multisim-电路仿真-课程设计

4.1仿真设计1、用网孔法和节点法求解电路。如图4.1-1所示电路：3（a）用网孔电流法计算电压u的理论值。（b）利用multisim进行电路仿真，用虚拟仪表验证计算结果。（c）用节点电位法计算电流i的理论值。（d）用虚拟仪表验证计算结果。解：电路图：（a）i1=2解得i1=25i2-31-i3=2i2＝1i3=-3i3=-3u=2v（b）如图所示：（c）列出方程4/3U1-U2=2解得U1＝3vU2=2v2AEMBEDEquation.DSMT44A1_+_+u12V3A图4.1-1i1jX2U1-U2=2i=1A结果：计算结果与电路仿真结果一致。结论分析：理论值与仿真软件的结果一致。2、叠加定理和齐次定理的验证。如图4.1-2所示电路：(a)使用叠加定理求解电压u的理论值；(b)利用multisim进行电路仿真，验证叠加定理。(c)如果电路中的电压源扩大为原来的3倍，电流源扩大为原来的2倍，使用齐次定理，计算此时的电压u；(d)利用multisim对（c）进行电路仿真，验证齐次定理。电路图：（a）I1=27I2-2I1-I3=03I3-I2-2I4=0解得U1=7（V）I4=-3U1U1=2（I1-I2）如图所示电压源单独作用时根据网孔法列方程得：3I1-2I2-I3=4I2=-3U27I3-I1=0解得U2=9（V）U2=4-2I3所以U=U1+U2=16（V）（b）如图所示。2Ω1Ω2Ω4Ω2A3u+4V-+u-图4.1-2（c）根据齐次定理，U=2U1+3U2=14+27=41v（d）结果：理论值与仿真电路计算的值一样。结论分析：齐次定理和叠加定理成立。三、替代定理的验证。（a）求R上的电压u和电流I的理论值；（b）利用multisim进行电路仿真，分别用相应的电压源u和电流源I替代电阻R，分别测量替代前后支路1的电流i1和支路的电压u2，验证替代定理。电路图：（a）如图3-1所示根据网孔法列方程得：4I1-2I2-I3=25I2-2I1=-63I3-I1=6解得：I1=0.588(A)I2=-0.977(A)I3=2.186(A)I=I3=2.186(A)U=2I=4.372(V)U2=-3I2=2.931(V)（b）分别用电压源和电流源代替。结果：替代前后，电路的各个数值没变。结论分析：替代前后结果一致，替代定理成立。四、测图4.1-4电路中N1N2的戴维南等效电路图的参数，并根据测得参数搭建其等效电路；分别测量等效前后外部电流I，并验证是否一致。电路图：戴维南等效后结果：等效前后，外电路的电流不变。结论分析：戴维南等效，等效前后，外电路不变。五、设计一阶动态电路，验证零输入响应和零状态响应齐次性。如下图所示电路，t0时，S位于“1”，电路以达稳态。今于t=0时刻S由“1”闭合至“2”。（a）计算t0时的电压U1x(t),U1f(t)理论值，并合理搭建求解时所需仿真电路图。（b）若Us改为16V，重新计算U1x(t)理论值。并用示波器观察波形。找出此时U1x(t)与(a)中U1x(t)的关系。（c）Us仍为8V，Is改为2A，重新计算U1f(t)理论值。并用示波器观察波形。找出此时U1f(t)与(a)中U1f(t)的关系。（d）若Us改为24V，Is改为8A，计算U1(t)全响应。电路图：当t=0-时零输入响应（ｔ０＋）戴维南等效电阻（a）、①计算过程：当t0零输入时刻电容相当于一个电压源，在t0时,Uc(0-)=-4v;所以Uc(0+)=-4v;此时当开关位于2时，电流源开路，此时由换路定理有Uc(0-)=Uc(0+)U1x(0+)=Uc(0+)/(3//6+2);∞从而解得U1x(0+)=-2v;当电路达到稳态时，电容放电完毕，此时U1x(∞)=0v;所以零输入时刻为U1x(t)=-2e-250t;(t=0)②当t0时，零状态时刻电容相当短路，此时有U1f(0+)=Is*【(2//6)/(3//6//2)】;解得U1f(0+)=4v;当电路达到稳态时，电容相当于开路此时有U1*(1/3+1/6)=4;解得U1f(∞)=8v;所以电路的零状态响应为U1f(t)=8-4e-250t;(t=0)（b）、若Us改为16v，重新计算U1x(t)理论值。并观察示波器的波形，找出此时U1x(t)与(a)中U1x(t)的关系。解：当Us=16v,所得Uc(0+)=-8v;根据齐次定理解得U1x(0+)=-4v;当电路达到稳态时Uc(∞)=0v;所以当Us改为16v时U1x(t)=-4e-250t;(t=0)（c）Us仍为8V，Is改为2A,重新计算U1f(t)理论值。