电路CAA课程设计报告.doc

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的一阶电路的暂态分析 基于PSpice的RLC串联电路的谐振分析初始条件:1. 提供实验室机房及其PSpice软件；2. 选一阶RC和RL电路。3. 选RLC串联电路。要求完成的主要任务：(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求):1、熟练运用PSpice软件创建电路、模拟电路、显示或绘制结果；2、使用该软件在方波电源作用下，分别进行一阶RC和RL电路的零状态响应分析；3、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值情况讨论）； 4、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) 王辅春,OrCAD9.0简明教程.北京：机械工业出版社，2001 (2) 刘岚,电路分析基础.北京：高等教育出版社, 2010 (3) 邱关源、罗先觉,电路.北京：高等教育出版社, 2006 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入门了解11.1 PSpice简介11.2 PSpice9的仿真功能22 PSpice设计42.1 绘制原理图42.2 一阶RC零状态响应的分析52.3 一阶RC零状态响应波形图及其分析62.4 对一阶RC电路及仿真曲线图的分析82.5 一阶RL零状态响应的分析102.6 一阶RL零状态响应波形图及其分析112.7 对一阶RL电路及仿真曲线图的分析133 串联谐振电路的PSpice设计153.1 绘制原理图153.2 RLC串联电路的谐振分析163.3 RLC串联电路的谐振波形图及其分析173.4 对RLC串联电路及仿真曲线图的分析214 电路课程设计心得体会255 参考文献26附件：本科生课程设计成绩评定表1 PSpice入门了解1.1 PSpice简介 1984年，美国MicroSim公司推出了基于SPICE的微机版PSPICE（Personal-SPICE）。可以说在同类产品中，它是功能最为强大的模拟和数字电路混合仿真EDA软件，在国内普遍使用。它可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出、并在同一窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。它是一款面向PC机的通用电路仿真软件, 该软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能，模拟仿真快速准确，并提供了良好的人机交互环境，操作方便。软件的用途非常广泛，不仅可用于电路分析和优化设计，还可用于电路、信号与系统等课程的计算机辅助教学。与印刷线路板设计软件配合使用，还可以实现电子设计自动化。 OrCAD/PSpice9程序有庞大的元件库，可模拟6路常用电子元器件：基本无源元件，如电阻、电容、电感等；常用的半导体器件，如二极管、结型场效应管等；独立电压源和独立电流源等；各种受控电压源、受控电流源、受控开关；基本数字电路单元，如门电路、触发器、可编程逻辑阵列等；常用单元电路，如运算放大器等。 OrCAD/PSpice9 采用的是实用工程单位制，如电压用伏（V）、电流用安（A）、电阻用欧（）、功率用瓦（W）等。在运行中，PSpice 会根据具体对象自动确定其单位。用户在输入数据时，代表单位的字母可以省去。例如在给电压源赋值时，键入12 和键入12V 的意思是一样的。 PSpice 中的数字采用科学表示方式，即可以使用整数、小数和以10为底的指数。用指数表示时，底数10用字母E 来表示。对于比较大或比较小的数字，还可以采用10种比例因子，如表1-1 所示。例如1000、1E3 和1K表示的是同一个值。