電路caa課程設(shè)計---基于pspice的二階電路的暫態(tài)分析

1、<p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　學(xué)生姓名: 專業(yè)班級: </p><p>　　指導(dǎo)教師: 工作單位: 信息工程學(xué)院 </p><p>　　題 目: 電路CAA課程設(shè)計&l

2、t;/p><p>　　━━基于PSpice的二階電路的暫態(tài)分析</p><p><b>　　初始條件:</b></p><p>　　提供實驗室機(jī)房及其PSpice軟件；</p><p>　　選RLC串聯(lián)或GCL并聯(lián)電路分析二階暫態(tài)。</p><p>　　要求完成的主要任務(wù)：(包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)

3、要求,以及說明書撰寫等具體要求):</p><p>　　1、熟練運用PSpice軟件創(chuàng)建電路、模擬電路、顯示或繪制結(jié)果（至少有三條曲線）；</p><p>　　2、使用該軟件進(jìn)行電路的二階電路的暫態(tài)分析；</p><p>　　3、獨立完成課程設(shè)計說明書，課程設(shè)計說明書按學(xué)校統(tǒng)一規(guī)范來撰寫，</p><p><b>　　具體包括：&l

4、t;/b></p><p>　?、?目錄； ⑵ 理論分析；</p><p>　?、?程序設(shè)計； ⑷ 程序運行結(jié)果及圖表分析和總結(jié)；</p><p>　?、?課程設(shè)計的心得體會（至少800字，必須手寫。）；</p><p>　?、?參考文獻(xiàn)（不少于5篇）。</p>&l

5、t;p><b>　　時間安排:</b></p><p>　　(1) 布置課程設(shè)計任務(wù)，查閱資料，學(xué)習(xí)Pspice軟件 兩天；</p><p>　　(2) 用Pspice軟件進(jìn)行電路分析 一天半；</p><p>　　(3) 完成課程設(shè)計報告書及答辯 一

6、天半；</p><p><b>　　參考文獻(xiàn) ： </b></p><p>　?。?) 丘關(guān)源. 《電路（第五版）》. 高等教育出版社，2006.3.</p><p>　?。?) 吳友宇. 《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》 . 清華教育出版社,2008. 11.</p><p>　?。?) 李永平.

7、《Pspice電路設(shè)計與實現(xiàn)》. 國防工業(yè)出版社.2005.1</p><p>　　指導(dǎo)教師簽名: 年 月 日</p><p>　　系主任(或責(zé)任教師)簽名: 年 月 日</p><p><b>　　目錄</b></p&

8、gt;<p>　　1 Pspice的簡介1</p><p>　　1.1 PSPICE的起源與發(fā)展1</p><p>　　1.2 PSPICE的組成1</p><p>　　1.2.1 電路原理圖編輯程序 Schematics1</p><p>　　1.2.2 激勵源編輯程序 Stimulus Editor1</p&

9、gt;<p>　　1.2.3 電路仿真程序 PSPICE A/D2</p><p>　　1.2.4 輸出結(jié)果繪圖程序 Probe2</p><p>　　1.2.5模型參數(shù)提取程序 Model Editor2</p><p>　　1.3 PSPICE的模擬功能2</p><p>　　1.3.1直流分析2</p>

10、;<p>　　1.3.2暫態(tài)分析3</p><p>　　1.3.3 交流分析3</p><p>　　1.3.4 靈敏度分析3</p><p>　　1.3.5統(tǒng)計分析4</p><p>　　2 二階暫態(tài)的原理分析5</p><p>　　2.1二階暫態(tài)原理圖5</p><p&g

11、t;<b>　　2.2原理分析5</b></p><p>　　3 二階電路仿真步驟及結(jié)果顯示7</p><p>　　3.1仿真具體電路圖7</p><p>　　3.2仿真步驟及仿真結(jié)果顯示7</p><p>　　3.2.1仿真步驟7</p><p>　　3.2.2欠阻尼仿真情況顯示9&

12、lt;/p><p>　　3.2.3臨界阻尼仿真情況顯示10</p><p>　　3.2.4過阻尼仿真情況顯示11</p><p>　　3.2.5無阻尼振蕩仿真情況顯示12</p><p>　　4 二階暫態(tài)仿真結(jié)果分析及影響因素分析14</p><p>　　4.1臨界阻尼情況14</p><p&

13、gt;　　4.2過阻尼情況14</p><p>　　4.3欠阻尼情況14</p><p>　　4.4無阻尼情況14</p><p>　　4.5 影響因素分析14</p><p><b>　　5 總結(jié)15</b></p><p><b>　　6心得體會16</b>&

