1、第8章 在電路分析中的應用電路基本原理的掌握是學習電路設計的基礎，本章主要通過Multisim7在電路分析中的一些典型應用，深入理解電路基本理論，掌握電路測試和實驗的常用設計方法，為真實電路設計和調試奠定基礎。8.1 測定元件伏安特性電阻的伏安特性是了解電阻特性的必要手段，本例通過對電阻元件的測量，了解如何測試一個電阻元件的性質。首先建立如圖8-1所示電路，該電路采用阻值可調的50歐姆電阻調節電壓從0V升高到24V，負載電阻為100k，遠大于可調電阻阻值，因此可以忽略負載電阻對可調電阻的影響。本例使用兩種方法測量電阻元件伏安特性：一種是通過電流表和電壓表測試該元件的電壓和電流；另外一種則是采用

2、Multisim7的直流掃描分析方法測量。圖8-1伏安法測試原理圖1 采用伏安法測量采用伏安法測量其步驟如下：（1）按下鍵盤小寫【a】鍵，將可調電阻Rw調到100%，使電阻RL上電壓為0。（2）雙擊可調電阻Rw，設置可調電阻增量為20%。激活電路，按下鍵盤大寫【A】鍵，將電阻RL上電壓從0V升壓到24V，每4.8V測試一組電壓電流數據。（3）將測試結果填入表中，得到每個測點的電壓電流數據，如表8-1所示。表8-1 伏安法測試數據電源（V）表讀數04.89.614.419.224電壓表（V）04.7969.58714.38119.18324電流表（mA）00.0480.0960.1440.192

3、0.242 采用直流掃描分析測量直流掃描分析的目的是觀察直流轉移特性。當輸入直流在一定范圍內變化時，分析輸出的變化情況。如電壓源從0V升高到24V，步長可用戶自己設定，此處為了和表8-1數據對比選取步長為4.8V。每個相應的電壓都將計算出一套電路參數并用于顯示。下面用它來分析電阻的伏安特性。其步驟如下： （1）把圖8-1中可調電阻調到0%，即可調電阻輸出電壓為24V。在主窗口中依次執行“Simulate”/“Analysis”/“DC Sweep”命令，將彈出如圖8-2對話框，分別設置輸入直流電壓源、步長、掃描初值和終值。圖8-2直流掃描分析設置（2）單擊圖8-2中“Output variab

4、les”選項卡，設置輸出變量，此處選擇電阻RL上電壓即圖8-1中節點1為輸出，鼠標單擊“Add”按鈕，得到輸出變量設置如圖8-3所示圖8-3直流掃描分析輸出變量設置（3）單擊“Simulate”按鈕，得到分析結果如圖8-4所示，從結果可看出，縱坐標是一電壓，不是電流，因為在Multisim7的直流掃描分析不能設置輸出結果為電流，因此可以使用后處理器來得到電流輸出。圖8-4直流掃描分析輸出結果（4）執行“Simulate”/“Postprocessor”命令，將彈出如圖8-5所示對話框，把輸出節點電壓除以阻值100k，則可以得到輸出的電流。圖8-5后處理器設置（5）單擊圖8-5中“Graph”選

5、項卡，設置輸出的圖形后，再單擊“Caculate”按鈕，即可得到處理后的伏安特性，將縱坐標改為電流，單位“uA”，則得到最后結果如圖8-6所示。圖8-6后處理器輸出結果從圖8-6所示結果和用伏安法測量結果表8-1對比，數據完全吻合。8.2 電路基本定理驗證8.2.1 戴維南和諾頓等效電路戴維南和諾頓等效電路是電路分析中常用的簡化電路的兩種基本方法，在電路原理學習中，都采用人工計算，并運用很多步驟才得到，本節通過Multisim7的仿真，可以很快求出其等效電路。操作步驟如下所示：圖8-7戴維南電路測試（1）首先建立如圖8-7所示電路，該電路含有一電壓控電壓源，通過測量負載電阻RL兩端的開路電壓和

6、短路電流來求得等效電路。（2）測試開路電壓。開關J1打開，使負載開路，將萬用表打到直流電壓檔，并聯在負載電阻RL所在支路兩端，并激活電路，測得開路電壓Uoc=184.095V。（3）測試短路電流。接線不變，把萬用表電壓檔位換成直流電流檔位測得電流1.002A。（4）測試等效電阻。根據等效電阻定義，將所有獨立電壓源短路，獨立電流源開路，得到無源單端口網絡，如圖8-8所示，因此，只需在端口處接一萬用表，用電阻檔就可直接測量其電阻 。激活電路，測得等效電阻RO=183.697。圖8-8戴維南電路等效電阻測試通過以上三個參數測量，就可以獲得該電路的戴維蘭和諾頓等效電路。當然其中第三步不是必須的，測量出

