电路与电子技术虚拟实验教程：电路篇

出版社: 西北工业大学出版社;

丛书名: 高等学校教材；

开本: 16开；

ISBN: 7561221266；

条形码: 9787561221266；

尺寸: 25.7 x 18.3 x 0.5 cm；

重量: 200 g；

本书是一本采用Multisim7软件完成电工基础实验的指导书。书中以最新推出的Multisim7仿真软件为主，详细介绍了该软件的基本功能和操作方法仿真分析功能及其应用，并根据高等院校电工基础、电子技术教学大纲中有关实验要求，结合具体电路对如何进行仿真实验分析进行了详细叙述。

本书可作为电力信息类、电气类和机电类等专业学生的实验教材。也可作为电子机械、应用物理等专业的教学参考书，对电子类工程设计人员也有重要参考价值。

第1章 Multisim 7概述

1．1 Multisim 7的特点

1．2安装环境及安装步骤

1．3 Multisim 7用户界面

第2章 创建电路图

2．1选放元器件

2．2连线

2．3添加文字

2．4实例

第3章 元器件库与元器件

3．1 Multisim 7的元器件数据库

3．2 Multisim 7的元器件

3．3元器件数据库的管理

第4章 电路分析实验常用虚拟仪器

4．1数字万用表

数字万用表，一种多用途电子测量仪器，一般包含安培计、电压表、欧姆计等功能，有时也称为万用计、多用计、多用电表，或三用电表。

4．2函数信号发生器

最小输出信号可小于1mV、国内领先。大功率函数信号发生器曾为国内首创。稳定性.可靠性高、售价低 性能特点 国内所独有的输出保护技术，能有效防止过载、输出短路、错接等误操作或外电流倒灌造成损坏。 技术指标 输出信号： 　三角波、方波、正弦波、脉冲波、单次脉冲. TTL电平、直流电平电压输出输出幅度1mV—25Vp-p 输出阻抗:50Ω±10% 3位数显输出频率：0.2Hz—2MHz 频率误差：±1% 4位数显功率输出频率0.2Hz —200KHz 输出功率≥10W空载电压：≥25Vp-p 外测频率：0.1Hz－10MHz ±0.1%衰减： 0dB、 -20dB、-40dB 、–60dB直流电平： +10V－-10V连续可调 占空比:10%－90%连续可调失真度：≤2% (20Hz－20kHz)方波上升时间： ≤50nSTTL方波输出： ≥3Vp-p 上升时间≤25ns外电压控制扫频：输入电平0－10V 输出频率 1:100电源 : 220V ±10% 50Hz－60Hz 外形尺寸：240(W)×90(H)×280(D) 重量：约2.5Kg输出采用国内外最新保护电路

4．3双踪示波器

电子枪被灯丝加热后发射电子.聚焦极将电子枪发射的电子聚焦为极细的电子束,可使波形显示清晰.加速极上加有较高的正电压,吸引电子脱离电子枪高速运动;显示屏上加有极高的正电压,吸引电子撞击在显示屏面上,使显示屏面涂的荧光材料发光.垂直偏转板和水平偏转板上加有偏转电压,偏转电压的极性和幅值控制电子束撞击显示屏面的位置.当偏转电压跟随输入信号变化时,就可以使电子束在屏面上"画"出信号波形.

双踪示波器具有两路输入端,可同时接入两路电压信号进行显示.在示波器内部,将输入信号放大后,使用电子开关将两路输入信号轮换切换到示波管的偏转板上,使两路信号同时显示在示波管的屏面上,便于进行两路信号的观测比较

4．4功率表

一种测量电功率的仪器，但是非专业人员一般不使用，而是测出电压和电流后，再用P=UI计算出功率。

选择功率表的量程就是选择功率表中的电流量程和电压量程。使用时应使功率表中的电流量程不小于负载电流，电压量程不低于负载电压，而不能仅从功率量程来考虑。例如，两只功率表，量程分别是IA、300V和2A、150V，由计算可知其功率量程均为300W，如果要测量一负载电压为220V、电流为IA的负载功率时应逸用IA、300V的功率表，而2A、150V的功率表虽功率量程也大于负载功率，但是由于负载电压高于功率表所能承受的电压150V，故不能使用。所以，在测量功率前要根据负载的额定电压和额定电流来选择功率表的量程。

电动系测量机构的转动力矩方向和两线圈中的电流方向有关，为了防止电动系功率表的指针反偏，接线时功率表电流线圈标有“·”号的端钮必须接到电源的正极端，而电流线圈的另一端则与负载相连，电流线圈以串联形式接入电路中。功率表电压线圈标有“·”号的端钮可以接到电源端钮的任一端上，而另一电压端钮则跨接到负载的另一端，。

