上海電力學(xué)院電路計算機輔助設(shè)計1

1、、基爾霍夫電流定律的驗證1. 電路課程設(shè)計目的(1) 驗證基爾霍夫定律的正確性，加深對基爾霍夫定律的理解。(2)學(xué)習(xí)使用Multisim仿真軟件進行電路模擬。2. 設(shè)計仿真電路原理與說明基爾霍夫定律是電路的基本定律。測量某電路的各支路電流及每個元件兩端 的電壓，應(yīng)能分別滿足基爾霍夫電流定律(KCL和電壓定律(KVL)。即對電路中的任一個節(jié)點而言，應(yīng)有 I 0 ;對任何一個閉合回路而言，應(yīng)有U 0。運用上述定律時必須注意各支路或閉合回路中電流的正方向，此方向可預(yù)先 任意設(shè)定。3. 電路課程設(shè)計內(nèi)容與步驟電路原理圖如下圖1所示:+列出KCL方程:I1 I2I3(1)列出KVL方程:(200200)

2、11300I2 12 (2)(500500)12300136 (3)聯(lián)立以上方程，解得3I10.0168A，I20.7317 10 A，I30.0175A且 Ufa 200 0.01683.360VUAB 500 0.7317 10 30.366VUad 300 0.01755.250V3UcD 500 ( 0.07317 10 )0.336VUDE 200 ( 0.0168)3.360V如圖2所示，設(shè)計仿真電路。uiDC UTOWhmViDC KUnrtn '-二ISVIMOt 1rt>lOhmR1-WuHHKlnstl5IK miOhmRJZEJ-"U2 MHK1卜

3、OC 1雖心州uaDC UODSOhm*fUIO呼 IDMDtim :.；丄說. 二e V .一：TXSClB：Ufl ：OC 伽DhiiiI I1 1VA1-'Ei-'f flC 1WC*m J , ： ； EM _VWDC ICHOhm圖2 Multisim仿真電路具體步驟:1. 先任意設(shè)定三條支路和三個閉合回路的電流正方向。2. 分別將兩個直流穩(wěn)壓源接入電路。3. 接入各個電阻。4. 接入電流表和電壓表。5. 用直流數(shù)字電壓表分別測量兩路電源及電阻原件上的電壓值，并記錄。接入示波器觀察波形:時閭7卜“ SST2訂！肘間軸比例 L0 msAiv 工儉S0回麵亟亟11_A通道

4、A比例5¥畑 Y位爲(wèi)通道日比例5忡0丫僮孟 0函回函匚“巨回叵傑存觸發(fā)Ext. Trigger的沿3BHF電詛0V國軽畫回電年類型由于電壓源是直流穩(wěn)壓的，所以示波器的波形是一條直線。實驗數(shù)據(jù)表格如下:被測量li(A)12(mA)l3(A)U1(V)U2(V)計算值0.01680.7317-0.0175126測量值0.0170.732-0.01812.0006.000相對誤差0.00020.00030.000500被測量LFa(V)LAb(V)LAc(V)SV)LbE(V)計算值3.3600.3665.250-0.336-3.360測量值3.3660.3665.268-0.366-3.

5、366相對誤差0.00600.01800.0064. 誤差分析：理論計算是理想狀態(tài)的分析結(jié)果，仿真電路比較接近實際測量情況。比如， 電壓表和電流表都有內(nèi)阻存在， 會對測量產(chǎn)生一定的影響。 用示波器觀測短路電 流時，在短路線上串一微小電阻也會對測試產(chǎn)生一定的誤差。但是我們只要精心準備仿真試驗， 盡力減小各種因素的影響， 就可以得到較 好的仿真結(jié)果。5. 設(shè)計總結(jié)由于剛剛接觸 Multisim 這個軟件，一開始對軟件的使用還不太熟悉。在設(shè) 計實驗中碰到了一些問題，不過經(jīng)過不斷的修改和重復(fù)，最后問題得到了解決。 通過這個實驗， 我親自驗證了基爾霍夫定律的正確性， 加深了對基爾霍夫定律的 理解。并且初

