新疆大学

课 程 设 计 报 告

所属院系：       电气工程学院     

专    业：       热能与动力工程

课程名称：      电工综合课程设计  

设计题目：    RLC串联谐振电路设计 

班    级：         热动12-1        

­­­­­­­    学生姓名：          赵嘉伟          

学生学号：        20122104008        

指导老师 :      杨建庭   玛依拉        

完成日期：    2014/12/29——2015/1/8     

目  录

目录. 3

绪论. 4

设计原理.. 6

RLC串联谐振电路. 7

1.设计目的. 7

2.设计仪器和设备. 7

3.设计题目. 7

4.设计内容与步骤. 7

1.测试电路的谐振频率. 7

2.用波特图示仪观察幅频特性. 10

误差分析. 12

结论. 13

参考文献. 13

绪论

Multisim仿真软件的简要介绍

Multisim是Interctive Image Technologies公司推出的一个专门用于电子电路仿真和设计的软件，目前在电路分析、仿真与设计等应用中较为广泛。该软件以图形界面为主，采用菜单栏、工具栏和热键相结合的方式，具有一般Windows应用软件的界面风格，用户可以根据自己的习惯和熟练程度自如使用。尤其是多种可放置到设计电路中的虚拟仪表，使电路的仿真分析操作更符合工程技术人员的工作习惯。下面主要针对Multisim8.0软件中基本的仿真与分析方法做简单介绍。

EDA就是“Electronic Design Automation”的缩写技术已经在电子设计领域得到广泛应用。发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。一台电子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、FPGA的构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计再到PCB钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段。

功能：

1．直观的图形界面

　　整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的；

2．丰富的元器件

　　提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。

3．强大的仿真能力

　　以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。

4．丰富的测试仪器

　　提供了22种虚拟仪器进行电路动作的测量：

　　Multimeter(万用表) Function Generatoer(函数信号发生器) Wattmeter(瓦特表) Oscilloscope(示波器) Bode Plotter(波特仪) Word Generator(字符发生器 Logic Analyzer(逻辑分析仪) Logic Converter(逻辑转换仪) Distortion Analyer(失真度仪) Spectrum Analyzer(频谱仪) Network Analyzer(网络分析仪) Measurement Pribe(测量探针)　Four Channel Oscilloscope(四踪示波器) Frequency Counter(频率计数器) IV Analyzer(伏安特性分析仪) Agilent Simulated Instruments(安捷伦仿真仪器) Agilent Oscilloscope(安捷伦示波器) Tektronix Simulated Oscilloscope(泰克仿真示波器) Voltmeter(伏特表) Ammeter(安培表) Current Probe(电流探针) Lab VIEW Instrument(Lab VIEW仪器)

　　这些仪器的设置和使用与真实的一样，动态互交显示。除了Multisim提供的默认的仪器外，还可以创建LabVIEW的自定义仪器，使得图形环境中可以灵活地可升级地测试、测量及控制应用程序的仪器。

5． 完备的分析手段

　　Multisimt提供了许多分析功能： DC Operating Point Analysis（直流工作点分析 ） AC Analysis（交流分析） Transient Analysis（瞬态分析） Fourier Analysis（傅里叶分析） Noise Analysis（噪声分析） Distortion Analysis（失真度分析） DC Sweep Analysis（直流扫描分析） DC and AC Sensitvity Analysis（直流和交流灵敏度分析） Parameter Sweep Analysis（参数扫描分析） Temperature Sweep Analysis（温度扫描分析） Transfer Function Analysis（传输函数分析） Worst Case Analysis（最差情况分析） Pole Zero Analysis（零级分析） Monte Carlo Analysis（蒙特卡罗分析） Trace Width Analysis（线宽分析） Nested Sweep Analysis（嵌套扫描分析） Batched Analysis（批处理分析） User Defined Analysis（用户自定义分析）

　　它们利用仿真产生的数据执行分析，分析范围很广，从基本的到极端的到不常见的都有，并可以将一个分析作为另一个分析的一部分的自动执行。集成LabVIEW和Signalexpress快速进行原型开发和测试设计，具有符合行业标准的交互式测量和分析功能；

6．独特的射频(RF)模块

　　提供基本射频电路的设计、分析和仿真。射频模块由RF-specific（射频特殊元件，包括自定义的RF SPICE模型）、用于创建用户自定义的RF模型的模型生成器、两个RF-specific仪器（Spectrum Analyzer频谱分析仪和Network Analyzer网络分析仪）、一些RF-specific分析（电路特性、匹配网络单元、噪声系数）等组成；