14、lt;/p><p><b>　　7 參考文獻(xiàn)17</b></p><p>　　1 Pspice的簡介</p><p>　　1.1 PSPICE的起源與發(fā)展</p><p>　　用于模擬電路仿真的SPICE軟件于1972年由美國加州大學(xué)伯克利分校的計算機(jī)輔助設(shè)計小組利用FORTR AN語言開發(fā)而成，主要用于大規(guī)模集成電路的計

15、算機(jī)輔助設(shè)計。SPICE的正式版SPICE 2G在1975年正式推出，但是該程序的運行環(huán)境至少為小型機(jī)。1985年，加州大學(xué)伯克利分校用C語言對SPICE軟件進(jìn)行了改寫， 并由MICROSIM公司推出。1988年SPICE被定為美國國家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。與此同時，各種以SPICE為核心的商用模擬電路仿真軟件，在SPICE的基礎(chǔ)上做了大量實用化工作，從而使SPICE成為最為流行的電子電路仿真軟件。</p><p>　　1.

16、2 PSPICE的組成</p><p>　　1.2.1 電路原理圖編輯程序 Schematics</p><p>　　PSPICE的輸入有兩種形式，一種是網(wǎng)單文件形式，一種是電路原理圖形式，相對而言后者比前者較簡單直觀，它既可以生成新的電路原理圖文件，又可以打開已有的原理圖文件。電路元器件符號庫中備有各種原器件符號，除了電阻，電容，電感，晶體管，電源等基本器件及符號外，還有運算放大器，比較

17、器等宏觀模型級符號，組成電路圖，原理圖文件后綴為.sch。圖形文字編輯器自動將原理圖轉(zhuǎn)化為電路網(wǎng)單文件以提供給模擬計算程序運行仿真。</p><p>　　1.2.2 激勵源編輯程序 Stimulus Editor</p><p>　　PSPICE中有很豐富的信號源，如正弦源，脈沖源，指數(shù)源，分段線性源，單頻調(diào)頻源等等。該程序可用來快速完成各種模擬信號和數(shù)字信號的建立與修改，并且可以直觀而方

18、便的顯示這些信號源的波形。</p><p>　　1.2.3 電路仿真程序 PSPICE A/D</p><p>　　模擬計算程序是PSPICE A/D也叫做電路仿真程序，它是軟件核心部分。在PSPICE 4.1版本以上，該仿真程序具有數(shù)字電路和模擬電路的混合仿真能力。它接收電路輸入程序確定的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和原器件參數(shù)信息，經(jīng)過原器件模型處理形成電路方程，然后求解電路方程的數(shù)值解并給出計算結(jié)果

19、，最后產(chǎn)生擴(kuò)展名為.dat的數(shù)據(jù)文件和擴(kuò)展名為.out的電路輸出文本文件。模擬計算程序只能打開擴(kuò)展名為.cir的電路輸入文件，而不能打開擴(kuò)展名為.sch 的電路輸入文件。因此在Schemayics環(huán)境下，運行模擬計算程序時，系統(tǒng)首先將原理圖.sch文件轉(zhuǎn)換為.cir文件，而后再啟動PSPICE A/D進(jìn)行模擬分析。</p><p>　　1.2.4 輸出結(jié)果繪圖程序 Probe</p><p&g

20、t;　　Probe程序是PSPICE的輸出圖形后處理軟件包。該程序的輸入文件為用戶作業(yè)文本文件或圖形文件仿真運行后形成的后綴為.dat的數(shù)據(jù)文件。它可以起到萬用表，示波器和掃描儀的作用，在屏幕上繪出仿真結(jié)果的波形和曲線。隨著計算機(jī)圖形功能的不斷增強(qiáng)，PC機(jī)上windows95,98,2000/XP的出現(xiàn)，Probe的繪圖能力也越來越強(qiáng)。</p><p>　　1.2.5模型參數(shù)提取程序 Model Editor&l

21、t;/p><p>　　電路仿真分析的精度和可靠性主要取決于元器件模型參數(shù)的精度。盡管PSPICE的模型參數(shù)庫中包含了上萬種元器件模型，但有時用戶還是根據(jù)自己的需要而采用自己確定的元器件的模型及參數(shù)。這時可以調(diào)用模型參數(shù)提取程序Model ED從器件特性中提取該器件的模型參數(shù)。3.6 元件模型參數(shù)庫 LIB</p><p>　　1.3 PSPICE的模擬功能</p><p&g