6、步學(xué)會使用 Multisim 軟件進行電路設(shè)計仿真，感覺收獲很大。在 設(shè)計電路時一定要細心謹慎才能做好實驗。二、節(jié)點電壓法的驗證1. 電路課程設(shè)計目的(1)驗證節(jié)點電壓法的正確性(2)學(xué)習(xí)使用Multisim仿真軟件進行電路模擬。2設(shè)計仿真電路原理與說明節(jié)點電壓法以結(jié)點電壓作為未知量，應(yīng)用KCL列出與節(jié)點電壓數(shù)相等的獨立 方程數(shù)，聯(lián)立求解得節(jié)點電壓，然后計算支路電流等。任意選擇電路中某一節(jié)點作為參考結(jié)點，其余結(jié)點與此參考節(jié)點間的電壓分 別稱為對應(yīng)的節(jié)點電壓，節(jié)點電壓的參考極性均以所對應(yīng)節(jié)點為正極性端, 考節(jié)點為負極性端。使用節(jié)點電壓后，電路中所有的回路均自動滿足 KVL所以節(jié)點電壓法中不 必再

7、列KVL方程。3. 電路設(shè)計內(nèi)容與步驟(1)指定參考節(jié)點，其余節(jié)點與參考節(jié)點間的電壓就是節(jié)點電壓，節(jié)點電壓均 以參考節(jié)點為負極性端。(2) 列出節(jié)點電壓方程。(3) 從節(jié)點電壓法方程解出各節(jié)點電壓，然后求得各支路電流。求如圖1所示電路中，電流源的端電壓以及電壓源支路的電流。2 Q3+3A圖12V由節(jié)點電壓法列出方程:1 1(1 1 1)U12 217)U241)U 341u2扣-u22 2U4U23(1)IiI2解得U28V(4)U32V(5)Ui 4V,Ii3.5A, I22.5A如圖2,設(shè)計仿真電路圖2通過仿真測出的電壓電流值為 U14.000V， l13.500A， I22.500A和理

8、論計算結(jié)果一致。觀察示波器電壓波形圖:IJ.11111111111n. l_1 _ _JIlli Illi ii=' Illi III_ X 1 _i111111 1 1 1 1Illi!111111j11 1 1 1 1IlliIII_ |- - -| - - - - - 111>111.iiiI_- T- T- r- r|- ii=- 1111 illBilliIi11 1 1 1 1Illi1 a - >-T '-9111I!111>FF111ii111iii111i01I0!1111111 III11111III11111i1i Illi Illi I

9、lli11111 Illi Illi111ip1111iHI1Illi Illi III Illi1 1 1 1 11IlliT1 aaT2 aaT2-TL比例 10 msjDiv時同ieo,oaj mslea.OO mg'U'.OW s2.000 72.000 70.QW7通道A比例5¥巴 rfeS o" 西©國通道-B3,000 Va.ooo VO'-'OOO VMB_比例5伽-vteS偉存j邊沽國S囚亙處IL 0電甲Extr Trigger由于電壓源都是直流的，因此示波器波形圖為兩條直線。4. 誤差分析:仿真實驗值和計算值完全

10、一致。誤差為 0%我們只要精心準備仿真試驗，盡力減小各種因素的影響，就可以得到較好的 仿真結(jié)果。5. 設(shè)計總結(jié)通過節(jié)點法這個實驗，我對用軟件設(shè)計仿真有了進一步的了解。我驗證了節(jié) 點電壓法的正確性，學(xué)習(xí)使用了 Multisim 仿真軟件進行電路模擬。在接仿真電 路時，要注意節(jié)點的放置。由于我在實驗時的疏忽大意，忘記放置了一個節(jié)點， 導(dǎo)致仿真出的實驗數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)不同。后來通過檢查電路圖才發(fā)現(xiàn)了這一問 題，并改正了。所以在設(shè)計實驗時一定要注意這些小細節(jié)。三、（含受控源）戴維寧定理的驗證1. 電路課程設(shè)計目的（1）驗證戴維寧定理的正確性，加深對該定理的理解。（2）掌握測量二端網(wǎng)絡(luò)等效參數(shù)的一般方法。

