摘要：基于探索RLC串聯(lián)電路諧振特性仿真實驗技術(shù)的目的，采用Multisim10仿真軟件對RLC串聯(lián)電路諧振特性進(jìn)行了仿真實驗測試，給出了幾種Multisim仿真實驗方案，介紹了諧振頻率、上限頻率、下限頻率及品質(zhì)因數(shù)的測試和計算方法，討論了電阻大小對品質(zhì)因數(shù)的影響。結(jié)論是仿真實驗可直觀形象地描述RLC串聯(lián)電路的諧振特性，將電路的硬件實驗方式向多元化方式轉(zhuǎn)移，利于培養(yǎng)知識綜合、知識應(yīng)用、知識遷移的能力，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)外加電壓源信號的頻率等于電路固有頻率時產(chǎn)生諧振時，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(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(jié)果的圖形顯示等集成到一個設(shè)計窗口。

　　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)信號發(fā)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(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仿真測試

　　在Multisim10中創(chuàng)建的RLC串聯(lián)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(shù)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(lián)仿真實驗電路創(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(shù)的選取為電感L=100 mH、電容C=100 nF,電阻R=2 kΩ，分析電阻大小對品質(zhì)因數(shù)的影響時再改變電阻值。

　　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時所對應(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，面板上各項參數(shù)設(shè)置如圖2所示，運行電路仿真開關(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

　　移動紅色游標(biāo)指針使之對應(yīng)在幅值點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(biāo)指針使之分別對應(yīng)幅值點左右兩側(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測試表明，電阻的改變對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仿真測試

　　創(chuàng)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(jié)點3、VerticalScale為Liner.

　　點擊AC Analyses對話框上的Simulate按鈕，出現(xiàn)一個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

　　用硬件實驗儀器對RLC串聯(lián)電路諧振特性進(jìn)行測試時，儀器輸出參數(shù)調(diào)整較為繁瑣，信號頻率偏高或偏低時波形顯示不穩(wěn)定。由于受實驗儀器的限制無法進(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(shù)改變時的測試。所述方法具有實際應(yīng)用意義，創(chuàng)新點是解決了RLC串聯(lián)電路諧振特性的工作波形及參數(shù)不易或無法用電子實驗儀器進(jìn)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(zhuǎn)移，利于培養(yǎng)知識綜合、知識應(yīng)用、知識遷移的能力，使電路分析更加靈活和直觀。