(1)直流电路基尔霍夫电压定律仿真设计

一 直流电路基尔霍夫电压定律仿真设计1、电路课程设计目的（1）了解基尔霍夫电压定律的原理及使用方法； （2）运用仿真对该定律有一个感性的认识。

2、仿真电路设计原理如图所示，已知两直流电压源V1、V2分别为12v 、6v ，两电阻阻值分别为6 Ω、6Ω，通过理论计算和仿真进一步验证基尔霍夫电压定律。

原理图如下：12vR16V26v图1 KVL 实例解析理论分析：如上图所示，两个回路分别设回路1和回路2的回路电流为1I 、2I ,则对回路一列方程可得1I （6+6）+2I ×6=12; (1I +2I )×6=6 解得：1I =1A ，2I =0从上述的理论分析中可以得到，在满足电路的基本特征后，每个回路都可以列KVL 方程来求解其中的未知数，KVL 反映任一回路内各支路电压之间的相互制约关系，该定律指出：在集总电路中，任何时刻，沿任一回路，所有支路电压的代数和恒等于零，即u =0.3、电路设计内容与步骤○1选择正确的电压源和电阻值，并将各元件按顺序放在指定位置； ○2选择电压表，并将其放置在需要测量的元件两端，务必保证电压表为AC ； ○3将各个元件依次用导线连接，并将电路进行接地，并运行得出数据。

W图2 KVL 电路仿真设计图如图2所示，在Multism 11.0中对图1的电路进行仿真设计，并测量两负载1R 、2R 的电压分别为6V ，则可以验证回路1和回路2满足的KVL 方程。

4、电路课程设计注意事项（1）使用Multism 11.0仿真设计时注意选择合适的仿真仪表，我们尽量选择电压表、电流表，而不要用万用表代替，电压表电流表可以在电路中直接显示数值，而万用表还需要打开；（2）注意仿真仪表的接线是否正确；（3）每次要通过按下操作界面右上角的“启动/停止开关”接通电源；（4）在列上述方程式，首先要指定回路的绕行方向，一般选择关联参考方向作为回路的正方向，凡支路电压的参考方向一致者，该电压取“+”，反之取“—”。

5、电路课程设计总结（1）在电路设计过程中，开始我选择了使用万用表进行测量，这种方法不能在电路中直接显示数值，需要双击后选择电压键后方可进行读数，比较麻烦。

而选用单独的电压表和电流表之后就可以直接进行读数，不仅增加了其美观性，更简化了操作步骤。

（2）第一次利用Multism 11.0进行仿真设计，该软件的仿真真实度令我对电路仿真产生了浓厚的兴趣。

二 直流电路叠加定理电路仿真设计1．电路课程设计目的（1）了解叠加定理的使用方法及原理； （2）利用叠加定理解决电路的计算等实际问题； （3）通过仿真对叠加定理有一个更加深刻的认识；2．仿真电路设计原理如图1所示，电流源、电压源的值分别为1A 、10V ，正方向已经标出，其中1R 、2R 、3R 的值分别是2Ω、1Ω、1Ω，利用叠加定理求解通过3R 的电流I 的值。

V110VR12ΩR21ΩI 1A图1 叠加定理仿真设计实例理论分析：R12ΩR21ΩI 1AR12ΩR21ΩV110v图2 电流源单独作用 图3 电压源单独作用电流源单独作用：电压源置零位（短路），化简后的电路图如图2所示，据并联分流的公式，此时通过3R 的电流(1)I=212+×1=23A 电压源单独作用：电流源置零位（开路），化简后的电路图如图3所示，据串联电路的电压电流关系可得通过3R 的电流(2)I=1021+=103A 则当电流源、电压源共同作用时，通过3R 的电流I =(1)I+(2)I=23+103=4A 叠加定理：在线性电路中，任一电压或电流都是电路中各个独立电源单独作用时，在该处产生的电压或电流的叠加。

当某一独立源单独作用是，其他的独立源应置零，即独立电压源短路，独立电流源开路，电阻及受控源保留。

注意事项：（1）叠加定理仅适用于线性电路。

（2）电压、电流叠加时要注意方向。

（3）功率不符合叠加定理，因为它与电压电流为非线性关系。

（4）各独立源单独作用可以理解为每个独立电源逐个作用一次或各个独立电源分组作用各一次，但必须保证每个独立电源只能参与叠加一次。

（5）某个独立电源作用，同时意味着其他电源不起作用，即电压源短路，电流源开路。

受控元则保留在各分电路中。

3．叠加定理电路设计内容与步骤○1选择合适的电压源和电流源及电阻，并将其放置在合适的位置； ○2选择万用表串联入所要测量的支路的电流，并将万用表的选择项设置为直流电流； ○3首先将电流源电压源共同作用时电流I ，而后测量电流表单独作用时的该支路电流(1)I ，此时需将电压源视为短路；最后测量电压源单独作用时该支路电流(2)I ，此时电流源视为开路。

○4对得到的三个读数进行比较可以得到其中的关系。

a.电流源单独作用时，设计如图4所示的仿真电路，此时电压源视为短路，万用表电流档的示数为666.667mA 。

图4 电流源单独作用仿真电路图5 仿真电路万用表示数b.电压源单独作用时，设计如图6所示的仿真电路，此时电流源视为开路，万用表电流档的示数为3.333A。

图6 电压源单独作用仿真电路图7 仿真电路万用表示数C．电流源和电压源共同作用时，设计如图8所示的仿真电路，此时万用表电流档的读数为4A。

图8电压源、电流源共同作用仿真电路图9 仿真电路万用表示数R的电流I为当电压源和电流源分别单独作用时由以上电路仿真的结果可以得出通过电阻3R的电流的叠加。

由此可以验证叠加定理。

通过电阻34．电路课程设计注意事项（1）使用Multism 11.0时注意选择适当的仿真仪表，本次使用的万用表与实验1中使用单独的电压表与电流表可以明显的显示出单独电压表和电流表的优势；（2）注意仿真仪表的接线正确性；（3）每次要通过按下操作界面右上角的“启动/停止开关”接通电源。