22、t;<b>　　1.3.1直流分析</b></p><p>　　直流工作點是電路正常工作的基礎(chǔ)。通過對電路進(jìn)行直流工作點的分析，可以知道電路中各元件的電壓和電流，從而知道電路是否正常工作以及工作的狀態(tài)。一般在對電路進(jìn)行仿真的過程中，首先要對電路的靜態(tài)工作點進(jìn)行分析和計算。</p><p>　　直流掃描分析主要是將電路中的直流電源、工作溫度、元件參數(shù)作為掃描變量，讓這些

23、參量以特定的規(guī)律進(jìn)行掃描，從而獲取這些參量變化對電路各種性能參數(shù)的影響。直流掃描分析主要是為了獲得直流大信號暫態(tài)特性。</p><p><b>　　1.3.2暫態(tài)分析</b></p><p>　　非線性暫態(tài)分析簡稱為暫態(tài)分析。暫態(tài)分析計。算電路中電壓和電流隨時間的變化，即電路的時域分析。這種分析在輸入信號為時變信號時顯得尤為重要。時域分析是指在某一函數(shù)激勵下電路的時域

24、響應(yīng)特性。通過時域分析，設(shè)計者可以清楚地了解到電路中各點的電壓和電流波形以及它們的相位關(guān)系，從而知道電路在交流信號作用下的工作狀況，檢查它們是否滿足電路設(shè)計的要求。</p><p>　　1.3.3 交流分析</p><p>　　線性小信號交流分析簡稱為交流分析。它是SPICE程序的主要分析功能。它是在交流小信號的條件下，對電路的非線性元件選擇合適的線性模型將電路在直流工作點附近線性化，然后

25、在用戶指定的范圍內(nèi)對電路輸入一個掃頻信號，從而計算出電路的幅頻特性、相頻特性、輸入電阻、輸出電阻等。這種分析等效于電路的正弦穩(wěn)態(tài)分析即頻域分析。頻域分析用于分析電路的頻域響應(yīng)即頻率響應(yīng)特性。這種分析主要用于分析電路的幅頻特性和相頻特性。</p><p>　　1.3.4 靈敏度分析</p><p>　　靈敏度分析包括直流靈敏度分析和蒙特卡羅分析兩種。</p><p>

26、　　直流靈敏度分析業(yè)稱為靈敏度分析。它是在工作點附近將所有的元件線性化后，計算各元器件參數(shù)值變化時對電路性能影響的敏感程度。通過對電路進(jìn)行靈敏度分析，可以預(yù)先知道電路中的各個元件對電路的性能影響的重要程度。對于那些對電路性能有重要影響的元件，要在電路的生產(chǎn)或元件的選擇時給予特別的關(guān)注。</p><p><b>　　1.3.5統(tǒng)計分析</b></p><p>　　統(tǒng)計分

27、析主要包括蒙特卡羅分析和最壞情況分析。蒙特卡羅分析是在考慮到器件參數(shù)存在容差的情況下，分析電路在直流分析、交流分析或暫態(tài)分析時電路特性隨器件容差變化的情況。另一種統(tǒng)計分析是最壞情況分析，它不僅對各器件參數(shù)的變化逐一進(jìn)行分析，得到單一器件對電路性能的靈敏度分析，同時分析各器件容差對電路性能的最大影響量(最壞情況分析)，從而達(dá)到優(yōu)化電路的目的。</p><p>　　2 二階暫態(tài)的原理分析</p><

28、;p>　　2.1二階暫態(tài)原理圖</p><p>　　圖2.1二階暫態(tài)原理圖</p><p><b>　　2.2原理分析</b></p><p>　　一個二階電路在方波、負(fù)階躍信號的激勵下，可獲得零狀態(tài)與零輸入響應(yīng)，其響應(yīng)的變化軌跡決定于電路的固有頻率。當(dāng)調(diào)節(jié)電路的元件參數(shù)值，使電路的固有頻率分別為負(fù)實數(shù)、共軛復(fù)數(shù)及虛數(shù)時，可獲得單調(diào)的衰減

29、、衰減振蕩和等幅振蕩的響應(yīng)。在實驗中可獲得過阻尼，欠阻尼和臨界阻尼這三種響應(yīng)圖形。</p><p>　　簡單而典型的二階電路是一個RLC串聯(lián)電路和GCL并聯(lián)電路，這二者之間存在著對偶關(guān)系。本次課程設(shè)計采用GCL并聯(lián)電路進(jìn)行研究。</p><p>　　該二階電路的初始儲能為零（即電容兩端的電壓和電感中的電流都為零），僅由外施激勵引起的響應(yīng)稱為二階電路的零狀態(tài)響應(yīng)。如上圖所示，GCL并聯(lián)，根據(jù)