并用示波器观察波形。找出此时u1f(t)的关系；解：当电流源改为2A时，此时有U1f(0+)=Is*【(2//6)/(3//6//2)】;解得U1f(0+)=2v;当电路达到稳态时此时有U1f（∞）*(1/3+1/6)=2;解得U1f（∞）=4v;综上所述可得到U1f(t)=4-2e-250t;(t=0)(d)、若Us改为24v,Is改为8A,计算U1(t)全响应。解：因为满足齐次性，所以得到U1x(t)=-6e-250t;(t=0)U1f(x)=16-8e-250t;(t=0)根据戴维南等效的Req=4;所以t=Rc=0.004;带入三要素公式得到U1(t)=16-14e-250t;(t=0)结果：满足零输入响应和零状态响应的齐次性；结论分析：零输入响应和零状态响应的齐次性成立。六、计算从下图a,b端看入的戴维南等效电路理论值，搭建仿真电路，测量验证理论值是否正确。电路图：戴维南等效后，电路如图：计算：Roc=(R1//R5+R2)//R4=10Ω由节点法(1/20+1/20+1/10)U1-(1/10)Uoc=50/20;-(1/10)U1+(1/10+1/20)Uoc=50/20解得Uoc=37.5V;结果：戴维南等效前后，电阻的电压不变。结论分析：戴维南等效后，电路与原电路等效。七、如图所示电路，设毫安表内阻为零，已知各毫安表计读数依次为40mA、80mA、50mA，求总电流I。仿真电路值计算(所用值都为有效值)：R1=U/i1=10/0.04=250Ω;L=U/ωi2=10/(50*0.08)=0.398；C=i3/Uω=0,05/(10*50)=15.9uF理论值计算：I=0.04+0.08∠900+0.05∠-900=0.04+0.03j最终I的有效值为：I=50mA结论分析：在正弦稳态激励下基尔霍夫电流定律仍然成立。八、如下图所示一阶动态电路，在t0时开关位于“1”，电路已达到稳态。t=0时开关闭合到“2”。（a）用三要素法求解t=0时，I1的完全响应的理论值。（b）用实验仿真的方法求出三要素，从而求解I1的完全响应，并用示波器显示相应的波形。电路图：（ａ）、设路端电压为Uoc,则Uoc=-2i3+6i1;3i2=-6i1;i2=i1+i3；解得Req=Uoc/-i3=5欧姆；于是t=Req*C=0.1*5=0.5;所以i1的完全响应为i(t)=2/3(1-e-2t);(t=0)（b）波形结果：仿真结果和计算结果相符结论分析：三要素法适用于解决直流电源作用下的一阶电路响应。九、设计积分电路，要求合理设置元件参数，使输入占空比为50％的方波时，稳态输出为三角波，观察电路工作过程。电路图：结论分析：由于电容对电流有记忆作用，电容两端的电压就等于电流对时间的积分，当输入占空比为％５0的电流方波时，积分就会出现如图所示的电压波形。综合设计设计1：设计二极管整流电路。条件：输入正弦电压，有效值220v，频率50Hz；要求：输出直流电压20电路图：结论分析：根据二极管的单向导通原理，当电路按照如图所示输入时，经二极管的整流作用后，１00Ω电阻上端总是为正极，下端为负极，且输出电压值恒定，即达到了输出直流电压的目的。设计2：设计风扇无损调速器。条件：风扇转速与风扇电机的端电压成正比；风扇电机的电感线圈的内阻为200欧姆，线圈的电感系数为500mH。风扇工作电源为市电，即有效值220V，频率50Hz的交流电。要求：无损调速器，将风扇转速由最高至停止分为4档，即0，1，2，3档，其中0档停止，3档最高。电路图：结论分析：当开关（从左向右）依次置于图示位置时，电扇上的电压依次增大，即从左向右为0，1，2，3档，从而实现了调节风扇风俗的作用。设计3：设计1阶RC滤波器。条件：一数字电路的工作时钟为5MHz，工作电压5V。但是该数字电路的+5v电源上存在一个100MHz的高频干扰。要求：设计一个简单的RC电路，将高频干扰滤除。电路图：结论分析：电容有通高频的作用，当电路中有高频干扰时，可在电路中接近电源的地方加一小电容，即可将高频干扰滤过，得到我们想要的工作电压。设计10、设计一个指示灯变换电路，要求输入信号源为占空比为25%，直流偏置为零的矩形波，使得两个指示灯按照20Hz的频率等时间交替变换。（要求：设计报告中必须包含电路图，输入信号波形，两个指示灯端电压波形，以及理论分析过程）输入信号波形：设计12、已知运算放大器的理想模型，要求分别利用理想模型，和实际运放为核心，设计简单外围电路，实现电压放大功能，电压放大比Uo/Ui=10。电路图：结论分析：如图所示，当在电路中接入一受控源时即可实现电压的放大功能。