《Multisim电子电路仿真教程》课件第5章

第5章

电路基础Multisim仿真实验

5.1直流电路仿真实验

5.2正弦交流电路仿真实验

5.3移相电路仿真实验

5.4三相交流电路仿真实验

5.5动态电路仿真实验

5.6谐振电路仿真实验

5.7非正弦周期电流电路仿真实验

5.1直流电路仿真实验

5.1.1验证欧姆定律

1．实验要求与目的

(1)验证欧姆定律的正确性，熟练掌握电压U、电流I和电阻R之间的关系。

(2)研究电压表和电流表内阻对测量的影响。

2．实验原理

欧姆定律的表达式：

采用不断地改变直流电路的相关参数的方法，监测电路中电压和电流的变化，从而归纳出其规律，验证欧姆定律的正确性。

3．实验电路

改变电阻时欧姆定律的实验电路如图5-1所示，改变电压时欧姆定律的实验电路如图5-2所示。

图5-1改变电阻时欧姆定律实验电路

图5-2改变电压时欧姆定律实验电路

4．实验步骤

(1)按图5-1连接电路，电位器的电阻R1为10Ω，通过键盘“a”或“shift+a”改变箭头指向部分电阻占总电阻的比例，0%对应0Ω

，100%对应10Ω

。依次改变电阻的值，打开仿真开关，将测量结果填入表5-1中。

表5-1改变电阻时的测量结果

(2)按图5-2连接电路，调节电位器可以改变电阻R2两端的电压，依次改变电压的值，打开仿真开关，将测量结果填入表5-2中。

表5-2改变电压时的测量结果

在以上两个测量电路中，图5-1采用的是电压表外接的测量方法，实际测量的电压值是电阻和电流表串联后两端的电压。电压表的读数除了电阻两端的电压，还包含了电流表两端的电压。图5-2采用的是电压表内接的测量方法，实际测量的电流值是电阻和电压表并联后的电流，电流表的读数除了有电阻元件的电流外，还包括了流过电压表的电流。显然，无论采用哪种电路都会引起测量的误差。由于Multisim提供的电流表的默认内阻为1×10－9

Ω，电压表的内阻为1GΩ

，所以仿真的误差很小。但在实际测量中电压表的内阻不是足够大，电流表的内阻也不是足够小，因此在实际测量中会引起一定的误差。

(3)采用图5-3所示的电压表外接测量方法分别测量1?、10Ω

、100Ω

、1kΩ

、10kΩ电阻的电压和电流。双击电压表和电流表，打开其属性框，将电压表内阻设定为200kΩ

，电流表的内阻设定为0.1Ω

。测量的结果填入表5-3中。

图5-3电压表外接测量电路

表5-3电压表外接法改变电阻时的测量结果

(4)采用图5-4所示的电压表内接测量方法分别测量1Ω

、10Ω

、100Ω

、1kΩ

、10kΩ电阻的电压和电流。将电压表内阻设定为200kΩ

，电流表的内阻设定为0.1Ω

。测量的结果填入表5-4中。

图5-4电压表内接测量电路

表5-4电压表内接法改变电阻时的测量结果

5．数据分析与结论

分析表5-2所列的测量数据，调节电位器，电压改变，电流也随之改变，但U、I、R三者之间完全符合欧姆定律的规律，即

分析表5-3和表5-4所列的测量结果，电压表和电流表的内阻对测试结果有影响。为了减小测量误差，当被测电阻比较大时应采用电压表外接法测量，当被测电阻比较小时，应采用电压表内接法测量。

5.1.2求戴维南及诺顿等效电路

1．实验要求与目的

(1)求线性含源二端网络的戴维南等效电路或诺顿等效电路。

(2)掌握戴维南定理及诺顿定理。

2．实验原理

根据戴维南定理和诺顿定理，任何一个线性含源二端网络都可以等效为一个理想电压源与一个电阻串联的实际电压源形式或一个理想电流源与一个电阻并联的实际电流源形式。这个理想电压源的值等于二端网络端口处的开路电压，这个理想电流源的值等于二端网络两端口短路时的电流，这个电阻的值是将含源二端网络中的独立源全部置0后两端口间的等效电阻。根据两种实际电源之间的互换规律，这个电阻实际上也等于开路电压与短路电流的比值。

3．实验电路

含源二端线性网络如图5-5所示。

图5-5含源二端线性网络

4．实验步骤

(1)在电路窗口中编辑图5-5，节点a、b的端点通过启动Place菜单中的PlaceJunction命令获得；a、b文字标识在启动Place菜单中的PlaceText后，在确定位置输入所需的文字即可。

