Multisim7快速入门

1、第8章 在电路分析中的应用电路基本原理的掌握是学习电路设计的基础，本章主要通过Multisim7在电路分析中的一些典型应用，深入理解电路基本理论，掌握电路测试和实验的常用设计方法，为真实电路设计和调试奠定基础。8.1 测定元件伏安特性电阻的伏安特性是了解电阻特性的必要手段，本例通过对电阻元件的测量，了解如何测试一个电阻元件的性质。首先建立如图8-1所示电路，该电路采用阻值可调的50欧姆电阻调节电压从0V升高到24V，负载电阻为100k，远大于可调电阻阻值，因此可以忽略负载电阻对可调电阻的影响。本例使用两种方法测量电阻元件伏安特性：一种是通过电流表和电压表测试该元件的电压和电流；另外一种则是采用

2、Multisim7的直流扫描分析方法测量。图8-1伏安法测试原理图1 采用伏安法测量采用伏安法测量其步骤如下：（1）按下键盘小写【a】键，将可调电阻Rw调到100%，使电阻RL上电压为0。（2）双击可调电阻Rw，设置可调电阻增量为20%。激活电路，按下键盘大写【A】键，将电阻RL上电压从0V升压到24V，每4.8V测试一组电压电流数据。（3）将测试结果填入表中，得到每个测点的电压电流数据，如表8-1所示。表8-1 伏安法测试数据电源（V）表读数04.89.614.419.224电压表（V）04.7969.58714.38119.18324电流表（mA）00.0480.0960.1440.192

3、0.242 采用直流扫描分析测量直流扫描分析的目的是观察直流转移特性。当输入直流在一定范围内变化时，分析输出的变化情况。如电压源从0V升高到24V，步长可用户自己设定，此处为了和表8-1数据对比选取步长为4.8V。每个相应的电压都将计算出一套电路参数并用于显示。下面用它来分析电阻的伏安特性。其步骤如下： （1）把图8-1中可调电阻调到0%，即可调电阻输出电压为24V。在主窗口中依次执行“Simulate”/“Analysis”/“DC Sweep”命令，将弹出如图8-2对话框，分别设置输入直流电压源、步长、扫描初值和终值。图8-2直流扫描分析设置（2）单击图8-2中“Output variab

4、les”选项卡，设置输出变量，此处选择电阻RL上电压即图8-1中节点1为输出，鼠标单击“Add”按钮，得到输出变量设置如图8-3所示图8-3直流扫描分析输出变量设置（3）单击“Simulate”按钮，得到分析结果如图8-4所示，从结果可看出，纵坐标是一电压，不是电流，因为在Multisim7的直流扫描分析不能设置输出结果为电流，因此可以使用后处理器来得到电流输出。图8-4直流扫描分析输出结果（4）执行“Simulate”/“Postprocessor”命令，将弹出如图8-5所示对话框，把输出节点电压除以阻值100k，则可以得到输出的电流。图8-5后处理器设置（5）单击图8-5中“Graph”选

5、项卡，设置输出的图形后，再单击“Caculate”按钮，即可得到处理后的伏安特性，将纵坐标改为电流，单位“uA”，则得到最后结果如图8-6所示。图8-6后处理器输出结果从图8-6所示结果和用伏安法测量结果表8-1对比，数据完全吻合。8.2 电路基本定理验证8.2.1 戴维南和诺顿等效电路戴维南和诺顿等效电路是电路分析中常用的简化电路的两种基本方法，在电路原理学习中，都采用人工计算，并运用很多步骤才得到，本节通过Multisim7的仿真，可以很快求出其等效电路。操作步骤如下所示：图8-7戴维南电路测试（1）首先建立如图8-7所示电路，该电路含有一电压控电压源，通过测量负载电阻RL两端的开路电压和

6、短路电流来求得等效电路。（2）测试开路电压。开关J1打开，使负载开路，将万用表打到直流电压档，并联在负载电阻RL所在支路两端，并激活电路，测得开路电压Uoc=184.095V。（3）测试短路电流。接线不变，把万用表电压档位换成直流电流档位测得电流1.002A。（4）测试等效电阻。根据等效电阻定义，将所有独立电压源短路，独立电流源开路，得到无源单端口网络，如图8-8所示，因此，只需在端口处接一万用表，用电阻档就可直接测量其电阻 。激活电路，测得等效电阻RO=183.697。图8-8戴维南电路等效电阻测试通过以上三个参数测量，就可以获得该电路的戴维兰和诺顿等效电路。当然其中第三步不是必须的，测量出