11、（3）學(xué)習(xí)使用Multisim 仿真軟件進行電路模擬。2. 仿真電路設(shè)計原理1.任何一個線性含源網(wǎng)絡(luò)，如果僅研究其中一條支路的電壓和電流， 則可將 電路的其余部分看作是一個有源二端網(wǎng)絡(luò)。戴維寧定理指出：任何一個線性有源網(wǎng)絡(luò)，總可以用一個電壓源與一個電阻 的串聯(lián)來等效代替，此電壓源的電動勢 Us等于這個有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓Uoc,其等效內(nèi)阻Ro等于該網(wǎng)絡(luò)中所有獨立源均置零（理想電壓源視為短接，理想電流源視為開路）時的等效內(nèi)阻。Uoc （Us）和Ro或者Isc（ls）和Ro稱為有源二端網(wǎng)絡(luò)的等效參數(shù)。2.有源二端網(wǎng)絡(luò)等效參數(shù)的測量方法 開路電壓、短路電流法測 & :在有源二端網(wǎng)絡(luò)輸出端開

12、路時，用電壓表直接測出其輸出端的開路電壓Uoc，然后再將其輸出端短路，用電流表測其短路電流Isc，貝U等效內(nèi)阻為RoI sc3. 電路設(shè)計內(nèi)容與步驟1.用開路電壓、短路電流法測定戴維寧等效電路的Uoc、Ro。按圖接入穩(wěn)壓電源和恒流源，不接入Rl。測出Uoc和Isc，并計算出Ro。（測U。時，不接入mA 表）2.驗證戴維寧定理。用戴維寧定理求如圖所示電路中的電壓 U。原理電路圖如圖1所示:lAi12V首先計算U OCUOC129V求Isc4ii4i4i12i12 (1)4i13i12 (2)聯(lián)立(1)、(2)得1.5A, Isc i 1.5A計算等效電阻Req企6I sc圖2按下圖2接仿真電路，

13、測Uoc八+觀察電壓表示數(shù)可知開路電壓Uoc 9V,和計算值一致。由于電路開路，i 0,此時受控電壓源不作用。按圖3接仿真電路，從而測IscR1WvR7 1 AVAl.&H:_L2V1 :12V11 ' DC 1e Oiini :I 1 I - I -1KSCl觀察電流表示數(shù)可知Isc 1.5A，和計算值一致。由于電路短路，Isc i，因此按圖2接好電路就可測得Isc 0用戴維寧定理等效電路后，按圖4連接仿真電路，測得U。:_J_V1 : 二9 V觀察萬用表電壓示數(shù)可知U 3V ,和計算值一致。觀察示波器的波形圖:不液器翼gf 1X由于電壓源是直流穩(wěn)壓的，所以示波器的波形是一條

14、直線。4. 誤差分析仿真實驗值和計算值完全一致。誤差為 0%我們只要精心準備仿真試驗，盡力減小各種因素的影響，就可以得到較好的 仿真結(jié)果。5. 設(shè)計總結(jié)通過本實驗，我驗證了戴維寧定理的正確性， 加深了對該定理的理解，掌握 了測量有源二端網(wǎng)絡(luò)等效參數(shù)的一般方法。 在設(shè)計本實驗的過程中，由于電路含 有一個電流控制電壓源，我對受控源的仿真接線有了一定了解。在仿真時，由于要測電路的開路電壓和短路電流， 又含有受控源，電路較為 復(fù)雜。我在接受控源的時候沒有注意正負方向， 造成了一些錯誤，無法得出正確 結(jié)果，耽誤了不少時間。這讓我懂得了不管是在真實實驗還是仿真實驗時都要在 理解的基礎(chǔ)上謹慎小心，注意好每一

