1、1上海电力学院本科课程设计电路计算机辅助设计（2）院 系： 电力与自动化工程学院 专业年级（班级）： 2012021 学生姓名： 刘政 学号： 20121677 指导教师： 杨欢红 成 绩： 年 月 日教师评语：2目录：（1） 实验一、直流或正弦激励下的 RL、RC 一阶电路的响应（含受控源）.3（2） 实验二、阶电路响应的三种（欠阻尼、过阻尼及临界阻尼）动态响应及其特点.8（3） 实验三、双口电路的设计.13（4） 实验四、利用运算放大器实现回转器.19（5） 实验五、非线性电路（含三极管的非线性电路分析）.23（6） 实验六、有源滤波器设计与仿真实现.273实验一、直流或正弦激励下的 RL
2、、RC 一阶电路的响 应（含受控源）一、电路课程设计目的（1）理解换路定律的的概念、换路定则、动态分析与稳态分析的概念。（2）掌握初始值的求法。（3）利用 Multism 11.0 进行仿真设计，观察换路的过程的函数图象的变化。（4）分析图像的变化过程，与理论所求表达式相对照得出结论。二、实验原理及实例利用三要素法求解一阶线性微分方程，不需要列出电路的微分方程，而且三要素中的每一个要素都有明确的意义可以分别计算，零输入响应和零状态响应只是全响应的特殊情况。应用三要素法解题的步骤和方法主要有以下 4 步：（1）计算电压、电流的初始值 。(0)f其中 ， ，除此以外的初始值，可根据 0+时刻的等效
3、电路(0)()ccuLLii求得。（2）计算电压或电流的稳态值 ()f把换路后的电路中的所有电容看成开路，所有电感看成短路。（3）计算电路的时间常数 同一个一阶电路中的所有元件上的电压和电流具有相同的时间常数， 中的电阻是从 L 或者 C 的两端看进去的入端电组。（4）将上述值代入三要素的公式如图 11 所示，开关动作前电路已经处于稳态，求 时开关打开，求 。0t()cut4I11 A R14C10.5FJ1Key = A R22 I21.5 Mho 213SU1+_+ Uc_图 11解：开关动作前， = =0(0)cuc对节点 1 列节点电压方程可得：1.5 +0.5 =1 解得： =0.5
4、v1u1u=0.54 1.5 =2.5v()c1I11 A R14J1Key = A R22 I21.5 Mho 1SU1+_3图 12对图 12 节点 1 列 KCL 方程可得：0.5 +0.75 =1 解得： = vu1u43对节点 2 列 KCL 方程可得：0.75 =1.5 + 解得： = A1eqIeqI5I11 A R14J1Key = A R22 I21.5 Mho 1SU1+_+Uc_23图 135对图 13，对节点 1 列 KCL 方程：0.5 +1.5 =1 解得： =0.5V1u1u=2.5Vocu综上所述，可得 =ocequRi32所以， s C根据三要素法公式： ()
5、(0)tftffe可求得：43()2.5tcute三、仿真模拟验证如图 13 所示，为该实例的仿真电路：I11 A J1Key = A R12R24I21.5 Mho C10.5FXSC1A BExt Trig+_ + _图 136图 1-4图 157图 16利用示波器检测电容两端的电压变化的曲线，对比理论计算得出的结论，由图 14 闭合开关 S 达到稳态，到开关 S 打开再一次达到稳态，经历了一个如图 15 所示的过渡过程，从中可以看到曲线是沿 函数变化的。43()2.5tcute四、总结（1）本次仿真实验中，将图像调节好尤其重要，更主要的在于需要我们看清楚他的过度过程。（2）为了便于观察其
6、过渡过程，需要将“交互式仿真设置”中的“设置最大时间步长”更改为 0.01 秒，以便于仿真图像的显示。8实验二、阶电路响应的三种（欠阻尼、过阻尼及临界阻尼）动态响应及其特点一、电路课程设计目的（1）了解二阶电路（含有两个储能元件）的分析及处理方法。（2）掌握处理二阶电路过阻尼、欠阻尼、临界阻尼的方法。（3）验证二阶电路电容电压、电感电流的变化图像。二、实验原理及实例用二阶线性常微分方程描述的电路称为二阶电路，二阶电路中至少含有两个储能元件当然含有两个储能元件的电路并不一定为二阶电路，比如两个电容（电感）串（并）联情况。处理二阶电路常用的方法就是求解二阶齐次微分方程。下面的理论分析以二阶电路的零
7、输入响应为例。二阶电路如下，其中电容电压的初始值为 0)()0(UuC，电感电流的初始值为0)(0LLii。9S（ t=0） R iL( t ) + + uL(t) - + uC(t) uL(t) _ _i图 8-2 R、 L、 C串 联 的 二 阶 电 路根据该电路列写电路方程为 0Cu其电路电流为： dtui因此：RuCR， 2dtLtiCR所以，电路方程为： 20ccuLdt一、过阻尼情况非振荡放电过程1过阻尼的条件当 LCR2，即LR2（ C42）时，特征根 1p、 2为不相等的负实数。2过阻尼时的响应当特征根为不相等的实数时，方程的解的形式为 tptpCeAtu21)()()(121
