戴维南定理的仿真设计EWB电路仿真设计

实验一：戴维南定理的仿真设计
一、实验目的
1.验证戴维南定理的正确性，加深对该定理的理解。

2.掌握测量有源二端网络等效参数的一般方法。

3.进一步熟悉EWB 软件的应用。

二、实验原理与说明
1.任何一个线性含源网络，如果仅研究其中一条支路的电压和电流，则可将电路的其余部分看作是一个有源二端网络（或称为含源一端口网络）。

2.戴维南定理指出：任何一个线性有源二端网络，总可以用一个电压源与一个电阻的串联来等效代替，此电压源的电动势U s 等于这个有源二端网络的开路电压Uoc,其等效阻Ro 等于该网络中所有独立源均置零（理想电压源视为短接，理想电流源视为开路）时的等效电阻。

三、实验容和步骤
如图1-1所示用戴维南定理求此电路中Ω25.0电阻的端电压。

解：由图可得，将Ω25.0电阻移去，得图1-2， 求OC U
V U OC 1213=⨯-=
图1-2
图1-1
将电压源短路，电流源开路，如得图1-3，求入端电阻R 如图1-3,得1=R
由分析可得图2-1可等效看成图1-4所示的电路，从而求得Ω25.0电阻端电压
V V U m 2002.0125.0125
.0-=-=⨯+-=
故可得Ω25.0端电压为0.2V
2.戴维南定理的仿真验证
由电路仿真验证可得电阻端的电压为V m 200-，与戴维南定理计算得的理论值相等，所以可真得戴维南定理成立。

四、注意事项
1、在求入端阻抗的时候电源置零，即电压源处短路，电流源处开路。

2、当化简成等效电路时，要注意串联入端电阻和开路电压的方向。

五、实验小结 总结：戴维南定理是电路中等效替代的方法，在运用戴维南定理的过程中要注意求入端电阻R 时的方法，电压源短路，电流源断路。

另外在计算时要注意电压电流的参考方向，注意参数的正负。

图1-3 图1-4
图1-5
实验二：正弦电路谐振的仿真
一．电路课程设计目的
（1）验证RLC 串联电路谐振条件与谐振电路的特点。

（2）学习使用EWB 仿真软件进行电路模拟。

二．实验原理与说明
RLC 串联电路图如图2-1所示。

如图为RLC 串联电路原理图 当电路发生谐振时，C L X X =或
C L ωω1
=
（谐振条件）
RLC 串联电路谐振时，电路的阻抗最小，电流最大；电源电压与电流同相；谐振时电感两端电压与电容两端电压大小相等，相位相反。

三、实验容和步骤 （1）理论计算
m F f L C C L m H
L K R HZ f V U 13.101015041
L 41111,1,50,103
2222≈⨯⨯⨯⨯===∴=
=Ω===-ππωωω
（2）实验计算
根据自己设计的参数并选择合适的方法验证串联谐振条件。

并将数据记录在表中。

图2-1
(交流电压有效值为12V)
电阻（ ）
频率 （HZ ） 电容
(mH)
电感 (mF)
电容两端电压(mv) 电感两端电压(mv)
电流 (mA) 第1组 12 50 1 1 2835 287.1 910.9 第2组 12 50 5 1 580.0 293.7 922.7 第3组 12 50 10 1 290.1 293.8 923.0 第4组 12 50 10.13 1 291.3 293.8 923.1 第5组 12 50 11 1 145.0 293.8 922.7 第6组 12 50 10.13 0.05 286.2 14.69 922.6 第7组 12 50 10.13 0.5 286.3 146.9 922.8 第8组 12 50 10.13 1 290.1 293.8 923.1 第9组 12 50 10.13 10 279.5 2868 901.4 如上表可得：由表中第一组到第五组可得，保持L=1 mH 不变，不断C,电容与电感两端电压趋近相等，电流值增大，当C=10.13时，电感与电压两端电压近似相等，电流最大，继续增大C ，电容电感两端电压差值增大，电流减小；由第6组到第9组可得，保持C=10.13不断增大L 的值，电感与电容两端电压慢慢趋近相等，电流增大，当L=10.13时满足,电感两端电压约等于电容两端电压，而此时电流最大。