15、個小細節(jié)，才能提高準確度和效率。四、運算放大器電路輔助分析1. 電路課程設(shè)計目的(1) 理解運算放大器電路模型，了解典型運算放大器電路的功能，加深對運算 放大器的理解。(2) 掌握理想運算放大器的特點和分析方法。(3)學(xué)習(xí)使用Multisim 仿真軟件進行電路模擬。2. 設(shè)計仿真電路原理與說明運算放大器簡稱運放，是一種體積很小的集成電路器件。一般放大器的作用是把輸入電壓放大一定倍數(shù)后再輸送出去,其輸出電壓與輸入電壓的比值稱為電壓放大倍數(shù)或電壓增益。理性運放的特點:根據(jù)理想運放的特點Rin，Ro0，A，可以得到以下兩條規(guī)則。(1)“虛斷”由于理想運放Rin，則 ia 0，ib 0，故輸入端口的電

16、流約為零，可近似視為斷路，稱為“虛斷”(2)“虛短”由于理想運放AUo為有限量，則UbUaUo 0，即稱為“虛短”兩輸入端電壓約等于零，可近似視為短路，在分析含理想運算放大器的電阻電路時，若理想運算放大器工作在線性狀 態(tài)，“虛斷”和“虛短”這兩條規(guī)則是同時滿足的。利用以上兩條規(guī)則，可使問 題得到極大的簡化。分析含理想運算放大器電阻電路，一般采用節(jié)點法，或根據(jù) KCL列寫方程。運算放大器輸入端直接連接的節(jié)點，一般不列KCL方程。3. 電路設(shè)計內(nèi)容與步驟 按圖1所示設(shè)計電路。如圖所示運算放大器電路，已知 尺R3 R4 1k ，R2 R5 2k ，Ui 1V ,求 輸出電壓Uo 0i計算得R1R3R

17、2>R4R5“虛短圖1尹可得方程(K1C)UnR2UoR2UoR(R31、C)UnR4UoR40Uo4V由運算放大器“虛斷”(1)(2)uO如下圖觀察示波器的波形圖:X圖3由于電壓源是直流穩(wěn)壓的，所以示波器的波形是一條直線。4. 誤差分析仿真實驗值和計算值完全一致。誤差為 0%我們只要精心準備仿真試驗，盡力減小各種因素的影響，就可以得到較好的 仿真結(jié)果。5. 設(shè)計總結(jié)通過該理想運算放大器的實驗，我理解了運算放大器電路模型，了解典型運算放大器電路的功能，加深了對運算放大器的理解。掌握了理想運算放大器的 特點和分析方法，以及“虛斷”和“虛短”的概念。在實驗過程中，我嘗試了多 次都沒有做出正確

18、結(jié)果，但我沒有放棄。通過請教老師和同學(xué)以及自己的觀察,發(fā)現(xiàn)問題出在放大器的元件找錯了。 所以我們在試驗中一定要學(xué)會堅持，不要放棄。我覺得通過這個實驗，我對 Multisim 仿真軟件的了解又進了一步。五、串聯(lián)諧振電路的研究1. 電路課程設(shè)計目的（1）掌握電路發(fā)生諧振的條件（2）加深理解電路發(fā)生諧振的條件及諧振電路的特點。（3）學(xué)習(xí)使用Multisim 仿真軟件進行電路模擬。2. 設(shè)計仿真電路原理與說明（1）諧振頻率發(fā)生諧振時滿足oL1,則RLC諧振角頻率0和諧振頻率fo分別是0C丄f 1JlC2 VLC由式可看到,調(diào)節(jié)fo、L、C的任一參數(shù)，只要滿足上述關(guān)系，就會發(fā)生諧振?？梢姡C振僅與（2）

