电路实验仿真.docx

实验一 RLC电路的阶跃响应
一. 实验目的
1. 观察并分析RLC二阶串联电路对阶跃信号的响应波形。
2. 了解电路参数RLC数值的改变会产生过阻尼、临界阻尼和欠阻尼3种响应情况。
3. 从欠阻尼情况的响应波形，读取振荡周期和幅值衰减系数。
二. 原理及说明
1. 跟一阶RC电路实验一样，我们仍用占空率为1/2的周期性矩形脉冲波输入图1-1的RLC串联电路。当这脉冲的持续时间和间隔时间很长的时候，就可认为脉冲上升沿是一个上升阶跃，而下降沿是一个下降阶跃。由于阶跃是周期性重复现的，所以在示波器上能观察到清晰、稳定的响应波形。
图1-1 RLC串联电路
2.三种阻尼状态的上升阶跃的响应和下降阶跃的响应如下表:表1-1

上升阶跃的响应
〔正脉冲持续时间〕
下降阶跃的响应
〔脉冲间歇时间〕
过阻尼态
n |T
R>2—
Vc
i=(es t es t)
L(S S )12
12
A/一一、
u = A (S es,t S est)
C(S S ) 1 22 1
12
i= Gs t es t)
L(SS )12
12
A乙一、
u =(S es2t S es1t)
C (S S ) 1 22 1
12
临界阻尼
态
(T
R=2—
VC
.A
i=一te t
L
u c=A-A(1+ at)e«t
.A
i=」te t
L
u c= A(1+ at)e«t
欠阻尼态
R<2—
Vc
.A
i=e tsinwt
L
u C =A-A ― e tsin(wt +巾)
. A
i=-——e t sinwtL
u c= A— e t sin(wt +巾)
1.从表1-1中可见，电路在欠阻尼态时，电容电压对上升阶跃的响应公式是

u A 1 ie tsin (t)］，
对下降阶跃的响应公式是uAie tsin(t )。
所以我们可知阶跃响应的波形大致如图1-2所示。
为了判别这种幅值衰减振荡的衰减速度，我们看两个相邻的同向的振幅之比
值，它等于 Ke t /Ke (t t) e t〔1-1〕
这比率称为幅值衰减率，对其取对数，有
lneT T 〔1-2〕
T1lne T ?ln〔相邻幅值之比〕〔1-3〕
这里a称为幅值衰减系数。
图1-2衰减的正弦振荡曲线
三. 实验设备
安装有Multisim软件的电脑一台
四. 实验容及步骤
1. 运行Multisim软件
2. 计算元件参数，其中R为5K 的可调电阻，添加电子元件、脉冲信号源以及接地符号。
3. 修改脉冲信号源占空比50 %，频率为10KHz，幅高A=2V。
3. 连接电路并参加虚拟双通道示波器，虚拟双通道示波器分别接输入信号和输出信号
Uc
，修改输出信号线颜色。
.T
4.
5.
调整可调电阻R>2日，让电路处于过阻尼状态，进展仿真，通过示波器观察电容上电压Uc的阶跃响应波形，并记录上、下阶跃的响应曲线。
T
调整可调电阻R彩2、：t，让电路处于临界阻尼状态，进展仿真，通过示波器观
察电容上电压Uc
的阶跃响应波形，并记录上、下阶跃的响应曲线。
6.
在 0<R<2 ，一
VC
之间。进展仿真，
阶跃的响应曲线。
之值。
原始数据要求
围调节电阻，使欠阻尼状态的衰减振荡波能明显出现于两个阶跃
通过示波器观察电容上电压Uc的阶跃响应波形，并记录上、下
观测出衰减振荡周期T和相邻振幅的比值，并计算出衰减系数a
五.
1. 画出在示波器上看到的过阻尼的波形定性）；
2. 画出示波器上看到的欠阻尼的波形〔定量，标出*，Y坐标上各点数值〕；
3. 测出欠阻尼状态的相邻两个同向振荡波形的幅度A1和A2值和振荡波形的周期值T，
计算A1/A2值；
4. 画出电路图，标出元件参数。
六.
1.
2.
3.
4.
报告要求
写出电路参数计算过程，包括不同状态下R的取值；振荡频率3，并计算出振荡周
期T，然后和测量出的T比拟；
在坐标纸上记录示波器的过阻尼、欠阻尼曲线；
对于欠阻尼曲线，观测出衰减振荡波形的周期T和相邻振幅之比，从而计算出幅值
衰减系数a;
答复复习思考题

