12RLC串聯(lián)電路

4．實驗步驟

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

圖5-13萬用表測量結果

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

圖5-14測量電路的功率和電流

圖5-15測量結果

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

表5-5RLC串聯(lián)電路測量結果

5．數(shù)據(jù)分析及結論

(1)當頻率改變時，電路中的各響應都會隨之變化，說明電路的響應是頻率的函數(shù)。

(2)當f=50Hz時：

當f=100Hz時：

所以，電壓有效值之間的關系為

當f=50Hz時：

又因為：

當f=100Hz時：

P?=?42.933W又因為：

P?=?3.456?W

所以，有功功率和視在功率之間的關系為

5.2.2電感性負載和電容并聯(lián)電路

1．實驗要求與目的

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

(2)研究提高電感性負載功率因數(shù)的方法。

2．實驗原理

在電感性負載和電容并聯(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．實驗電路

電感性負載和電容并聯(lián)電路如圖5-16所示。

圖5-16電感性負載和電容并聯(lián)電路

4．實驗步驟

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

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

5．數(shù)據(jù)分析及結論

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，這說明在感性負載的兩端并聯(lián)一個電容確實能提高電路的功率因數(shù)。但并聯(lián)的這個電容要合適，太小可能達不到要求，太大則可能過補償。

表5-6測

量

結

果

5.3移相電路仿真實驗

1．實驗要求與目的

(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)對移相的影響。

2．實驗原理

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。下面通過測試實際電路的輸入、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)對移相的影響。

3．實驗電路

移相電路如圖5-17～圖5-21所示。

4．實驗步驟

(1)按實驗電路圖5-17(a)連接電路，為了便于觀察輸入、輸出波形，連接到輸出信號的導線顏色改為紅色。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)分別按實驗電路圖5-18(a)～圖5-21(a)連接電路，重復步驟(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．波形分析與結論

各電路的波形分別對應圖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，調節(jié)電容C的大小，相位可超前也可滯后，可調移相電路。

5.4三相交流電路仿真實驗

1．實驗要求與目的

(1)測量三相交流電源的相序，掌握判斷相序的方法。

(2)觀察三相負載變化對三相電路的影響，掌握三相交流電路的特性。

2．實驗原理

(1)當負載Y形連接并有中線時，不論三相負載對稱與否，三相負載的電壓都是對稱的，且線電壓是相電壓的倍，線電流等于對應的相電流。當負載對稱時，中線電流為零；當負載不對稱時，中線電流不再為零。

(2)當負載Y形連接但沒有中線時，若三相負載對稱，則三相負載電壓是對稱的；若負載不對稱，則三相負載電壓不再對稱。

(3)當負載△形連接時，每相負載上的電壓是對應的線電壓，當三相負載對稱時，線電流是相電流的倍；當三相負載不對稱時，三相負載電流不再對稱。

3．實驗步驟

(1)建立三相電源子電路。選擇三個正弦交流電源，頻率設置為50Hz，有效值設置為220V，相位設置分別為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)設置中初相為正，但仿真電源波形時初相為負，因此實際電源的初相應為設置值的負值，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，彈出子電路命名對話框，輸入3Ph或其他名字，點擊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。在實際應用中，常規(guī)的測相序的方法是用一個電容與兩個燈泡組成圖5-23所示的測試電路進行測定。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際操作的結果是一致的。

圖5-24三相電源相序測試電路

(3)觀察三相負載變化對三相電路的影響。三相電路的負載連接方式分為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)的燈泡為負載的Y形連接的電路，其中Fu1、Fu2和Fu3是三只1A的保險絲。通過適當?shù)脑O置，進行以下各項的測量或觀察。注意：圖中電壓表、電流表應設置成AC模式，所顯示的讀數(shù)為有效值。

>有中線時電路的電流和電壓。

>無中線時電路的電流和電壓。

>有中線時，將其中的一相負載斷開，測量電路的電流與電壓。

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

>有中線時，將其中的負載短路，測量電路的電流與電壓。

>無中線時，將其中的一相短路，觀察電路出現(xiàn)的現(xiàn)象。

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

>無中線時，將其中的一相負載再并聯(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5-7三相負載仿真實驗記錄數(shù)據(jù)

4．三相交流電路功率的測量

測量三相交流電路的功率可以用三相功率表測量，也可以用三只瓦特表分別測出三相負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，這里取三相電動機為負載，兩表讀數(shù)之和等于三相負載的總功率。在編輯原理圖時，在元件箱中取出的3PHMOTOR(三相電動機)作為負載。如果要改變三相電動機負載功率的大小，需要修改其模型參數(shù)。方法是：雙擊原理圖上的

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

圖5-26功率測量電路

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機的功率因數(shù)為0.87。

5.5動態(tài)電路仿真實驗

5.5.1一階動態(tài)電路

1．實驗要求與目的

(1)構建RC一階動態(tài)電路。

(2)觀察動態(tài)電路的變化過程。

2．實驗原理

含有儲能元件C(電容)和L(電感)的電路稱為動態(tài)電路，這種電路當電路結構或元件參數(shù)發(fā)生改變時，要進入過渡狀態(tài)，即電路中的電流、電壓會存在一個變化過程，而后才漸趨穩(wěn)定值。

