基尔霍夫定理的验证实验报告.doc

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1、 新疆大学实习（实训）报告实习（实训）名称 ： 电路EDA课程设计 学 院： 电气工程学院 专 业 班 级： 电气 姓 名： 指 导 教 师： 李劲 报告人 （学号）： 20092101432 时 间： 2012-6-20 15实习主要内容：1.自主设计电路设计并进行模拟仿真。2.设计的题目有基尔霍夫定律，RLC串联谐振电路，积分电路和微分电路。3.在完成设计后进行电脑multisim软件的仿真分析。4.在分析误差后进行报告的书写。主要收获体会与存在的问题：1. 在设计电路时遇到有一些困难，不能很好的把所学知识运用到设计中去，另外设计的电路无法易行。2. 对仿真软件不够了解，在仿真过程中，出现

2、了找不到所需元件或修改数据的麻烦，还有再加上没有经验总会出现这样那样的细节遗漏问题。3. 在计算数据时也遇到了一些麻烦，因为基础知识的不扎实导致在计算选取数据时不够有技巧，出现运算麻烦。4. 在仿真实验过程中，虽然遇到很多麻烦，但同时也收获了很多知识，首先自己动手设计仿真分析提高了我的动手能力；其次，对电路的一些知识有了更好的认识和了解，加深了自己的掌握；再就是对multisim仿真软件的认识更为广泛，并在使用方面更为熟练。5. 通过本次的课程设计不仅学到了书本上的知识更学到了书本上没有知识。也可以说不仅说不仅固了我的文化知识，而且激发了我学习与创新的兴趣，更培养了我的动手能力与分析处理问题的

3、能力。指导教师意见： 指导教师签字：年 月 日备注：Multisim软件的介绍1. 基本介绍。Multisim 2001 提供了多种工具栏，并一层次化的模式加以 管理，用户可以通过View菜单中的选项方便的将顶层的工具栏打开或关闭，再通过顶层工具栏中的按钮来管理和控制下层的工具栏。 通过工具栏，用户可以方便直接的使用软件的 各项功能。顶层的工具栏有：Standard 工具栏， Design工具栏， Zoom工具栏， Simulation工具栏。2. 简单功能介绍2.1Standard工具栏包含了常见的文件操作和编制操作2.2Design工具栏作为设计工具栏是Multisim的核心工具栏，通过对

4、该工作栏按钮的操作可以完成对电路从设计到分析的全部工作，其中的按钮可以直接开关下层的工具栏：Component中的MultisimMaster工具栏， Instrument 工具栏 1. 作为元器件（Component）工具栏中的一项，可以在 Design工具栏中通过按钮来开关 MultisimMaster工具栏。该工具栏有14个按钮，每个每一个按钮都对应一类元器件，其分类方式和Mulyisim元器件数据库中的分类相对应，通过按钮上图标就可大致清楚该类元器件的类型。具体的内容可以从Multisim的在线文档中获取。这个工具栏作为元器件的顶层工具栏，每一个按钮又可以开关下层的工具栏，下层工具栏是

5、对该类元器件更细致的分类工具栏。以第一个按钮为例。通过这个按钮可以开关电源和信号源类的Sources工具栏。 2. Instruments工具栏集中了 Multisim为用户提供的所有虚拟仪器仪表，用户可以通过按钮选择自己需要的仪器对电路进行观测。 2,3用户可以通过Zoom工具栏方便地调整所编制电路的视图大小。 2.4Simulation工具栏可以控制电路仿真的开始，结束和暂停。 EDA 软件所能提供的元器件的多少以及元器件模型的准确性 都直接决定了该EDA软件的质量和易用性。Multisim为用户提供了丰富的元器件，并以开放的形式管理元器件，使得用户能够自己添加所需要的元器件。 3. 基本

6、操作原理 以库的形式管理元器件，通过菜单 Multisim以库的形式管理员器件， 通过菜单TooLls/Database Managenment 打开Database Managenment（数据库管理）窗口，对元器件哭进行管理。在Database Managenment窗口中的Database列表中有两个数据库：Multisim aster和User.但用户可以通过这个对话窗口中的Button in Toolbar 显示框，查找库中不同类别器件在工具栏中的表示方法。基尔霍夫定理的验证目的及要求：（1）设计电路（包括参数的选择）（2）分别在各支路中串入电流表和并入电压表（3）自制表格将测量仿真

7、数据填入（4）验证基尔霍夫定理(5)得出结论进行分析并写出仿真体会。基尔霍夫定律是电路理论中最基本的定律之一。它包括了两个部分的内容：一部分为基尔霍夫电流定理即KCL，一部分为基尔霍夫电压定理即KVL。 该定律也成为基尔霍夫第一定律。KCL是描述电路中与结点相连接的各支路电流间相互关系的定律。KVL是描述回路中各支路（或个元件）电压之间关系的定律。KCL:在集总参数电路中，任何时刻，对任意结点，所有流出结点的支路电流的代数和恒等于零。用数学式子表示为： 另一种是，对任何时刻，任意结点来说，所有流出结点的支路电流之和等于所有流入该结点支路电流之和。用数学式子表示为：KVL：在集总参数电路中，任何

