电路仿真实验课程报告

电路仿真实验

摘要：

利用Multisim仿真软件进行电路仿真实验：RC一阶电路动态特性、RLC串联谐振电路。在进行RC一阶电路动态特性的仿真实验中，当输入方波信号时，随着τ取值的不同积分电路的输出波形可能为三角波、平滑的三角波、方波；而微分电路的输出波形则为尖脉冲、梯形、方波。对积分电路、微分电路分别进行了多组实验，记录仿真结果并对实验结果进行了分析和解释。在RLC串联谐振电路的仿真实验中，对谐振条件采取两种方法进行验证：（1）输入输出波形相位为零；（2）电容和电感两端电压相等。利用第一种方法可以得到较为理想的结果，而利用第二种方法没有很好地得出结果。

关键字：

积分电路微分电路RLC串联谐振时间常数τ

正文：

实验一RC一阶电路动态特性的仿真

实验目的：

（1）通过模拟仪器测试RC电路的充放电特性。

（2）通过模拟示波器观察微分电路和积分电路的波形，进一步熟悉其特征。（3）练习使用Multisim仿真软件进行电路模拟。

实验原理：

1.电容具有充放电功能，充放电时间与电路时间常数τ=RC 有关。

2.脉冲方波电源作用下RC一阶电路响应波形的测量

当R、C取不同的值时，使电路时间常数τ=RC 随之变化，则输出信号U

RO 和U

的波形也随着τ的不同而改变。

C

3.一阶RC微分电路

当τ足够小，即τ≪T

，就构成了微分电路，从电阻端输出的电压与输入

2

电源电压之间呈微分关系。

4.一阶RC积分电路

，就构成了积分电路，从电容两端输出的电压与输当τ足够大，即τ≫T

2

入电源电压之间呈积分关系。

实验过程：

一、积分电路

图一积分电路

输入信号源为振幅为3V，频率为1000Hz，占空比为50%的方波信号。

实验一中的元件参数为：R1=100Ω，C1=100μF，计算出时间常数τ=RC=0.01s，输入波形的宽度为T=1ms，τ≥10T，能够构成积分电路，将方波信号转换成三角波信号。

图二实验一的示波器图像

实验二中的元件参数为：R1=100Ω，C1=1μF，计算出时间常数τ=RC=0.1ms，输入波形的宽度为T=1ms，T与τ相差不大，不满足构成积分电路的条件，形成圆滑的三角波。

图三实验二的示波器图像

实验三中的元件参数为：R1=100Ω，C1=0.01μF，计算出时间常数τ=RC=1μs，输入波形的宽度为T=1ms，τ远小于T，不满足构成积分电路的条件，输出了方波信号。

图四实验三的示波器图像

在输入信号源一定：即输入振幅为3V，频率为1000Hz，占空比为50%的方波信号。此时输入信号周期为T=1ms，调整R和C使得时间常数τ逐渐增大，得到的输出波形如下：

图五不同时间常数的输出波形

可以发现随着τ的逐渐增大，输出波形从方波变为圆滑的三角波最终输出三角波。继续增大τ,输出波形会消失。

理论分析：

假设输入信号为U i，某时刻t电容器极板上的电荷量为q,电容器两极板间

的电压为U c，电阻两端电压为U R，则有U i=U c+U R，q=CU C，i=dq

dt

，可得方程

q=C U i(1−e−t RC)

即

U C=U i(1−e−tτ)

当t趋于无穷大时，极板上的电荷和电压才达到稳定，充电电流为零，完成充电。在实际问题中，当t=5τ时，就认为电容器极板间电荷和电压基本不变，达到平衡，充电结束。

当输入波形为方波时，比较T

2

与τ的值：

（1）当5τ≪T

2，即T≫10τ时，电容充电过程很快结束，U c接近U i，在T

2

的

周期内保持不变，所以，输出波形接近方波。

（2）随着τ逐渐增大，电容充电所用的时间将表现在输出图像中（图五中

第三幅图）当τ增加到5τ=T

2，即T=10τ时，在T

2

的时间内电容都表现为充电，

U c逐渐增大，到T

2时，U c接近U i，在下一个T

2

的时间段内反向充电，循环往复，

形成光滑的三角波图像（图五中第四幅图）U CMax≈U i。

（3）当5τ>T

2以后，电容在T

2

的时间内完全表现为充电，在下一个T

2

的时间

段内反向充电，整体表现为三角波，有U CMax

二、微分电路

图六微分电路

图七实验四的示波器图像

输入信号源为振幅为10V，频率为1000Hz，占空比为50%的方波信号。

实验四的元件参数为R

1=1kΩ，C

1

=100nF,τ=RC=0.10ms。而输入信号的周期为

T=1ms，即T

2

=0.5ms=5τ，信号基本衰减为零，所以图像为如图七所示的连续的脉冲。

当T

2

>5τ时，输出波形的图像中会出现一段信号为零的图像。因此设计实验五的

元件参数为R

1=1kΩ, C

1

=10nF，τ=RC=0.01ms。得到了输出波形图像如图八所示，

符合预期效果：在T

2

的时间段内，信号经过大约5τ的时间后，信号衰减为零。多

次实验后发现，随着τ值的不断减小，充放电时间越短，引起的脉冲也越窄，

在T

2

的时间段内，信号为零的时间所占的比例也随之增大。

图八实验五的示波器图像

同理当T

2

<5τ时，在输出信号衰减到零之前，出现反向的尖脉冲。设计实验六的

元件参数R

1=1kΩ, C

1

=500nF，τ=RC=0.50ms.得到的输出波形如图九所示。