30、KVL有： 可得 :</p><p>　　這是二階線性非齊次微分方程，它的解將由特解和對應(yīng)的齊次方程的通解組成。其特解與激勵的形式相同，通解與零輸入響應(yīng)形式相同，再根據(jù)初始條件確定積分常數(shù)，從而得到全解。 </p><p>　　的特解與激勵的形式相同，且為微分方程的一個解，則特解；此微分方程的通解為其對應(yīng)的齊次方程的解。其特征方程為： 其特征根為： 根據(jù)G、L、C取值的不同，特征根

31、存在三種不同的情況： </p><p>　　1. 當(dāng) ，即 時，特征根為兩個不相等的實根，此時稱為過阻尼情況。 2．當(dāng) ，即 時，特征根為一對共軛復(fù)根，此時稱為欠阻尼情況。</p><p>　　3.當(dāng) ，即 時，特征根為重根，此時稱為臨界阻尼情況。</p><p>　　4．當(dāng)G=0時，即R2=∞Ω時，此時稱為無阻尼情況。</p><p&

32、gt;　　3 二階電路仿真步驟及結(jié)果顯示</p><p>　　3.1仿真具體電路圖</p><p>　　圖3-1二階零狀態(tài)響應(yīng)仿真電路圖</p><p>　　3.2仿真步驟及仿真結(jié)果顯示</p><p><b>　　3.2.1仿真步驟</b></p><p>　　運行Orcad Family Re

33、lease 9.2 Lite Edition中的Capture CIS Lite Edition，新建空白Project，如圖3.2.1（1）和3.2.1（2）命名為erjie，按圖選擇相應(yīng)的元器件如圖圖3.2.1（3），擺放好位置，連線，繪制原理圖。</p><p>　　圖3.2.1（1）新建New Project</p><p>　　圖3.2.1（2）新建Pspice Project&

34、lt;/p><p>　　圖3.2.1（3）選擇添加元件</p><p>　　3.2.2欠阻尼仿真情況顯示</p><p>　　因為L1=1H,C1=4uF，則，所以令R2=1k。將R2的參數(shù)值分別設(shè)定為4k，接下來做仿真的步驟。畫好原理圖后，設(shè)置仿真參數(shù)，Analysis Type設(shè)為Time domain，下面的options在general settings打鉤。在

35、Run to欄填入30ms，smart saving data欄填入0，在maximum step欄填入40u。設(shè)置完單擊確定，運行pspice/run 指令。出現(xiàn)probe窗口，在改窗口中執(zhí)行trace/add trace命令。再依次選擇I(C1),I(L1)一組，V（C1:2）一組，得到兩個曲線圖依次是：</p><p>　　圖3-2-2(a)欠阻尼情況下I(C1),I(L1)的變化</p>&

36、lt;p>　　圖3-2-2(b)欠阻尼情況下V（C1）的變化</p><p>　　3.2.3臨界阻尼仿真情況顯示</p><p>　　因為L1=1H,C1=4uF，則</p><p>　　計算得R2=0.25k ，將電路中的電阻參數(shù)設(shè)成0.25k，接下來做仿真的步驟。畫好原理圖后，設(shè)置仿真參數(shù)，Analysis Type設(shè)為Time domain，下面的opt

37、ions在general settings打鉤。在Run to欄填入14ms，smart saving data欄填入0，在maximum step欄填入40u。設(shè)置完單擊確定，運行pspice/run 指令。出現(xiàn)probe窗口，在改窗口中執(zhí)行trace/add trace命令。再依次選擇I(C1),I(L1)一組，V（C1:2）一組，得到兩個曲線圖依次是：</p><p>　　圖3-2-3（a）臨界阻尼情況下I

38、(C1),I(L1)的變化</p><p>　　圖3-2-3(b)臨界阻尼情況下的變化V（C1）的變化</p><p>　　3.2.4過阻尼仿真情況顯示</p><p>　　因為L1=1H,C1=4uF，則，所以令R2=0.1k。將R2的參數(shù)值分別設(shè)定為0.1k，接下來做仿真的步驟。畫好原理圖后，設(shè)置仿真參數(shù)，Analysis Type設(shè)為Time domain，下

39、面的options在general settings打鉤。在Run to欄填入35ms，smart saving data欄填入0，在maximum step欄填入40u。設(shè)置完單擊確定，運行pspice/run 指令。出現(xiàn)probe窗口，在改窗口中執(zhí)行trace/add trace命令。再依次選擇I(C1),I(L1)一組，V（C1:2）一組，得到兩個曲線圖依次是：</p><p>　　圖3-2-4(a)過阻尼