19、復(fù)阻抗L、C有關(guān)。Z R j oLj（ oL 亠）oC可見，諧振時復(fù)阻抗的模最小，即|Z|（3）特性阻抗和品質(zhì)因數(shù)Q10C僅與電路參數(shù)有關(guān)。1R oCQ反應(yīng)電路選擇性能好壞的指標，也僅與電路參數(shù)有關(guān)。（4）諧振電流大小為Io U,可見，諧振時電流值最大。R3. 電路設(shè)計內(nèi)容與步驟電路諧振條件驗證方法:這里有幾種方法可以觀察電路發(fā)生串聯(lián)諧振:(1)利用電壓表測量電感元件和電容元件的電壓值，兩者相等時即為串聯(lián)諧振。(2)利用示波器觀察電源電壓與電阻兩端電壓的波形，兩者同相即為串聯(lián)諧 振。2. RLC串聯(lián)諧振電路的特點RLC串聯(lián)諧振電路有幾個主要特征:(1)諧振時，電路為阻性，阻抗最小，電流最大。可

20、在電路中串入一電流表，在改變電路參數(shù)的同時觀察電流的讀數(shù)， 并記錄, 測試電路發(fā)生諧振時電流是否為最大。(2)諧振時，電源電壓與電流同相。這可以通過示波器觀察電源電壓和電阻負載兩端電壓的波形中否同相得到。(3) 諧振時，電感電壓與電容電壓大小相等，相位相反。還可用電壓表這可以通過示波器觀察電感和電容兩端的波形是否反相得出, 測量其大小。3.在Miltisim的電路工作區(qū)按圖連接電路。4根據(jù)自己設(shè)計的參數(shù)并選擇合適的方法驗證串聯(lián)諧振條件。5.根據(jù)上述給出的方法或自行設(shè)計的方法驗證串聯(lián)諧振的條件。RLC串聯(lián)電路圖如圖1所示：J?/wvL已知U 120V, R 1k ,L 0.1mH,C 1mF，電

21、路處于串聯(lián)諧振狀態(tài)。 心nmEMSCl20 Vrms50 Hz F ；R1 Ikf!利用示波器觀察諧振:不液器冥1PIIXTi as H asT2-TL時同13 5,O'11 ms13 5.10'11 mgQ.OW &通道丄 -23.2S4V -23. 2S4 VO.QWV匾道-23.362 V -23.362 VO'JOOO V時訶軸通道A11 B比例 5 nrtspv比例如V/tJrv比例 iV忡xte蠱'GrfeS 0fWSBSl麗麗兩 ©131J sMfocin慄一Ext, TriggerS蟲岌邊汙國|匡mm切律電甲0VC'&q

22、uot;類型區(qū)閔HJti迦匡L(fēng)利用示波器觀察相位相反:xsciNT電V1TO Vrfns：: &0 Hz - 貞；G11mE ；.JT77；ill -'BoJmHRLC串聯(lián)電路諧振時，電路的阻抗最小，電流最大；電源電壓與電流同相; 諧振時電感兩端電壓與電容兩端電壓大小相等，相位相反。4. 實驗注意事項1.使用Multisim時注意選擇適當(dāng)?shù)姆抡鎯x表量程。2.注意仿真儀表的接線是否正確。3每次要通過按下操作界面右上角的“啟動/停止開關(guān)”接通電源，或者暫停 來觀察波形。4使用示波器時要注意選擇合適的時間和幅值來觀察波形。5. 設(shè)計總結(jié)我設(shè)計的電容和電感元件參數(shù)分別為 1mF和O.l

