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0 Ω ，100%对应10 Ω 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1 G Ω ，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 ?、10 Ω 、100 Ω 、1 k Ω 、10 k Ω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200 k Ω ，电流表的内阻设定为0.1 Ω 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1 Ω 、10 Ω 、100 Ω 、1 k Ω 、10 k Ω电阻的电压和电流。
将电压表内阻设定为200 k Ω ，电流表的内阻设定为0.1 Ω 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Place Junction命令获得；a、b文字标识在启动Place菜单中的Place Text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 = 7.820 V，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=78.909 mA，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≈99.1 Ω ，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Show node names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/DC Operating Point.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 = 24 V，φ2 = 8.967 05 V，φ3 = 31.0653 V，φ4 = 9.779 02 V，φ5 = -8.27572 V，φ6 = -2.220 98 V。
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 5.2.1 RLC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5-12 RLC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100 Hz，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5-5 RLC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 = 50 Hz时： 当f=100Hz时：,,所以，电压有效值之间的关系为 当f = 50 Hz时： 又因为： 当f=100 Hz时：,,P = 42.933 W,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1 mF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5-17 RC移相电路1,,图5-18 RC移相电路2,,图5-19 RL移相电路1,图5-21 RLC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△。