基于PSpice的RLC串联电路的谐振分析单管放大电路的静态工作点及交流.docx
武汉理工大学电路CAA课程设计说明书课程设计任务书学生姓名: 专业班级: 指导教师: 工作单位: 信息工程学院 题 目: 电路CAA课程设计基于PSpice的RLC串联电路的谐振分析单管放大电路的静态工作点及交流扫描分析初始条件:1. 提供实验室机房及其PSpice软件；2. 选RLC串联或GCL并联电路及RLC串联电路。3. 选一单管放大电路。要求完成的主要任务：(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等要求):1、熟练运用PSpice软件创建电路、模拟电路、显示或绘制结果（至少有三条曲线以上）；2、使用该软件进行二阶电路的零状态响应分析（分三种情况：过阻尼、欠阻尼、临界阻尼讨论），使用该软件进行RLC串联电路的阻抗、电流频率特性分析（分三种Q值讨论）；3、独立完成课程设计说明书，课程设计说明书按学校统一规范来撰写，具体包括： 目录； 理论分析； 程序设计； 程序运行结果及图表分析和总结； 课程设计的心得体会（至少800字，必须手写。）； 参考文献（不少于5篇）。时间安排: (1) 布置课程设计任务，查阅资料， 学习Pspice软件 两天； (2) 用Pspice软件进行电路分析 一天半； (3) 完成课程设计报告书及答辩 一天半；参考文献：1.电路第五版，邱关源，罗先觉，高等教育出版社，20042电路分析吴锡龙主编，高等教育出版社，20043PSPICE电路设计与应用汪建民主编，国防工业出版社，2007指导教师签名: 年 月 日 系主任(或责任教师)签名: 年 月 日 目录1 PSPICE软件简介.12 RLC串联电路的谐振分析.2.1 RLC串联电路谐振原理分析.42.2 电路设计.52.21 RLC串联电路.52.3仿真结果及所得曲线.62.3.1RLC串联电路谐振.62.4 曲线分析及总结.102.4.1 RLC串联谐振电路的曲线分析.103 单管放大电路的静态工作点及交流扫描分析.123.1 设计电路.123.2 电路分析.123.2.1 理论分析.123.2.2 静态分析.133.2.3 动态分析.144 心得体会. .175 参考文献. . .18本科生课程设计成绩评定表.191 CAA设计软件Pspice简介从20世纪50年代晶体管电路逐步取代电子管电路以来，半导体电路经历了小规模集成电路(SSI)、中规模集成电路(MSI)、大规模集成电路(LSI)、超大规模集成电路(VLSI)和甚大规模集成电路(ULSI)4个发展阶段，使集成电路的功能越来越强，集成度越来越高，规模越来越大。要分析和设计复杂的电子系统，人工分析、设计已不适用，必须采用计算机辅助分析与设计，即采用CAA与CAD(Computer Aided Analysis and Design)技术。正因为如此，CAA与CAD已经成为分析和设计电子电路的关键技术之一，各种软件也应运而生，Spice和Pspice软件相继问世。. Spice(Simulation Program with Intergraded Circuit Emphasis，侧重于集成电路的模拟程序)是美国加利福尼亚大学伯克莱分校研制的模拟电路仿真标准软件，从20世纪70年代初期问世以来已经有20多个版本。Pspice是美国Microsim公司开发的众多Spice不同分支中的一种，主要用于PC机上，实现电子电路设计的模拟和仿真。 Pspice可以进行模拟电路分析、数字电路分析和数模混合电路分析，因此在设计制作实际电路前，可以使用它模拟电路的性能，调整器件参数，分析电路的结构，而且这种分析不受器件的数量、类型和损耗情况的限制，不需要任何实际仪器。它还可以快速、方便、精确地评价电路设计的正确性，获得电路的技术指标，节省大量的时间和费用。同时，它还能反映元器件的改变对电路所造成的影响，分析一些较难测量的电路特性，例如噪声、频谱分析、失真、器件和环境温度对电路的影响等，从而大大提高电路的设计质量。可见 Pspice软件相当于一个模拟的“实验台”，可以代替大部分制板实验工作，所以一般来说，Pspice是进行实际电路工作前必要的仿真过程。但是要想利用它得到好的设计结果还必须具备使用此工具的熟练能力和丰富经验。 