(2)从仪器栏中取出万用表，并设置到直流，电压挡位，连接到a、b两端点，测量开路电压，测得开路电压Uab=7.820V，如图5-6所示。

图5-6开路电压的测量电路及测量结果

图5-7短路电流测量结果

(3)将万用表设置到直流电流挡位，测量短路电流，测得的短路电流Is=78.909mA，如图5-7所示。

(4)求二端网络的等效电阻。

方法一：通过测得的开路电压和短路电流，可求得该二端网络的等效电阻。

方法二：将二端网络中所有独立源置0，即电压源用短路代替，电流源用开路代替，直接用万用表的欧姆挡测量a、b两端点之间的电阻。测得R0=99.099≈99.1Ω

，如图5-8所示。图5-8等效电阻的测量电路和测量结果

(5)画出等效电路。戴维南等效电路如图5-9(a)所示，诺顿等效电路如图5-9(b)所示。

图5-9戴维南等效电路和诺顿等效电路

5．等效电路验证

可以在原二端网络和等效电路的端口处加同一电阻，对该电阻上的电压电流进行测量，若完全相同，则说明原二端网络可以用戴维南等效电路或诺顿等效电路来代替。

5.1.3复杂直流电路的求解

1．实验要求与目的

学会使用Multisim软件分析复杂电路。

2．实验原理

Multisim提供了直流工作点的分析方法，可以对一个复杂的直流电路快速地分析出节点电压等。

3．实验电路

复杂电路如图5-10所示。

图5-10复杂电路

4．实验步骤

(1)在电路窗口按图5-10构建一个复杂电路。

(2)显示各节点编号。启动菜单Options/Preferences，打开参数设置框，在Circuit页将Shownodenames选中，电路就会自动显示节点的编号。

(3)直接分析出各节点电压。启动Simulate/Analyses/DCOperatingPoint...命令，在打开的直流工作点参数设置对话框中选取要分析的节点号，这里将全部变量设置为分析变量。仿真分析后的结果如图5-11所示。

图5-11仿真分析结果

5．数据分析与结论

由图5-11可知：φ1=24V，φ2=8.96705V，φ3=31.0653V，φ4=9.77902V，φ5=-8.27572V，φ6=-2.22098V。若求流过R2的电流，则

采用Multisim提供的直流工作点分析方法可以快速得到各节点电压和电压源支路的电流，从而可以很方便地求得其他支路的电流。

5.2正弦交流电路仿真实验

5.2.1RLC串联电路

1．实验要求与目的

(1)测量各元件两端的电压、电路中的电流及电路功率，掌握它们之间的关系。

(2)熟悉RLC串联电路的特性。

2．实验原理

RLC串联电路有效值之间的关系为

有功功率与视在功率之间的关系为

3．实验电路

RLC串联电路如图5-12所示。

图5-12RLC串联电路

4．实验步骤

(1)测量各元件两端的电压。按图5-12连接电路，将万用表全部调到交流电压挡，打开仿真开关，测得结果如图5-13所示。

图5-13万用表测量结果

(2)测量电路中的电流和功率。按图5-14连接好功率表和万用表，将万用表调到交流电流挡，打开仿真开关，测得的结果如图5-15所示。

图5-14测量电路的功率和电流

图5-15测量结果

(3)将交流电源的频率改为100Hz，其他参数不变，对以上数据重新测量一次。将结果填入表5-5中。

表5-5RLC串联电路测量结果

5．数据分析及结论

(1)当频率改变时，电路中的各响应都会随之变化，说明电路的响应是频率的函数。

(2)当f=50Hz时：

当f=100Hz时：

所以，电压有效值之间的关系为

当f=50Hz时：

又因为：

当f=100Hz时：

P = 42.933W又因为：

P = 3.456 W

所以，有功功率和视在功率之间的关系为

5.2.2电感性负载和电容并联电路

1．实验要求与目的

(1)测量电感性负载与电容并联电路的电流、功率因数和功率。

(2)研究提高电感性负载功率因数的方法。

2．实验原理

在电感性负载和电容并联电路中，由于电容支路的电流与电感支路电流的无功分量的相位是相反的，可以相互抵消，因此可以提高电路的功率因数。

3．实验电路

电感性负载和电容并联电路如图5-16所示。

图5-16电感性负载和电容并联电路

4．实验步骤

(1)按图5-16连接电路，可变电容C1暂不要连接，测量电路中的电流、功率及功率因数，将数据记录在表5-6中。

(2)在电感性负载的两端并联一个1mF的可变电容，按a或shift+a改变电容的大小，同时监测电路中的电流、功率及功率因数，将数据记录在表5-6中。

5．数据分析及结论

分析表5-6中的数据，随着并联电容的增加，电路中的平均功率基本不变，电路中的总电流先减少后增加，功率因数先增加后减小，这说明在感性负载的两端并联一个电容确实能提高电路的功率因数。但并联的这个电容要合适，太小可能达不到要求，太大则可能过补偿。