（4）电压、电流叠加时要注意方向，方向相同取正，相反取负。

（5）某个独立电源作用，同时意味着其他电源不起作用，即电压源短路，电流源开路。

在仿真设计时务必注意。

5．电路课程设计总结（1）在进行仿真设计过程中，误将电流源置零位设置为短路，是我第一次的仿真设计失败，后及时改正得到正确结论。

（2）在叠加定理中存在着叠加定理的一推广定理即叠加定理的齐次性，即在线性电路中当所有的激励都增大或缩小k倍时，其响应也同样的增大或缩小k倍，这在解决一些电路中有很多的应用。

三 运算放大器电路仿真设计1、电路课程设计目的（1）了解运算放大器电路仿真设计的原理和方法； （2）利用仿真设计解决运算放大器问题2、仿真电路设计原理如图1所示的运算放大器1u =1V ，1R =3R =4R =1k Ω,2R =5R =2 k Ω,求解0u图1 运算放大器电路实例理论分析：如图所示，设出a 、b 两个节点，并对a 、b 两点列节点电压方程得：（11R +21R ）a u -21R 0u =11u R ○1 （31R +41R ）b u -41R 0u =0 ○2 a u =b u ○3由以上式子代入数据可得：0u =4V含理想运算放大器的电阻电路的分析规则：○1虚断：因in R →∞，所以流入输入端的电流约等于零，故称两输入端为虚断。

○2虚短：在运算放大器的实际应用中，对线性区工作而言，由于0u 为有限量，而A →∞，则u +-u -=u A0→，即两输入端间电压约等于零，两输入端为等电位，故称虚短。

分析含理想运算放大器的电阻电路时，一般采用节点法，或根据KCL 列写方程，运算放大器的输出端直接连接的节点，一般不列写KCL 方程。

3、电路设计内容与步骤如图2所示，对原理图进行仿真设计○1选择运算放大器、电压源、电阻放置在合适位置； ○2将DC 电压表连接在所要测量的0u 端； ○3将各元件进行连线，此时要注意运算放大器的连线方式，将电路接地并运行的到读数；图2运算放大器电路仿真设计其中0u 位置显示电压为0u =4V5、电路课程设计总结(1)注意运算放大器的接线方式；（2）使用Multism 11.0仿真设计时注意选择合适的仿真仪表，我们尽量选择电压表、电流表，而不要用万用表代替，电压表电流表可以在电路中直接显示数值，而万用表还需要打开；（3）注意仿真仪表的接线是否正确；(4)每次要通过按下操作界面右上角的“启动/停止开关”接通电源；4、电路课程设计注意事项（1）务必注意运算放大器的接线方式，即其“+”“—”接线； （2）含理想运算放大器的电路也要进行接地后，方可运行。

四 正弦稳态电路谐振仿真设计1．电路课程设计目的（1）了解谐振电路的特点及仿真设计的基本原理； （2）学会利用Multism 11.0对谐振电路进行仿真；2．仿真电路设计原理如图1所示，各元件的参数已经标注，通过此例进行计算。

图1 正弦稳态电路谐振仿真实例理论分析与计算：当电路发生谐振时，C L X X =或C L ωω1=（谐振条件）由C L ωω1=可以得到2ω=1LC=610ra d ∕s,ω=1000rad ∕s 由ω=2πf,可以得到f=10002πHz,此时1L 、1C 上的交流电压值为1L U =10090o ∠V ，，1c U =10090o∠-V,电源电压全部加在电阻1R 上，1R U =100o∠V.电路发生谐振时，电路中电流值最大，电感和电容上的电压远大于外施电压，这种现象称为谐振过电压，因而串联谐振又称电压。

在无线电技术中，当输入信号微弱时，可利用电压谐振来获得一个较高的输出电压；而在电力工程中，过高的电压会使电容器和电感线圈的绝缘被击穿而造成电力设备的损坏，因而要避免谐振情况的发生。

3．谐振电路设计内容与步骤○1选择合适的交流电压源、电阻、电容、电感，并将其放置在合适的位置； ○2将四个电压表分别放置在电阻、电感、电容、电感和电容的两端进行测量，注意将电压表的改为AC ，交流电压源的rms 为交流电压源的有效值，同时将ω=1000rad ∕s 化为频率f,输入其中；○3将各元件用线连接，并将电路进行接地后运行得到读数。

如图2所示，将图1的原理图进行仿真设计并运行得到的数据1R U =9.980V ，1L U =99.799V ，1c U =99.804V ，3U =0.020V 0→将仿真设计的数据与理论数据进行比较可以看出其中存在一定的误差，由于在进行计算时电压的频率f=2ωπ,在处理π时，我将π的值约等于 3.14参与计算，也就导致计算中f=159.15Hz ，也就引起一系列的反应导致1R U 、1L U 、1c U 的值均发生变化。

U4AC 10MOhm图2谐振电路仿真设计4．电路课程设计注意事项（1）使用Multism 11.0时注意选择适当的仿真仪表，本次使用的万用表与实验1中使用单独的电压表与电流表可以明显的显示出单独电压表和电流表的优势，注意要将所使用的电压表中的选项由DC 更改为AC ； （2）注意仿真仪表的接线正确性；（3）每次要通过按下操作界面右上角的“启动/停止开关”接通电源。