《Multisim及其在電子設計中的應用》課件第6章

第6章Multisim在電路分析中的應用6.1疊加定理的驗證6.2戴維南定理的應用6.3互易定理的驗證6.4一階電路的響應6.5微分電路和積分電路6.6最大功率傳輸定理6.7簡單諧振電路6.8理想變壓器電路6.9利用面包板與3D元器件搭建電路圖

疊加定理是線性電路中一個很重要的定理，可利用Multisim來驗證此定理。

以圖6-1所示電路為例，利用疊加定理，求解電壓源、電流源共同作用下R2兩端的電壓。

基本操作：

從元件庫中選取電流源、電壓源以及電阻R1、R2，再從庫中選取電壓表，并選擇適當?shù)膮?shù)，創(chuàng)建如圖6-1所示電路。6.1疊加定理的驗證圖6-1疊加定理應用電路圖

(1)測量電流源開路時R2兩端的電壓。雙擊電流源圖標，將其設置為開路。啟動仿真開關，電壓表讀數(shù)為4V。其等效電路如圖6-2所示。

(2)測量電壓源短路時R2兩端的電壓。雙擊電壓源圖標，將其設置為短路。啟動仿真開關，電壓表讀數(shù)為0.667V。其等效電路如圖6-3所示。

(3)測量兩個電源共同作用時R2兩端的電壓。啟動仿真開關，電壓表讀數(shù)4.667V，電路如圖6-4所示。

可以看出，圖6-1中R2兩端電壓等于圖6-2(只有12V電壓源單獨作用)中的R2兩端電壓和圖6-3(只有1A電流源單獨作用)中的R2兩端電壓之和。這就驗證了疊加定理。

為進一步加深理解疊加定理，可設計并仿真圖6-5所示電路，利用疊加定理求U。

圖6-2電壓源單獨作用圖

圖6-3電流源單獨作用圖

圖6-4疊加定理應用結果

圖6-5疊加定理練習圖

在電路分析中，戴維南定理是一個非常重要的內(nèi)容，利用其求解電路也是一個難點。在Multisim中用萬用表分別測量電路的端口電壓和端口短路電流，可以輕松求出線性電路的戴維南等效電路。這里以圖6-6所示電路為例，利用戴維南定理，求解戴維南等效電路，同時熟悉在Multisim中，選取元件、連接電路、表頭測量的基本操作過程。6.2戴維南定理的應用基本操作：

(1)首先從元件庫中選取電壓源和電阻，創(chuàng)建如圖6-7所示電路。

(2)啟動Place菜單中的PlaceJunction命令，再啟動Place菜單中的PlaceText命令，在需添加端點的位置上點擊鼠標，輸入文字A和B。從右邊儀表庫中選出數(shù)字萬用表(Multimeter)，并接至端點A和B。表頭“+”與A連接，“-”與B連接，如圖6-7所示。雙擊儀表圖標，在其面板上選擇“V”和“DC”。啟動仿真開關，萬用表讀數(shù)為8.0V，此為A、B兩端開路電壓值。

(3)仍將萬用表接至A、B兩端，在面板上選擇“A”和“DC”，啟動仿真開關，萬用表讀數(shù)為2mA，此為A、B兩端短路電流值。

(4)該電路的戴維南等效電阻Req=8/2=4kΩ，據(jù)此可畫出戴維南等效電路，如圖6-8所示。

圖6-6戴維南定理應用電路圖

圖6-7測量開路電壓和短路電流

圖6-8戴維南等效電路參考上例，設計并仿真以下兩個電路：

(1)仿真如圖6-9所示電路，利用戴維南等效電路求U。

(2)仿真如圖6-10所示電路，利用戴維南等效電路求IAB。

圖6-9戴維南定理練習圖1

圖6-10戴維南定理練習圖2

互易定理也是線性電路的一個重要定理，對于簡化求解過程和進一步深入分析電路都有較大的作用。用Multisim可驗證此定理。6.3互易定理的驗證

圖6-11互易前電路圖

圖6-12互易后電路圖基本操作：

(1)從元件庫中選取所需元件，并選擇適當參數(shù)，創(chuàng)建如圖6-11所示電路。連接電路，在R2支路串聯(lián)電流表，電流表讀數(shù)為0.8A。