表5-6测

量

结

果

5.3移相电路仿真实验

1．实验要求与目的

(1)连接各种基本移相电路，掌握各种移相电路的电路形式。

(2)测量各种基本移相电路的输入、输出波形，掌握电路的移相规律和元件参数对移相的影响。

2．实验原理

电路中电容上的电压滞后电流的变化，电感上的电压超前电流的变化，利用电容和电感的特性，在电路中引入移相。下面通过测试实际电路的输入、输出波形来掌握移相电路的电路形式和移相规律。通过改变某些元件的参数来了解元件参数对移相的影响。

3．实验电路

移相电路如图5-17～图5-21所示。

4．实验步骤

(1)按实验电路图5-17(a)连接电路，为了便于观察输入、输出波形，连接到输出信号的导线颜色改为红色。打开示波器，记录输入、输出波形，如图5-17(b)所示。

(2)改变电路中元件的参数，观察移相情况。

(3)分别按实验电路图5-18(a)～图5-21(a)连接电路，重复步骤(1)、(2)，输入、输出波形分别如图5-18(b)～图5-21(b)所示。

图5-17RC移相电路1图5-18RC移相电路2图5-19RL移相电路1图5-21RLC移相电路

5．波形分析与结论

各电路的波形分别对应图5-17(b)～图5～21(b)所示。

图5-17所示RC移相电路，输出波形超前输入波形，相位超前。

图5-18所示RC移相电路，输出波形滞后输入波形，相位滞后。

图5-19所示RL移相电路，输出波形滞后输入波形，相位滞后。

图5-20所示RL移相电路，输入波形超前输入波形，相位超前。

图5-21所示RLC移相电路，调节电容C的大小，相位可超前也可滞后，可调移相电路。

5.4三相交流电路仿真实验

1．实验要求与目的

(1)测量三相交流电源的相序，掌握判断相序的方法。

(2)观察三相负载变化对三相电路的影响，掌握三相交流电路的特性。

2．实验原理

(1)当负载Y形连接并有中线时，不论三相负载对称与否，三相负载的电压都是对称的，且线电压是相电压的倍，线电流等于对应的相电流。当负载对称时，中线电流为零；当负载不对称时，中线电流不再为零。

(2)当负载Y形连接但没有中线时，若三相负载对称，则三相负载电压是对称的；若负载不对称，则三相负载电压不再对称。

(3)当负载△形连接时，每相负载上的电压是对应的线电压，当三相负载对称时，线电流是相电流的倍；当三相负载不对称时，三相负载电流不再对称。

3．实验步骤

(1)建立三相电源子电路。选择三个正弦交流电源，频率设置为50Hz，有效值设置为220V，相位设置分别为0°、120°、240°

，按图5-22连接电路。(注意：由于软件本身的原因，参数设置中初相为正，但仿真电源波形时初相为负，因此实际电源的初相应为设置值的负值，图5-22中三电源的初相分别为0°、-120°、-240°)。选中全部电路，选择菜单Place/ReplacebySubcircuit命令，弹出子电路命名对话框，输入3Ph或其他名字，点击OK即可得到图5-23所示的子电路。

图5-22三相电源

图5-23三相电源子电路

(2)确定三相电源相序。在实际应用中，常规的测相序的方法是用一个电容与两个灯泡组成图5-23所示的测试电路进行测定。如果电容所接的相为A相，则灯泡较亮的是B相，较暗的是C相。相序是A→B→C。

仿真过程中,灯泡会一闪一闪地亮，电压较高的灯泡上下都有光线出现，电压较低时仅一边有光线。从图5-24中可以看出，判断相序的仿真效果与实际操作的结果是一致的。

图5-24三相电源相序测试电路

(3)观察三相负载变化对三相电路的影响。三相电路的负载连接方式分为Y形(又称为星形)和△形(即三角形)两种。图5-25所示是以三只150W(220V)的灯泡为负载的Y形连接的电路，其中Fu1、Fu2和Fu3是三只1A的保险丝。通过适当的设置，进行以下各项的测量或观察。注意：图中电压表、电流表应设置成AC模式，所显示的读数为有效值。