7、了開路電壓和短路電流后自然可計算出等效電阻，但此處給讀者提供一個測量等效電阻的方法。8.2.2 疊加定理和互易定理驗證下面仍以圖8-1所示的例子來說明疊加定理和互易定理，以RL支路上電壓來說明。1 疊加定理疊加定理的操作步驟如下：（1）首先用上節得到的戴維蘭等效電路求出RL支路上電壓。建立如圖8-9所示戴維南等效電路，激活該電路，測得RL上電壓為155.525V。圖8-9戴維南等效電路（2）讓3V電壓源單獨作用，電流源開路得到如圖8-10所示。激活電路，測得電壓336.312mV。（3）讓1A電流源單獨作用，電壓源短路得到如圖8-11所示。激活電路，測得電壓155.189V。圖8-10電壓源單

8、獨作用電路圖8-11電流源單獨作用電路圖8-10和圖8-11所示兩個電路測試的電壓值相加正好等于圖8-9所示電路測試結果，因此疊加定理得到驗證。2 互易定理互易定理其操作步驟如下：（1）建立電路如圖8-12所示，以ab為激勵端口，RL支路cd為響應端口。激活電路，萬用表測得電流-560.552uA。圖8-12互易定理交換前電路（2）交換電壓源和電流表位置，得到電路如圖8-13所示。激活電路后測得電流表讀數為-560.52uA。圖8-13互易定理交換后電路由此可見，電壓源和電流表位置互換前后，電流表讀數不變，互易定理得到驗證。8.3 求解電路的節點電壓建立電路如圖8-14所示，該圖如通過電路原理

9、知識采用節點法來手動計算，計算比較復雜。下面在Multisim7里面可輕松求出該電路節點電壓。操作步驟如下：圖8-14節點法求解電路（1）在圖8-14中的n2節點上并聯一個萬用表測量電壓以便和直流工作點分析比較。（2）依次執行“Simulate”/“Analyses”/“DC Oerateing Point.”命令，在Output variables 選項卡選擇n1，n2，n3，n4為輸出節點，如圖8-15所示，單擊圖中“Simulate”按鈕，得到結果如圖8-16所示。圖8-15直流工作點分析輸出設置圖8-16直流工作點分析結果（3）雙擊萬用表，萬用表測得n2節點上電壓是545.963mV，

10、和直流工作點分析結果一致，同樣其他節點上電壓也可萬用表測量，結果和直流工作點分析結果是一致的。可見，在Multisim7里面求解電路節點電壓非常簡單，可利用直流工作點分析或萬用表直接就能得到節點電壓。8.4 觀察RC電路暫態過程RC充放電電路是電路學習中的常見電路，其過渡過程持續的時間長短、發生的快慢與電路中的元件參數有關。本節將利用示波器觀察RC電路的暫態過程。建立如圖8-17所示一階RC電路，電路中開關J1用于控制電壓源Vl是否接入電路。當V1接入電路時，電容C1充電；當V1未接入電路時，電容Cl放電。電容器充放電是一個暫態過程，按指數規律變化，暫態過程持續的時間由時間常數來決定，RC越大

11、，持續時間越長，R和C分別為電容器充放電回路中的等效電阻和電容。圖8-17一階RC電路其具體仿真操作步驟如下：（1）在激活電路后，反復按下空格鍵，使開關J1反復打開閉合，在示波器上可觀察到如圖8-18所示的波形。（2）把電容C1換成10uF，重新激活電路，并反復按下空格鍵，使開關J1反復打開閉合，得到波形如圖8-19所示。 圖8-18 RC電路充放電暫態過程 圖8-19電容增大后RC電路充放電暫態過程從兩圖的結果可看出，電容增大后，時間常數增大，充放電時間都增長，因此波形的上升和下降時間延長。8.5 測試串聯諧振電路諧振是正弦電路中一種常見現象，本節通過對串聯諧振電路仿真分析，了解諧振電路的特

12、性和分析方法。首先建立由R、L、C組成的串聯諧振電路，如圖8-20所示。通過示波器和波特圖儀觀察諧振電路的特點。圖8-20RLC串聯諧振電路該電路固有諧振頻率，因此只要信號源頻率設置為1kHz該電路就發生諧振。下面對該電路進行分析，具體步驟如下：（1）激活電路，雙擊波特圖儀，觀察波特圖儀結果如圖8-21所示，在頻率為1kHz時電路發生諧振，和前面計算結果一致。電路發生諧振后，電容和電感上電壓相位相反，大小相等，因此相互抵消，信號源電壓全部加到電阻R1上，電阻R1上電壓最大。圖8-21波特圖儀分析結果（2）雙擊示波器觀察電阻R1和信號源波形如圖8-22所示，電阻R1上波形和信號源波形完全一致，說

13、明此時電路發生了諧振。此處為便于觀察將電阻R1波形向下偏置了2格。圖8-22諧振時電阻R1上的波形（3）改變電源頻率為2kHz，重新啟動仿真，得到電阻R1上波形如圖8-23所示，電壓幅值明顯降低，說明沒有發生諧振，電感和電容電壓未相互抵消，并分得了部分信號源電壓，因此電阻上電壓降低了。圖8-23未發生諧振時電阻R1上的波形8.6 測量三相交流電路功率三相交流電路的功率測量是在電路學習和實際工程上的常見問題，一般采用瓦特表測量三相交流電路功率。根據使用瓦特表的個數分為兩瓦法和三瓦法。兩瓦法采用兩只瓦特表測量三相功率，因為電源電壓對稱，瓦特表電壓端只測量兩組線電壓即可，將兩只瓦特表的電壓公共端接在