(2)改變電壓源的位置，與電流表支路位置互換，如圖6-12所示。保持其他元件位置不變，在R1支路串聯(lián)電流表，電流表讀數(shù)仍為0.8A。

由此可見，電壓源與電流表位置互換前后，電流表讀數(shù)不變。這也正是互易定理的一個內(nèi)容。設計并仿真圖6-13所示電路，進一步驗證互易定理(將6A電流源與R5支路互易)。

圖6-13互易定理練習圖

6.4.1電容器充放電—零狀態(tài)與零輸入響應

當電路中含有電容元件和電感元件時，如果在電路中發(fā)生換路(電路的結構或元件參數(shù)發(fā)生改變)，則電路會進入過渡過程(暫態(tài))。在Multisim中，利用虛擬示波器可直觀且準確地觀察到過渡狀態(tài)的動態(tài)變化過程。這里以圖6-14為例，觀測電容充放電(零狀態(tài)響應與零輸入響應)這一暫態(tài)過程及充放電時間常數(shù)對暫態(tài)過程的影響。6.4一階電路的響應基本操作：

(1)從元件庫中選取所需要的元件并設置適當?shù)膮?shù)。從儀表庫中選取示波器，創(chuàng)建如圖6-14所示電路。在該電路中，用電鍵來控制充放電電路的轉(zhuǎn)換(按SPACE健)。

(2)將J1打在右邊，電容通過R2放電；將J1打在左邊，電源V1通過R1對電容C1充電。

(3)雙擊示波器圖標，運行仿真開關，再反復按下空格鍵，使電鍵J1反復打向左邊和右邊，就會在示波器的屏幕上觀測到如圖6-15所示的波形曲線，這就是電容的充放電曲線。顯然，電容器充電時即對應著零狀態(tài)響應，電容器放電時即對應著零輸入響應。

.

圖6-14電容充放電原理圖

圖6-15電容電壓波形圖

圖6-16電容充放電練習圖6.4.2電容器充放電—階電路的全響應

建立如圖6-17所示電路，觀察uC(t)的波形變化。

基本操作：

從元件庫中選取所需元件，并設置適當參數(shù)。按圖6-17連接，將示波器并聯(lián)在C1的兩端，運行仿真開關，反復按下空格鍵，使電鍵J1反復分別與兩個電壓源V1與V2連接，在示波器的屏幕上出現(xiàn)如圖6-18所示波形。

圖6-17一階電路全響應電路圖

圖6-18電容電壓波形圖

圖6-19改變電容參數(shù)后的電壓波形圖控制過渡過程時間的參數(shù)是時間常數(shù)τ=RC，如減小C值，則過渡過程所經(jīng)歷的時間會比原來的短，在波形上升和下降時都比原來的陡。反之，如增大C值，則過渡過程所經(jīng)歷的時間會比原來的長，在波形上升和下降時都會比原來緩慢。

參考上例，設計并仿真圖6-20所示電路，當t<0時電路已達穩(wěn)態(tài)，t=0時開關斷開，改變L1的大小，觀察改變前后uL(t)的波形變化。

圖6-20暫態(tài)響應練習圖

微分電路和積分電路是工程上常用的電路。在電路分析中，微分電路和積分電路可以由電容與電阻元件或電感與電阻元件組成。在Multisim中，可利用虛擬示波器方便地觀察微分電路和積分電路的輸入/輸出波形。6.5微分電路和積分電路本例設計的是一個RC微分電路，如圖6-21所示。

基本操作：

(1)創(chuàng)建圖6-21所示電路。需要注意的是，電路中的輸入源是一個函數(shù)發(fā)生器。雙擊函數(shù)發(fā)生器圖標，在Waveforms欄選擇三角波輸入，如圖6-22所示。