PSpice有很多优点： 第一，Pspice的元器件模型库提供了几千种常用器件，包括电阻、电容、电感、晶体管和集成电路，用户可以直接调用，也可以自己建立模型，或对库中已有的器件模型进行修改。第二，利用Pspice的仿真功能，可以对一些传统方法难以进行的实验进行仿真模拟，比如电路的温度特性、容差、灵敏度、最坏情况分析等，提高电路分析和设计的应用范围。第三，利用Pspice的图表功能，可以对电路进行仿真测试，不仅能测试电路的静态工作点、放大倍数、输入输出阻抗参数，还可以描绘模拟电路和数字电路中各测试点的波形，观察器件或温度的变化对电路性能的影响，比如饱和失真、截止失真、放大倍数的上升与下降等因素对器件的影响。第四，Pspice仿真系统中为用户提供了节点访问，用户通过在电路中标上节点号，然后就可以在仿真图中观测到各个节点以及各节点之间的情况。同时，仿真结果图还向用户提供了加、减、乘、除等基本的数学运算，提供了绝对值、均方差、正弦、余弦、对数、指数等基本函数运算，这是其他软件所无法比拟的。第五，Pspice实用性强，仿真效果好。因为如果用Protel等软件仿真时，仿真过程复杂，当改变某个参数，即使是电阻值或是电容值，都需要重新建立网络表的连接，而在Pspice中，改变参数的仿真是非常容易实现的。第六，Pspice操作简单、易学，高版本采用Windows界面、菜单式结构，使用鼠标和键盘热键进行操作，工作效率更高。. 美国的OrCAD公司是世界上知名度很高的EDA公司。1998年OrCAD公司与开发Pspice软件的Microsim公司实现了强强联合，推出了新版本OrCAD Pspice 9。OrCAD Pspice 9不仅大大丰富和完善了模拟电路的分析功能，也进一步增强了数字电路、数模混合电路的分析功能。OrCAD Pspice 9的逻辑模拟功能有：第一，分析数字电路输出与输入之间的逻辑关系；第二，分析数字电路的延迟特性；第三，对同时包含有模拟器件和数字器件的电路进行数模混合模拟，可以同时显示出电路内部的模拟信号和数字信号波形；第四，检查数字电路中是否存在时序异常和冒险竞争现象；第五，实现最坏情况逻辑模拟。目前，OrCAD公司已经推出了Pspice最新版本Pspice 92，其功能更加完善Pspice仿真软件是省时、经济地从事科研工作的有力手段，它给电路设计者和软件使用者提供了极大的便利，具有极大的工程应用价值。 Pspice是计算机辅助分析设计中的电路模拟软件。它主要用于所设计的电路硬件实现之前，先对电路进行模拟分析，就如同对所设计的电路用各种仪器进行组装、调试和测试一样，这些工作完全由计算机来完成。用户根据要求来设置不同的参数，计算机就像扫描仪一样，分析电路的频率响应，像示波器一样，测试电路的瞬态响应，还可以对电路进行交直流分析、噪声分析、Monte Carlo统计分析、最坏情况分析等，使用户的设计达到最优效果。以往一个新产品的研制过程需要经过工程估算，试验板搭试、调整，印刷板排版与制作，装配与调试，性能测试，测试指标不合格，再从调整开始循环，直至指标合格为止。这样往往需要反复实验和修改。而仿真技术可将“实验”与“修改”合二为一。为确定元件参数提供了科学的依据。它的优点主要有：(1)为电路设计人员节省了大量的时间。(2)节省了各种仪器设备。(3)生产产品一致性好、可靠性高。(4)产品的更新率高、新产品投放市场快等。 Pspice程序采用改进节点法列电路方程，用牛顿-莱普生方法的改进算法进行非线性分析，用变节步长的隐式积分法进行瞬态分析，在求解线性代数方程组时，采用了稀疏矩阵技术。 本次课程设计即采用Pspice软件进行电路图绘制及仿真。2 RLC串联电路的谐振分析21原理分析2.1 .1RLC串联谐振原理分析（1）本次设计采用3条RLC串联支路，分3种Q值进行阻抗、电流频率特性分析。在每一条RLC串联电路中，在可变频的电压源V1的激励下，由于感抗、容抗随频率变动，所以电路中的电流应亦随频率变动。输入阻抗频率特性表示为由于串联电路中同时存在电感L和电容C，两者的频率特性不仅相反，而且直接相减。所以可以肯定，一定存在一个频率w0，使感抗容抗完全抵消，即X（jw0）=0.此时，（jw0）=0，RLC串联电路发生串联谐振，即电感电容同时存在，且满足。则谐振频率f0=RLC串联谐振频率只有一个，且只与R、L有关，与电阻R无关。（2）只有当输入信号V1的频率与电路的固有频率f0相同时，才能在电路中激起谐振。