3．實驗與步驟

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

按照上圖編輯好電路圖后，運行仿真開關，再反復按空格鍵，使得開關J1反復打開和閉合，同時打開示波器，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)構建積分電路，觀察電路的輸入、輸出波形。

積分電路即實現(xiàn)輸出信號為輸入信號的積分。如將輸入方波信號V1加至RC串聯(lián)電路，輸出信號取自電容兩端電壓，且滿足輸入方波信號的脈寬遠小于RC的時間常數(shù)，則構成積分電路。實驗電路如圖5-30所示。

電路時間常數(shù)RC=2ms，方波信號的周期T=1ms，打開仿真開關，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，輸出的是三角波信號，實現(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)構建微分電路，觀察電路的輸入、輸出波形。

微分電路即實現(xiàn)輸出信號為輸入信號的微分。如將輸入方波信號V1加至RC串聯(lián)電路，輸出信號取自電阻兩端電壓，且滿足輸入方波信號的脈寬遠大于RC的時間常數(shù)，則構成微分電路。實驗電路如圖5-32所示。

電路時間常數(shù)RC=20μs，方波信號的周期T=1ms，打開仿真開關，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，輸出的是尖脈沖信號，實現(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

5.5.2二階動態(tài)電路

1．實驗要求與目的

(1)構建RLC二階動態(tài)電路。

(2)觀察電路的動態(tài)過程。

3．實驗電路

實驗電路如圖5-34所示。

圖5-34RLC串聯(lián)電路

4．實驗步驟

(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，用示波器觀察輸入信號波形和電容上的電壓波形。觀察到的結果如圖5-35所示，這是一個過阻尼情況。

圖5-35過阻尼情況輸入、輸出波形

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

圖5-36欠阻尼情況輸入、輸出波形

5.6諧振電路仿真實驗

5.6.1串聯(lián)諧振電路

1．實驗要求與目的

(1)構建串聯(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。

2．實驗原理

R、L、C串聯(lián)電路的阻抗為

當X=0時，電路處于諧振狀態(tài)，此時，由此得到電路的諧振頻率為

諧振阻抗，諧振時電路的阻抗最小，電路中的電流最大，且電流與總電壓是同相的。

3．實驗電路

串聯(lián)諧振電路如圖5-37所示。

圖5-37串聯(lián)諧振電路

4．實驗步驟

(1)按圖5-37連接串聯(lián)諧振電路，設置各元件參數(shù)。

(2)用波特圖儀觀測電路的頻率特性曲線。

打開仿真開關及波特圖儀面板，按圖5-38所示設置面板上的各項內容。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，在FrequencyParameters頁中將StartFrequency設置為1Hz，StopFrequency設置為1MHz。選擇節(jié)點3為分析節(jié)點，點擊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．實驗結果分析

串聯(lián)電路諧振頻率為

實驗測量結果與理論計算結果基本一致。

5.6.2并聯(lián)諧振電路

1．實驗要求與目的

(1)構建并聯(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。

2．實驗原理

C和R、L并聯(lián)電路的導納為：

在諧振時，電路中電壓和電流同相，此時電路為純電阻，電路中的電納為零，即復導納的虛部為零，即

當滿足時，由此得到電路的諧振頻率為

3．實驗電路

并聯(lián)諧振電路如圖5-40所示。C1和R1、L1支路構成并聯(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．實驗步驟

(1)按圖5-40連接并聯(lián)諧振電路，設置各元件參數(shù)。

(2)用波特圖儀觀測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電路的頻率特性曲線，電路中加入了一個取樣電阻R2，以便將交流電流源的值轉換成電壓值連接到波特圖儀的輸入端。打開仿真開關及波特圖儀面板，按圖5-41所示設置面板上的各項內容。波特圖儀顯示的曲線如圖5-41所示。移動數(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，在FrequencyParameters頁中將StartFrequency設置為1Hz，StopFrequency設置為1MHz。選擇節(jié)點2為分析節(jié)點，點擊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．實驗結果分析

并聯(lián)電路諧振頻率為

實驗測量結果與理論計算結果基本一致。

5.7非正弦周期電流電路仿真實驗

5.7.1非正弦周期信號的諧波分析

1．實驗要求與目的

(1)分析非正弦周期信號的諧波組成。

(2)掌握非正弦周期信號傅里葉分析的方法。

2．實驗原理

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

，則f(t)的傅里葉級數(shù)的展開式為

3．實驗電路

周期信號諧波分析電路如圖5-43所示。

圖5-43周期信號諧波分析電路

4．實驗步驟

(1)分析矩形波信號的諧波組成。

打開信號發(fā)生器面板進行參數(shù)設置，如圖5-44(a)所示，打開仿真開關，用示波器觀察到信號的時域波形如圖5-44(b)所示。

圖5-44信號發(fā)生器面板設置和信號時域波形

啟動分析菜單中的FourierAnalysis...選項，在彈出的對話框中按圖5-45進行設置，選擇節(jié)點1為傅里葉分析節(jié)點，得到信號的頻譜圖，如圖5-46所示。

圖5-45FourierAnalysis對話框設置

圖5-46矩形信號頻譜圖

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