RLC串聯電路諧振特性的Multisim仿真

祁國權

（渤海大學 數理學院物理系，遼寧 錦州 121000）

RLC串聯電路具有選頻特性，當外加電壓源信號的頻率等于電路固有頻率時產生諧振時，回路總阻抗的虛部為零、回路電流的幅度最大，當外加電壓源信號的頻率偏離電路固有頻率時，回路電流的幅度將減小。 用通頻帶寬及品質因數描述RLC串聯電路的選頻特性[1-2]。

Multisim仿真軟件是由加拿大InteractiveImageTechnologies公司開發的一種基于SPICE工業標準的EDA軟件，它就像一個真正的實驗工作臺，將電路原路圖的輸入、虛擬儀器的測試分析和結果的圖形顯示等集成到一個設計窗口[3-5]。

用Multisim仿真軟件[3-10]進行RLCRLC串聯電路諧振特性波形仿真分析，以虛擬儀器中的函數信號發生器或元器件庫中的交流電壓源做實驗中的信號源以波特圖儀測試有關波形，或用AC交流分析功能分析電路的頻率響應，可直觀描述電路頻率特性。

以下分析用Multisim10版本。

1 RLC串聯電路諧振特性的Multisim仿真原理

1.1 用波特圖儀進行頻率特性的Multisim仿真測試

在Multisim10中創建的RLC串聯仿真實驗電路如圖1所示。其中交流電壓源是必須放置的形式信號源用，其幅值和頻率的數值對電路的頻率特性沒用影響，波特圖儀用于顯示幅頻特性曲線。

圖1 RLC串聯仿真實驗電路創建Fig.1 Creation of RLC series circuit simulation

RLC串聯電路由電阻R、電感L及電容C串聯構成，由于回路的電流I與電阻R兩端電壓的特性相同，因此選擇電阻兩端電壓作為頻率響應測試電量。

電阻R、電感L及電容從Multisim的基本元件庫中找出，交流電壓源從電源信號源庫中找出，波特圖儀從虛擬儀器欄中找出。

元件參數的選取為電感L=100 mH、電容C=100 nF，電阻R=2 kΩ，分析電阻大小對品質因數的影響時再改變電阻值。

反映電路頻率特性的參數有諧振頻率f0、通頻帶寬BW和品質因數Q，其定義如下：

其中，fH、fL分別是回路電流由最大值減小3 dB時所對應的上限頻率和下限頻率。

其中，ω0=2π f0。

雙擊波特圖儀圖標，打開波特圖儀的面板，面板上各項參數設置如圖2所示，運行電路仿真開關，在波特圖儀面板上顯示出電阻兩端電壓的幅頻特性曲線。

圖2 波特圖儀的顯示及參數設置Fig.2 Bote plotter's display and parameter settings

移動紅色游標指針使之對應在幅值最高點0 dB處，此時在面板上顯示出諧振頻率f0=1 585 Hz；再移動紅色游標指針使之分別對應幅值最高點左右兩側的－3 dB處，讀出上限頻率和下限頻率為fH=3 824 Hz、fL=661.36 Hz。

將圖1所示電路參數改為R=5 kΩ，使回路的電阻增大，運行電路仿真開關后在波特圖儀面板上顯示出電阻兩端電壓的幅頻特性曲線如圖3所示。

圖3 電阻增大后波特圖儀的顯示Fig.3 Bote plotter’s display after resistance increases

由式（1）、（3）及圖 3測試表明，電阻的改變對電路的諧振頻率不產生影響，但影響電路的品質因數，從而影響頻率特性曲線的平坦度。

1.2 用AC交流分析功能進行頻率特性的Multisim仿真測試

創建仿真實驗電路如圖1所示，其中的波特圖儀可去掉不用。

啟動Simulate菜單中Analyses下的AC Analyses…命令，在 AC Analyses對話框中，改動 Output為節點 3、Vertical Scale 為 Liner。

點擊AC Analyses對話框上的Simulate按鈕，出現一個AC Analyses窗口，如圖4所示。

通過游標指針可讀出諧振頻率、限頻率和下限頻率，其結果和波特圖儀的結果基本一致。

將圖1所示電路參數增大，頻率特性曲線的平坦度發生變化。

圖4 AC交流分析功能的頻率特性Fig.4 Frequency characteristics of AC analysis function

2 結束語

用硬件實驗儀器對RLC串聯電路諧振特性進行測試時，儀器輸出參數調整較為繁瑣，信號頻率偏高或偏低時波形顯示不穩定。由于受實驗儀器的限制無法進行電路的AC交流頻率特性分析，用Multisim軟件仿真解決了這一問題，將計算機仿真軟件Multisim引入到電路實驗中，使電路的分析、仿真、測試非常方便，特別便于電路參數改變時的測試。所述方法具有實際應用意義，創新點是解決了RLC串聯電路諧振特性的工作波形及參數不易或無法用電子實驗儀器進行分析測試的問題。

將電路的硬件實驗方式向多元化方式轉移，利于培養知識綜合、知識應用、知識遷移的能力，使電路分析更加靈活和直觀。

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