继续增大L,电流下降。

故得到：当C=10.13mF,L=1mh,得到谐振。

满足上面测得的理论值，所以谐振条件成立
（2）RLC 串联谐振电路的特点
RLC 串联谐振电路有几个主要特征：
1）谐振时，电路为阻性，阻抗最小，电流最大。

（由上对数据表的分析可以
证得）
2）谐振时，电源电压与电流同相（这可以通过示波器观察电源电压和电阻
负载两端电压的波形中否同相得到）
（如图2-2为电源电压与电阻两端电压的波形）
电源电压
电阻两端电压
3）谐振时，电感电压与电容电压大小相等，相位相反。

这可以通过示波器观察电感和电容两端的波形是否反相得出，还可用电压表测其大小。

1.
（如图2-3为大小相等的验证）
2.
如图2-4波形图（反相输入）
如图两波形显示为同相位，大小相等，但因为输入时两者为相反输入，所以证明了谐振时电
感两端电压与电容两端电压大小相等，相位相反
四、注意事项
1、R 、L 、C 串联电路时，总阻抗并不是单纯的电阻值相加，电感和电容的阻值也有部分考虑在。

2、在用示波器测量电压的波形时要注意接点连线要正确。

五、实验小结：
此是RLC 串联谐振的仿真，通过仿真实验，我进一步了解了串联谐振的条件。

要到达谐振需要满足C L X X =或
C
L ωω1=
，本实验也证明了此条件。

在仿真
实验证明的过程中也发现了不少问题，比如在验证谐振时，电源电压与电流同相时，我想当然得认为是验证电容与电感两端的电压同相，以至于得不出相要的结果，耽误了不少时间，这个问题提醒我认证仔细的重要性；在测量电流值的过程中，发现电流表量程的选择，对电流值也有影响，因此需要选择一个适当的量程值，使得在电容电感改变时，电流的改变也明显点。

实验三：含受控源电路分析
一、实验目的
1、用回路法求解电路中的电流和电压
2、掌握线性电路参数测量的方法。

3、了解四种受控源元件，能够解决有受控源的电路问题。

二、实验原理与说明
回路法是电路的基本定律。

，回路电流法是以回路电流作为未知量，根据KVL 列出必要的回路电压方程，联立解回路电流。

因为回路法在所有节点都自动满足KCL，所以不必再列出节点电流的方程。

为保证所列出的回路电压独立，应选用独立回路电流的环流路径，这样列出来的一组以回路电流为未知量的回路电压方程，称为回路电流方程。

三、实验容与步骤
如图3-1所示电路，各参数如图，求出电压U和电流I的值。

图3-1
解：由回路法可得(理论值)
图3-2
由
()0
86.0300
26.0a 1020=+-=-++U Ib U I
得:V U 20-=
将V U 20-=代入方程得Ia=0.4667A
m A
A I Ia
I 4667.04667.0==∴=
用EWB 仿真上题的含受控源电路。

步骤：首先在EWB 中创建电路，从基本元件库中调出电阻元件。

双击电阻元件符号，打开属性对话框，在”Value ”中，将电阻设为相应的值，同样在电源库中，选中电压源与受控源，设置相应的参数值。

从指示器器件库中，选中电压表与电流表，作为测量电压与电流的器件。

仿真电路连接图如图3-3所示
仿真所得:
电流表显示的I 值为466.7A m ,电压表说显示的U 值为-20.00V ，与理论值相等。

图3-3
四、注意事项
1、实验中要注意选用电流表与电压表量程选择的正确性。

2、对于受控源要进行分析，看到底是什么类型的受控源，所控制的电压或者是电流属于哪条支路。

3、注意用回路法时，回路电流的方向，计算相交支路上的电阻要在回路中进行。

五、实验小结
通过本次实验，我学会了用回路电流法解含受控源的电路，了解了受控的基本原理，掌握线性电路参数的测量方法。

实验四：并联互感电路的仿真实验
一．实验目的：
1．学会互感同名端的判断，掌握消去互感法的方法。

2．熟练掌握用EWB 仿真应用的方法。

二．实验原理
具有互感得线圈得并联： 消去互感法得方法
可等效为如图4-2：
三、实验容和步骤
计算如图4-3所示电路中的电压U2：
解：用消去互感法化等效图
图4-1
图4-2 图4-3
（1） 当a,b 开路时，
得等效电路为如图4-4：
V U
︒∠=⨯+︒∠=04022
40120
仿真实验值如图4-5所示：
根据消去互感法得到得等效电路，测得U2=40V,与理论值大小相等，
四、注意事项
（1）互感的等效图，要注意同名端的判断。