8、10tptpCeUtu021tptpLdti二、临界阻尼情况1临界阻尼的条件当 LCR2，即LR2（ C42）时，特征根 1p、 2为相等的负实数 p。 2临界阻尼时的响应当方程的特征根相同时， ptCeAtu)()21， tCLeLUdtuti 0)(三、欠阻尼情况1欠阻尼的条件当 LCR2，即LR2（42）时，特征根 1p、 2为一对共轭复数，其实部为负数。2欠阻尼时的响应令 L，221L，则微分方程的特征根 jp1， jp2。10即 20， arctg则 cos0， sin0。可将特征根写为： jep01， jep02()sin()tcUutteLdtCit tcL i)0例：已 ，电路
9、的响应 。V10U）（。 图 2-1求解过程：1、过阻尼情况：令 R=5，L=2H，C=0.5F ;3104;310,4;|;2,5.025;0,1u25. 2)0(12)()()0()0()(c2ttc tcLtptpccLceuAduCieAuudtRCtLAiV 带 入 数 据 解 得 ：则 ：同理：2、临界阻尼：令 R=4，L=2H，C=0.5F11;10;-22tceupp）（则 ： ；，三、欠阻尼情况：令 R=2，L=2H，C=0.5F );6023sin(3201,5.23.;.212 otc teupp，则 ： ；，三、仿真模拟验证仿真图像如下：原理图1、过阻尼：122、临界阻
10、尼：3、欠阻尼：13四、总结（1） 二阶电路利用微分方程求解的方式，需在计算前将其分为过阻尼、临界阻尼、欠阻尼的状态后再分别进行求解；（2） 通过调节电阻 R 的大小来实现电路的过阻尼、临界阻尼、欠阻尼三个状态；（3） 仿真时务必将仿真过程中示波器所显示的图像调至最佳状态以便于图像的观察。实验三、双口电路的设计一、电路课程设计目的（1）掌握与三种参数（Z、Y、T）对应的二端口网络方程，理解这些方程各自对应的参数的物理意义及各个参数与端口物理量之间的的关系。（2）理解二端口级联后传输参数的变化。（3）掌握级联后的二端口网络的 T 参数的计算方法。二、实验原理及实例下面为各参数的计算方法 ：（1）
11、Z 参数： 12Z14， ， ，012IUZ 021IZ 012IUZ 021IZ（2）Y 参数： 12Y， ， ，012UI 012UI 021UI 021UIY（3）T 参数： ABCD， ， ，0)(21IA 021UI 0)(21I 021UID实例：R110R25R3213 42图 3-1Z 参数： =10+2=12 =2012IU012IUZ=2 =5+2=7012I 021I=12Z7T 参数：=-6 =400)(21IUA 021UIB=0.5 =3.5S0)(21IC 021ID15= ABTCD640.53.sR12R22R32R42I15 A/A 14V112 V J1K
12、ey = A J2Key = A 63V26 V 502图 3-2Y 参数:对其列节点电压方程：10112UIR 1 101213325UURR 2202343I 3解得： 12I124U4UI27I= 2 = 1 01IY 0212UY=0.25 =0.750211UI 021I所以 Y= 431=1.75 =10)(21IUA 021UIB=1.75 =20)(21IC 021ID16所以 T=31472三、仿真模拟验证参数 ：1TR210R35R42V112 V J1Key = A V26 V J2Key = A 1U1DC 1e-009Ohm1.000 A+ -U2DC 1e-009O
13、hm0.000 A+ -U3DC 10MOhm12.000 V+-U4DC 10MOhm2.000V+-67 3 25 84图=122=6 =12=0.5S0)(21IUA 0)(21IUCR210R35R42V112 V J1Key = A J2Key = A 1U1DC 1e-009Ohm1.050 A+ -U2DC 1e-009Ohm0.300 A+ -U3DC 10MOhm12.000 V+-U4DC 10MOhm3.000n V+-67 3 254图=120.3=40 =1.050.3=3.5021UIB 021UID=1T64.53S17参数：2TR12R22R32R42I15 A