7、了开路电压和短路电流后自然可计算出等效电阻，但此处给读者提供一个测量等效电阻的方法。8.2.2 叠加定理和互易定理验证下面仍以图8-1所示的例子来说明叠加定理和互易定理，以RL支路上电压来说明。1 叠加定理叠加定理的操作步骤如下：（1）首先用上节得到的戴维兰等效电路求出RL支路上电压。建立如图8-9所示戴维南等效电路，激活该电路，测得RL上电压为155.525V。图8-9戴维南等效电路（2）让3V电压源单独作用，电流源开路得到如图8-10所示。激活电路，测得电压336.312mV。（3）让1A电流源单独作用，电压源短路得到如图8-11所示。激活电路，测得电压155.189V。图8-10电压源单

8、独作用电路图8-11电流源单独作用电路图8-10和图8-11所示两个电路测试的电压值相加正好等于图8-9所示电路测试结果，因此叠加定理得到验证。2 互易定理互易定理其操作步骤如下：（1）建立电路如图8-12所示，以ab为激励端口，RL支路cd为响应端口。激活电路，万用表测得电流-560.552uA。图8-12互易定理交换前电路（2）交换电压源和电流表位置，得到电路如图8-13所示。激活电路后测得电流表读数为-560.52uA。图8-13互易定理交换后电路由此可见，电压源和电流表位置互换前后，电流表读数不变，互易定理得到验证。8.3 求解电路的节点电压建立电路如图8-14所示，该图如通过电路原理

9、知识采用节点法来手动计算，计算比较复杂。下面在Multisim7里面可轻松求出该电路节点电压。操作步骤如下：图8-14节点法求解电路（1）在图8-14中的n2节点上并联一个万用表测量电压以便和直流工作点分析比较。（2）依次执行“Simulate”/“Analyses”/“DC Oerateing Point.”命令，在Output variables 选项卡选择n1，n2，n3，n4为输出节点，如图8-15所示，单击图中“Simulate”按钮，得到结果如图8-16所示。图8-15直流工作点分析输出设置图8-16直流工作点分析结果（3）双击万用表，万用表测得n2节点上电压是545.963mV，

10、和直流工作点分析结果一致，同样其他节点上电压也可万用表测量，结果和直流工作点分析结果是一致的。可见，在Multisim7里面求解电路节点电压非常简单，可利用直流工作点分析或万用表直接就能得到节点电压。8.4 观察RC电路暂态过程RC充放电电路是电路学习中的常见电路，其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。本节将利用示波器观察RC电路的暂态过程。建立如图8-17所示一阶RC电路，电路中开关J1用于控制电压源Vl是否接入电路。当V1接入电路时，电容C1充电；当V1未接入电路时，电容Cl放电。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来决定，RC越大

11、，持续时间越长，R和C分别为电容器充放电回路中的等效电阻和电容。图8-17一阶RC电路其具体仿真操作步骤如下：（1）在激活电路后，反复按下空格键，使开关J1反复打开闭合，在示波器上可观察到如图8-18所示的波形。（2）把电容C1换成10uF，重新激活电路，并反复按下空格键，使开关J1反复打开闭合，得到波形如图8-19所示。 图8-18 RC电路充放电暂态过程 图8-19电容增大后RC电路充放电暂态过程从两图的结果可看出，电容增大后，时间常数增大，充放电时间都增长，因此波形的上升和下降时间延长。8.5 测试串联谐振电路谐振是正弦电路中一种常见现象，本节通过对串联谐振电路仿真分析，了解谐振电路的特

12、性和分析方法。首先建立由R、L、C组成的串联谐振电路，如图8-20所示。通过示波器和波特图仪观察谐振电路的特点。图8-20RLC串联谐振电路该电路固有谐振频率，因此只要信号源频率设置为1kHz该电路就发生谐振。下面对该电路进行分析，具体步骤如下：（1）激活电路，双击波特图仪，观察波特图仪结果如图8-21所示，在频率为1kHz时电路发生谐振，和前面计算结果一致。电路发生谐振后，电容和电感上电压相位相反，大小相等，因此相互抵消，信号源电压全部加到电阻R1上，电阻R1上电压最大。图8-21波特图仪分析结果（2）双击示波器观察电阻R1和信号源波形如图8-22所示，电阻R1上波形和信号源波形完全一致，说

13、明此时电路发生了谐振。此处为便于观察将电阻R1波形向下偏置了2格。图8-22谐振时电阻R1上的波形（3）改变电源频率为2kHz，重新启动仿真，得到电阻R1上波形如图8-23所示，电压幅值明显降低，说明没有发生谐振，电感和电容电压未相互抵消，并分得了部分信号源电压，因此电阻上电压降低了。图8-23未发生谐振时电阻R1上的波形8.6 测量三相交流电路功率三相交流电路的功率测量是在电路学习和实际工程上的常见问题，一般采用瓦特表测量三相交流电路功率。根据使用瓦特表的个数分为两瓦法和三瓦法。两瓦法采用两只瓦特表测量三相功率，因为电源电压对称，瓦特表电压端只测量两组线电压即可，将两只瓦特表的电压公共端接在