（2）在仿真时要注意电压的测量是在等效电路上进行的
五、实验小结： 通过此次实验，我学会了互感电路中同名端的判断与按照同名端运用消去互感法得出等效电路图的方法，然后运用回路法或者节点法等方法进行解题。

通过多个仿真实验的设计，我对EWB 的仿真运用有了跟深刻的了解，也掌握了更多的仿真测量方法。

图4-4
图4-5
实验五：对称三相电路的仿真设计
一、实验目的
掌握三相负载星型连接、三角型连接的方法，验证这两种接法下线、相电压与线、相电流之间的关系。

二、实验原理说明
三相负载可接成星形（又称“Y ”接）或三角形（又称“∆”接）。

当三相对称负载作Y 形联接时，线电压L U 是相电压P U 的3倍。

线电流L I 等于P I 相电流，即
在这种情况下，流过中线的电流，所以可以省去中线。

当对称三相负载作∆形联接是，有L I =3P I ,L U =P U
三、实验容与步骤
在EWB 中创建仿真的连接图。

通过开关A 、B 、C 来实现负载的星形接法与三角形接法之间的转换，仿真的连接图为图5-1.,5-2
星形（Y ）联接图5-1
∆形联接图5-2
线电压/V 相电压/V 电流/A
1L U 2L U 3L U 1P U 2P U 3P U 1I 2I 3I
Y 形 207.9 207.8 207.8 120.0 120.0 120.0 1.039 1.039 1.039 电压/V 线电流/A 相电流/A
U1
U2
U3
1l I 2l I 3l I 1p I 2p I 3p I
Y 形 207.9 207.8 207.8 1.800 1.800 1.800 1.039 1.039 1.039 理论计算：
当负载Y 形联接时等效图5-3为
A
I I A
I I A R
U I I V U U V U U V U U L L L L L P L L L L L P L ︒∠=︒∠=︒∠=︒∠=︒∠===︒∠=︒∠=︒∠=︒∠=︒∠=︒∠*⨯=270039.1120150039.112030039.127084.20712015084.2071203084.20730323121
11231211故：
图5-3
当负载∆联接时，等效图5-4为:
A I I A I I A
I I A I I A I I A R U I P P P P L P L L L L L ︒∠=︒∠=︒∠=︒∠=︒∠=︒∠=
︒∠=︒∠=︒∠=︒∠=︒∠=÷︒
∠==
270309.1120150309.112030309.1303
2408.11201208.112008.13
200012023121123121
p 1故：’
四、实验注意事项
（1）注意三相电路变化前后相电压、相电流、线电压、线电流之间的关系，不要弄混淆了。

（2）使用EWB 时注意选择适当的仪表量程
（3）在仿真联接电路图的过程中，因为使用的为交流电压所以电压表，电流表所选用的应该为AC,而不是DC.这点是非常需要注意的
五、实验小结：
误差分析：综上可得理论值与仿真测量值相等，故可证得对称三相电路“Y ”接与“∆”接时各相线之间的关系。

三相负载可接成星形（又称“Y ”接）或三角形（又称“∆”接）。

当三相对称负载作Y 形联接时，线电压L U 是相电压P U 的
3倍。

线电流L I 等于P I 相电流，当对称三相负载作∆形联接是，有L I =3P I ,L U =P U 。

图5-4
实验六：非正弦周期信号的EWB 仿真
一、实验目的
1、验证非正弦周期性电压有效值与其各次谐波电压有效值之间的关系。

2、观察非正弦周期性电流电路中，电感和电容对电流波形的影响。

二、实验原理说明
1、对非正弦周期性电流电路的计算，常将电压和电流分解成三角级数的形式。

如非正弦周期性电压u （t ）和电流I(t)可分别写成下式: U(t)=∑∞
=++10)sin(U K ku Km kwt U ψ
i(t)= ∑∞
=++1
0)sin(I K ku Km kwt I ψ
而非正弦周期性电压和电流的有效值U 和I 可分别表示为
........
........
2
2212022221202+++=+++=I I I I U U U U 其中，00I 和U 分别为电压和电流的恒定分量，21U U 、….和21I I 、…..等分别为电压和电流各次谐波的有效值。