>有中线时电路的电流和电压。

>无中线时电路的电流和电压。

>有中线时，将其中的一相负载断开，测量电路的电流与电压。

>无中线时，将其中的一相负载断开，观察电路出现的现象。

>有中线时，将其中的负载短路，测量电路的电流与电压。

>无中线时，将其中的一相短路，观察电路出现的现象。

>有中线时，将其中的一相负载再并联上一只同样的灯泡，观察电路出现的现象。

>无中线时，将其中的一相负载再并联上一只同样的灯泡，观察电路出现的现象。

图5-25Y形连接的三相电路

表5-7三相负载仿真实验记录数据

4．三相交流电路功率的测量

测量三相交流电路的功率可以用三相功率表测量，也可以用三只瓦特表分别测出三相负载的功率后相加而得，这在电工上称为“三瓦法”。还有一种方法在电工上也是常用的,即“两瓦法”，其接法如图5-26所示，这里取三相电动机为负载，两表读数之和等于三相负载的总功率。在编辑原理图时，在元件箱中取出的3PHMOTOR(三相电动机)作为负载。如果要改变三相电动机负载功率的大小，需要修改其模型参数。方法是：双击原理图上的

3PHMOTOR，在其属性对话框中点击“EditModel”按钮，出现对话框。将其中的R1、R2和R3所取的2改成想要取的值(这里取150)，点击ChangePartModel按钮即可。运行仿真开关，两瓦特表显示的数值如图5-27所示。

图5-26功率测量电路

图5-27功率表读数

三相交流电路的总功率为

P

=483.435+484.553=967.988W

从功率表我们还可以读出电动机的功率因数为0.87。

5.5动态电路仿真实验

5.5.1一阶动态电路

1．实验要求与目的

(1)构建RC一阶动态电路。

(2)观察动态电路的变化过程。

2．实验原理

含有储能元件C(电容)和L(电感)的电路称为动态电路，这种电路当电路结构或元件参数发生改变时，要进入过渡状态，即电路中的电流、电压会存在一个变化过程，而后才渐趋稳定值。

3．实验与步骤

(1)建立电容充放电电路，观察电容的充电过程和放电过程。实验电路如图5-28所示。

按照上图编辑好电路图后，运行仿真开关，再反复按空格键，使得开关J1反复打开和闭合，同时打开示波器，观察电容的充放电过程。图5-29所示为示波器显示的电容充放电曲线。

图5-28RC一阶电路

图5-29电容充放电曲线

(2)构建积分电路，观察电路的输入、输出波形。

积分电路即实现输出信号为输入信号的积分。如将输入方波信号V1加至RC串联电路，输出信号取自电容两端电压，且满足输入方波信号的脉宽远小于RC的时间常数，则构成积分电路。实验电路如图5-30所示。

电路时间常数RC=2ms，方波信号的周期T=1ms，打开仿真开关，通过示波器观察到的输入、输出波形如图5-31所示。输入的是方波信号，输出的是三角波信号，实现了输出是输入的积分。

图5-30积分电路

图5-31积分电路仿真波形

(3)构建微分电路，观察电路的输入、输出波形。

微分电路即实现输出信号为输入信号的微分。如将输入方波信号V1加至RC串联电路，输出信号取自电阻两端电压，且满足输入方波信号的脉宽远大于RC的时间常数，则构成微分电路。实验电路如图5-32所示。

电路时间常数RC=20μs，方波信号的周期T=1ms，打开仿真开关，通过示波器观察到的输入、输出波形如图5-33所示。输入的是方波信号，输出的是尖脉冲信号，实现了输出是输入的微分。

图5-32微分电路

图5-33微分电路仿真波形

5.5.2二阶动态电路

1．实验要求与目的

(1)构建RLC二阶动态电路。

(2)观察电路的动态过程。

3．实验电路

实验电路如图5-34所示。

图5-34RLC串联电路

4．实验步骤

(1)取R=1.8kΩ，L=2mH，C=3nF，将R、L、C串联起来后，加上频率为12.5kHz，幅度为2V的方波激励，用示波器观察输入信号波形和电容上的电压波形。观察到的结果如图5-35所示，这是一个过阻尼情况。

