Multisim2001在电子电路设计中的应用-06Multisim在电路分析中的应用

第6章Multisim在电路分析中的应用6.1戴维南等效电路的计算6.2叠加定理6.3电容充放电6.4暂态响应6.5互易定理6.6串联谐振电路6.7微分和积分电路习题

6.1戴维南等效电路的计算

在电路分析中，戴维南定理是一个非常重要的内容，利用其求解电路也是一个难点。但在Multisim中用万用表分别测量电路的端口电压和端口短路电流，就可以轻松求出线性电路的戴维南等效电路。我们以图6-1所示电路为例，利用戴维南定理求解戴维南等效电路，同时，熟悉在Multisim中选取元件、连接电路、表头测量的基本操作过程。

图6-1戴维南定理应用电路图

基本操作：(1)首先从元件库中选取电压源和电阻，创建图6-1所示电路。(2)启动Place菜单中的PlaceJunction命令，再启动Place菜单中的PlaceText命令，在需添加端点的位置上点击鼠标，输入文字A、B。从右边仪表库中选出数字万用表(Multimeter)，并接至端点A、B：表头“+”与A连接，“-”与B连接，如图6-2所示。双击XMM1，在面板上选择“V”和“DC”。启动仿真开关，万用表读数为8.0V，此为A、B两端开路电压值。

(3)仍将万用表接至A、B两端，在面板上选择“A”和“DC”，启动仿真开关，万用表读数为2mA，此为A、B两端短路电流的值。(4)根据戴维南定理，戴维南等效电阻等于电路的端口开路电压和端口短路电流的比值。故该电路的戴维南等效电阻R=8/2=4kohm。(5)据此可画出戴维南等效电路，如图6-3所示。

图6-2测量开路电压和短路电流

图6-3戴维南等效电路

6.2叠

加

定

理

叠加定理是电路中一个很重要的定理，可利用Multisim来验证此定理。

以图6-4所示电路为例，利用叠加定理求解电压源、电流源共同作用下R2两端的电压。基本操作：(1)从元件库中选取电流源、电压源以及电阻R1和R2，再从元件库中选取电压表并选择适当的参数，创建图6-4所示电路。

图6-4叠加定理应用图(2)测量电流源开路时R2两端的电压。双击电流源图标，将电流源设置为开路。此时，启动仿真开关，电压表读数为4V，测量等效电路如图6-5所示。(3)测量电压源短路时R2两端的电压。双击电压源图标，将电压源设置为短路。此时，启动仿真开关，电压表读数为0.667V，测量等效电路如图6-6所示。

图6-5电压源单独作用图

图6-6电流源单独作用图

(4)测量电压源、电流源两个电源共同作用时R2两端的电压。启动仿真开关，电压表读数4.667V，测量等效电路如图6-4所示。可以看出，图6-4中R2两端电压(电压源、电流源同时作用)等于图6-5(只有12V电压源单独作用)中的R2两端电压和图6-6(只有1A电流源单独作用)中的R2两端电压之和。这正验证了叠加定理。

6.3电

容

充

放

电

基本操作：(1)从元件库中选取电阻、电压源和电键，从仪器库选取示波器，连接为图6-7所示电路。在该电路中，用电键来控制充放电路的转换。电键由Space健控制。按一下Space键，电键从一边连接到另一边。(2)当J1打在右边时，电容通过R2放电；当J1打在左边时，电源V1通过R1对电容C1充电。(3)双击示波器图标，运行仿真开关，再反复按下空格键，使电键J1反复打开和闭合，就会在示波器的屏幕上观测到图6-8所示的输出波形，这就是电容的充放电曲线。

图6-7电容充放电原理图

图6-8电容电压波形图

6.4暂

态

响

应

过渡过程持续的时间长短、发生的快慢与电路中的元件参数有关。本节将利用虚拟示波器来观察参数改变前后的波形变化。图6-9所示电路为一个RC电路，电路中有两个电压源V1和V2，电键J1用于控制哪个电压源接入电路。当V1接入电路时，电容C1充电；当V2接入电路时，电容C1反向充电。电容器充放电是一个暂态过程，按指数规律变化，暂态过程持续的时间由时间常数τ=RC来决定，式中，R和C分别为电容器充放电回路中的电阻和电容。