23、mH通過這一實驗，我掌握了電路發(fā)生諧振的條件為XlXc或L丄，加深理解了諧振電路的特點，并且進一步掌握了使用Multisim 現(xiàn)對題目的設(shè)計是非常重要的， 果。經(jīng)過多次嘗試，我終于得到了一組比較合適的數(shù)值。同時，在仿真中，合理 選擇示波器的單位格時間和幅值也是十分重要的，直接影響著觀測結(jié)果。C仿真軟件進行電路模擬的方法。在實驗中，我發(fā)如果題目設(shè)計得不好，則也很難仿真出想要的結(jié)六、三相交流穩(wěn)態(tài)電路輔助分析1.電路課程設(shè)計目的（1）掌握三相負載作星形聯(lián)接、三角形聯(lián)接的方法，驗證這兩種接法下線、相 電壓及線、相電流之間的關(guān)系。（2）學(xué)習(xí)使用Multisim仿真軟件進行電路模擬。2. 仿真電路設(shè)計原理

24、三相負載可接成星形（又稱“ Y'接）或三角形（又稱“ ”接）0當(dāng)三相對 稱負載作丫形聯(lián)接時，線電壓Ul是相電壓Up的73倍。線電流Il等于相電流Ip , 即Ula ,il Ip在這種情況下，流過中線的電流1。0，所以可以省掉中線。當(dāng)對稱三相負載作 形聯(lián)接時,有Il凋p，UlUp 03. 電路設(shè)計內(nèi)容與步驟對稱三相電路如圖所示，已知:Z 60 30 ,ZL (3 j4)對稱線電壓為38CV，求負載端的線電流和線電壓。該電路可以先將三角形負載 等效為星形負載，如圖2（a）所示，其中Z 60 30-20 303Z'因為對稱，3可以先計算其中一相0 令Ua圖2（b）所示的A相計算電路。

25、 于是線電流220 0 V ,可得到Ua所以220 0ZL Z' (3j4) (17.3j10)8.9234.6 AB 8.92154.6 A,Ic 8.9285.4 A.V由圖2 (b)可求得負載端的相電壓U A'N'Z'Ia 20 308.92所以負載端的線電壓U A'B'U a'N'30U B'C'309線電流與相電壓測量結(jié)果:：,：Vt ：:;Z?0 Vrrm60 Hl.：tf-：:.仇-zzov60 H/占胡Ve60 H-:圖 2 (b)34.6 V 178.4309 25.4 V94.6 V4.6 V?

26、U C'A'309145.4 VAC憫 一:：:；RE - L5 -r _J eg.:"M"嚴:* 4卿呦他y扎Ea:2«,5311J3C1 -E.?igjtsca:R1 ： ； ； ； ； L1 : ""亠_兒:一'lO.SlOinHbcTflSl片冇:R3 :；:L1.丄 W弟 他的仙nil AC le-WWhm113AC觀察交流電流表、交流電壓表得Ia Ib Ic 8.919A, Ua'n'178.272V。T1 gaT2 BBT2JL時間 90"Q07ms 90.007 ms 0.000

27、 S通道丿54.357 V 54.S57V 0.000 V通君上 -190,347 V -190.347 V 0.000 V誦道A通道e比例 W rn£/D,v| :比例SOO V蝕比剖0"選 0丫位置電源端線電壓Uab與負載端線電壓Uab相位差角:2 f T 竺 120 2.185 10 3 18047.112 f T 18 120 4.181 10 3 18090.18 I. I-:Z -ZT1 gg0 g 1*1時間97.440 ms4.131 rTE通道A 2132力V1方即V219.396 V通道B106.6BfrnV 50,465 V 50.35B VJJ Ext. Tragert反向I保存B嵋袖ifiWAiljlB比側(cè)ms Div 豈比例1帥V/Div比例竝怦逆& S國固1 3 外部0Y-'iS0V位SQ電平 0麗S<|阿麗畫回因 2邑回 一煙廚屈嗣芮:電源端相電壓Uab與負載端相電壓Uab相位差角:線電流的相對誤差W.9191 100% 0.011%8.92心4-178.2721 100%0.072%相電壓的相對誤差4. 誤差分析178.4理論計算結(jié)果與仿真測量結(jié)果有一定的誤差。主要原因有：（1）理論計算是理想狀態(tài)