电路在谐振时的电流I（j w0）为极大值，也是最大值，即谐振峰。当V1的幅度不变，谐振峰仅与电阻R有关，改变R即能改变谐振峰的大小。(3)串联谐振时，电抗电压Ux（jw0）=0，L、C串联端口相当于短路两者模值相等且反相，完全抵消，则定义谐振电路的品质因数QQ Q值综合反映了电路中三个参数对谐振状态的影响。2.2 电路设计2.2.1 RLC串联谐振电路设计图3.1 RLC串联谐振电路如图所示，电路中用到的元器件有：电阻R1,R2,R3,其阻值分别为：1，2，1.电感L1,L2,L3的电感值分别为：30mh，35mh，35mh。电容C1,C2,C3，容值都为：0.1u。其参数设置用控制变量法，以便于分别研究R,L,C对谐振的影响。2.3 仿真结果及所得曲线2.3.1 RLC串联谐振分析在不同情况下频率的取值范围分别设置为：表4.1 各情况下所取频率范围表Start（单位：KHz）End（单位：KHz）只显示I（R1）一条曲线时2.852.95只显示I（R2）一条曲线时2.53.5只显示I（R3）一条曲线时2.53.5显示I（R1）I（R2）I（R3）三条曲线时2.53.5设置好后，执行Pspice下Run，出现Probe窗口。执行Trace下Add Trace命令即可看到I（R1）、I（R2）、I（R3）阻抗、电流频率特性曲线。如图： 图4.1 R1支路的频率响应曲线（R1支路谐振时，该支路电流达到最大）图4.2 R2支路的频率响应曲线（R2支路谐振时，该支路电流达最大） 图4.3 R3支路的频率响应曲线（R3支路谐振时，该支路电流达最大） 图4.4 R123的频率响应曲线（谐振频率与R无关，谐振峰与R成反比）图4.5 阻抗曲线（谐振时，阻抗最小）图4.6相频响应曲线2.4 曲线分析及总结2.4.1 RLC串联谐振分析阻抗及频率特性分析（1） R1支路，对该RLC串联电路，当谐振时阻抗 =R+=R1，为最小值，如图4.5所示。此时电路中电流达到最大I(R1)=U/R1=1/2A=0.5A,如图4.1所示。谐振频率 f0=KHz，如图波峰处。品质因数（2） R2支路，对该RLC串联电路，当谐振时阻抗 =R+=R2，为最小值，如图4.5所示。此时电路中电流达到最大I(R2)=U/R2=1/2A=0.5A, 如图4.2所示。谐振频率 f0=KHz，如图波峰处。品质因数（3） R3支路，对该RLC串联电路，当谐振时，阻抗 =R+=R3，为最小值，如图4.5所示。此时电路电流达到最大I(R3)=U/R3=1/1A=1A,如图4.3所示。谐振频率 f0=KHz，如图波峰处。品质因数（4）图4.4对应于R1、R2、R3支路，对该三支RLC串联电路，在曲线图中可以清楚的看到R值不同L、C值相同的R2支路、R3支路各自发生串联谐振时：曲线峰值为同一频率，表明谐振频率与R无关；曲线峰值大小不同，表明谐振峰与R有关，且成反比。在曲线图中还可以看到L值不同R、C值相同的R1、R2支路各自发生串联谐振时：曲线峰值不是同一频率，表明谐振频率与L有关，同理可分析谐振频率与C值也有关。（5） 图4.6显示出R1、R2、R3三条支路的相频响应变化。3 单管放大电路的静态工作点及交流扫描分析。3.1 设计电路 本电路设计采用了三极管的共集连接方式（射级输出器）。具体电路如下图：图1.1 射级输出器 3.2电路分析如图所示，本设计电路是为了实现三极管的单管放大功能，则应该保证其中的三极管能够正常放大。如下图所示，该图为其直流通路，工作电压选取三极管2N3904的额定工作电压12V。然后，为了减小信号源的输出波动以及一些不可预知因素，在本设计中作者加入了由和组成的基级分压式射级偏置电路来稳定该三极管的静态工作点，避免三极管受到输入信号波动和温度变化的影响（具体见后的交流扫描的温度分析），而使得三极管工作在非线性区，从而产生意外的非线性失真。具体而言，=100k,且=30k，近乎于3：1的比例，从而可以将基级的电位稳定在2.5V左右（经过静态分析之后得到该基级电位是2.544V）。然后三极管的基级与射级的压降是0.7V左右（经过静态分析之后得到压降具体是0.673V），射级的电位是1.8V左右（经过静态分析之后得到该射级电位是1.871V）。图2.1.1.1 直流通路电路图由图可知，由于电阻对静态工作点的自动调节（负反馈）作用，该电路的Q点基本稳定。本电路设计中的=3.3k , =1.3k 。