北理工-电路仿真实验

本科实验报告实验名称： 电路仿真实验 课程名称：电路仿真实验实验时间：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：实验一 实验1.叠加定理的验证实验步骤：（1）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。注意电流表和电压表的参考方向）。 所有的电阻均设为1，直流电压源V1为12V，直流电流源 I1为10A。（2）点击运行按钮记录电压表电流表的值U1和I1；（3）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；（4）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；实验结果：按顺序分别为两电源同时激励，电流源单独激励，电压源单独激励：分析：由线性电阻、线性受控源及独立源组成的电路中，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，在该元件上产生恶电流或电压的代数和，这就是叠加原理。本次的电路仿真实验充分验证了叠加原理的正确性。如图所示，第一幅图片上的电压表和电流表的数值分别等于二三幅图片上电压表和电流表的代数和。结果验证：电流表：6.800A=2.000A+4.800A电压表：-1.600V=-4.000V+2.400V满足理论分析的结果，验证了叠加定理。实验2.并联谐振电路仿真实验步骤：1.分别调出接地符、电阻R1、R2，电容C1，电感L1，信号源V1，按原理图连接并修改按照例如修改电路的网络标号。2.然后调整电路元件参数：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。3.分析参数设置：AC分析：频率范围1HZ100MHZ，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。实验结果：按照顺序分别为实验原理图，AC分析图像与瞬态分析图像：分析：当C=1L时满足谐振发生条件。则该RLC并联谐振角频率是=1LC ，同时可以算出谐振频率为f=12LC。由RLC并联谐振电路的特点可以知道在谐振时该电路呈电阻性，阻抗的模最大，导纳的模最小。证明该电路在电压一定时，谐振时该并联部分中流过电容和电感的电流达到了最大值且并联部分的电压与外施电流同相。结果分析：此电路的谐振频率f=12LC=503.29HZ500HZ，而且此电路电源的频率也恰好为500HZ，所以可知此该电路处在谐振状态下。由AC分析的两张图可知当频率为500Hz时，电压最大，且两端的电压与电流同相和预测结果符合的很好。再看由瞬态分析结果，也可以看出当频率为500Hz时，电路处于谐振状态下。并且此时电压值达到了5V，在有一个电阻串联综上所述，在误差允许的范围内，可以证明电路在此时刻发生了谐振。实验3.含运算放大器的比例器仿真实验步骤：1.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）。2.在软件界面右侧调用虚拟仪器函数发生器Function Generator与虚拟示波器Oscilloscope。然后设置电阻R1=1K，电阻R2=5K。3.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%。实验结果。所记录数据在后文的分析中显示。分析：此电路为一反相比例放大器电路，且反向比例放大器的输入/输出关系是VA=-R2R1VB=-5VB ,其中的VA为示波器A通道所测得的电压，VB为示波器B通道所测得的电压。当频率发生器峰值设为1V时，因为信号输出不经过公共端，所以电压幅值是设置值的2倍，峰-峰值是设置值的四倍。所以B通道的波形幅值应为2V。结果分析：（1）当输入信号波形为正弦波时，使示波器两光标处于A通道波形相邻波峰上，此时两光标在B通道波形上恰好处于两相邻波谷。暂停电路并记录此时刻通道A和通道B的电压值。现在有一组数据： Time Channel A Channel B 86.767ms 9.939V -1.988V 85.767ms 9.939V -1.988V由图形及数据得，两通道波形频率相同但反相。A通道波形电压幅值为B通道电压幅值的9.939-1.988=-4.999497-5，在误差允许的范围内，满足理论分析结果。（2）当输入信号波形为三角波时，使示波器两光标处于A通道波形相邻波峰上，此时两光标在B通道波形上恰好处于两相邻波谷。暂停电路并记录此时刻通道A和通道B的电压值。现在有一组数据： Time Channel A Channel B 28.000ms 9.999V -2.000V 29.000ms 9.999V -2.000V由图形及数据得，两通道波形频率相同但反相。A通道波形电压幅值为B通道电压幅值的9.999-2.000=-4.9995-5，在误差允许的范围内，满足理论分析结果。（3）当输入信号波形为方波时，使示波器两光标处于A通道波形相邻波峰上，此时两光标在B通道波形上恰好处于两相邻波谷。暂停电路并记录此时刻通道A和通道B的电压值。现在有一组数据： Time Channel A Channel B 10.496ms -10.000V 2.000V 9.492ms -10.000V 2.000V由图形及数据得，两通道波形频率相同但反相。A通道波形电压幅值为B通道电压幅值的-10.0002.000=-5，仍然满足理论分析结果。实验4.二阶电路瞬态仿真实验步骤：1. 调出一个电容初始电压设置为5V。再调出一个电感，设置为1mH。2. 分析参数设置：打开参数扫描设置，扫描参数选择器件参数，器件类型选择Capacitor，名称为C1，参数为capacitance，扫描变差类型选择列表，值列表输入：0.001, 0.0005,0.0001,0.00001,。待扫描的分析选择瞬态分析，在编辑分析中初始条件选择用户自定义，结束时间输入0.02s。为使仿真更加精确，调整最大时间步长由1e-005s1e-007s。输出选择V(out)。点击仿真，查看结果并调出光标保存数据。3. 保存实验结果并分析。实验结果：瞬态分析图 参数扫描分析图分析：首先进行理论计算：当C1=10F时，谐振频率为：f=2=12LC1591.55HZ；当C1=100F时，谐振频率为：f=2=12LC503.29HZ；当C1=500F时，谐振频率为：f=2=12LC225.08HZ；当C1=1000F时，谐振频率为：f=2=12LC159.16HZ。