图6-9暂态响应电路图

基本操作：(1)从元件库中选取所需元件，并选择适当参数，连接成图6-9所示电路。从仪器库中选取示波器并接在C1的两端。运行仿真开关，反复按下空格键，使电键J1反复打开和闭合，在示波器上可观察到图6-10所示的波形。

图6-10电容电压波形图

(2)暂停电路运行，改变C1的大小，使C1=1uF。保持示波器面板其他选项不变，再运行仿真开关。反复按下空格键，使电键J1反复打开和闭合，在示波器上可观察到如图6-11所示的波形。比较图6-10和图6-11，可以看到：电容减小后，暂态过程所经历的时间变短了，波形上升沿和下降沿变陡了。

图6-11改变电容参数后的电压波形图

6.5互

易

定

理

互易定理对于简化求解过程和进一步深入分析电路都有较大的作用。在Multisim中，可设计电路来验证此定理。

图6-12所示电路为一个简单的电阻网络，含有电压源V1和电流表。由互易定理可知，交换电压源和电流表的位置，电流表读数不变。

图6-12互易前电路图

基本操作：(1)从元件库中选取所需元件并选择适当参数，创建图6-12所示电路。在R2支路串联电流表，电流表读数为0.800 A。(2)交换电压源和电流表的位置，如图6-13所示，保持其他元件位置不变，电流表读数为0.800A。由此可见，电压源与电流表位置互换前后，电流表读数不变。这正好验证了互易定理。

图6-13互易后电路图6.6串联谐振电路

谐振是正弦电路中可能发生的一种电路现象。在实际的应用中，对它进行频率分析并不是很直观、准确。但在Multisim中，利用虚拟波特图仪可以很容易地测出电路在谐振时的频率特性。

图6-14所示电路是由电阻、电容和电感组成的串联谐振电路。XBP1为波特图仪，用来测量频率特性。

图6-14串联谐振电路图

基本操作：(1)创建图6-14所示电路，运行仿真开关，双击波特图仪图标，这时在波特图仪的显示屏上显示出图6-15所示的幅频特性曲线。

图6-15幅频特性曲线

(2)由图6-15所示幅频特性曲线可以看出，谐振频率ω0=1.479kHz。用光标拖动波特图仪面板上的红色指针，可读出任意频率时的幅值。如果点击波特图仪面板上的Phase，则可以看到图6-14所示电路的相频特性。

6.7微分和积分电路

微分和积分电路是工程上常用的电路。在电路分析中，微分和积分电路可以由电容与电阻元件或电感与电阻元件组成。在Multisim中，可利用虚拟示波器方便地观察微分和积分电路的输入输出波形。

本节以RC微分电路为例，如图6-16所示。

图6-16微分电路图

基本操作：(1)创建图6-16所示电路，需要注意的是，输入源是一个函数发生器。双击函数发生器图标，弹出函数发生器面板，如图6-17所示。面板参数设置如下：Waveforms栏选择三角波输入；SignalOptions栏选择Frequency：1kHz，DutyCycle：50%，Amplitude：10V，Offet：0。(2)运行仿真开关，在示波器屏幕上会出现图6-18所示的波形，三角波(蓝色)是输入波形，方波(红色)是输出波形。由图6-18可以清晰地看出，输入和输出之间呈现的是微分关系。移动指针1和指针2，可以测出输入、输出波形的幅值和周期等参数。

图6-17函数发生器面板

图6-18微分波形图

习题

1.仿真图6-19所示电路，利用戴维南等效电路求U。

图6-19戴维南应用实践一

2.仿真图6-20所示电路，利用戴维南等效电路求IAB。

图6-20戴维南应用实践二

3．利用叠加定理求图6-21所示电路中的U。

图6-21叠加定理应用练习

4．利用示波器观察图6-22所示电路的电容的充放电情况。

图6