表1-1 OrCAD/PSpice9 中采用的比例因子 符号 比例因子 国家标准 符号 比例因子 国家标准 F 10-15 f M 10-3 m P 10-12 p K 103 k N 10-9 n MEG 106 M U 10-6 G 109 G MIL 25.410-6 T 1012 T特别注意：（1）比例因子可用大写也可用小写，含义是一样的，如m 和M 都表示10-3，而国标规定，m 表示10-3，M 表示106，我们通常习惯也这样。为了防止混淆，在该软件下用MEG 表示106。这一点在使用时应特别小心，稍一疏忽就会出错。（2）比例因子只能用英文字母，如10-6用U 或u 表示，而国标规定10-6用u 或U 表示。这一点在使用时也应注意，如电容容量C=1×10-6F，应写成C=1u（或1U）。1.2 PSpice9 的仿真功能 PSPICE程序的主要功能有非线性直流分析、非线性暂态分析、线性小信号交流分析、灵敏度分析和统计分析。 1.2.1直流分析当电路中某一参数（称为自变量）在一定范围内变化时，对自变量的每一个取值，计算电路的直流偏置特性（称为输出变量）。 1.2.2 交流分析 线性小信号交流分析简称为交流分析。它是SPICE程序的主要分析功能。它是在交流小信号的条件下，对电路的非线性元件选择合适的线性模型将电路在直流工作点附近线性化，然后在用户指定的范围内对电路输入一个扫频信号，从而计算出电路的幅频特性、相频特性、输入电阻、输出电阻等。这种分析等效于电路的正弦稳态分析即频域分析。频域分析用于分析电路的频域响应即频率响应特性。这种分析主要用于分析电路的幅频特性和相频特性。 1.2.3 噪声分析计算电路中各个器件对选定的输出点产生的噪声等效到选定的输入源（独立的电压或电流源）上。即计算输入源上的等效输入噪声。 1.2.4 灵敏度分析 直流灵敏度分析业称为灵敏度分析。它是在工作点附近将所有的组件线性化后，计算各元器件参数值变化时对电路性能影响的敏感程度。通过对电路进行灵敏度分析，可以预先知道电路中的各个组件对电路的性能影响的重要程度。对于那些对电路性能有重要影响的组件，要在电路的生产或组件的选择时给予特别的关注。 1.2.5 蒙特卡罗统计分析为了模拟实际生产中因元器件值具有一定分散性所引起的电路特性分散性，PSpice提供了蒙特卡罗分析功能。进行蒙特卡罗分析时，首先根据实际情况确定元器件值分布规律，然后多次“重复”进行指定的电路特性分析，每次分析时采用的元器件值是从元器件值分布中随机抽样，这样每次分析时采用的元器件值不会完全相同，而是代表了实际变化情况。完成了多次电路特性分析后，对各次分析结果进行综合统计分析，就可以得到电路特性的分散变化规律。与其他领域一样，这种随机抽样、统计分析的方法一般统称为蒙特卡罗分析（取名于赌城Monte Carlo）,简称为MC分析。由于MC分析和最坏情况分析都具有统计特性，因此又称为统计分析。 1.2.6 温度分析分析在特定温度下电路的特性。 在电路设计方面，PSPICE 提供了电路设计过程中所需要的各种元器件符号和绘图手段，电路设计师可以直接在PSPICE 的电路图编辑器中设计电路图。利用PSPICE的电路分析功能,可以测试电路的各项性能指标,测试电路在高温,高压等极端条件下的承受能力。利用PSPICE 中提供的各种观测标识符，可以观测电路图中任意点、任何变量以及各种函数表达式的波形和数据。可以对电路进行优化设计，将多个设计方案进行比较。从电路方案的选型、分析、修改、优化设计及最终确定，整个设计过程中不涉及任何硬件和纸笔，不仅能节省开支，简化设计手段，而且大大缩短了设计周期，提高了设计精度。2 PSpice设计2.1 绘制原理图 运行Orcad Family Release 9.2 Lite Edition 中的Capture CIS Lite Edition，新建两个空白Project，命名为step 和stepone，按表2-1和2-2选择相应的元器件和电源，摆放好位置，更改属性，连线，标上网络标号，绘制原理图。 所要用到的器件信息如表格2-1，方波说明如表2-2。