40、情況下I(C1),I(L1)的變化</p><p>　　圖3-2-4(b)過阻尼情況下V（C1）的變化</p><p>　　3.2.5無阻尼振蕩仿真情況顯示</p><p>　　令R2=∞即將R2等效的刪去，接下來做仿真的步驟。畫好原理圖后，設(shè)置仿真參數(shù)，Analysis Type設(shè)為Time domain，下面的options在general settings打鉤

41、。在Run to欄填入35ms，smart saving data欄填入0，在maximum step欄填入40u。設(shè)置完單擊確定，運行pspice/run 指令。出現(xiàn)probe窗口，在改窗口中執(zhí)行trace/add trace命令。再依次選擇I(C1),I(L1)一組，V（C1:2）一組，得到兩個曲線圖依次是：</p><p>　　圖3-2-5(a)過阻尼情況下V（C1）的變化</p><p

42、>　　圖3-2-5(b)過阻尼情況下V（C1）的變化</p><p>　　4 二階暫態(tài)仿真結(jié)果分析及影響因素分析</p><p><b>　　4.1臨界阻尼情況</b></p><p>　　當(dāng)R2=0.5K時，電路處于臨界阻尼情況下時，其特征方程</p><p><b>　　的兩個特征根為</b&g

43、t;</p><p>　　,此時電路的處于非振蕩狀態(tài)，L1的電流不斷增大，不斷的儲存能量，而C1電流先減小，到零后改變電流方向后電流大小先增大最終減小到零，C1的電壓大小也是先增大最終最小到零。說明電容先儲能后釋放能量。</p><p><b>　　4.2過阻尼情況</b></p><p>　　當(dāng)R2=0.4K時，電路處于過阻尼狀態(tài)，兩個特征根

44、為兩個不同的實數(shù)。此狀態(tài)下的曲線下，與臨界阻尼曲線十分相似，各原件的電壓、電流與臨界阻尼情況下基本相同。其實臨界阻尼的情況是其他兩種情況無限接近臨界阻尼情況的極限情況。</p><p><b>　　4.3欠阻尼情況</b></p><p>　　當(dāng)R2=2k時，電路處于欠阻尼情況下。兩個特征根為復(fù)數(shù)。他們的波形呈現(xiàn)衰減振蕩的狀態(tài)，各原件的電壓，電流方向呈周期性變化。儲能

45、原件也周期性地交換能量。最終C1的電壓、電流都變成零，L1的電流最終為1A，電壓為0。</p><p><b>　　4.4無阻尼情況</b></p><p>　　當(dāng)R=∞時，電路處于無阻尼的情況下。他們的波形呈現(xiàn)無衰減的等幅振蕩狀態(tài)，無衰減的無阻尼情況實質(zhì)上是欠阻尼的極限情況。</p><p>　　4.5 影響因素分析</p>&

46、lt;p>　　（1）對組件屬性設(shè)置不恰當(dāng)；</p><p>　?。?）對軟件不夠熟悉；</p><p>　?。?）畫圖過程中的連線節(jié)點誤放；</p><p>　?。?）Simulation Settings中的時間設(shè)置不當(dāng)?shù)鹊取?lt;/p><p><b>　　5 總結(jié)</b></p><p>

47、　　在二階電路的零狀態(tài)響應(yīng)中，根據(jù)電路中R、c、L參數(shù)的不同電路的響應(yīng)情況也不同。</p><p>　　當(dāng) ，即 時，特征根為兩個不相等的實根，此時稱為過阻尼情況。</p><p>　　當(dāng) ，即 時，特征根為一對共軛復(fù)根，此時稱為欠阻尼情況。</p><p>　　當(dāng) ，即 時，特征根為重根，此時稱為臨界阻尼情況。</p><p>　　當(dāng)G=0

48、時，即R2=∞時，此時稱為無阻尼情況。</p><p>　　所以本次設(shè)計基本滿足要求，輸出波形也符合原理。</p><p><b>　　6心得體會</b></p><p><b>　　7 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 丘關(guān)源.電路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.&l

49、t;/p><p>　　[2] 吳友宇，伍時和，凌玲. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：清華出版社，2009.</p><p>　　[3] 李永平.Pspice電路設(shè)計與實現(xiàn)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.</p><p>　　[4] 劉嵐，葉慶云.電路分析基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2010.</p><p>　　[5] 趙雅興.P