结果分析：当C1=10F时，使光标位于两相邻波峰处，得相邻两波峰之间的时间间隔为628.3s，由此可得谐振频率为：f=1628.3s=1591.596HZ；当C1=100F时，使光标位于两相邻波峰处，得相邻两波峰之间的时间间隔为1.9869ms，由此可得谐振频率为：f=11.9869ms=503.297HZ；当C1=500F时，使光标位于两相邻波峰处，得相邻两波峰之间的时间间隔为4.4429ms，由此可得谐振频率为：f=14.4429ms=225.078HZ；当C1=1000F时，使光标位于两相邻波峰处，得相邻两波峰之间的时间间隔为6.2831ms，由此可得谐振频率为：f=16.2831ms=159.157HZ；在误差允许的范围内，四种情况下均满足理论分析结果。实验二实验1.戴维南等效定理的验证实验步骤：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） ，调整元件以及电源的值，并按电路原理图连接运行，记录电压表和电流表的值。 2. 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并记录。3. 将电阻RL从电路中移除，并使用电压表测量开路电压并记录。4. 将电路按照戴维南等效电路连接，记录电流表电压表示数。实验结果：测得电阻值为223理论分析：正如戴维南定理所述：含电源和线性电阻、受控源的单口网络，不论其结构如何复杂，就其端口来说，可等效为一个电压源串联电阻支路。电压源的电压等于该网络N的开路电压uoc，串联电阻R0等于该网络中所有独立源为零值时所得网络N0的等效电阻Rab。该实验中开路电压uoc=4V，等效电阻Rab=223，由此我们可以得到该电路的戴维南等效电路图如最后一幅所示，其端口设备的所有值均与之前相同。实验结果分析：戴维南等效电路端口端与原电路产生了同样的响应，成功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实验步骤：1、调出两个电阻一个电感一个电容以及一个SIGNAL_VOLTAGE_SOURCE中的AC_VOLTAGE。设置两电阻为10和2k，电容2.5mH。电压源峰值5V，500Hz，交流分析量值为5V。2、分析参数设置：打开参数扫描设置，扫描参数选择器件参数，器件类型选择Capacitor，名称为C1，参数为capacitance，扫描变差类型选择列表，值列表输入：4e-007,4e-006,4e-005,4e-004,。待扫描的分析选择交流分析，扫描范围 1Hz100MHz,横坐标扫描模式为 Decade, 每十倍频程扫描点数分别为10、100、1000点。纵坐标为线性。实验结果： 上图只贴出当每十倍频程扫描点数为1000点时的仿真图像。当扫描点数为10和100点时图像与1000点的图像形状大致一样，但是扫描点数越大，图像曲线越光滑。分析：此次并联谐振实验中所用到电容的电容值分别为410-7F、410-6F、410-5F和410-4F。根据谐振关系我们可以求得各个不同电容下的谐振频率f=2=12LC，分别为5032.92HZ、1591.55HZ、503.29HZ和159.15HZ。由于我们扫描的是电容两端的电压值，所以在图上不会出现超高电流的情况，也就是说不论电容值为多少，谐振时只会出现电容两端的电压达到最大（即电源电压值），因为此时电路的电流和电压的相位差为零，电阻上的电压值为可以达到电源电压，从而使电容和电感两端的电压值也最大。实验结果分析：当C=410-7F时，测得谐振频率f=5035.061HZ;当C=410-6F时，测得谐振频率f=1592.209HZ;当C=410-5F时，测得谐振频率f=503.501HZ; 当C=410-4F时，测得谐振频率f=159.221HZ; 以上的测量结果均表明在误差允许的范围内测量值与理论值吻合。AC分析、参数分析的特点：交流分析是在正弦小信号工作条件下的一种频域分析。它计算电路的幅频特性和相频特性，是一种线性分析方法。其是一种线性频域分析。程序首先计算电路的直流工作点，以确定电路中非线性器件的线性化模型参数，然后在用户指定的频率范围内，对此线性化电路进行频率扫描分析，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。参数扫描分析是在规定范围内改变指定元器件参数，对电路的指定节点进行直流工作点分析，瞬态分析和交流频率特性等分析。其能够在一幅图上显示出不同的特性下的曲线。实验3.电路过渡过程的仿真分析实验步骤：1、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：InitialValue1V， PulsedValue0V，DelayTime0s，RiseTime0s，FallTime0s，Pulse Width 60s,Period 120s。（该电压源用于产生方波信号）。电路其他元件调整为R1=5k，L1=1mH,C1=1nF。2、观察电容上的电压波形（使用瞬态分析，分析时间为600s）瞬态分析设置：初始条件选择用户自定义，结束时间选择0.0006s。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)。参数分析设置：扫描参数选择器件参数，器件类型选择Resistor，选择R1，参数选择resistance，扫描变差类型选择列表，值列表输入1000,2000,5000,。待扫描的分析选择瞬态分析，点击编辑分析，将初始条件选为用户自定义，结束时间选择0.0006s。实验结果：分析：（1）由临界阻尼Rd=2LC可知，此电路的临界阻尼为Rd=2000，当R1=5k时电路为过阻尼情况。（2）当电阻阻值分别为1000、2000和5000时，电路对应的响应分别为欠阻尼，临界阻尼和过阻尼响应情况。结果分析： 瞬态分析图像是过阻尼时刻的响应图像。参数扫描分析中的红、绿、蓝分别对应这三种相应的图像。均与理论分析预测相符。且从图中可以看出，在欠阻尼情况时电路会有一个“上冲”的过程，在临界阻尼时电路达到稳态值的速度是最快的。之所以得到的图像不同，原因是不同的阻值对应了不同的电路情况，当阻值越来越大时，电路的能量损耗很快，导致震荡曲线无法形成，而是直接缓缓趋近于稳态瞬态分析和参数扫描分析的特点：（1）瞬态分析是一种