2022年电路仿真实验报告 .pdf

本科实验报告实验名称：电路仿真课程名称：电路仿真实验时间：任课教师：实验地点：实验教师：实验类型：原理验证 综合设计 自主创新学生姓名：学号/班级：组号：学院：信息与电子学院同组搭档：专业：成绩：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 31 页 -实验 1 叠加定理的验证1.原理图编辑:分别调出 接地符、电阻 R1、R2、R3、R4，直流电压源、直流电流源，电流表电压表（Group:Indicators,Family:VOLTMETER 或AMMETER）注意电流表和电压表的参考方向），并按上图连接；2.设置电路参数：电阻 R1=R2=R3=R4=1，直流电压源 V1为 12V，直流电流源 I1 为10A。3实验步骤：1）、点击运行按钮记录电压表电流表的值U1和 I1；2）、点击停止按钮记录，将直流电压源的电压值设置为0V，再次点击运行按钮记录电压表电流表的值U2和 I2；3）、点击停止按钮记录，将直流电压源的电压值设置为12V，将直流电流源的电流值设置为0A，再次点击运行按钮记录电压表电流表的值 U3和 I3；R11V112 V I110 A R21R31R41U1DC 1e-009Ohm0.000A+-U2DC 10MOhm0.000V+-名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 31 页 -4.根据叠加电路分析原理,每一元件的电流或电压可以看成是每一个独立源单独作用于电路时，在该元件上产生的电流或电压的代数和。所以，正常情况下应有U1=U2+U3,I1=I2+I3;经实验仿真：当电压源和电流源共同作用时，U1=-1.6V I1=6.8A.当电压源短路即设为0V,电流源作用时，U2=-4V I2=2A 当电压源作用，电流源断路即设为0A时，U3=2.4V I3=4.8A R11R21R31R41V112 V U1DC 10MOhm-1.600V+-U2DC 1e-009Ohm6.800A+-I110 A R11R21R31R41V10 V U1DC 10MOhm-4.000V+-U2DC 1e-009Ohm2.000A+-I110 A 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 31 页 -所以有 U1=U2+U3=-4+2.4=-1.6V I1=I2+I3=2+4.8=6.8A 验证了原理实验 2 并联谐振电路仿真2.原理图编辑:分别调出 接地符、电阻 R1、R2，电容 C1，电感 L1，信号源 V1，按上图连接并修改按照例如修改电路的网络标号；3.设置电路参数：电阻 R1=10，电阻 R2=2K，电感 L1=2.5mH,电容 C1=40uF。信号源 V1设置为 AC=5v，Voff=0，Freqence=500Hz。4.分析参数设置：AC分析：频率范围 1HZ 100MHZ，纵坐标为 10倍频程，扫描点数为 10，观察输出节点为Vout 响应。TRAN 分析：分析 5 个周期输出节点为Vout 的时域响应。R11R21R31R41V112 V U1DC 10MOhm2.400V+-U2DC 1e-009Ohm4.800A+-I10 A V15 Vpk 500 Hz 0R110L12.5mHC140 FR22kinout0名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 31 页 -实验结果：要求将实验分析的数据保存(包括图形和数据)，并验证结果是否正确，最后提交实验报告时需要将实验结果附在实验报告后。根据并联谐振电路原理,谐振时节点out 电压最大且谐振频率为w0=1/LC=1000*10，f0=w0/2=503.29Hz 谐振时节点 out 电压理论值由分压公式得u=2000/(2000+10)*5=4.9751V.当频率低于谐振频率时，并联电路表现为电感性，所以相位为 90当频率等于谐振频率时，并联电路表现为电阻性，所以相位为 0当频率高于谐振频率时，并联电路表现为电容性，所以相位为-90经仿真得谐振频率为501.1872Hz，谐振时节点电压为4.9748V.名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 31 页 -相频特性与理论一致。由信号源的 f=500Hz，可得其周期为 0.002s,为分析 5 个周期，所以设瞬态分析结束时间为0.01s.得如下仿真结果：仿真数据：（从 excel 导出）X-铜线1:V(vout)Y-铜线1:V(vout)1 0.007854003 1.258925412 0.009887619 1.584893192 0.012447807 1.995262315 0.015670922 2.511886432 0.019728646 3.16227766 0.024837142 3.981071706 0.031268603 5.011872336 0.039365825 6.309573445 0.049560604 7.943282347 0.062397029 10 0.078561038 12.58925412 0.098918117 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 31 页 -15.84893192 0.124561722 19.95262315 0.156876168 25.11886432 0.197619655 31.6227766 0.249036512 39.81071706 0.314013974 50.11872336 0.396310684 63.09573445 0.500907228 79.43282347 0.634575093 100 0.80685405 125.8925412 1.031819265 158.4893192 1.331400224 199.5262315 1.74164406 251.1886432 2.32321984 316.227766 3.165744766 398.1071706 4.274434884 501.1872336 4.97484754 630.9573445 4.314970112 794.3282347 3.202346557 1000 2.348723684 1258.925412 1.759342888 1584.893192 1.344114189 1995.262315 1.041249759 2511.886432 0.814015182 3162.27766 0.640100344 