(2)打開仿真開關，在示波器屏幕上會出現(xiàn)如圖6-23所示的波形，其中藍色是輸入波形，紅色是輸出波形。從波形可以清晰地看出，輸入和輸出之間所呈現(xiàn)的是微分關系。圖6-21微分電路圖圖6-22函數(shù)發(fā)生器面板

圖6-23微分波形圖

(3)移動指針1、指針2，可以測出輸入、輸出波形的幅值、周期等參數(shù)。

仿照上例，設計并仿真如圖6-24所示的RC積分電路，觀察積分波形。

圖6-24RC積分電路練習圖

最大功率傳輸定理在實際中具有非常重要的應用，是電路中非常重要的定理。在Multisim中，通過電路仿真可以驗證這個定理。

電路如圖6-25所示。設，求ZL為何值時可以獲得最大功率，仿真并加以驗證。6.6最大功率傳輸定理基本操作：

(1)根據(jù)理論分析，首先給出該電路的戴維南等效電路，如圖6-26所示。由最大功率傳輸定理可知，當時，ZL獲得最大功率P：P=1.5W。

(2)從元件庫中選取所需元件，并設置適當參數(shù)。選定有效值為6V、頻率f?=?1kHz、由已知條件計算可得L?=?0.5mH，C?=?27μF。

(3)按圖6-27(a)所示連接仿真電路，運行仿真開關，測試結果如圖6-27(b)所示。

圖6-25仿真應用電路圖6-26戴維南等效電路

圖6-27最大功率仿真電路及測試結果

諧振是正弦電路中可能發(fā)生的一種電路現(xiàn)象。在實際應用中，對它進行頻率分析并不是很直觀和準確。在Multisim中，利用虛擬波特圖儀可以很容易地測出電路在諧振時的頻率特性。6.7簡單諧振電路6.7.1簡單串聯(lián)諧振電路

仿真并測試如圖6-28所示電路。

基本操作：

(1)創(chuàng)建如圖6-28所示電路，運行仿真開關，雙擊波特圖儀圖標，這時在波特圖儀的面板上顯示出幅頻特性曲線。為便于觀察，可適當調(diào)節(jié)面板上的各項參數(shù)，如圖6-29所示。

(2)從該幅頻特性曲線上可以看出，諧振頻率f0?=

1.479kHz。用光標拖動波特圖儀面板上的紅色指針，可讀出在任意頻率時的幅值。如果點擊面板上的Phase按鈕，可以看到相頻特性。圖6-28串聯(lián)諧振電路圖

圖6-29頻率特性曲線6.7.2簡單并聯(lián)諧振電路

仿真并測試圖6-30所示諧振電路。已知：L?=?100

H，C?=?100pF，r?=?25Ω，RS=40kΩ，US=40V。

基本操作：

(1)在圖6-30所示電路中，L?=?100

H，C?=?100pF，r?=?25Ω，RS?=?40kΩ，US?=?40V。由電路分析理論計算出諧振頻率為圖6-30并聯(lián)諧振電路諧振回路端電壓為

總電流為

(2)從元件庫中選取所需元件，并設置適當參數(shù)。選定電源有效值為40V，頻率f?=?1591kHz。

(3)按圖6-31(a)所示連接仿真電路，運行仿真開關，測試結果如圖6-31(b)所示。

圖6-31并聯(lián)諧振電路仿真電路及測試結果

仿真并測試如圖6-32所示的含理想變壓器的電路。設理想變壓器的變比n?=?0.5，R1?=?R2?=?10Ω，

， 。測試圖中各電流。6.8理想變壓器電路基本操作：

(1)理論計算可得：

。選取電源頻率為200Hz，由

可得：C=16

F。

(2)選取元件確定參數(shù)，搭建仿真電路。

(3)運行仿真電路，測試結果如圖6-33所示。

圖6-33含理想變壓器仿真結果

圖6-34主工具欄6.9利用面包板與3