上海电力学院本科课程设计电路计算机辅助设计（2） 院系：电气工程及其自动化学院 专业年级（班级）： 2011025学生姓名： 张嘉哲 学号：20111337指导教师： 成 绩： 2013年 11月 25 日教师评语： 仿真实验一 RC微分电路和积分电路一、实验目的：1. 测试RC一阶电路的零输入响应、零状态响应及完全响应。2. 通过示波器测定时间常数。3. 用示波器观察波形，了解相应参量。二、原理 1. 动态网络的过渡过程是十分短暂的单次变化过程, 对时间常数较大的电路,可用慢扫描长余辉示波器观察光点移动的轨迹.然而能用一般的双踪示波器观察过渡过程和测量有关的参数,必须使这种单次变化的过程重复出现.为此,我们利用信号发生器输出的方波来模拟阶跃激励信号,即令方波输出的上升沿作为零状态响应的正阶跃激励信号;方波下降沿作为零输入响应的负阶跃激励信号,只要选择方波的重复周期远大于电路的时间常数,电路在这样的方波序列脉冲信号的激励下,它的影响和直流电源接通与断开的过渡过程是基本相同的. 2. RC一阶电路的零输入响应和零状态响应分别按指数规律衰减和增长,其变化的快慢决定于电路的时间常数，其测量方法为：使用一阶微分方程求解得到,此时所对应的时间就等于，亦可用零状态响应波形增加到0.632所对应的时间测得，如图可见。 当时（T为方波脉冲的重复周期），R两端的电压作为响应输出。则该电路就是一个微分电路。当时，且以C作为响应输出，则电路成为RC积分电路。三、设计(1)零状态、零输入响应由示波器端口啊图像：；且；当t=时，（2）微分电路示波器端口B图像：如果继续增大R的值（R=20000欧姆）即示波器端口B图像的变化如下：（3）积分电路：让，可得波形为：经试验可得，完全符合计算结果，符合实验要求，在允许误差之内。4、 实验小结： 本实验（积分微分电路）总体考察对电路的计算和理解，在时间常数的选择上应当尤为注意，过大过小均不利于观察和测量，所以这个实验对各仪器的使用是个考验。 仿真实验二、二阶电路响应的三种状态轨迹及其特点一、目的1.了解二阶电路的基本结构。2.熟悉二阶电路的响应方程和波形。3.测量计算二阶电路的诸如电流电压的参量。2、 原理 如图所示，列出KVL方程式为：将如下R、L、C元件的电压电流表示式：根据前述方程得到以下微分方程这是一个常系数非齐次线性二阶微分方程。零输入响应方程为其特征方程为其特征根为电路微分方程的特征根，称为电路的固有频率。当R，L，C的量值不同时，特征根可能出现以下三种情况1.时，s1,s2为不相等的实根。过阻尼情况。2. 时，s1,s2为两个相等的实根。临界阻尼情况。3. 时，s1,s2为共轭复数根。欠阻尼情况。一、欠阻尼情况当时，电路的固有频率s1，s2为为两个共轭复数根，它们可以表示为其中齐次微分方程的解答具有下面的形式由初始条件iL(0)和uC(0)确定常数A1，A2后，得到电容电压的零输入响应，再利用KCL和VCR方程得到电感电流的零输入响应。二、过阻尼情况当时，电路的固有频率s1，s2为两个不相同的实数，齐次微分方程的解答具有下面的形式式中的两个常数A1，A2由初始条件iL(0)和uc(0) 确定。对式(95)求导，再令t=0得到求解以上两个方程，可以得到由此得到电容电压的零输入响应，再利用KCL方程和电容的VCR可以得到电感电流的零输入响应。三、临界情况当时，电路的固有频率s1, s2为两个相同的实数s1=s2=s。齐次微分方程的解答具有下面的形式式中的两个常数A1，A2由初始条件iL(0)和uC(0) 确定。令式中的t=0得到对式求导，再令得到 联立求解以上两个方程，可以得到将 A1, A2的计算结果，代入式得到电容电压的零输入响应，3、 设计及实验 , , , 时闭合开关，求开关闭合后的。 已知,而, 故此时电路为非振荡电路放电过程。 已知,而, 故此时电路为临界阻尼放电过程。 已知,而, 故此时电路为振荡电路放电过程。经试验可得，完全符合计算结果，符合实验要求，在允许误差之内。4、 实验小结： 本实验（二阶电路响应的三种状态轨迹及其特点）总体偏难，但十分好的考察分析实践能力，在电压电流的的测量和计算上应当着重注意，在时间参数的选取上应当主注意，过大过小都不利于其观测和计算，其次一些较少使用的变阻器、开关等也应进行使用。仿真实验三 二端口电路的设计一、 目的测量计算开路阻抗参数、短路导纳参数、传输参数等，验证等效双口网络的传输参数与级联的两个双口网络传输参数之间的关系二、 原理 如果线性无独立源四端网络的4个接线端能够成二端口，则该四端网络称为二端口网络或简称为二端口。