8、时刻，沿任一回路，所有支路电压的代数和等于零。用数学式子表示为：该式表明任一闭合回路中个段电压的约束关系，它与电路中元件的性质无关。一基尔霍夫定律的设计电路电路图1.1二按实验要求来用仿真之后的基尔霍夫设计电路图：电路图1.2三电路仿真及分析计算 表2.2.1 基尔霍夫电流定律的验证 名称电流（mA）电压（V）待测值测量值-2.476-7.5059.9811.263-7.505-1.5010.0074-2.994512验证结点回路1回路2计算如下： 由此可以看出这试验中没有存在误差; 这说明，我们在基尔霍夫定理的实验中选择的参考方向是准确的，在此线性实验过程中我们选择电流方向流进为负流出为正。

9、电压的参考方向由正极性流向负极性的为正，反之为负。 四实验 结论及仿真体会 根据仿真我们可以知道：基尔霍夫定理的内容是KVL 和KCL方程。在对电路进行具体分析之前，首先要选零电流参考方向和电压参考极性然后在能够列出具体的电路方程进行分析与计算。KCL方程的定义是:对任意一个集总参数电路的结点来说输出和输入电流的代数和等于零，用数学表达式为： 该式表明基尔霍夫电流定律定了节点上各支路电流间的线性约束关系，适用于线性电路，这种关系与之路上元件的性质无关。KVL方程的定义是:对任意一个集总参数电路的回路来说在任一时刻，沿该回路全部支路电压的代数和等于零。其数学表达式为这是表明任意闭合回路中个段电压

10、的线性约束关系，这种关系与之路上元件的性质根本上是无关。总的来说基尔霍夫定律不论元件是线性还是非线性的，含源的或无源的，时变的或时不变的都是适用的。虽然我本实验当中遇到一些麻烦但在老师的关怀下很容易解决问题了，通过此实验我掌握好了对基尔霍夫定律的基本规律和知识。二、RLC串联谐振电路目的及要求：（1）设计电路（包括参数的选择） （2）不断改变函数信号发生器的频率，测量三个元件两端的电压，以验证幅频特性（3）不断改变函数信号发生器的频率，利用示波器观察端口电压与电流相位,以验证发生谐振时的频率与电路参数的关系 （4）用波特图示仪观察幅频特性（5）得出结论进行分析并写出仿真体会。二阶动态电路的响应

11、（RLC串联）可用二阶微分方程描述的电路成为二阶电路。此电路在输入为零值时的响应称为零输入相应，在零值初始条件下的响应称为零状态响应。欠阻尼情况下的衰减系数 为：其震荡频率为：；RLC串联谐振电路条件是：电压与电流同相。;当时，谐振频率为;在电路参数不变的情况下，可调整信号源的频率使电路产生串联谐振；在信号源频率不变的情况下，改变L或C使电路产生串联谐振是。电路的频率特性，电路的电流与外加电压角频率的关系称为电流的幅频特性。串联谐振电路总阻抗Z=R，其值最小，如电源电压不变，回路电流I=U/R，其值最大；改变信号源的频率时，可得出电流与频率的关系曲线；三.设计原理：一个优质电容器可以认为是无损

12、耗的（即不计其漏电阻），而一个实际线圈通常具有不可忽略的电阻。把频率可变的正弦交流电压加至电容器和线圈相串联的电路上。若R、L、C和U的大小不变，阻抗角和电流将随着信号电压频率的改变而改变，这种关系称之为频率特性。当信号频率为f=时，即出现谐振现象，且电路具有以下特性：（1）电路呈纯电阻性，所以电路阻抗具有最小值。（2）I=I。=U/R即电路中的电流最大，因而电路消耗的功率最大。同时线圈磁场和电容电厂之间具有最大的能量互换。工程上把谐振时线圈的感抗压降与电源电压之比称之为线圈的品质因数Q。四.RLC串联谐振电路的设计电路图：自选元器件及设定参数，通过仿真软件观察并确定RLC串联谐振的频率，通过

13、改变信号发生器的频率，当电阻上的电压达到最大值时的频率就是谐振频率。设计RLC串联电路图如下图：RLC串联谐振电路当电路发生谐振时，或（谐振条件）。其中，C1=2.2nF,L1=1mH,R1=510，根据公式可以得出，当该电路发生谐振时，频率。RLC串联电路谐振时，电路的阻抗最小，电流最大；电源电压与电流同相；谐振时电感两端电压与电容两端电压大小相等，相位相反。五.用调节频率法测量RLC串联谐振电路的谐振频率在用Multisim仿真软件连接的RLC串联谐振电路，电容选用C1=2.2nF,电感选用L1=1mH,电阻选用R1=510。电源电压处接低频正弦函数信号发生器，电阻电压处接交流毫伏表。保持