14、另外一相上，电流端串联入电路即可。三瓦法采用三只瓦特表，将三只瓦特表的电压公共端接在中性点上，测量的是三相电路的相电压，电流端分别串入每相电路中。图8-24三瓦法测试电路建立三相功率三瓦法测试电路如图8-24所示，将电源接成三相星型连接，电源为三相对称电源，幅值相等，相位互差120度。负载也接成星型，为对称纯电阻负载。由于采用三瓦法，因此将每只瓦特表的电压端的负接线端子都接在中性点上，正接线端子分别接在A、B、C相上，将每只瓦特表的电流端分别串入A、B、C相中。图8-25瓦特表读数启动仿真开关，双击三个瓦特表观察读数，瓦特表读数都一样，如图8-25所示，每相功率都是49.722W，因为是纯电阻

15、负载，Power Factor（功率因数）为1，因此总功率为三相功率之和P=149.166W。双击电流表，测得B相电流表读数为0.226A，由于三相负载和电源都对称，故也可以算出总功率P=，和瓦特表测量结果几乎一样，误差很小。U 注意：如果此处负载不是纯电阻负载，功率因数就不能取1，就不能用电流表来测量和计算功率，必须使用瓦特表。将图8-24换成两瓦法测量，观察结果如图8-26所示，两只瓦特表读数之和等于149.16W，它与三瓦法测试结果几乎相等，误差非常小。因为电源电压对称，可以证明两瓦法和三瓦法测量结果理论上应该是一样的，但此处产生了微小的误差，这主要是软件本身的原因，但这样小的误差对结果

16、并无太大的影响。图8-26两瓦法测试电路8.7 测量二端口网络参数Multisim7中测量二端口网络在某个频率下的S参数、Z参数、H参数和Y参数也是非常方便，只需使用网络分析仪（Network Analyzer），并对其面板上的某些选项进行适当设置即可。下面通过对图8-27所示的二端口网络参数在50Hz的频率下进行测试，说明Multisim7在二端口网络参数测试中的应用，测试步骤如下：（1）将网络分析仪的P1端接二端口网络的输入端，P2端接二端口网络的输出端。（2）双击网络分析仪，打开控制面板，启动仿真开关，在默认状态下，网络分析仪设置的工作频率是1MHz。点击该面板上Settings区的“S

17、imulation Set”按钮，弹出测量参数设置对话框，在该对话框修改其其始频率为1Hz、终止频率为100Hz、扫描类型为Linear、扫描点数为100，得到如图8-28所示设置结果，然后单击“OK”按钮。图8-27二端口网络图8-28网络分析仪参数设置对话框（3）重新运行仿真开关，可以看到该二端口网络在1Hz时的Z参数测量结果如图8-29所示，将网络分析仪面板底部的频率选择滑块移动，直到频率为50Hz时，得到频率为50Hz时的Z参数测量结果如图8-30所示。图8-29频率为1Hz时的Z参数测量结果图8-30频率为50Hz时的Z参数测量结果（4）分别对网络分析仪控制面板Graph选项区域中的

18、Param下拉列表中的测量参数进行选择，出现的S参数、H参数、Y参数在频率为50Hz时的测量结果如图8-31、8-32、8-33所示。图8-31频率为50Hz时的S参数测量结果图8-32频率为50Hz时的H参数测量结果图8-33频率为50Hz时的Y参数测量结果8.8 本章小结通过本章的学习，主要讲述了以下内容：l 讲述了测试电阻元件伏安特性的两种方法，通过伏安法和直流扫描分析测试。l 对电路的一些基本定律用Multisim7予以验证和分析，其目的是学会在Multisim7里面使用这些基本定律。l 讲述了如何在Multisim7里面测量节点电压的方法。l 讲述了如何在Multisim7里面测量观察RC电路的动态充放电过程。l 对正弦谐振电路的特性通过仿真进行了分析，说明了谐振时电路特性的变化。l 对三相交流电路的功率测量电路进行了仿真，说明了在Multisim7里面测量三相交流电路功率的方法和原理。l 对二端口网络的Z、S、H、Y参数使用网络分析仪进行了测量，说明了在Multisim7里面进行网络参数测量的方法。8.9 习 题1、分别用伏安法和直流扫描分析方法测量如图8-34所示电路中电阻元件的伏安特性，并将测试数据填入表格。2、做出图8-35所示电路的戴维兰与诺顿等效电路，其中RL