表2-1 元器件信息 器件 模型 模型库 电阻 R1 R2 R/Analog 电容 C1 C/Analog 电感 L1 L/Analog 电源 V1 IPULSE/Source 接地 0 0/Source 表2-2 方波信号源说明符号说明V1方波低电平V2方波高电平TD第一方波上升时间TR方波上升沿时间TF方波下降沿时间PW方波高电平宽度PER方波周期2.2 一阶RC零状态响应的分析 2.2.1 设计一阶RC电路原理图 设计的一阶RC电路如图2-1所示,主要电路参数为V1=0,V2=2V,PW=0.8ms,PER=1ms,TD=0，TR=0,TF=0。 图2-1 一阶RC电路原理图 2.2.2 元件参数设置 主要元器件参数如表格2-3所示。表2-3 元器件参数 元件参数 R1 C1 V1 数值 0.8K 1uFV1=0,V2=2V,PW=0.8ms,PER=1.0ms改变时元件参数的变化如表2-4所示。表2-4 元器件参数 元件参数 R1 C1 V1 数值 0.1K 1uFV1=0,V2=2V,PW=0.8ms,PER=1.0ms2.3 一阶RC零状态响应波形图及其分析 2.3.1 RC电路仿真曲线图（1）:如图2-2是4个周期内uc（t）的变化曲线。 图2-2 4个周期内uc（t）的变化曲线 （2）:如图2-3是4个周期内uR（t）的变化曲线。 图2-3 4个周期内uR（t）的变化曲线 （3）:如图2-4是4个周期内ic（t）的变化曲线。 图2-4 4个周期内ic（t）的变化曲线 （4）:如图2-5是t<的uc(t)的变化曲线（此时=RC=0.8ms）。图2-5 t<的uc（t）变化曲线 （5）:如图2-6是改变电路的R值使R=0.1K时，t<的uc(t)的变化曲线（此时=RC=0.1ms）。图2-6 t<的uc（t）变化曲线2.4 对一阶RC电路及仿真曲线图的分析 2.4.1一阶RC电路的基本原理 一阶RC电路的电路图一般形式如图所示，它是一个电阻与一个电容的串联电路。图2-7 一阶RC电路 零状态响应就是电路在零初始状态下（动态元件初始储能为零）由外施激励引起的响应。 在接入电源之前，电路处于零初始状态，即uc(0) = 0。在t=0 时刻，开关S到“1”位置，电路接入直流电压源US。根据KVL，有 将 , 代入，得电路的微分方程 解得：uC(t ) 即为零状态响应，当uC上升到0.632US 所需要的时间称为时间常数,。 2.4.2 模拟过程及结果分析在PSpice的Schematics程序中画好电路图后，按照图2-1设置好参数。将电压源设置为V2=2V,PW=0.8ms，PER=1.0ms,TD=0,TR=0，TF=0设置好参数后将Analysis Type设为Time Domain(Transient)Time Domain(Transient)中选择Run to 4ms secondsMaximum step 设为0.01us其他参数默认，再单击确定即可进行仿真。 在弹出的Probe窗口中，可执行Trace/Add Trace命令，在Trace Expression文本框中输入自己需要观察的变量即可看到相应的波形。输入方波电压源，R=0.8k ，C=1uf,U1=2v,由理论分析得，时间常数= RC =0.8ms ,改变电阻为0.1K时，此时时间常数= RC =0.1ms，uc以指数形式趋近于它的终极恒定值Us,到达该值后，电压和电流不再变化，电容相当于开路，电流为零。时间常数表示指数衰减的速度，由图2-5-1和图2-5-2所示:(1)当R=0.8K时，= RC =0.8ms 电容要经过几次充放电后才能达到电源电压2V。(2)当R=0.1K时，= RC =0.1ms 电容很快就达到了电源电压值2V。2.5 一阶RL零状态响应的分析 2.5.1 设计一阶RL电路原理图 设计的一阶RC电路如图2-8所示，主要电路参数为V1=0,V2=2V，PW=0.8ms,PER=1ms，TD=0,TR=0,TF=0。 图2-8 一阶RL 电路原理图 2.5.2 元件参数设置 主要元器件参数如表格2-5所示。