7．强大的MCU模块

支持4种类型的单片机芯片,支持对外部RAM、外部ROM、键盘和LCD等外围设备的仿真，分别对4 种类型芯片提供汇编和编译支持；所建项目支持C代码、汇编代码以及16进制代码,并兼容第三方工具源代码； 包含设置断点、编辑内部RAM、特殊功能寄存器等高级调试功能。

学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。极大地提高了学员的学习热情和积极性。真正的做到了变被动学习为主动学习。这些在教学活动中已经得到了很好的体现。还有很重要的一点就是：计算机仿真与虚拟仪器对教员的教学也是一个很好的提高和促进。

谐振现象是正弦稳态电路的一种特定的工作状态。通常，谐振电路由电容、电感和电阻组成，按照其原件的连接形式可分为串联谐振电路、并联谐振电路和耦合谐振电路等。由于谐振电路具有良好的选择性，在通信与电子技术中得到了广泛的应用。比如，串联谐振时电感电压或电容电压大于激励电压的现象，在无线电通信技术领域获得了有效的应用，例如当无线电广播或电视接收机调谐在某个频率或频带上时，就可使该频率或频带内的信号特别增强，而把其他频率或频带内的信号滤去，这种性能即称为谐振电路的选择性。所以研究串联谐振有重要的意义。在含有电感L 、电容C 和电阻R 的串联谐振电路中，需要研究在不同频率正弦激励下响应随频率变化的情况， 即频率特性。Multisim 仿真软件可以实现原理图的捕获、电路分析、电路仿真、仿真仪器测试等方面的应用， 其数量众多的元件数据库、标准化仿真仪器、直观界面、简洁明了的操作、强大的分析测试、可信的测试结果都为众多的电子工程设计人员提供了一种可靠的分析方法， 同时也缩短了产品的研发时间。

设计原理：

一个优质电容器可以认为是无损耗的（即不计其漏电阻），而一个实际线圈通常具有不可忽略的电阻。把频率可变的正弦交流电压加至电容器和线圈相串联的电路上。若R、L、C和U的大小不变，阻抗角和电流将随着信号电压频率的改变而改变，这种关系称之为频率特性。当信号频率为时，即出现谐振现象。即电路中的电流最大，因而电路消耗的功率最大。同时线圈磁场和电容电厂之间具有最大的能量互换。工程上把谐振时线圈的感抗压降与电源电压之比称之为线圈的品质因数Q。

RLC串联电路如图所示，改变电路参数L、C或电源频率时，都可能使电路发生谐振。 

该电路的阻抗是电源角频率ω的函数：Z=R+j(ωL-1/ωC)

当ωL-1/ωC=0时，电路中的电流与激励电压同相，电路处于谐振状态。

谐振角频率ω₀ =1/，谐振频率f₀=1/2π。

谐振频率仅与原件L、C的数值有关，而与电阻R和激励电源的角频率ω无关，当ω<ω₀时，电路呈容性，阻抗角φ<0；当ω>ω₀时，电路呈感性，阻抗角φ>0。

1、电路处于谐振状态时的特性。

（1）、回路阻抗Z₀=R,| Z₀|为最小值，整个回路相当于一个纯电阻电路。

（2）、回路电流I₀的数值最大，I₀=U_S/R。

（3）、电阻上的电压U_R的数值最大，U_R =U_S。

（4）、电感上的电压U_L与电容上的电压U_C数值相等，相位相差180°，U_L=U_C­=QU_S。

2、电路的品质因数Q

电路发生谐振时，电感上的电压（或电容上的电压）与激励电压之比称为电路的品质因数Q，即：

Q=U_L（ω₀）/ U_S= U_C（ω₀）/ U_S=ω₀L/R=1/R*

RLC串联谐振电路（EDA设计性实验）

1.设计目的

（1）自行设计一串联电路，选择合适的参数。应用万用表及示波器进行测量。输出数据并进行理论计算验证。以及最高谐振点频率。

（2）设计一个RLC串联谐振电路，在Multsim软件平台上自选元器件。

（3）设计不同频率下的串联谐振电路，并作出输出波形。

（4）设计并测定频率特性。作出相频特性图和幅频特性图。

（5）得出结论并写出仿真体会。

2.设计仪器和设备

Computer——计算机一台           

Multisim——电路仿真软件。

Oscilloscope——双踪示波器               

Multimeter——数字万用表

Bode plotter——波特仪

3.设计题目

（1）设计一RLC串联谐振电路，在Multisim软件平台上自选元器件。

（2）设计不同频率下的谐振电路，并输出波形。

4.设计内容与步骤

1.测试电路的谐振频率

（1）自选元器件及设定参数，通过仿真软件观察并确定RLC串联谐振的频率，通过改变信号发生器的频率，当电阻上的电压达到最大值时的频率就是谐振频率。设计RLC串联电路图如下图：

