基于基尔霍夫定律的直流电路仿真设计

课程设计任务书
一、课程设计的目的
电路原理课程是电类专业的主要技术基础课。

通过本课程的学习，能够使学生掌握近代电路理论的基础知识、电路分析与计算的基本方法，具备进行试验的初步技能，并为后续课程的学习打下必要的基础。

电路原理课程设计是理论教学之后的一个综合性实践教学环节，是对课程理论和课程实验的综合和补充。

学会并利用一种电路分析软件，对电路进行分析、计算和仿真，通过查找资料，选择方案，设计电路，撰写报告，完成一个较完整的设计过程，将抽象的理论知识与实际电路设计联系在一起，使学生在掌握电路基本设计方法的同时，加深对课程知识的理解和综合应用，培养学生综合运用基础理论知识和专业知识解决实际工程设计问题的能力，以及工程意识和创新能力。

二、课程设计选题
三、如下图图1所示，1
23121,5,10,6, 3.5S S R R R U V U V =Ω=Ω=Ω==。

求电阻1R 两端电压1U 。

图1
如下图图2所示，1
23d 13,500,500,15,i =5i S R K R R U V =Ω=Ω=Ω=求电
阻3R 两端的电压3U 。

图2
三、方案设计及理论支持
基尔霍夫定律是德国物理学家基尔霍夫提出的。

基尔霍夫定律是电路理论中最基本也是最重要的定律之一。

它概括了电路中电流和电压分别遵循的基本规律。

它包括基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律（KVL）。

基尔霍夫电流定律（KCL）指出：“在集总电路中，任何时刻，对任一结点，所有流出结点的支路电流的代数和恒等于零”。

所以，对任一结点有
∑
i=0
基尔霍夫电压定律（KVL）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”。

所以，沿任一回路有
∑
u=0
四、电路的理论分析
1.解：求解本题时，必须同时应用KCL、KVL以及元件的VCR。

各支路电压与电流的参考方向如图3所示。

图3
现将支路电流1I 、2I 、3I 都以求解的未知两1U 来表示。

有 111
1
1
1U U R U I ===； 并据I 、II 回路由KCL 可得
1S133U U R I =-与122S2U R I U =+,
从而得到
1133s1610U U U I R --=
=与1s2212 3.55
U U U I R --== 在节点1使用KCL,有
312I I I =+,
即
1116 3.5
105
U U U --=+
从而得到 1U 1V =
2. 解：这是一个有受控源的电路，各支路电压与电流的参考方向如图4所示。

图4
宜选择控制量1i 作为未知量先求解，解得1i 后再通过d i 求3U ，在节点1使用KCL ，可知流过2R 的电流
21d 111i =i +i =i +5i =6i ，
在回路I 中使用KVL ，得
S 1122121U R i R i (R 6R )i =+=+
代入S U 、1R 、2R 的数值， 可得
1i =2.5mA
3R 两端的电压为 33d 31R i R 5i 6.25V U =-
=-=- 五、 电路的原理图设计
1.仿真软件的选择
Multisim 是美国国家仪器（NI ）有限公司推出的以Windows 为基础的仿真工具，
适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

新特点
⑴可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器；
⑵所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的硬件电路上；
⑶所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析。

Multisim 10组成
⒈――构建仿真电路
⒉――仿真电路环境
⒊――multi mcu（单片机仿真）
⒋――FPGA、PLD，CPLD等仿真
⒌――通信系统分析与设计的模块
⒍――PCB设计模块：直观、层板32层、快速自动布线、强制向量和密度直方图
⒎――自动布线模块
仿真的内容
⒈器件建模及仿真；
⒉电路的构建及仿真；
⒊系统的组成及仿真；
⒋仪表仪器原理及制造仿真。

器件建模及仿真：可以建模及仿真的器件：
模拟器件（二极管，三极管，功率管等）；
数字器件（74系列，COMS系列，PLD，CPLD等）；FPGA器件。

电路的构建及仿真
单元电路、功能电路、单片机硬件电路的构建及相应软件调试的仿真。

系统的组成及仿真：Commsim 是一个理想的通信系统的教学软件。

它很适用于如‘信号与系统’、‘通信’、‘网络’等课程，难度适合从一般介绍到高级。

使学生学的更快并且掌握的更多。

Commsim含有200多个通用通信和数学模块，包含工业中的大部分编码器，调制器，滤波器，信号源，信道等，Commsim 中的模块和通常通信技术中的很一致，这可以确保你的学生学会当今所有最重要的通信技术。

要观察仿真的结果，你可以有多种选择：时域，频域，XY图，对数坐标，比特误码率，眼图和功率谱。

仪表仪器的原理及制造仿真：可以任意制造出属于自己的虚拟仪器、仪表，并在计算机仿真环境和实际环境中进行使用。

2．电路图的连结
（1）从放置菜单选择元器件或者从工具栏上选择元器件；
（2）放置好元器件之后，连线，鼠标指针停留在元件管脚上单击就可以将导线引出来了，到要连接到的管脚再次单击就可以将导线画好；
（3）画好导线之后，选择万用表或者示波器等仪器仪表连接到适当的位置；
（4）点击运行就可以仿真了，单击按钮，进行设置和观察仿真结果。

3．电路各个元件的赋值
对连结好的元件进行赋值时要先双击想要赋值的元件，双击后会出现一个对话框在该内容里进行想要修改的项目，比如想要对第一个电阻元件修改成R1，其值为5，则在该项内容里标签中删去后改为你想要的R1，而在参数后面改为Ω即可。

如图5
4．电路图1的连接如图6所示，图2的连接如图7所示
图6
图7
六、仿真及分析
1．仿真步骤
电路图一切做好之后便可以进行电路的运行，在常用工具栏里找到仿真按钮（simulate）点击运行，然后根据所提示的内容返回界面进行修改，直至出现正确的运行结果，电路的辅助设计与仿真的运行便结束了。

2．仿真结果
题1的仿真结果如图8所示
图8
题2的仿真结果如图9所示
图9 3.仿真分析
以题1为例验证基尔霍夫定律，见图10
图10
图11
对于图10结点1，有 312I I I =+，即 0.5=-0.5+1满足KCL
对于I 、II 回路有1S133U U R I =-
122S2U R I U =+
即 1=6-10x 0.5 1=5 x （-0.5）+3.5 满足KVL
说明基于基尔霍夫定律的电路仿真正确。

七、结论
从刚开始对multisim10的一无所知到现在课程设计的完成，学到了很多也很有成就感。

画元器件、原理图、填写数据、运行制作，每一个步骤都需要足够的耐心和仔细，还要有扎实的专业知识．通过对数据的比较和处理知道了在multisim10环境下不仅可以很好算出结果还可以直观地反映出仿真结果，从而实现了基于基尔霍夫定律的直流电路仿真设计的可行性与正确性。

理论计算结果和运行结果一致。

八、设计心得与体会
在这次电路的课程设计中，我学习到了一款新的软件——multisim10，它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

几乎所有的电子公司都要用到它。

multisim10软件，我被它强大的功能所吸引，在不断探讨和摸索后，慢慢熟悉了这款软件如何操作，通过这次电路设计，我在多方面都有所提高。

如通过这次电路与计算机仿真设计，综合运用本专业所学课程的理论和将电路应用到计算机的仿真自己的亲自操作，能简单制作出相应的各类软件。

在电路设计过程中遇到了很多没有想到的错误及疑惑，经过检查分析错误及和同学一起交流，逐渐学会并掌握了有关电路设计的思想，懂得了如何在设计过程中调试和修改不合理的设计部分。

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