则是为了控制电流在三极管线性工作区域内，而不至于太大产生饱和失真。其中集电极电流为1.429mA,基级电流是0.9753mA。如下式：3.2.2 动态分析图2.1.2.1 交流等效电路用BJT的H参数小信号模型取代图1.1中的BJT，即可得到共集电极放大电路的小信号等效电路，如图所示。根据电压增益、输入电阻的定义，由图2.1.2.1可分别得到、的表达式：1+,且(Re/RL)>>rbeRiRb/(Re/RL) 3.2.2静态分析静态工作点分析设置如下：图2.2.1 静态工作点设置静态工作点分析如图：图2.2.2 静态工作点（电压标记）图2.2.3 静态工作点（电流）图2.2.4 静态工作点（功率）3.2.3动态分析3.2.3.1时域分析（瞬态分析）：在设置中，可以设置波形图中有5个周期，即5ms。信号源采用的是1kHz，则设置如下图2.3.1.1 瞬态分析设置波形图如下（电压、电流只截取了前三个周期）：图2.3.1.2电压输出波形图2.3.1.3电流输出波形射级输出器是对电压保持输出基本不变，对电流放大，由上两图可知其电路放大倍数为1.5uA/380nA=3.94.3.2.3.2交流分析: 设置如下：图2.3.2.1 通频带分析设置幅频与相频曲线输出波形图：图2.3.2.2幅频曲线通频带为上限频率减去下限频率，即：23.968M-3.7504=23.968M图2.3.2.2 相频曲线可以看出，通频带中的相位变化不大。故在通频带中，相位稳定。4.心得体会（另附页） 心得体会这次课程设计的完成过程比较漫长，在设计的完成过程中出现了各种各样的问题。但是，经过询问同学，网上查资料，已经查阅相关的参考资料，这些问题都得到了很好的解决。在课设完成后，我发现我对于电路的理解更进了一步，对相关的原理也理解的更透彻了。在设计中，最先出现的问题，也是我最陌生的问题就是软件的应用。因为从来没有接触过，加之我对电脑的应用也不是很精通，使我在学习的过程中出现了很多问题。首先，我像班级里的对电脑比较精通的同学教会我怎样安装，运行软件;然后，我通过自己查找参考书和在网上搜索，逐步学习和摸索软件中的各项应用，和它的原理，作用。逐渐的学会了软件的应用。在课设的进行中，我的基础知识不够扎实的漏洞就暴露出来了。因为在课本的理论学习中在老师讲课时没有认真听讲，错过了很多要点，使得对原理的理解，学习都一知半解，就算了解了业不透彻。而在课程设计的进行中，所有实验的原理，电路，还有结果分析都是自己完成，因此对基本功的要求很高。为了克服这个难题，我从新翻开课本，把需要的原理部分以及原来做过的实验都从新看了一遍，对原理的理解更加深了。做课程设计和做电路使用有很大的分别。在电路实验中需要我按照书上的原理，步骤，还有要求进行就可以得出要求的结果。甚至在有的实验中都不需要看原理，只有按照步骤，把电路连出来，然后测量几个有关的数据就可以了。可是，在电路课设中，没有现成的原理，没有具体的实验步骤，没有要求的测量值。所有的一切都给予自己对知识点的理解和对课设要求的解读。通过要求，根据原理，设计实验电路，实验的步骤，以及未来达到课设目的的实验数据。这就需要不光要对知识的理解充分，还要具有严密的逻辑推理能力。只有有好的逻辑能力才能把各个步骤，以及实验的流程完成的顺利，而不会出现实验进行不下去的情况。课程设计的完成，不能闭门造车，要广泛的查阅资料，并向同学请教，这样才能让自己的设计更完善。在和同学请教的过程中，不知不觉的就拉近了同学之间的距离，是同学之间的关系更加融洽，使大家更具有凝聚力和团队合作精神。在这次课程设计中，我夯实了基础知识，拓展了课外专业知识，锻炼了逻辑思考能力，培养了团队精神，拉近了同学关系。对我的好处实在是很多！5.参考文献：1 王辅春,电路CAD与OrCAD教程,北京：机械工业出版社,2005.12 赵世强，子电路EAD技术：西安电子科技大学出版社3 李永平,Pspice电路设计与实现,北京：国防工业出版社,2005.14 康华光,电子技术基础,北京：高等教育出版社,2006.15 刘爱,pspice电路设计与实现,北京：国防工业出版社,2005.1本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别专业、班级课程设计题目：课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日+1