14、另外一相上，電流端串聯入電路即可。三瓦法采用三只瓦特表，將三只瓦特表的電壓公共端接在中性點上，測量的是三相電路的相電壓，電流端分別串入每相電路中。圖8-24三瓦法測試電路建立三相功率三瓦法測試電路如圖8-24所示，將電源接成三相星型連接，電源為三相對稱電源，幅值相等，相位互差120度。負載也接成星型，為對稱純電阻負載。由于采用三瓦法，因此將每只瓦特表的電壓端的負接線端子都接在中性點上，正接線端子分別接在A、B、C相上，將每只瓦特表的電流端分別串入A、B、C相中。圖8-25瓦特表讀數啟動仿真開關，雙擊三個瓦特表觀察讀數，瓦特表讀數都一樣，如圖8-25所示，每相功率都是49.722W，因為是純電阻

15、負載，Power Factor（功率因數）為1，因此總功率為三相功率之和P=149.166W。雙擊電流表，測得B相電流表讀數為0.226A，由于三相負載和電源都對稱，故也可以算出總功率P=，和瓦特表測量結果幾乎一樣，誤差很小。U 注意：如果此處負載不是純電阻負載，功率因數就不能取1，就不能用電流表來測量和計算功率，必須使用瓦特表。將圖8-24換成兩瓦法測量，觀察結果如圖8-26所示，兩只瓦特表讀數之和等于149.16W，它與三瓦法測試結果幾乎相等，誤差非常小。因為電源電壓對稱，可以證明兩瓦法和三瓦法測量結果理論上應該是一樣的，但此處產生了微小的誤差，這主要是軟件本身的原因，但這樣小的誤差對結果

16、并無太大的影響。圖8-26兩瓦法測試電路8.7 測量二端口網絡參數Multisim7中測量二端口網絡在某個頻率下的S參數、Z參數、H參數和Y參數也是非常方便，只需使用網絡分析儀（Network Analyzer），并對其面板上的某些選項進行適當設置即可。下面通過對圖8-27所示的二端口網絡參數在50Hz的頻率下進行測試，說明Multisim7在二端口網絡參數測試中的應用，測試步驟如下：（1）將網絡分析儀的P1端接二端口網絡的輸入端，P2端接二端口網絡的輸出端。（2）雙擊網絡分析儀，打開控制面板，啟動仿真開關，在默認狀態下，網絡分析儀設置的工作頻率是1MHz。點擊該面板上Settings區的“S

17、imulation Set”按鈕，彈出測量參數設置對話框，在該對話框修改其其始頻率為1Hz、終止頻率為100Hz、掃描類型為Linear、掃描點數為100，得到如圖8-28所示設置結果，然后單擊“OK”按鈕。圖8-27二端口網絡圖8-28網絡分析儀參數設置對話框（3）重新運行仿真開關，可以看到該二端口網絡在1Hz時的Z參數測量結果如圖8-29所示，將網絡分析儀面板底部的頻率選擇滑塊移動，直到頻率為50Hz時，得到頻率為50Hz時的Z參數測量結果如圖8-30所示。圖8-29頻率為1Hz時的Z參數測量結果圖8-30頻率為50Hz時的Z參數測量結果（4）分別對網絡分析儀控制面板Graph選項區域中的

18、Param下拉列表中的測量參數進行選擇，出現的S參數、H參數、Y參數在頻率為50Hz時的測量結果如圖8-31、8-32、8-33所示。圖8-31頻率為50Hz時的S參數測量結果圖8-32頻率為50Hz時的H參數測量結果圖8-33頻率為50Hz時的Y參數測量結果8.8 本章小結通過本章的學習，主要講述了以下內容：l 講述了測試電阻元件伏安特性的兩種方法，通過伏安法和直流掃描分析測試。l 對電路的一些基本定律用Multisim7予以驗證和分析，其目的是學會在Multisim7里面使用這些基本定律。l 講述了如何在Multisim7里面測量節點電壓的方法。l 講述了如何在Multisim7里面測量觀察RC電路的動態充放電過程。l 對正弦諧振電路的特性通過仿真進行了分析，說明了諧振時電路特性的變化。l 對三相交流電路的功率測量電路進行了仿真，說明了在Multisim7里面測量三相交流電路功率的方法和原理。l 對二端口網絡的Z、S、H、Y參數使用網絡分析儀進行了測量，說明了在Multisim7里面進行網絡參數測量的方法。8.9 習 題1、分別用伏安法和直流掃描分析方法測量如圖8-34所示電路中電阻元件的伏安特性，并將測試數據填入表格。2、做出圖8-35所示電路的戴維蘭與諾頓等效電路，其中RL