三、实验容
如图6-1所示，V t t t s )628cos 40314sin 10050()(u -+=，观察电源电压和L=0.1H 电感两端的电压。

图6-1
图6-2
四、实验注意事项：
1、每次接线或拆线前，都必须断开实验台电源。

连接好线路后，应仔细检查接
线是否正确，确认无误后再接通实验台电源。

2、用示波器的时候要注意具体接线位置，保证测量的数据的准确性。

五、实验小结
通过本次实验，我学会了非正弦电路的观察和认识，对于电路中接入不同频率的电压，可以通过接入示波器分析电路图像，检验非正弦周期电路各次谐波之间的关系以与电感或者是电容对电路的影响。

通过实验，我更加熟悉了EWB 软件，能更好地运用软件进行学习，提高了应用能力。

实验七：一阶电路的仿真设计
一、实验目的
1.测定RC 一阶电路的零状态响应。

2.学习电路时间常数的计算方法和测量方法。

3.进一步学会用示波器观测波形。

4.更加熟练的掌握EWB 软件的应用。

二、实验原理
1.动态网络的过渡过程是十分短暂的单次变化过程。

要用不同示波器观察过渡过程和测量有关的参数，就必须使这种单词变化的过程重复出现。

2.微分电路和积分电路是RC 一阶电路中较典型的电路，它对电路元件参数和输入信号的周期有着特定的要求。

一个简单的RC 串联电路，在方波序列脉冲的
重复激励下，当满足τ=RC<<2T
时（T 为方波脉冲的重复周期），且由R 两端的电
压作为响应输出，则该电路就是一个微分电路。

因为此时电路的输出信号电压与输入电压的微分成正比。

三、实验容与步骤
电路如图7-1所示，t=0,S 闭合，,求1C U 的电压波形与)(t U
解：开关闭合前，计算电容两端的电压，可得()
V U C 00=-, t=0时开关闭合，
()()
V U U C C 000==-+,稳态时：V U C 823.382222
1260
=⨯+=∞）
（,入端两端的电阻
图7-1
Ω=+⨯+
=K R 9647.812
2212
222.1,所以时间常数9647.8==RC τ
应用三要素公式求响应：=)t (C U ）（∞C U +()[]τ
t
C C e U U -+
∞-）
（0
得：t 11.09647
.838.823-38.82338.823-38.823
)t (--==e e U t
C
瞬态分析：
仿真节点电压的分析：节点2电压便是电容器两端的电压，求节点2瞬态电压波形图。

在对话框中将“Set to Zero ”设置为“选用”，“Start time ”和“Stop time ” 分别设置为“0s ”、“0.1s ”，进行瞬态分析，分析结果如图7-2。

四、实验注意事项
1、做一阶电路的时候要注意0-和0+时刻电键的开关与闭合。

熟悉换路定律，把0-状态的初始值计算出来。

2、运用三要素法进行计算的时候要注意，在稳态时刻的时候，电感看成是短路，电容看成是开路。

图7-2
五、实验总结
通过本次实验，我学会了测定RC一阶电路的零状态相应，并且了解了零状态响应的波形图。

进一步巩固了，求入端电阻的方法和电路时间常数的计算方法，学会了通过电感上的电流求电感上的电压，知道电容上的电压求流过电容上的电流。

这次实验让我学会利用EWB中的瞬态分析对电路的瞬态进行分析。

实验八：二阶电路的响应仿真设计
一、实验目的
1、学习用实验的方法来研究二阶动态电路的响应，了解电路元件的参数对响应的影响。

2、观察二阶动态电路在过阻尼、临界阻尼、欠阻尼三种情况下的响应波形。

二、实验原理与说明。

一个二阶电路在方波正、负阶跃信号的激励下，可获得零状态与零输入响应，其响应变化轨迹决定与电路的固有频率。

当调节电路的元件参数值，使电路的固有频率分别为负实数、共轭复数与虚数时，可获得单调地衰减、衰减振荡和等幅振荡的响应。

在实验中可获得过阻尼，欠阻尼和临界阻尼这三种响应图形。

（1）三种状态下的响应
对于RLC 串联的二阶电路，无论是零状态响应，还是零输入响应，电路过渡过程的性质完全有下式所示的二阶微分方程的特征根决定。

LC LC L R L
R
p 1
L 2R 1)2(
202
0222,1=
-=-±-=-±-=
ωδωδδ，谐振角频率其中衰减系数
当选择不同的RLC 参数时，会产生不同状态的响应，即过阻尼、欠阻尼和临界阻尼三种状态。