当负载电阻远远大于电流线圈的电阻时，应采用电压线圈前接法。这时电压线圈的电压是负载电压和电流线圈电压之和，功率表测量的是负载功率和电流线圈功率之和。如果负载电阻远远大于电流线圈的电阻，则可以略去电流线圈分压所造成的影响，测量结果比较接近负载的实际功率值。

当负载电阻远远小于电压线圈电阻时，应采用电压线圈后接法 。这时电压线圈两端的电压虽然等于负载电压，但电流线圈中的电流却等于负载电流与功率表电压线圈中的电流之和，测量时功率读数为负载功率与电压线圈功率之和。由于此时负载电阻远小于电压线圈电阻，所以电压线圈分流作用大大减小，其对测量结果的影响也可以大为减小。

如界被测负载本身功率较大，可以不考虑功率表本身的功率对测量结果的影响，则两种接法可以任意选择。但最好选用电压线圈前接法，因为功率表中电流线圈的功率一般都小于电压线圈支路的功率。

一般安装式功率表为直读单量程式，表上的示数即为功率数。但便携式功率表一般为多量程式，在表的标度尺上不直接标注示数，只标注分格。在选用不同的电流与电压量程时，每一分格都可以表示不同的功率数。在读数时，应先根据所选的电压量程U、电流量程I以及标度尺满量程时的格数&，求出每格瓦数（又称功率表常数）C，然后再乘上指针偏转的格数夕，就可得到所测功率P

第5章 仿真电路的处理

5．1电路的统计信息报告

5．2仿真电路信息的输入输出方式

5．3后处理器

第6章 基本分析方法

6．1直流工作点分析

6．2交流分析

6．3瞬态分析

6．4傅里叶分析

傅里叶分析Fourier analysis 分析学中18世纪逐渐形成的一个重要分支，主要研究函数的傅里叶变换及其性质。又称调和分析。在经历了近2个世纪的发展之后，研究领域已从直线群、圆周群扩展到一般的抽象群。关于后者的研究又成为群上的傅里叶分析。傅里叶分析作为数学的一个分支，无论在概念或方法上都广泛地影响着数学其它分支的发展。数学中很多重要思想的形成，都与傅里叶分析的发展过程密切相关。

法国科学家J.-B.-J.傅里叶由于当时工业上处理金属的需要，从事热流动的研究。他在题为《热的解析理论》一文中，发展了热流动方程，并指出了任意周期函数都可以用三角基来表示的想法。他的这种思想，虽然缺乏严格的论证，但对近代数学以及物理、工程技术却都产生了深远的影响，成为傅里叶分析的起源。

由三角函数系{cosnx,sinnx} (n=0,1,2，…）组成的无穷级数称为三角级数，其中αn,bn为系数，与x无关。若级数⑴对于一切x收敛，它的和记为(x）：

则(x）是一个具有周期2π的周期函数。上式两边分别乘以cosnx或sinnx，并且在（0,2π）上同时积分，就得到公式　上面的运算是形式的，因为符号Σ与积分的交换缺乏根据。为了保证上述运算的正确性，应当对级数⑴的收敛性加以必要的限制，例如一致收敛性等。但是，上面提供的纯形式运算，却提出了一个很有意义的问题：如果(x）是一个给定的以2π为周期的周期函数，通过⑶可以得到一列系数αn,bn，从而可构造出相应的三角级数⑴。这样得到的三角级数⑴是否表示(x）？正是傅里叶，他首先认为这样得到的级数⑴可以表示(x）。

给定(x），利用⑶得到的三角级数⑴，称为的傅里叶级数，而称⑶为的傅里叶系数。这种思想可以推广到任意区间上的正交函数系。特别，（n=0，±1，±2，…）是[0,2π]上的规范正交函数系，函数关于它的傅里叶级数为称为 的傅里叶级数的复形式。

6．5噪声分析

6．6噪声系数分析

6．7失真分析

6．8直流扫描分析

6．9灵敏度分析

6．10参数扫描分析

第7章 电工基础仿真实验

7．1欧姆定律

在同一电路中，导体中的电流跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻阻值成反比，这就是欧姆定律，基本公式是I=U/R。欧姆定律由乔治·西蒙·欧姆提出，为了纪念他对电磁学的贡献，物理学界将电阻的单位命名为欧姆，以符号Ω表示。