表2-5 元器件参数 元件参数 R2 L1V1 数值 1K 0.8HV1=0,V2=2V,PW=0.8ms,PER=1.0ms 改变时元件参数的变化如表2-6所示。表2-6 元器件参数 元件 参数R2L1 V1数值1K0.1HV1=0,V2=2V,PW=0.8ms,PER=1.0ms2.6 一阶RL零状态响应波形图及其分析 2.6.1 RL电路仿真曲线图 （1）:如图2-9是4个周期内uL（t）的变化曲线。 图2-9 4个周期内uL（t）的变化曲 （2）:如图2-10是4个周期内uR（t）的变化曲线。 图2-10 4个周期内uR（t）的变化曲线 （3）:图2-11是4个周期内iL（t）的变化曲线。 图2-11 4个周期内iL（t）的变化曲线 （4）:如图2-12是t<时的iL(t)的变化曲线（此时=0.8ms）。图2-12 t<时的iL（t）变化曲线 （5） :如图2-13是改变电路的L值使L=0.1H时，t<时iL(t)的变化曲线（此时=0.1ms）。图2-13 t<时的iL（t）变化曲线 2.7 对一阶RL电路及仿真曲线图的分析 2.7.1一阶RL电路的基本原理一阶RL电路的一般形式如图所示，用同样的方法对一阶RL电路进行零状态响应分析。图2-14 一阶RL电路 对于一阶RL 电路，充电过程是向电感充电，并以磁场能量的形式储存起来。随着磁场能量的逐渐增加，流过电感的电流iL逐渐增加，由于磁场的反作用，iL增加的速度逐渐变慢。在t=0 时刻,接通了电源，电流经过电阻开始给电感充磁，此时而 所以，得到解微分方程得： 则： 2.7.2 模拟过程及结果分析 在PSpice的Schematics程序中画好电路图后，按照图2-7设置好参数。 将电压源设置为V1=2V,PW=0.8ms,PER=1.0ms,PER=1.0ms,TD=0,TR=0，TF=0。 Analysis Type设为Time Domain(Transient)Time Domain(Transient)中选择Run to 4ms secondsMaximum step 设为0.01us其他参数默认。设置好后，执行Pspice下Run，出现Probe 窗口。执行Trace下Add Trace命令即可分别看到零状态下的uL(t),uR(t)的响应曲线。输入方波电压源，R=1k 欧，L=0.8H,U1=2v,时间常数=L/R=0.8ms 从图可见，图示电路在换路前电感元件上的原始能量为零，t=0 时开关S闭合。RL电路的零状态响应也是按指数规律变化。其中元件两端的电压uL按指数规律衰减(即只存在过渡过程中)；电感电流iL按指数规律上升；电阻电压UR=iR按指数规律增长零状态响应变化的快慢也取决于时间常数=L/R。当时间常数越大，充电过程就越长:(1)当L=0.8H时,= L/R =0.8ms 整个电路电流要经过很长时间才能达到稳定的2mA。(2)当L=0.1H时,= L/R =0.1ms 电路电流很快就达到了稳定值2mA。3 串联谐振电路的PSpice设计3.1 绘制原理图 运行Orcad Family Release 9.2 Lite Edition 中的Capture CIS Lite Edition，新建两个空白Project，命名为step 和stepone，按图2-1选择相应的元器件，摆放好位置，更改属性，连线，标上网络标号，绘制原理图。 所要用到的器件信息如表格3-1。表3-1 元器件信息 器件 模型 模型库 电阻R1 R2R3 R/Analog 电容C1 C2C3 C/Analog 电感L1 L2L3 L/Analog 电源 V1 VAC/Source 接地0 0/Source3.2 RLC串联电路的谐振分析 3.2.1 设计RLC电路原理图 设计的RLC串联谐振电路如图3-1所示:图3-1 RLC串联谐振电路 3.2.2 元件参数设置 主要元器件参数如表格3-2所示。 表3-2 元器件参数 元件参数RLCR10.2KR20.3KR30.2KL110mHL210mHL310mHC10.1uFC20.01uFC30.01uF3.3 RLC串联电路的谐振波形图及其分析 3.3.1 RLC串联电路仿真曲线图 （1）:如图3-2是I（mA）随f（KHz）变化的曲线。 