图5-35过阻尼情况输入、输出波形

(2)将R的值改为200Ω，方波激励信号的频率改为5kHz，用示波器观察输入信号波形和电容上的电压波形。观察到的结果如图5-36所示，这是一个欠阻尼情况。

图5-36欠阻尼情况输入、输出波形

5.6谐振电路仿真实验

5.6.1串联谐振电路

1．实验要求与目的

(1)构建串联谐振电路。

(2)研究电路的频率特性。

(3)掌握串联谐振的特点。

2．实验原理

R、L、C串联电路的阻抗为

当X=0时，电路处于谐振状态，此时，由此得到电路的谐振频率为

谐振阻抗，谐振时电路的阻抗最小，电路中的电流最大，且电流与总电压是同相的。

3．实验电路

串联谐振电路如图5-37所示。

图5-37串联谐振电路

4．实验步骤

(1)按图5-37连接串联谐振电路，设置各元件参数。

(2)用波特图仪观测电路的频率特性曲线。

打开仿真开关及波特图仪面板，按图5-38所示设置面板上的各项内容。波特图仪显示的曲线如图5-38所示。

图5-38波特图仪显示的幅频曲线

(3)用交流分析法分析串联谐振电路的频率特性。

选择分析菜单中的ACAnalysis...选项，在FrequencyParameters页中将StartFrequency设置为1Hz，StopFrequency设置为1MHz。选择节点3为分析节点，点击Simulate按钮得到电路的频率特性曲线，如图5-39所示。

图5-39串联电路频率特性曲线

5．实验结果分析

串联电路谐振频率为

实验测量结果与理论计算结果基本一致。

5.6.2并联谐振电路

1．实验要求与目的

(1)构建并联谐振电路。

(2)研究电路的频率特性。

(3)掌握并联谐振的特点。

2．实验原理

C和R、L并联电路的导纳为：

在谐振时，电路中电压和电流同相，此时电路为纯电阻，电路中的电纳为零，即复导纳的虚部为零，即

当满足时，由此得到电路的谐振频率为

3．实验电路

并联谐振电路如图5-40所示。C1和R1、L1支路构成并联电路，R2是取样电阻，R2两端的电压与电流源的电流值成正比。

4．实验步骤

(1)按图5-40连接并联谐振电路，设置各元件参数。

(2)用波特图仪观测电路的频率特性曲线。

图5-40并联谐振电路

为了用波特图仪观测电路的频率特性曲线，电路中加入了一个取样电阻R2，以便将交流电流源的值转换成电压值连接到波特图仪的输入端。打开仿真开关及波特图仪面板，按图5-41所示设置面板上的各项内容。波特图仪显示的曲线如图5-41所示。移动数轴至曲线的峰值处，可读得电路的谐振频率为5.012kHz。

图5-41波特图仪显示的幅频曲线

(3)用交流分析法分析并联谐振电路的频率特性。

选择分析菜单中的ACAnalysis...选项，在FrequencyParameters页中将StartFrequency设置为1Hz，StopFrequency设置为1MHz。选择节点2为分析节点，点击Simulate按钮得到电路的频率特性曲线，如图5-42所示。

图5-42并联电路频率特性曲线

5．实验结果分析

并联电路谐振频率为

实验测量结果与理论计算结果基本一致。

5.7非正弦周期电流电路仿真实验

5.7.1非正弦周期信号的谐波分析

1．实验要求与目的

(1)分析非正弦周期信号的谐波组成。

(2)掌握非正弦周期信号傅里叶分析的方法。

2．实验原理

从高等数学中知道，凡是满足狄里赫利条件的周期信号都可以分解为傅里叶级数。设给定的周期信号f(t)的周期为T，角频率w=2p/T

，则f(t)的傅里叶级数的展开式为

3．实验电路

周期信号谐波分析电路如图5-43所示。

图5-43周期信号谐波分析电路

4．实验步骤

(1)分析矩形波信号的谐波组成。

打开信号发生器面板进行参数设置，如图5-44(a)所示，打开仿真开关，用示波器观察到信号的时域波形如图5-44(b)所示。

图5-44信号发生器面板设置和信号时域波形

启动分析菜单中的FourierAnalysis...选项，在弹出的对话框中按图5-45进行设置，选择节点1为傅里叶分析节点，得到信号的频谱图，如图5-46所示。

图5-45FourierAnalysis对话框设置

图5-46矩形信号频谱图

从频谱图分析矩形信号，主要包括1kHz、3kHz、5kHz等各奇次谐波，基波(1kHz频率成分)的幅