由欧姆定律I=U/R的推导式R=U/I或U=IR不能说导体的电阻与其两端的电压成正比，与通过其的电流成反比，因为导体的电阻是它本身的一种属性，取决于导体的长度、横截面积、材料和温度、湿度（初二阶段不涉及湿度），即使它两端没有电压，没有电流通过，它的阻值也是一个定值。（这个定值在一般情况下，可以看做是不变的，因为对于光敏电阻和热敏电阻来说，电阻值是不定的。对于有些导体来讲，在很低的温度时还存在超导的现象，这些都会影响电阻的阻值，也不得不考虑。）

导体中的电流与导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比。（表达式：I=U:R)

电阻的单位欧姆简称欧（Ω）。1Ω定义为：当导体两端电势差为1伏特（ν），通过的电流是1安培（Α）时，它的电阻为1欧（Ω）。

计算公式

R=U/I

7．2基尔霍夫电压定律

基尔霍夫定律(Kirchhoff laws)是电路中电压和电流所遵循的基本规律，是分析和计算较

为复杂电路的基础，1845年由德国物理学家G.R.基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff，1824～1887）提出。它既可以用于直流电路的分析，也可以用于交流电路的分析，还可以用于含有电子元件的非线性电路的分析。运用基尔霍夫定律进行电路分析时，仅与电路的连接方式有关，而与构成该电路的元器件具有什么样的性质无关。基尔霍夫定律包括电流定律和电压定律。

7．3基尔霍夫电流定律

基尔霍夫电流定律于1845年由古斯塔夫·基尔霍夫所发现。该定律又称节点电流定律，其内容是电路中任一个节点上，在任一时刻，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和。

在集总电路中，任何时刻，对任意结点,所有流入流出结点的支路电流的代数和恒等于零。

依据：电流连续性原理。

也就是说，在电路中任一点上，任何时刻都不会产生电荷的堆积或减少现象。

基尔霍夫定律不仅适用于电路中结点，也可以推广到电路中任一闭合面。

1）定义：基尔霍夫电流定律（简称KCL）：在集总电路中，在任一时刻，流出任一结点的电流代数和恒等于零。

即对任一结点有：∑i =0

注意：“流出”结点电流是相对于电流参考方向而言。“代数和”指电流参考方向，如果是流出结点，则该电流前面取“+”；相反，电流前面取“-”。2）推广：在集总电路中，在任一时刻，流出任一闭合面的电流代数和恒等于零。“代数和”指电流参考方向如果是流出闭合面，则该电流前面取“+”；相反，电流前面取“─”。

3）本质：是电流连续性的表现，即流入结点的电流等于流出结点的电流。

实际应用：实际问题中的交通问题，有些也是以基尔霍夫电流定律为背景设立的。

7．4直流电路的电功率

7．5直流电路节点电压分析

7．6直流电路网孔电流分析

7．7戴维南和诺顿等效电路

戴维南定理（Thevenin's theorem）：含独立电源的线性电阻单口网络N，就端口特性而言，可以等效为一个电压源和电阻串联的单口网络。电压源的电压等于单口网络在负载开路时的电压uoc；电阻R0是单口网络内全部独立电源为零值时所得单口网络N0的等效电阻。

戴维南定理（又译为戴维宁定理）又称等效电压源定律，是由法国科学家L·C·戴维南于1883年提出的一个电学定理。由于早在1853年，亥姆霍兹也提出过本定理，所以又称亥姆霍兹-戴维南定理。其内容是：一个含有独立电压源、独立电流源及电阻的线性网络的两端，就其外部型态而言，在电性上可以用一个独立电压源V和一个松弛二端网络的串联电阻组合来等效。在单频交流系统中，此定理不仅只适用于电阻，也适用于广义的阻抗。

对于含独立源，线性电阻和线性受控源的单口网络（二端网络），都可以用一个电压源与电阻相串联的单口网络（二端网络）来等效，这个电压源的电压，就是此单口网络（二端网络）的开路电压，这个串联电阻就是从此单口网络（二端网络）两端看进去，当网络内部所有独立源均置零以后的等效电阻。

uoc 称为开路电压。Ro称为戴维南等效电阻。在电子电路中，当单口网络视为电源时，常称此电阻为输出电阻，常用Ro表示；当单口网络视为负载时，则称之为输入电阻，并常用Ri表示。电压源uoc和电阻Ro的串联单口网络，常称为戴维南等效电路。

当单口网络的端口电压和电流采用关联参考方向时，其端口电压电流关系方程可表为：U=R0i+uoc

7．8电容器充电和放电

7．9电感串联和并联

7．10 RLC电路的过渡过程

7．11交流电压和电流的有效值

7．12感抗和容抗

交流电也可以通过线圈，但是线圈的电感对交流电有阻碍作用，这个阻碍叫做感抗。交流电越难以通过线圈，说明电感量越大，电感的阻碍作用就越大；交流电的频率高，也难以通过线圈，电感的阻碍作用也大。实验证明，感抗和电感成正比，和频率也成正比。如果感抗用XL表示，电感用L表示，频率用f表示，那么其计算公式为：