图3-2 三个支路的电流变化曲线 （2）:如图3-3是角度()随f（KHz）变化的曲线。图3-3 三个支路的相频响应 （3）:如图3-4是支路2电容电压和电感电压的幅频响应。图3-4 支路2电容和电感的幅频响应 （4）:如图3-5是支路3电容电压和电感电压的幅频响应。图3-5 支路3电容和电感的幅频响应 （5）:如图3-6是支路4电容电压和电感电压的幅频响应。 图3-6 支路4电容和电感的幅频响应 （6）:如图3-7 是电阻上U(V)随f（KHz）的幅频响应。 图3-7 电阻R1 R2 R3的电压变化曲线 （7）:如图3-8是电容上U(V)随f（KHz）的幅频响应。图3-8 电容C1 C2 C3的电压变化曲线 （8）:如图3-9是电感上U(V)随f（KHz）的幅频响应。图3-9 电容L1 L2 L3的电压变化曲线 （9）:如图3-10是支路2的阻抗随f（KHz）的变化曲线。图3-10 支路2的阻抗的电压变化曲线3.4 对RLC串联电路及仿真曲线图的分析 3.4.1 RLC串联电路的基本原理 一阶RLC电路的电路图一般形式如图所示，它是一个电阻，一个电容与一个电感的串联电路。图3-11 RLC串联电路由电路图知，电路的输入阻抗Z（jw）和频率特性可表示为： 在输入电压Ui为定值时，电路中的电流的的表达式为： 可以看出，由于串联电路中同时存在着电感L和电容C，两者的频率特性不仅相反（其中感抗为,容抗为），而且直接相减（电抗角差180°）。可以肯定，一定存在一个角频率w0，是感抗和容抗相互完全抵消，即使得X（jw0）=0。当w=w0时，X（jw0）=0,电路的工作状况将出现一些重要的特征，现分述如下： 当，就是I（jw0）与Us(jw0)同相，工程上将电路的这一特殊状态定义为谐振，由于是在RLC串联电路中发生的谐振，又常称为串联谐振。有上述分析可知，发生谐振时存在： 由此可知RLC串联电路的谐振频率只与电路中的L、C有关，与电阻R无关。f0称为电路的固有频率。对不同f值，描绘出电阻R上的电压，得知在f=f0处，即幅频特性曲线尖峰所在的频率点产生谐振。此时，XL=Xc,电路呈纯阻性，电路阻抗的的模为最小。在输入电压Ui为定值时，电路中的电流达到最到最大值，且与输入电压Ui同相位。从理论上讲，此时设Ui的定值为Uo,那么存在Ui=UR=Uo,UL=UC=QUo,式中的Q称为电路得品质因数。 3.4.2 理论计算结果及曲线分析 根据原理和公式，串联谐振电路的阻抗随频率变化为，阻抗模为，因此可知: (1)当w<w0时,X（jw）<0,(jw)<0,工作在容性区，R<|Z(jw)|,且； (2)当w=w0时,X（jw）=0,(jw)=0,工作呈电阻性，R=Z(jw0)； (3)当w>w0时,X（jw）>0,(jw)>0,工作在感性区，R<|Z(jw)|，且。 由此可以看出|Z（jw）|是随着频率的变化先从无穷大减小，再又增加到无穷大的，最小值所对应的w是谐振频率, 而阻抗角的表达式为:的值先从无穷大减小到0，又从0增加到无穷大。因此阻抗角(jw)先从减小到0，再从0增加到。由于电压值保持恒定，故电流的幅频响应曲线应和电阻的相反，为先从0增加到某一最大值（U/R），再从这一最大值减小至0。而对于电阻R上的电压，由于电阻不变，由U=IR知，电阻上的电压的幅频曲线与电流曲线相一致。根据原理: (其中)此时，UC和UL曲线的交点所对应的值就是。由公式Q=wL/R可以得出，Q随电阻增大而减小。 又因为:当R值，C值或L值不断变化时，都会导致Q值的变化。3.4.3 模拟过程及结果分析 在PSpice的Schematics程序中画好电路图后，按照图3-1。按照图中所示的参数设置各元器件，观察模拟结果波形。 设置好参数后将Analysis Type 设为AC Sweep/Noise 选中Linear将Start 设为500，End 设为24khz,Total 设为200。再单击确定即可进行仿真。 