如图所示，左边的U1和i1构成端口1，右边的U2和i2构成端口2，同时也标注了电流的参考方向，有时把端口1称为能量输入端，把端口2称为能量输出端。一、Z参数方程 2、 Y参数方程实验 3、 T参数方程 4、 级联：一个二端口网络的输出端与另一个网络的输入端相连。级联后的复合网络： +T +T +T 证明： 三、 设计及实验 如图，求证此二端口网络的Z参数、Y参数、T参数。并且求出如图所示二端口网络级联后的电路参数。计算 Z参数方程 Y参数方程实验 T参数方程 实验： 级联实验：计算结果： 实验结果及实验图：经试验可得，完全符合计算结果，符合实验要求，在允许误差之内。4、 实验小结： 本实验（二端口网络）总体偏易，但考察计算和理解，在电压电流的的测量和计算上应当着重注意，尤其注意电流的参考方向，防止正负计算错误导致失败。 仿真实验四 特勒根定理1、 实验目的： 1.了解特勒根定理的基本原理 2.学根定理的证明及其电路拓扑结构的基本理解 3.能够利用特勒根定理解决相应题型2、 实验原理：特勒根定理1： 对于一个具有n个结点和b条支路的电路，假设各条支路电流和支路电压取关联参考方向，并令（i1,i2,ib）、（u1,u2,ub）分别为b条支路的电流和电压，则对于任何时间t，有 推及任何含有n个节点b个支路的电路，即有 特勒根定理2： 如果有两个具有n个结点和b条支路的电路、，具有相同的图，但由内容不同的支路构成。假设各支路电流和电压都取关联参考方向，并分别用（i1，i2，,ib）、（u1,u2,ub）和（1,2,b）、（1、2、,b）表示两电路中b条支路的电流和电压，则对于任何时间t，有1*u1+2*u2+b*ub=0和i1*1+i2*2+ib*b=0 3、 实验过程及结果： 实验预期计算：两电阻电路，分别如图所示，其电路结构相似但电路中电气元件不同，试通过此例证明特勒根定理1、2。 分析：使用回路电流法计算各回路电流，进而通过其计算各支路上的电压，同时也可以直接观察仿真测试中的各电压电流参量，通过其计算出，近而验证特勒根一、二定理。 通过计算，得出各支路电压电流。电路一： 电路二： 实验结果验证： 电路一的各参量结果图： 实验二的各参量结果图：故符合特勒根定理一符合特勒根定理二，综上可证。经试验可得，完全符合计算结果，符合实验要求，在允许误差之内。四、实验小结：本实验（特勒根定理）设计较为巧妙，同时其结构运算应当细心处之，尤其在支路电流、节点电压的的测量和计算上尤其如此，特勒根定理的核心是基尔霍夫定理，对于特勒根定理一其内在原因是功率守恒原理，而特勒根定理二不能用功率守恒解释，仅是对两个相同结构的网络，一个网络的电压和另一网络的的电流，当然究其核心实际是拓扑学中的相关定理，与电气元件无关。仿真实验五非线性电路（含有三极管的放大电路分析）1、 实验目的： 1.了解三极管放大电路的基本分析原理 2.了解小信号分析的基本方法 3.了解非线性电路的基本分析方法2、 实验原理： 小信号分析法：非线性元件的特性使放大电路的分析变得复杂，一般不采用线性电路的原理来进行计算。但在直流电源激励下,各非线性元件(如二极管,三极管,运算放大器等)中对应合适电压必存在一个合适电流值，这种合适的电压和电流值在平面上对应着一个特定的点,称为工作点。因此,非线性电路在直流电压源激励下的解又称为工作点.有时为了获得有用的输出信号,在设定了工作点的电子电路中施加某些输入信号(例如正弦波).假设在任何时刻都有,则把称为小信号电压.分析此类电路时,采用小信号分析法则较为简便，要强调的是这种分析方法的条件是放大电路输入信号为低频小信号。应用小信号分析法解题的一般步骤为：(1) 求解非线性电路的静态工作点; (2) 求解非线性电阻元件在静态工作点处的动态电导或动态电阻; (3) 作出给定的非线性电阻在静态工作点处的小信号等效电路; (4) 根据小信号等效电路求解。 BJT共发射极电路分析方法：由图中所示直流通路Q电路的值，在条件下有 集电极电流 由此式可见，该电路集电极静态电流只与直流电压及电阻有关，因此随温度变化时，基本不变。基极电流 集电极-射极电压 动态性能分析（交流段分析）：1.求 因为有 所以 由于有电容的隔直通交作用，故使短路，出现 式中符号表示输出电压和输入电压相位相反。 2.求输入电阻：由于：所以：= =3、 实验过程及结果：各参数参量见图中所示，求放大倍数、输入电阻的值。 稳定静态工作点Q的分析（直流偏置分析）： 动态性能分析（交流段分析）：1.求 因为有 所以 由于有电容的隔直通交作用，故使短路，出现 式中符号表示