七.思考题
1. 画出在示波器上看到的过阻尼的波形定性)；
2. 画出示波器上看到的欠阻尼的波形〔定量，标出*，Y坐标上各点数值〕；
3. 测出欠阻尼状态的相邻两个同向振荡波形的幅度A1和A2值和振荡波形的周期值T,计算A1/A2值；
4. 画出电路图,标出元件参数
实验二 连续时间系统的模拟
、实验目的
1. 了解根本运算器一一加法器、标量乘法器、积分器的电路构造和运算功能
2. 掌握一阶系统的运算模拟方法，比拟一阶时间系统和运算模拟系统的阶跃响应
3. 掌握二阶系统的运算模拟方法，比拟二阶时间系统与运算模拟系统的频率特性
、实验原理及说明
无论是物理系统还是非物理系统，无论是电系统还是非电系统都可以用模拟装置
——根本运算器进展模拟。模拟装置可以与实际的系统完全不同，但是两者的微分方程完全一样。输入输出关系及传递函数也完全一样。因而在对实际系统进展研究时，可运
用实际手段构建出该系统的模拟装置，从而观察鼓励和系统参数变化时引起的响应变
化，以便确定最正确参数值。系统的模拟就是由根本的运算单元〔加法器、积分器、标
量乘法器、反向器〕组成的模拟装置来模拟系统的传输特性。
1. 三种根本运算器电路分析
a. 标量乘法器，如图2—1〔a〕
b. 加法器，如图2—1〔b〕
c. 积分器，如图2—1〔c〕
2. 一阶系统运算模拟
如图2 — 2〔a〕，它是一阶RC电路，可用以下方程描述：
其模拟框图如图2 — 2〔b〕〔c〕，实际电路如图2 一2〔d〕图 2-1
3 .二阶系统运算模拟
图2 — 3〔a〕是RLC串联二阶电路。它可用以下方程描述：
引入辅助函数q t
图2-2
假设 R 10 ，L 1mH ，C 1 F，则可
得到其模拟框图如图2 — 3〔b〕，为了得到实际的电路，将图2—3 (b)改画为图2—3〔c〕，它的实际电路如图2—3〔d〕。
三、实验设备
PC 一台Multisim仿真软件
四、实验容
1. 加法器的观测，比拟输出波形与V1和V2的关系。
2. 标量乘法器的观测，对两个波形进展比拟，得出结论。积分器的观测，对两个波形进展比拟，得出结论。
4.一阶模拟电路阶跃响应的观测，观测比拟两种输出波形的周期和幅度。
5.二阶模拟电路频率特性测试。输入信号U入=1mV ，中心、频率F° = 503Hz，将测

1. 准确绘制各根本运算器输出波形，标出峰 峰值电压及周期。
2. 绘制一阶模拟电路阶跃响应波形。标出峰 峰值电压及周期。
3. 绘制二阶模拟电路频率特性，与二阶RLC串联谐振电路频率特性的计算值进展比拟。
根据表1测量的数据，在坐标纸上定量画出该二阶模拟系统的幅频特性图
六、答复思考题
1. 导出图2—l〔a〕〔b〕〔c〕的运算公式。
2. 导出描述图2 — 2〔a〕RC电路的微分方程，并画出该电路阶跃响应的波形。
3. 导出描述图2—3〔a〕RLC电路的微分方程，并画出该电路频率特性的形状，确定其
谐频o fo及。值。——没看到图2-3
实验三RC双丁网络带阻特性的电路仿真
一、实验要求:
1. 根据RC双丁网络带阻特性的研究硬件实验的知识，采用Multisim软件，自己设计仿真电路；
2. 测量此双丁电路的幅频特性。改变信号源的频率值，保持信号〔正弦〕电压有效值为1V恒定不变，读取电压表对各个频率的响应；
3. 找出U2最小时的频率f0和|U2/U1|=0.707时的频率f1和f2值，根据公式Q=f0/(f2-f1)计算
出Q值，并计算出1/4标准值的误差；
4. 用双迹法测量电路的相频特性。
5. 画出电路的幅频和相频特性曲线。
二、实验原理：
1. 图3-1双丁电路实际上是由一个T型低通电路和一个T型高通电路并接组成，它应同时具有低通和高通的特性。当电路的参数取得恰当时〔如图中的取法〕，有可能在*一频率处，低通、高通两电路的输出电压大小相等相位相反，使输出电压互相抵消为零，因而双T电路呈现带阻特性和类谐振特性。
图3-1 双丁电路
2. 为了得出图3-1电路的频率特性，我们必须求出此电路的电压传递函数。利用节点
电流分析法，可列出下面三个节点方程〔式中S=j 3〕