图1    RLC串联谐振电路

当电路发生谐振时，或 （谐振条件）。其中，C₁=10uF,L₁=56mH,R₁=56Ω，根据公式可以得出，当该电路发生谐振时，频率f₀=212.787HZ。RLC串联电路谐振时，电路的阻抗最小，电流最大；电源电压与电流同相；谐振时电感两端电压与电容两端电压大小相等，相位相反。

图2      谐振频率的计算

（2）改变输入电源的频率，测试每个测试点的Ur值，然后计算电流I的值。

（3）在f₀的两旁各选取几个测试点，从示波器上显示电压，电流波形，测试各个测试点电压与电流的相位差

表1   谐振曲线的测量数据表

U_R(V)是电阻两端的电压，U_C(V)是电容两端的电压，U_L(V)是电感两端的电压

当频率为212Hz时，电阻电压U_R(V)的读数达到最大值，即此时电路发生谐振。

图 3   f₀=100HZ时的频率波形

图 4    f₀=180HZ时的频率波形

观察波形，函数信号发生器输出电压和电阻电压相位不同，此时电路呈现电感性。

图 5    f₀=212HZ时（电压最大时）的频率波形

2.用波特图示仪观察幅频特性

（1）取元件从仪表列中取波特图图示仪

（2）具体操作如图6所示连接电路，双击波特图图示仪

图6    波特图图示仪RLC串联谐振

图 7     LC串联谐振回路的幅频特性

图 8      LC串联谐振回路的谐振频率

看图中的读数知道，LC串联谐振回路的谐振频率为212.964HZ

在同一个测试电路中，只要按下按键，就可以方便的看到LC串联谐振回路的相频特性，如图9所示。

图9   LC串联谐振回路的相频特性

同样，只要拖动测试标记线，也可以方便地看到LC串联谐振回路的相频特性的谐振频率，如图10所示。

图10    LC串联谐振回路的相频特性的谐振频率

因为肉眼的原因。两者可能有微小的误差。

也可以用另外一种方法进行分析。启动Simulate菜单中的Analysis的AC Analysis命令，在AC Analysis对话框中设置如下，Output Variable为节点4，如图11所示。

图11          Output Variable页

图12     Output Variable窗口

误差分析

通过波特图仪测绘的RLC串联谐振实验的各项结果误差均较大，分析其原因可能为：

①由于测量值是由波特图仪测绘的图上读出的，而图本身较小，虽有可移动的垂直标尺协助，但仍难以精确读出极值点的读数，因而造成一定的误差；

②波特器以间断的频率点采集并显示图像，可能真正的极值点并不在图像显示的频率点上，故造成误差；

③从波特器显示的图像可以看出，其在接近极值点处成突出的尖状，线条极为密集，使极值点淹没在较宽的图像块中，造成误差。

④对于一些参数、尤其是新接触的波特图仪的参数的设定不够合理。

⑤未待模拟系统完全稳定便读数记录。

从Multisim 仿真软件进行RLC串联谐振电路实验的结果来看， RLC串联谐振电路在发生谐振时，电感上的电压UL与电容上的电压UC 大小相等，相位相反。这时电路处于纯电阻状态，且阻抗最小，激励电源的电压与回路的响应电压同相位。谐振频率f₀与回路中的电感L和电容C有关，与电阻R和激励电源无关。品质因数Q值反映了曲线的尖锐程度，电阻R 的阻值直接影响Q 值。

实验过程中，使用者可方便地选用元器件。通过虚拟仪器，免去了昂贵的仪表费用，并可以毫无风险地接触所有仪器，仿真软件多种分析方法提供了可靠的分析结果，这是现实中很难实现的。

结论

一个正弦稳态电路，当其两端的电压和通过的电流同相位，则称为电路发生谐振，此时的电路称为谐振电路。

     实现谐振的方法：

（1）角频率（或频率）不变，调节电感L值和电容C值；

（2）电感L不变，调节角频率（或频率）值和电容C值；

（3）电容C不变，调节角频率（或频率）值和电感L值；

   实验中测量谐振频率的方法有：调节频率法、示波器法、电感电容法。本次实验选择的是调节频率法。

参考文献

1.      黄锦安，钱建平，马鑫金.电工技术基础[M].北京：电子工业出版社，2004.

2.      赵伟光等.电路分析基础[M].北京：清华大学出版社，2005.

3.      Multisim8之波特图仪的使用[EB/OL].