3981.071706 0.505215181 5011.872336 0.399692333 6309.573445 0.316680015 7943.282347 0.251144179 10000 0.19928881 12589.25412 0.158199509 15848.93192 0.125611629 19952.62315 0.099751457 25118.86432 0.079222668 31622.7766 0.062922422 39810.71706 0.049977859 50118.72336 0.039697222 63095.73445 0.031531821 79432.82347 0.025046213 100000 0.019894713 125892.5412 0.015802831 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 31 页 -158489.3192 0.012552584 199526.2315 0.009970847 251188.6432 0.007920112 316227.766 0.006291162 398107.1706 0.004997245 501187.2336 0.003969451 630957.3445 0.003153046 794328.2347 0.002504553 1000000 0.001989437 1258925.412 0.001580266 1584893.192 0.00125525 1995262.315 0.00099708 2511886.432 0.000792009 3162277.66 0.000629115 3981071.706 0.000499724 5011872.336 0.000396945 6309573.445 0.000315304 7943282.347 0.000250455 10000000 0.000198944 12589254.12 0.000158027 15848931.92 0.000125525 19952623.15 9.9708E-05 25118864.32 7.92009E-05 31622776.6 6.29115E-05 39810717.06 4.99724E-05 50118723.36 3.96945E-05 63095734.45 3.15304E-05 79432823.47 2.50455E-05 100000000 1.98944E-05 实验 3 含运算放大器的比例器仿真名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 31 页 -1.原理图编辑:分别调出电阻 R1、R2，虚拟运算放大器 OPAMP_3T_VIRTUA（在ANALOG 库中的 ANALOG_VIRTUAL中，放置时注意同相和方向引脚的方向）；调用虚拟仪器函数发生器Function Generator与虚拟示波器Oscilloscope。2.设置电路参数：电阻 R1=1K，电阻 R2=5K。信号源 V1设置为 Voltage=1v。函数发生器分别为正弦波信号、方波信号与三角波信号。频率均为 1khz，电压值均为1。其中方波信号和三角波信号占空比均为50%。3.分析示波器测量结果：实验结果:只记录数据（并考虑 B通道输入波形和信号发生器的设置什么关系）将测量结果保存，并利用电路分析理论计算结果验证。1.999-9.995=-5 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 31 页 -1.992-9.960=-5 210-=-5由电路分析原理，输出与输入反向，且放大5 倍，与仿真结果一致。电路分析过程如下图：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 31 页 -实验 4 二阶电路瞬态仿真上图中其中 C1 的电容值分别取1000u，500u，100u，10u，其他参数值如图所示。利用multisim软件使用瞬态分析求出上图中各节点的Vout 节点的时域响应,并能通过数据计算出对应电容取不同参数时电路谐振频率(零输入响应)。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 31 页 -名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 31 页 -名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 31 页 -电容 1000 500 100 10 周期 6.2414ms 4.4245ms 2.0059ms 665.0827us 谐 振 频 率159.15Hz 225.07Hz 503.29Hz 1591.55Hz 此仿真属于 LC电路中的正弦振荡，由于没有电阻，由初始储能维持，储能在电场和磁场之间往返转移，电路中的电流和电压将不断地改变大小和极性，形成周而复始的等幅振荡。实验 5 戴维南等效定理的验证Figure 1电路原理图1.原理图编辑:1)分别调出 接地符、电阻 R，直流电压源电流表电压表（注意电流表和电压表的参考方向），并按Figure 1连接运行，并记录电压表和电流表的值；2)如 Figure 2 连接，将电压源从电路中移除，并使用虚拟一下数字万用表测试电路阻抗；33010V 0.000A+-0.000V+-91220470RL名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 31 页 -Figure 2电路等效电阻测量3)如 Figure 3连接，将电阻 RL从电路中移除，并使用电压表测量开路电压；Figure 3电路开路电压值测量4)如 Figure 4连接，验证戴维南定理；Figure 4戴维南等效电路图2.设置电路参数：电阻、电源参数如上述图中所示。3实验步骤：如原理通编辑步骤，分别测试对应电路的电压、电流和电阻值。4.实验结果：33091220Rth33010V 91220Eth0.000V+-223Rth4V 0.000A+-0.000V+-470RL名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 31 页 -比较 Figure 1和 Figure 4中电压表和电流表的值的异同，并解释原因。原电路结果：(figure1）将电压源移除测得等效阻抗为223 欧。