RLC串联电路谐振特性的Multisim仿真
2022-12-01

  RLC串联电路具有选频特性,当外加电压源信号的频率等于电路固有频率时产生谐振时,回路总阻抗的虚部为零、回路电流的幅度最大,当外加电压源信号的频率偏离电路固有频率时,回路电流的幅度将减小。用通频带宽及品质因数描述RLC串联电路的选频特性。

  Multisim仿真软件是由加拿大InteractiveImageTechnologies公司开发的一种基于SPICE工业标准的EDA软件,它就像一个真正的实验工作台,将电路原路图的输入、虚拟的测试分析和结果的图形显示等集成到一个设计窗口。

  用Multisim仿真软件进行RLCRLC串联电路谐振特性波形仿真分析,以虚拟仪器中的函数信号发生器或元器件库中的交流电压源做实验中的信号源以波特图仪测试有关波形,或用AC交流分析功能分析电路的频率响应,可直观描述电路频率特性。

  以下分析用Multisim10版本。

  1 RLC串联电路谐振特性的Multisim仿真原理

  1.1 用波特图仪进行频率特性的Multisim仿真测试

  在Multisim10中创建的RLC串联仿真实验电路如图1所示。其中交流电压源是必须放置的形式信号源用,其幅值和频率的数值对电路的频率特性没用影响,波特图仪用于显示幅频特性曲线。

 

图1 RLC串联仿真实验电路创建

  RLC串联电路由电阻R、电感L及电容C串联构成,由于回路的电流I与电阻R两端电压的特性相同,因此选择电阻两端电压作为频率响应测试电量。

  电阻R、电感L及电容从Multisim的基本元件库中找出,交流电压源从电源信号源库中找出,波特图仪从虚拟仪器栏中找出。

  元件参数的选取为电感L=100 mH、电容C=100 nF,电阻R=2 kΩ,分析电阻大小对品质因数的影响时再改变电阻值。

  反映电路频率特性的参数有谐振频率f0、通频带宽BW和品质因数Q,其定义如下:

 

  其中,fH,fL分别是回路电流由最大值减小3dB时所对应的上限频率和下限频率。

 

  双击波特图仪图标,打开波特图仪的面板,面板上各项参数设置如图2所示,运行电路仿真开关,在波特图仪面板上显示出电阻两端电压的幅频特性曲线。

 

图2 波特图仪的显示及参数设置

 

  移动红色游标指针使之对应在幅值最高点0 dB处,此时在面板上显示出谐振频率f0=1 585 Hz;再移动红色游标指针使之分别对应幅值最高点左右两侧的-3 dB处,读出上限频率和下限频率为fH=3 824 Hz、fL=661.36 Hz.

  可计算出通频带宽BW=fH-fL=3824-661.36=3 162.64Hz,品质因数。

 

  将图1所示电路参数改为R=5 kΩ,使回路的电阻增大,运行电路仿真开关后在波特图仪面板上显示出电阻两端电压的幅频特性曲线如图3所示。

 

图3 电阻增大后波特图仪的显示

  由式(1)、(3)及图3测试表明,电阻的改变对电路的谐振频率不产生影响,但影响电路的品质因数,从而影响频率特性曲线的平坦度。

  通过红色游标指针可读出谐振频率f0=1 585 Hz,fH=8 302 Hz,fL=301.85 Hz,计算出通频带宽BW=fH-fL=8 302-301.85=8 000.15 Hz, 品质因数,表明频率选择性变差。

  1.2 用AC交流分析功能进行频率特性的Multisim仿真测试

  创建仿真实验电路如图1所示,其中的波特图仪可去掉不用。

  启动Simulate菜单中Analyses下的AC Analyses…命令,在AC Analyses对话框中,改动Output为节点3、VerticalScale为Liner.

  点击AC Analyses对话框上的Simulate按钮,出现一个AC Analyses窗口,如图4所示。

 

图4 AC交流分析功能的频率特性

  通过游标指针可读出谐振频率、限频率和下限频率,其结果和波特图仪的结果基本一致。

  将图1所示电路参数增大,频率特性曲线的平坦度发生变化。

  2 结束语

  用硬件实验仪器对RLC串联电路谐振特性进行测试时,仪器输出参数调整较为繁琐,信号频率偏高或偏低时波形显示不稳定。由于受实验仪器的限制无法进行电路的AC交流频率特性分析,用Multisim软件仿真解决了这一问题,将计算机仿真软件Multisim引入到电路实验中,使电路的分析、仿真、测试非常方便,特别便于电路参数改变时的测试。所述方法具有实际应用意义,创新点是解决了RLC串联电路谐振特性的工作波形及参数不易或无法用电子实验仪器进行分析测试的问题。

  将电路的硬件实验方式向多元化方式转移,利于培养知识综合、知识应用、知识迁移的能力,使电路分析更加灵活和直观。

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