在弹出的Probe窗口中，可执行Trace/Add Trace命令，在Trace Expression文本框中输入自己需要观察的变量即可看到相应的波形。由原理图可知，支路 2与4 对比电容C不相同，支路 3与4 对比电阻R不相同，导致 2和3 支路与支路4的各种曲线都不相同，虽然趋势一样，但最大值会不同，有些曲线出现最大值时对应的频率也不相同。同一条支路上电容电压和电感电压达到最大值时所对应的频率也不相同。 支路3和支路4电流达到最大值的频率相同，因为3,4支路有相同的谐振频率：可以看出，谐振频率只取决于电感和电容的大小，与电阻的大小无关。因此只要电感和电容没变，谐振频率就不会变。 2,3,4支路对应的Q值为: 支路2: 支路3: 支路4: 可以看出，Q值取决于电阻，电感和电容的大小。因此当电阻，电感和电容任何一个值发生改变时，Q值都会发生变化。4 电路课程设计心得体会 经过这次电路的CAA课程设计，加强了我们思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，包括一阶RC与RL电路及RLC串联谐振电路的原理图和仿真及其分析。回顾自己为课程设计所花的这些时间，虽然整个过程中或多或少的出现了一些问题，但是我觉得还是学到了很多知识，因而是值得的。 这次的设计题目，主要是为了让我们加深对一阶RC与RL电路在方波信号源的作用下的零状态和零输入响应的反应，也让我们深入的理解了RLC串联谐振电路的谐振条件，及Q值与R、L、C三个参数都有什么样的关系。 在电路仿真过程中，经常会遇到这样那样的情况。有时心里想的响应曲线是一种，但实际上仿真出来的是另一种，总是存在一定的出入。但最终分析得出应该是参数设置的问题，因此耗费在修改参数上面的时间特别多。另外一个浪费很多时间的是PSpice软件的应用，由于事先没有接触过这个软件，导致一开始在建立文件时就碰壁了，后来也在画图中也遇到过一些问题，但是后来经过自己在书上和网上查询该软件的操作步骤，解决了一部分。也有一些一时找不到结果的问题，也最终在自己的尝试和询问他人的情况下解决了。 我觉得做课程设计的同时也是对课本知识的一种巩固和加强。由于课本上的知识很多，平时课堂上的学习，并不能让我们很好的理解比如: 一组参数的改变使最终的结果得到什么样的变化之类的问题。而且考试的内容也是很有限的，所以我们理解的范围往往局限于应付考试。因此在这次课程设计的过程中，我们更客观的看到了因为电路参数的变化，而给电路特性带来的改变。平时看课本时，有些曲线想象不出来，而做在做课程设计时，这些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西，比如: R，L，C数值的改变是使电流或电压增大还是减小；阻抗模的变化也更为形象；阻抗角也用曲线表示出来，对应的趋势也更加清楚了。总之，用曲线来表示的变化，更加美观而且直白。通过这次电路课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，仅仅拥有理论知识是远远不够的。只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在今后的学习过程中，我觉得自己应该更加的注重培养动手能力和提高自学其他内容的能力。大学课余时间还是很宽裕的，而课内所了解到的内容并不是大学学习的全部。因此，我们应该将那些课余时间好好的利用起来，去做一些更有意义的事情。5 参考文献1 王辅春，OrCAD9.0 简明教程.北京：机械工业出版社，20012 刘岚，电路分析基础.北京：高等教育出版社, 20103 康华光，电子技术基础(模拟部分).北京：高等教育出版社，20064 邱关源、罗先觉，电路 .北京：高等教育出版社, 20065 李永平、董欣、宋小涛，Pspice 电路原理与实现.北京：国防工业出版社，20046 李瀚荪,Foundation of Circuit Analysis.北京：高等教育出版社,2000附件：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