XL= 2πfL

感抗的单位是欧。知道了交流电的频率f(Hz)和线圈的电感L(H)，就可以用上式把感抗计算出来。

简单来说，当线圈中有电流通过时，就会在线圈中形成感应电磁场，而感应电磁场又会在线圈中产生感应电流来抵制通过线圈中的电流。因此，我们把这种电流与线圈之间的相互作用称其为电的感抗，也就是电路中的电感。电感的单位是“亨利（H）”我们可利用电流与线圈的这种特殊性质来制成不同大小数值的电感器件，以组成不同功能的电路系统网络.

①当交流电通过电感线圈的电路时，电路中产生自感电动势，阻碍电流的改变，形成了感抗。自感系数越大则自感电动势也越大，感抗也就越大。如果交流电频率大则电流的变化率也大，那么自感电动势也必然大，所以感抗也随交流电的频率增大而增大。交流电中的感抗和交流电的频率、电感线圈的自感系数成正比。在实际应用中，电感是起着“阻交、通直”的作用，因而在交流电路中常应用感抗的特性来旁通低频及直流电，阻止高频交流电。

②在纯电感电路中，电感线圈两端的交流电压(u)和自感电动势(εL)之间的关系是u=-εL，而εL =-Ldi/dt，所以u=Ldi/dt。正弦交流电作周期性变化，线圈内自感电动势也在不断变化。当正弦交流电的电流为零时，电流变化率最大，所以电压最大。当电流为最大值时，电流变化率最小，所以电压为零。由此得出电感两端的电压位相超前电流位相π/2 。

在纯电感电路中，电流和电压的频率是相同的。电感元件的阻抗就是感抗(XL=ωL=2πfL)，它和ω、L都成正比。当ω=0时则XL =0，所以电感起“通直流、阻交流”或者“通低频，阻高频”的作用。

③在纯电感电路中，感抗不消耗电能，因为在任何一个电流由零增加到最大值的1/4周期的过程中，电路中的电流在线圈附近将产生磁场，电能转换为磁场能储藏在磁场里，但在下一个1/4周期内，电流由大变小，则磁场随着逐渐减弱，储藏的磁场能又重新转化为电能返回给电源，因而感抗不消耗电能(电阻发热忽略不计)。

交流电是能够通过电容的，但是将电容器接入交流电路中时，由于电容器的不断充电、放电，所以电容器极板上所带电荷对定向移动的电荷具有阻碍作用，物理学上把这种阻碍作用称为容抗，用字母Xc表示。所以电容对交流电仍然有阻碍作用。电容对交流电的阻碍作用叫做容抗。电容量大，交流电容易通过电容，说明电容量大，电容的阻碍作用小；交流电的频率高，交流电也容易通过电容，说明频率高，电容的阻碍作用也小。

7．13串联交流电路的阻抗

7．14并联交流电路的导纳

7．15交流电路的功率和功率因数

7．16交流电路基尔霍夫电压定律

7．17交流电路基尔霍夫电流定律

7．18交流电路节点分析

7．19交流电路网孔分析

7．20交流电路的戴维南定理

7．21三相电路

三相电路。三相交流电源指能够提供3个频率相同而相位不同的电压或电流的电源，最常用的是三相交流发电机。三相发电机的各相电压的相位互差120°。它们之间各相电压超前或滞后的次序称为相序。三相电动机在正序电压供电时正转，改为负序电压供电时则反转。因此，使用三相电源时必须注意其相序。一些需要正反转的生产设备可通过改变供电相序来控制三相电动机的正反转。　 三相电路是一种特殊的交流电路，由三相电源、三相负载和三相输电线路组成。 世界上电力系统电能生产供电方式大都采用三相制。

电力系统采用的三相电源多为对称三相电源，它是由3个频率相同、振幅相同、相位互差120°的正弦电压源所构成的三相电源。

对称三相电源和对称三相负载相连接，称为对称三相电路（一般情况下，电源总是对称的）。三相电源与负载之间的连接方式有Y-Y,△-Y,△-△,Y-△连接方式。三相电路实际是正弦交流电路的一种特殊类型。在三相电路中，三相负载的连接方式决定于负载每相的额定电压和电源的线电压。由于对称三相电路中每组的响应都是与激励同相序的对称量。所以，每相不但相电压有效值相等，相电流有效值也相等。而且每相电压与电流的相位差也相等。从而每相的有功功率相等。

7．22三相电路功率测量

参考文献