A点:
U
—A-
R 2

U U
—A1
1 SC
U U
—A2
1 SC
0〔3-1〕

B点:
U
B—
1 2SC
〔3-2〕

2点:
U_U
2 SC A
u_u
2 R B
0〔3-3〕

从式〔3-1〕解出U
A
函数：

从式〔3-2〕解出。广代入〔2-3〕式，最后可得传递

U (S)
(S) ―2
U (S)
1
S2
代入S=j 3
可得出
H (j
U 2 (S)U
(S)
4rCS
〔3-4〕
1!——
1 j—
-(RC )
4RC
〔3-5〕
1
::-
j
Q (-
U
—2
U
1
〔3-6〕

在等式〔3-6〕中，Q
〔3-8〕
. 1
arctg
〔3-9〕

1
叶〔3-7〕
于是，可得此双丁电路的幅频特性为
U
—2
U
1
相频特性为

0
3. 根据〔3-8〕、〔3-9〕式，可画出此双丁电路的幅频特性和相频特性曲线，它们的大体情况如图23-2所示。
的频段为通带，即*籍和3>籍的频段为通带。
在图3-2中，定义L >0.707
U
1
U
时，从〔3-8〕式可知
I =0.707=
U
1
Q (— 1)1 〔3-10〕
由于q 4,
从〔3-10〕式可求出

—U 75 2 ,—捉 2〔3-11〕

这里的Q和3°跟谐振电路的品质因数和谐振角频率类似。这里也能得出
cf一 、
Q——0— —〔3-12〕
f f
2121
这是一个带阻滤波器，阻带宽度为B= f2- f。
三. 实验仪器2 1
1. 函数信号发生器1台
2. 双踪示波器1台
3. 交流电压表1只
4. 实验电路板1块
四. 实验容及步骤
1. 实验电路如图3-1所示，其中R=2K Q,C=0.1瑚，正弦信号发生器〔由函数信
号发生器提供〕的输出接至图3-1电路的11，端，22,端接电压表，调信号源的输出使电压为1V。
2. 测量此双丁电路的幅频特性。改变信号源的频率值，保持信号电压为1V恒定不变，读取电压表对各个频率的响应。
图3-2 双丁电路的频率特性
3. 找出U 2电压是最小时的频f0值和|U /U |=0.707时的频率匕与f2值，用〔3-12〕式计算出Q值，并计算出1/4标准值的误差。
4. 用双迹法测量电路的相频特性。
5. 测量数据填入表3-1中。
6. 利用测得的数据画出电路的幅频特性曲线和相频特性曲线。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
频率f
50H
1
(f)
20
50
(f)
2k
HZ
kH
(f)

5.5
KHZ
10
KHZ
U 2

U 2/U 1

3/ 3

巾

表3-1
五. 考前须知
1. 每次改变信号源的频率时，都应保证信号源输出为1V不变。
2. 在确定f、f、f三个点频率时，必须反复屡次且应细心调测才能得出较正确的
1 0 2
数值。
六. 复习思考题
1. 在理论上，3=30时，U 2应是0值。但在实际测量时，U 2可最小但不是零〔假设干

毫伏〕，这是什么原因.
2. 你能说出图3-1双丁电路的电阻元件和电容元件为什么要规定成R、R、R/2和
C、C、2C的理由吗.
七.实验报告要求
1. 较准确地测量出「《、《三个点频的数值。
2. 测试双丁电路的幅频特性和相频特性，将测试数据填入表3-1中。
3. 利用表格中的数据在坐标纸上画出幅频和相频特性曲线。
4. 答复复习思考题和提出实验中的问题。
5. 实验心得体会
实验四直流稳压电源的设计与仿真
一、实验原理
1. 实验中，电子设备要正常工作，需要稳定的直流电源供电。小功率稳压电源是由电
源变压器、整流、滤波和稳压电路等四局部组成。
电源变压器是将电网电压220V变为整流电路所需的交流电压，然后通过全波整流电路将交流电压变成脉动的直流电压，通过滤波电路将此脉动的直流电压中含有较大的纹波加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这时的直流电压还会随电网电压波动、负载和温度的变化而变化，因而在整流、滤波电路之后，还需接上稳压电路，以维持输出的直流电压稳定。
1 .电源变压器的工作原理
电源变压器的作用是将电源电压七t变成整流电路需要的交流电压。即：
u t v2U sin t〔V〕〔4-1〕
22
〔1〕虽然，变压器初、次级电压之比是与初、次级匝数成正比的。但次级输出电压的幅度并非仅取决于匝数比，它是由以下公式决定的：
U 4.44fBSN 10 8 V〔4-2〕
2m c 2
式中f是电源频率，单位为Hz ; B是铁芯材料的最大磁通密度，单位高斯〔G〕； S
mc
是铁芯截面积，单位cm2 ； N2是次级线圈的匝数。由上式可得变压器应选用的每伏匝数
Tv为：
〔4-3〕
TN 108
1 = —2
v U24.44fBS
可见选用较好的铁芯材料和较大的铁芯截面积可使每伏匝数“减少。但也不能使变压
器体积过分庞大。因此，必须适中选择Sc和B
，以到达额定的输出电压。

