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1、精心整理 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
2、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: 精心整理 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
3、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 1HZ 10
4、0MHZ ,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: 当时满足谐振发生条件。则该RLC并联谐振角频率是,同时可以算出谐振 频率为。 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,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
5、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Fu
6、nctionGenerator与虚拟示波器 Oscilloscope 。 精心整理 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, 其中的为示波器 A通道所测得的电压,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
7、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: TimeChannelAChannelB 86.767ms9.939V-1.988V 85.767ms9.939V-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 ,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
8、此时刻通道A和通道 B的电压值。 现在有一组数据: TimeChannelAChannelB 28.000ms9.999V-2.000V 29.000ms9.999V-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 ,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: TimeChannelAChannelB 10.496ms-10.000V2.000V 9.492ms-1
9、0.000V2.000V 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 ,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: 精心整理 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
10、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=10 F 时,谐振频率为:; 当 C1=100 F 时,谐振频率为:; 当 C1=500 F 时,谐振频率为:; 当 C1=1000 F 时,谐振频率为:。 结果分析: 当 C1=10 F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,由此 可得谐振频率为:; 当 C1=100 F 时,使光标位于两相邻波峰处,得相邻两波峰之
11、间的时间间隔为, 由此可得谐振频率为:; 当 C1=500 F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, 由此可得谐振频率为:; 当 C1=1000 F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, 精心整理 由此可得谐振频率为:; 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。
12、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 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,串 联电阻等于该网络中所有独立源为零值时所得网络的等效电阻。该实验中开路电压 ,等效电阻,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
13、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
14、点数分别为 10、100、1000点。纵坐标为线性。 实验结果: 精心整理 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、和 。根据谐振关系我们可以求得各个不同电容下的谐振频率,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
15、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: 当时,测得谐振频率; 当时,测得谐振频率; 当时,测得谐振频率; 当时,测得谐振频率; 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,
16、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 , PulseWidth60s,Period120 s 。 (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 。 精心