14、/A 14V112 V V26 V J1Key = A J2Key = A 56U1DC 1e-009Ohm28.000 A+-U2DC 1e-009Ohm-1.776u A+-3 2U3DC 10MOhm12.000 V+-U4DC 10MOhm-16.000 V+-870图 3-5=12（-16）=-0.75 =28（-16）=-1.75s0)(21IUA 0)(21IUCR12R22R32R42I15 A/A 14V112 V J1Key = A J2Key = A 6U1DC 1e-009Ohm24.000 A+-U2DC 1e-009Ohm-12.000 A+-3 2U3DC 10M
15、Ohm12.000V+-U4DC 10MOhm-0.120uV+-870图 3-6=12（-12）=-1 =24（-12）=-2021UIB 021UID=2T347验证级联的性质： =12T74.586.18原理图如图 3-7 所示：R210R35R42V112 V J1Key = A 51 R12R52R62I15 A/A 82 6J2Key = A R7210V26 V 943图 3-7R210R35R42V112 V J1Key = A U1DC 1e-009Ohm1.047 A+-U2DC 1e-009Ohm0.000 A+-U3DC 10MOhm12.000 V+-U4DC 10M
16、Ohm-0.161 V+-7 351 R12R52R62I15 A/A 82V26 V 6J2Key = A 911R72104图 3-8=12（-0.161）=-74.5 =1.047（-0.161）=-6.6s0)(21IUA 0)(21IUC19R210R35R42V112 V J1Key = A U1DC 1e-009Ohm1.047 A+ -U2DC 1e-009Ohm-0.140 A+ -U3DC 10MOhm12.000 V+-U4DC 10MOhm-1.395n V+-7 351 R12R52R62I15 A/A 82 6J2Key = A 11R72104图 3-9=120.
17、140=-6.5 =1.0470.14=7.48021UIB 021UID由此可得：T= ，所以可以验证到级联的性质：74.58.6 12T四、总结（1）实验数据与理论计算毕竟存有一定的误差，主要原因是仿真中所用电表的示数位数有限，在显示时存在四舍五入的问题，使得测得的结果并不十分准确（2）仿真中务必注意个开关闭合与打开的状态是否与所求参数一致，并且相对应，理论计算与实际测量值有一定的误差，但只出现在有效数字上，较为准确。实验四、利用运算放大器实现回转器一、电路课程设计目的（1）了解回转器的基本电特性及其运算放大器实现办法。（2）掌握回转器参数的测试方法并了解其应用二、实验原理实例分析理想回转
18、器是一种线性的非互易二端口网络，如下图所示为回转器的电路模型：20图 5-1作为理想的二端口网络，其端口电流、电压关系可表示为： 121igu或写为： 21riu其中， 具有电导量纲，称为回转电导； 具有电阻量纲，称为回转gr电阻，他们均为常数，亦称为回转常数，且 。1g用矩阵形式表示上面的方程，写为： 1122112200iuguir因为 ，所以理想回转器是非互易的，不满足互易定121,ZY理。根据理想回转器的端口方程，可作出用受控源表示回转器的电路模型，由上述方程可计算理想回转器的总功率为： 121210puiuggu上式说明，理想回转器既不消耗功率也不发出功率，因此它是一个无源线性元件。
19、回转器有把一个端口的电压“回转”到另一个端口的电流或相反的过程这样一种性质。所以，电感元件难以集成的问题提供了一种解决办法，即用便于集成的电容代替电感。21V11 Vrms 50 Hz 0 R110R21kR41kR51kR61kR71k R81kU1OPAMP_3T_VIRTUAL U2OPAMP_3T_VIRTUAL526R91k14Uo1 Uo2i1 i2+U1-+U2-C110F073图 5-2理论计算：根据图示列方程可得： 011234UR02267UR化简得： 011244022711012UiR202145UiR化简得：33112424i 62124475Ri U将电阻的数值代入
20、可得： 0gs三、仿真模拟验证如图 5-3 所示为仿真电路22V11 Vrms 50 Hz 0 R110R21kR41kR51kR61kR71k R81kU1OPAMP_3T_VIRTUAL U2OPAMP_3T_VIRTUAL526R91ki1 i2+U1-+U2-C110F73XSC1A BExt Trig+_ + _401图 5-3图 5-4由上图示波器所显示的波形可见，此时回转器的输入端处的电流波形落后电压波形 ，即从输入端看，输入阻抗为一电感元件，可知该回转器实现了由电容到电感的90转换。四、总结（1）在仿真过程中，示波器中电源电压的波形呈现正弦波，电流的波形较电压的波形有一定的差别