〔2〕额定输出功率和输入功率是电源变压器的两项主要指标。电源变压器的额定输出功率PS是次级在额定负载下输出的视在功率，它决定于次级负载和整流电路。假设采用桥式全波整流电路，然后滤波，则此时变压器额定功率Ps为：
P U I〔4-4〕
s 2 2
电源变压器的传输效率是额定功率Ps和输出功率P输出之比的百分数:
〔4-5〕
P …
1 %P
输出
图4-1
2. 整流电路
这里我们采用桥式全波整流电路，即用四只整流二极管D1~D 4连接成电桥形式的整流电路，如图4-1所示。它利用二极管的单向导电性，将电源变压器输出的交流电压u2(t变成单方向的全波脉动直流电。在电源电压的正、负半周〔设a端为正，b端为负时为正半周〕电流通路分别用图中实线和虚线箭头表示。
3. 滤波电路
利用电容元件在电路中的储能作用，在负载Rl两端并联电容C，当电源供应的电压升高时，它把局部能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压平滑，到达滤波的目的。
4. 稳压电路
经整流滤波后的直流电源还不是理想的电源，它会随着负载rl的变化，输入电网电压的波动而改变输出电压大小。因此，必须采用稳压电路来维持输出电压的稳定不变。图4-2是一种常用的串联型直流稳压电路，它由调整电路、比拟放大器、基准电源与取样电路等四局部组成。图4-3是它的构造方框图，Uj为输入电压，U。为输出电压。直流稳压电路工作原理可分为两种状态：
〔1〕当负载电阻rl保持不变，输入电压变化时的稳压过程：
当输入电压Uj升高〔指电网电压升高〕使输出电压U。增加时，经七、W、R2分压，
Ub3就会增大，将它与稳压二极管上的电压〔即基准电压〕U °比拟后，其差值经BG 3放大后，由BG 3的集电极C端接到BG 1的基极b端，控制BG 2起电压调整作用。
整个过程可表示为：
Ui U0Ub3UC3Ub1Ub2 J h
反之，假设Uj下降，使输出电压降低，通过与上述负反应相反的调整过程，使u°增加,同样可到达了稳定输出电压的目的。
图4-2 图4-3
Uo
基准
电源
职样电路

⑵当电源电压不变，负载电阻R。变化时的输出电压调整过程：
假设保持输入电压七不变。当R。减小〔或负载电流增大〕时，电源阻上的电压降也随之增加，输出电压U。将骚小。通过亮述的负反应调整过程将使输出电压U。上升，从而抵消了由于负载电阻R：的减小而引起的输出电压U °的下降。°
同理，当增加〔或负载电流减小〕使输出电压U。增加时，通过此负反应调整过程就会使U °降低，从而抵消了由于Rl的增加而引起的U °的上升。
稳压器通常有两个主要指标，即输出电阻和稳压系数。
〔1〕输出电阻是指当输入电压u j保持不变时，输出电压U °的相对变化量与输出电流I。的相对变化量之比，即：
R-i^U 常数〔4-6〕
0 I i
〔2〕稳压系数是指当负载RL保持不变时，输出电压U0的相对变化量与输入电压U的相对变化量之比，即：
U /U
U U

S o ； o
o i

U汨
U U

i; i
RL常数 i 0
rl常数

(4-7)

二、实验要求
1. 设计出直流稳压电源的连接电路
2. 采用Multisim软件，自己设计仿真电路
3. 利用虚拟仪表.测试直流稳压电源各级电压，观察各级电压的波形。根据所测各级电压与波形，说明稳压电源工作原理。
4. 验证电路的稳压功能。测试直流稳压电源的稳压系数。