摘要：基于探索RLC串聯(lián)電路諧振特性仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的目的，采用Multisim10仿真軟件對(duì)RLC串聯(lián)電路諧振特性進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試，給出了幾種Multisim仿真實(shí)驗(yàn)方案，介紹了諧振頻率、上限頻率、下限頻率及品質(zhì)因數(shù)的測(cè)試和計(jì)算方法，討論了電阻大小對(duì)品質(zhì)因數(shù)的影響。結(jié)論是仿真實(shí)驗(yàn)可直觀形象地描述RLC串聯(lián)電路的諧振特性，將電路的硬件實(shí)驗(yàn)方式向多元化方式轉(zhuǎn)移，利于培養(yǎng)知識(shí)綜合、知識(shí)應(yīng)用、知識(shí)遷移的能力，使電路分析更加靈活和直觀。

　　RLC串聯(lián)電路具有選頻特性，當(dāng)外加電壓源信號(hào)的頻率等于電路固有頻率時(shí)產(chǎn)生諧振時(shí)，回路總阻抗的虛部為零、回路電流的幅度，當(dāng)外加電壓源信號(hào)的頻率偏離電路固有頻率時(shí)，回路電流的幅度將減小。用通頻帶寬及品質(zhì)因數(shù)描述RLC串聯(lián)電路的選頻特性。

　　Multisim仿真軟件是由加拿大InteractiveImageTechnologies公司開發(fā)的一種基于SPICE工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的EDA軟件，它就像一個(gè)真正的實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)，將電路原路圖的輸入、虛擬儀器的測(cè)試分析和結(jié)果的圖形顯示等集成到一個(gè)設(shè)計(jì)窗口。

　　用Multisim仿真軟件進(jìn)行RLCRLC串聯(lián)電路諧振特性波形仿真分析，以虛擬儀器中的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器或元器件庫(kù)中的交流電壓源做實(shí)驗(yàn)中的信號(hào)源以波特圖儀測(cè)試有關(guān)波形，或用AC交流分析功能分析電路的頻率響應(yīng)，可直觀描述電路頻率特性。

　　以下分析用Multisim10版本。

　　1 RLC串聯(lián)電路諧振特性的Multisim仿真原理

　　1.1 用波特圖儀進(jìn)行頻率特性的Multisim仿真測(cè)試

　　在Multisim10中創(chuàng)建的RLC串聯(lián)仿真實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示。其中交流電壓源是必須放置的形式信號(hào)源用，其幅值和頻率的數(shù)值對(duì)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(lián)仿真實(shí)驗(yàn)電路創(chuàng)建

　　RLC串聯(lián)電路由電阻R、電感L及電容C串聯(lián)構(gòu)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(yīng)測(cè)試電量。

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

　　元件參數(shù)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(duì)品質(zhì)因數(shù)的影響時(shí)再改變電阻值。

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

　　其中，fH,fL分別是回路電流由值減小3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的上限頻率和下限頻率。

　　雙擊波特圖儀圖標(biāo)，打開波特圖儀的面板，面板上各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如圖2所示，運(yùn)行電路仿真開關(guān)，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(shù)設(shè)置

　　移動(dòng)紅色游標(biāo)指針使之對(duì)應(yīng)在幅值點(diǎn)0 dB處，此時(shí)在面板上顯示出諧振頻率f0=1 585 Hz;再移動(dòng)紅色游標(biāo)指針使之分別對(duì)應(yīng)幅值點(diǎn)左右兩側(cè)的-3 dB處，讀出上限頻率和下限頻率為fH=3 824 Hz、fL=661.36 Hz.

　　可計(jì)算出通頻帶寬BW=fH-fL=3824-661.36=3 162.64Hz,品質(zhì)因數(shù)。

　　將圖1所示電路參數(shù)改為R=5 kΩ，使回路的電阻增大，運(yùn)行電路仿真開關(guān)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

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

　　通過紅色游標(biāo)指針可讀出諧振頻率f0=1 585 Hz,fH=8 302 Hz,fL=301.85 Hz,計(jì)算出通頻帶寬BW=fH-fL=8 302-301.85=8 000.15 Hz, 品質(zhì)因數(shù)，表明頻率選擇性變差。

　　1.2 用AC交流分析功能進(jìn)行頻率特性的Multisim仿真測(cè)試

　　創(chuàng)建仿真實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示，其中的波特圖儀可去掉不用。

　　啟動(dòng)Simulate菜單中Analyses下的AC Analyses…命令，在AC Analyses對(duì)話框中，改動(dòng)Output為節(jié)點(diǎn)3、VerticalScale為L(zhǎng)iner.

　　點(diǎn)擊AC Analyses對(duì)話框上的Simulate按鈕，出現(xiàn)一個(gè)AC Analyses窗口，如圖4所示。

圖4 AC交流分析功能的頻率特性

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

　　將圖1所示電路參數(shù)增大，頻率特性曲線的平坦度發(fā)生變化。

　　2 結(jié)束語(yǔ)

　　用硬件實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)RLC串聯(lián)電路諧振特性進(jìn)行測(cè)試時(shí)，儀器輸出參數(shù)調(diào)整較為繁瑣，信號(hào)頻率偏高或偏低時(shí)波形顯示不穩(wěn)定。由于受實(shí)驗(yàn)儀器的限制無(wú)法進(jìn)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(jì)算機(jī)仿真軟件Multisim引入到電路實(shí)驗(yàn)中，使電路的分析、仿真、測(cè)試非常方便，特別便于電路參數(shù)改變時(shí)的測(cè)試。所述方法具有實(shí)際應(yīng)用意義，創(chuàng)新點(diǎn)是解決了RLC串聯(lián)電路諧振特性的工作波形及參數(shù)不易或無(wú)法用電子實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行分析測(cè)試的問題。

　　將電路的硬件實(shí)驗(yàn)方式向多元化方式轉(zhuǎn)移，利于培養(yǎng)知識(shí)綜合、知識(shí)應(yīng)用、知識(shí)遷移的能力，使電路分析更加靈活和直觀。