基于Multisim10和Matlab7．0的正弦穩態(tài)電路分析

摘要 使用計算機仿真軟件可以方便地幫助學(xué)生完成虛擬實(shí)驗過(guò)程和復雜的數學(xué)計算。文中提供一種將仿真軟件Multisim10和Matlab7．0結合使用分析電路方法，以分析計算RLC串聯(lián)正弦穩態(tài)電路為例，仿真的過(guò)程和結果充分發(fā)揮了Multisim和Matlab軟件的作用，并互相彌補不足。此方法的引入有助于學(xué)生對電路分析基本方法的理解和掌握。
關(guān)鍵詞 Multisim10；Matlab7．0；正弦穩態(tài)電路；電路分析基礎

Multisim是一款專(zhuān)門(mén)用于電子線(xiàn)路仿真和設計的EDA工具軟件，其提供了一個(gè)虛擬的電子實(shí)驗工作臺，以其界面友好、功能強大和易用性受到電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)人員的青睞。Matlab是一款商業(yè)數學(xué)軟件，Matlab編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單易用，軟件具有強大的數據處理能力，可用于算法開(kāi)發(fā)、數據可視化、數據分析以及數值計算等。
電子類(lèi)課程教學(xué)過(guò)程中，由于教學(xué)資源的限制，并不能實(shí)際演示電路實(shí)驗，此時(shí)使用Multisim可以仿真實(shí)驗過(guò)程，用Matlab可以精確地完成電路計算。實(shí)際上，使用Multisim可以得到直觀(guān)的電路圖形界面并體現實(shí)驗的操作方法，但往往不能全面顯示計算結果，也無(wú)法體現分析方法；Matlab則以數值計算、圖形繪制見(jiàn)長(cháng)，其編程過(guò)程反映了分析方法，但無(wú)法體現直觀(guān)的電路圖形。文中將兩款軟件綜合使用，以仿真分析正弦穩態(tài)電路為例，將二者優(yōu)勢結合，全面反映電路的分析和實(shí)驗過(guò)程。

1 正弦穩態(tài)電路及其分析方法
在正弦激勵的動(dòng)態(tài)電路中，若各電壓、電流均為與激勵同頻率的正弦波，則該電路即為正弦穩態(tài)電路。正弦穩態(tài)分析主要包括求解其穩態(tài)響應，計算功率以及最大功率傳輸定理等。分析正弦穩態(tài)電路，往往采用相量分析的方法，畫(huà)出電路圖的等效相量模型，然后按照分析直流純電阻電路的方法進(jìn)行分析計算，得到復數域下的節點(diǎn)電壓和支路電流，再將其轉化為時(shí)域下的結果。

針對于電路負載的功率，當負載電阻及電抗均可獨立變化時(shí)，根據最大功率傳遞定律，當負載的阻抗ZL與電路的輸出阻抗ZO滿(mǎn)足共軛匹配時(shí)，負載所得到的功率最大。由此可見(jiàn)，當電路較為復雜時(shí)，上述過(guò)程的手工計算量較大。使用仿真軟件可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地得到實(shí)驗數據和計算結果。

2 正弦穩態(tài)電路的仿真與分析
下面以一道具體的正弦穩態(tài)電路分析問(wèn)題為例，闡釋Multisim仿真和Matlab仿真在電路分析上的長(cháng)處和不足，并引出綜合使用的方法。
RLC正弦穩態(tài)電路如圖2所示，其中V1為電壓源；峰值141 V；頻率100 Hz初相為0；電感L1值為15．90 mH；R1大小為5 Ω，可變電阻R2(變化范圍0～10 Ω)；C1為可變電感，變化范圍0～318．60μF。

(1)當R2=4 Ω，C1=191．60μF時(shí)，R2兩端電壓、C1兩端電壓、電源電壓三者的幅值和相位關(guān)系，求解此時(shí)電源提供的復功率和功率因數。
(2)R2=4 Ω，則C1為何值時(shí)，電路的功率因數最大。
(3)當電阻R2和C1的參數都任意變化時(shí)，研究負載的功率變化并求負載的最大功率。