测开路电压：戴维南等效电路：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 31 页 -由戴维南等效定理可知，含源单口网络无论其结构如何复杂，就其端口来说，可等效为一个电压源串联电阻支路。电压源电压等于该网络的开路电压，串联电阻等于网络中所有独立源为零时网络的等效电阻。等效电阻理论值：220/330+91=220*330/（220+330）+91=132+91=223 开路电压理论值：220/（220+330）*10=4V 将单口网络换为电压源与等效电阻支路后，Figure 1和 Figure 4中电压表和电流表的值的相同，且等效电阻和开路电压的仿真结果与理论值一致，验证了戴维南等效定理。实验 2 元件模型参数的并联谐振电路1.原理图编辑，设置参数：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 17 页，共 31 页 -分别调出电阻R、电感L、电容C 和信号源V1（注意区分信号源族（SIGNAL_VOLTAGE_SOURCES）和电源族（POWER_SOURCES）中，交流电压源的区别，信号源的 AC设置为 5），参数如图所示（课上已经重点强调）。2.参数扫描分析设置：simulate Parameter Sweep：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 18 页，共 31 页 -AC分析设置：扫描范围1Hz100MHz,横坐标扫描模式为Decade,纵坐标为线性。每十倍频程扫描点数为10 点，同学们自己设置100 和 1000 点并分析所得结果的异同。3.观察电容的容值发生变化时，记录电路的幅频响应。在实验报告中重点分析响应波形不同的原因。并介绍AC分析和参数分析的特点。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 19 页，共 31 页 -4.扫描点数为 10 点：求谐振频率的公式为w0=1/LC，f0=w0/2，所以 C越小，谐振频率越大。并联 GLC电路通频带 BW=G/C,所以 C越小，通频带越长。与仿真曲线吻合。AC分析是在正弦小信号工作条件下的一种频域分析。它可以计算电路的幅频特性和相频特性，在进行交流频率分析时，首先分析电路的直流工作点，并在直流工作点处对各个非线性元件做线性化处理，得到线性化的交流小信号等效电路，并用交流小信号等效电路计算电路输出交流信号的变化。参数扫描分析是在用户指定每个参数变化值的情况下，对电路的特性进行分析。当 C=4e-007时，谐振频率的理论值为f=5032Hz.仿真值为 5011.9 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 20 页，共 31 页 -当 C=4e-006时，谐振频率的理论值为f=1591.5Hz.仿真值为 1584.9 当 C=4e-005时，谐振频率的理论值为f=503.29Hz.仿真值为 501.19名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 21 页，共 31 页 -当 C=4e-004时，谐振频率的理论值为f=159.15Hz.仿真值为 158.49当扫描 100 个点时名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 22 页，共 31 页 -名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 23 页，共 31 页 -当扫描 1000 个点时名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 24 页，共 31 页 -名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 25 页，共 31 页 -扫描点数越多，曲线越平滑，仿真值越贴近理论值。实验 3 电路过渡过程的仿真分析名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 26 页，共 31 页 -1.原理图编辑，设置参数：分别调出电阻 R、电感 L、电容 C、接地符 和信号源 V1，其中，信号源是 Source库 SIGNAL_VOLTAGE_SOURCES组中调用 PULSE_VOLTAGE，参数如下：Initial Value 0V，Pulsed Value 1V，Delay Time 0s，Rise Time 0s，Fall Time 0s，Pulse Width 60 s，Period 120 s。（该电压源用于产生方波信号）2.观察电容上的电压波形（使用瞬态分析，分析时间为 5 倍的方波信号周期），并判断 Uout(t)的响应属于何种形式(过阻尼/欠阻尼/临界阻尼)？3.通过计算的阻尼电阻，使用参数分析方法 设置三个电阻值（分别对应过阻尼/欠阻尼/临界阻尼状态），观察出其它三种响应形式（过阻尼/欠阻尼/临界阻尼)。在实验报告中重点分析响应波形不同的原因（根据计算得到的仿真电路的时域特性来解释）。并介绍瞬态分析和参数扫描分析的特点。参数扫描设置如下所示：V10 V 1 V 60usec 120usec R15kL11mHC11nF1out30名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 27 页，共 31 页 -名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 28 页，共 31 页 -临界阻尼为 2*CL=2000。当 R2000时，过阻尼，响应是非振荡的，当 R=2000时，临界阻尼，响应是非振荡的，当R2000时，欠阻尼，响应为按指数规律衰减的衰减振荡。电阻较大时，损耗也大，在储能的转移过程中，电阻消耗能量较大，当磁场储能再度释放时已不能再供给电场存储，当电阻较小时，电容可能再度充电，形成不断放充电的局面，形成振荡性的响应。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 29 页，共 31 页 -名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 30 页，共 31 页 -瞬态分析和参数扫描分析的特点：瞬态分析用于分析电路的时域响应，分析的结果是电路中指定变量与时间的函数关系。瞬态分析可以同时显示电路中所有结点的电压波形。参数扫描分析是在用户指定每个参数变化值的情况下，对电路的特性进行分析。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 31 页，共 31 页 -