14、低频正弦函数信号发生器输出电压不变，改变信号发生器的频率（由小逐渐变大），观察交流毫伏表的电压值。当电阻电压的读数达到最大值（即电流达到最大值）时所对应的频率值即为谐振频率。将此时的谐振频率记录下来。表1 谐振曲线的测量数据表f(KHz)708090100108110120130140150UR(V)9.22011.11912.82213.90814.13914.10913.54612.57511.49610.47UC(V)18.67819.70420.19619.71118.55118.17415.99213.711.6279.88UL(V)7.95610.96514.22717.15118

15、.83319.14220.08520.17119.86319.388当频率为108Hz时，电阻电压的读数达到最大值，即此时电路发生谐振。当频率为70KHz时： 图2 时的波形图 观察波形，函数信号发生器输出电压和电阻电压相位不同，此时电路呈现电感性。当频率108kHz时：图3 108kHz时波形图观察波形，函数信号发生器输出电压和电阻电压同相位，可以得出，此时电路发生谐振，验证了实验电路的正确，与之前得出的理论值相等。因此证明实验电路的连接是正确的。当频率为150kHz时：图 4 150kHz时波形图观察波形，函数信号发生器输出电压和电阻电压相位不同，此时电路呈现出电容性。六.用波特图示仪观察

16、幅频特性。按下图所示，将波特图仪XBP1连接到电路图中。双击波特图仪图标打开面板，面板上各项参数设置如图下图所示。打开仿真开关，在波特图仪面板上出现输出的幅频特性，拖动红色指针，使之对应在幅值最高点，此时在面板上显示出谐振频率。 图5 波特图七.结论与体会： 通过本次是我掌握好了RLC谐振电路的基本规律和它的调整方法，实验中测量谐振频率的方法有：调节频率法、示波器法、电感电容法。本次实验选择的是调节频率法。本次实验用Multisim仿真软件对RLC串联谐振电路进行分析，设计出了准确的电路模型，也仿真出了正确的结果。并且得到了RLC串联谐振电路有几个主要特征：谐振时，电路为阻性，阻抗最小，电流最

17、大。可在电路中串入一电流表，在改变电路参数的同时观察电流的读数，并记录，测试电路发生谐振时电流是否为最大。一个正弦稳态电路，当其两端的电压和通过的电流同相位，则称为电路发生谐振，此时的电路称为谐振电路。 实现谐振的基本方法是：角频率（或频率）不变，调节电感L值和电容C值电感L不变，调节角频率（或频率）值和电容C值电容C不变，调节角频率（或频率）值和电感L值 ； 谐振时，电源电压与电流同相。这可以通过示波器观察电源电压和电阻负载两端电压的波形中否一样的相而得到。四、积分电路与微分电路目的及要求：（1）进一步掌握微分电路和积分电路的相关知识。（2）学会用运算放大器组成积分微分电路。（3）设计一个R

18、C微分电路，将方波变换成尖脉冲波。（4）设计一个RC积分电路，将方波变换成三角波。（5）进一步学习和熟悉Multisim软件的使用。 （6）得出结论进行分析并写出仿真体会。一积分电路与微分电路1. 积分电路及其产生波形1.1运算放大器组成的积分电路及其波形设计电路图如图所示：图 1.1积分电路其工作原理为：积分电路主要用于产生三角波，输出电压对时间的变化率与输入阶跃电压的负值成正比，与积分时间常数成反比，即式中，积分时间常数，为输入阶跃电压。反馈电阻的主要作用是防止运算放大器LM741饱和。C为加速电容，当输入电压为方波时，输入端的高电平等于正电源，低电平等于负电源电压，比较器的时，比较器翻转

19、，输入从高电平跳到低电平。输出的是一个上升速度与下降速度相等的三角波形。图1.2积分电路产生的波形1.2微分电路及其产生波形2. 运算放大器组成的微分电路及其波形设计的微分电路图：图2.1微分电路 其工作原理为：将积分电路中的电阻与电容对换位子，并选用比较小的时间常数RC，便得到了微分电路。微分电路中，输出电压与输入电压对时间的变化率的负值成正比，与微分时间常数成反比，所以 的主要作用是防止运放LM741产生自激振荡。，输出电压正比与输入电压对时间的微商，符号表示相位相反，当输入电压为方波时，当时输出电压为一个有限制。随着C的充电，输出电压将逐渐衰减，最后趋于零，就回形成尖顶脉冲波。微分电路中

20、用信号发生器输入方波信号，经过微分电路就会产生输出脉冲波信号。结论与体会： 通过此设计学会了用运算放大器组成的积分电路和微分电路，还学会了Multisim 软件的应用和使用方法。 示波器和信号发生器相比万用表来说比较复杂，功能多，所以我们设计前也需做些预习，看一些课外资料。 比较微分电路的数据图得，输出的尖脉冲波形的宽度与电路的时间常数 有关， 越小尖脉冲波形越尖，充电速度越快，反之则宽，慢。微分电路的输出波形只反映输入波形的突变部微分电路分，即只有输入波形发生突变的瞬间才有输出而对恒定部分则没有输出。积分电路中当输入方波时通过积分电路应该成为三角波，三角波通过微分电路变为方波，理论分析与实验观察的现象完全一致