1、，
时，0C
L
2
ωδ〉〉R ,电路中的电阻过大，称为过尼阻状态。

电压与电流响应呈非周期性衰减的特点。

2、，
时，0C
L
2
R ωδ==电路中锋的电阻适中，称为临界阻尼状态。

此时，，0=ω，暂态过程界于非周期和周期之间，其本质属于非周期暂态过程。

3、，
时，0C
L
2
ωδ<<R 电阻中的电阻过小，称为欠阻尼状态。

电压和电流响应具有衰减振荡的特点，这时，特征根是一对共轭复根jw p ±-=δ21。

三、实验容和步骤
如图8-1所示，R 、L 、C 串联二阶电路，接入方波电压，用示波器观察波形,调节可变电阻，观察波形的变化。

图8-1
可变电阻调至10%时，电路处于欠阻尼状态，R=0.2k Ω，观察波形如图8-2
图8-2
把可变电阻调至30%，，C
L
2
R 〈电路呈欠阻尼状态。

波形图如图8-3
把可变电阻调至55%时，，
C
L
2R 可见电路呈临界阻尼状态，波形图如图8-4
再把可变电阻调至80%，过阻尼的电容电压波形如图8-5
图8-3 图8-4
图8-5
四、实验注意事项
调节可变电阻R时，要细心、缓慢，尤其是临界阻尼对应的电阻值要一部步慢慢趋近得到。

五、实验小结
通过本次实验，我进一步了解了2阶电路，以与2阶电路的特性。

在联接电路线的时候，我第一次使用了函数信号发生器，学会了输入方波电压的方法。

通过对示波器的观察，我对二阶动态电路在过阻尼、临界阻尼、欠阻尼三种情况下的响应有了进一步深刻地理解。

对电路性质和规律有了理论和实际的联系。

实验九：双口网络电路仿真设计
一、实验目的
1．加深理解双口网络的基本理论。

2. 掌握直流双口网络传输参数的测量技术。

3. 加深对EWB 软件的应用。

二、实验原理说明
1. 一个双口网络两端口的电压和电流四个变量之间的关系，可以用多种形式
的参数方程来表示。

本实验采用输出口的电压U 2和电流2I 作为自变量，以输入口的电压1U 和电流1I 作为应变量，所得的方程称为双口网络的传输方程。

2. Y 参数（短路导纳参数）
•
•
•
•
•
•
+=+=2
2212122121111U Y U Y I U Y U Y I
3. Z 参数（开路阻抗参数）
2
2212122121111I Z I Z U I Z I Z U •
•
•
•
••+=+=
三、实验容与步骤
仿真题目如图9-1，计算参数Z ，Y
要计算Z 参数，把电路图化成T 形电路，有利于数据的处理。

首先进行Y —∆的变换，如图9-2 Y 形电阻=
形电阻之和
形相邻电阻的乘积
∆∆
Ω
=+====Ω=+++===
+=+=•
••
•
••
•
•
•
•
••818.76818.10
545.96818.1727.010
I U Z I Z I Z U I Z I Z U 21
2
211221
1
1122212122121111I I U Z Z I 图9-1 图9-2
因为要求Y 参数，为了计算简单需要把电路化成π形电路运用
形电导之和形相邻电导的乘积
形电导Y Y =
∆
得：等效π形电路（如图9-3）
S
S Y S 1878.003398.01538.00
U U I Y 1538..0-0U U I Y 2307.00769.01538.00
U U I Y 12
2
2221
2211221
1
11=+===
=====+===
•
••
•
•
•
•
•
•
图9-3
2、仿真参数的测量： 如图9-4:,9-5,9-6,
如图9-4
Ω====•
••
545.93143.03
0I U 21
1
11I Z
如图9-5
Ω=====•
•
•
818.73143
.0457.2021
221
12I I U Z Z
如图9-6
Ω====•
•
•
73.11023
.1120
12222I I U Z 四、实验注意事项
1、双口网络中运用三角形和Y 形连接之间的关系，转化等效电路图时，要保证等效时的正确性；当电路较为复杂时可以根据Z 与Y 的关系，求Z 参数矩阵的逆矩阵，用关于Z,Y 的方程求解二端口网络的参数。

2、求解二端口时，要注意电压和电流的方向，避免正负号计算错误。

五、实验小结：
1、理论值与测量值的误差分析：由上可得理论计算而得的Z,Y 参数与EWB 仿真计算而得的参数值相等。

可证得Z,Y 参数计算式子的正确性。

2、通过此次仿真，我们需要注意T 形转化π形电路的方法，求Z 参数，将双口网转化成T 形，求Y 参数，将电路转化成π形电路，这样能跟清晰容易地得出参数值。