21、，即其波形的上下对称轴不与电源电压的波形在同一条直线上，需要将其波形向电源电压电流波形23下调整以使其比较起来更为方便。（2）本实验测量回转器基本参数的方法，具有重要的作用，即可以在电感和电容元件之间实现转换，帮助实现电感元件的集成；。实验五、非线性电路（含三极管的非线性电路分析）一、电路课程设计目的（1）掌握非线性元件的的特性，例如三极管、场效应管等。（2）掌握三极管非线性电路的处理方法。（3）分析电路的失真情况。24二、实验原理及仿真模拟验证图 6-1R210kR310kR4250kKey=A50%R61.5kR73kV112 V Q12N2222A6412 U1DC 10MOhm11.2
22、38 V+-8U2DC 1e-009Ohm0.168m A+- 35R4(比例) 0% 25% 50% 75% 100%Ic(A) 2.577m 0.547m 0.168m 0.037m 2.295uUce(V) 0.064 9.528 11.238 11.829 11.984Uce(V)024681012142.577m 0.547m 0.168m 0.037m 2.295uUce(V)图 6-225C110FR210kR310kR4250kKey=A0%4R61.5k C210FC310FR73kR85.1k V112 V V215mVrms 1kHz 0 XSC1A BExt Trig+
23、_ + _5Q12N2222A386902图 6-3图 6-4 滑动变阻器比例 0%图 6-5 滑动变阻器比例 25%26图 6-6 滑动变阻器比例 50%图 6-7 滑动变阻器比例 75%图 6-8 滑动变阻器比例 100%27据上图表分析，在滑动变阻器由 0%到 100%的变化过程中，三极管非线性电路的静态工作点在一直变化，伴随着 的不断变大直至接近 12， 在此过程中不断减小，而其ceVcI失真幅度在这个过程中是不断减小的，在滑动变阻器为时，放大电路的波形出现较大失真，后在电阻的变化过程中波形得到改善，但是其放大倍数在不断减小，尤其在滑动变阻器的比例达到时，已不能正常完成放大。三、总结（
24、1）三极管处于放大状态需要有合适的静态工作点，同时要保证发射结正偏，集电结反偏。（2）三极管失真的情况可以分为截止失真和饱和失真， 当该电路的静态工作点过低时，会出现截止失真；静态工作点过高时，会出现饱和失真。28实验六、有源滤波器设计与仿真实现1、电路课程设计目的（1）了解滤波器的一些作用和特性；（2）学会设计简单的滤波器，能够实现低通、高通、带通、带阻等滤波作用；（3）能够用幅频和相频分析信号滤波前后的变化等。二、实验原理及实例无限增益多路反馈型二阶滤波电路的通用形式如图 1 所示。图 1 无限增益多路反馈型滤波器图中 Y 为无源元件导纳。由于这种电路中有 Y2 和 Y5 两条反馈支路,且
25、运放作为一个无限增益有源器件使用,所以将这种电路称为无限增益多路反馈型滤波器。设运放的开环增益和开环输入电阻为无限大，由节点法可对图 1 电路列出输入端节点方程为：（1）1234120450()()()ninYUsYUss求解组成的方程组可得电路传递函数（2）20012()isbsHa适当地选择电阻、电容作为图 1 中的导纳，可分别组成二阶低通、高通和带通滤波器电路。二阶滤波器传递函数的一般形式为：为使其具有更为明显的物理意义,可令 ， 则上式可改写为：1020（3）20120()iUsbsHa式中：a 为阻尼系数， 为固有频率，K 0 为通带增益,当系数 b 取不同值时，可得到不同029特性
26、的滤波器。（1） ， -低通滤波器01b220K（4）20()Hsas（2） ， -高通滤波器0b120b（5）20()Kssa（3） ， -带通滤波器02b10a（6）0220()sHsa（4） ， ， -带通滤波器0bK120bK（7）200()sa以低通为例： 2453211)()( YYsuHio要使其成为低通滤波器，那么 Y1、Y2 、Y4 为电阻，Y3、Y5 为电容可实现。那么： 534234212R1)()(534CSCSsuHio 由公式（4）可得： HzfR102 9.6310*7.10*.5.90 633534 即截止平率为 10Hz。三、仿真模拟验证30电路图如下：仿真结果：输入波形、输出波形和相频特性曲线如图 1-1、1-2:、1-3 ：图 1-1
