1、电路CAA课程设计一阶暂态分析1 Pspice软件介绍随着电子技术的飞速发展，各种电子电路自动化软件也应运而生，它们为广大的电子工程师提供了极大地方便，节省了大量的时间，下面是通过学习后对Pspice软件做出的一些总结。1.1 Pspice软件的发展SPICE程序的全名为Simulation Programe with Integrated Circuit Emphasis。顾名思义，它是为了执行日益庞大而复杂的集成电路（Integrated Circuit:IC）的仿真工作而发展出来的。最早它是由美国加州柏克莱大学发展出雏形，并大力推广至各校园企业中。而后它改进规格成为SPICE2标准，面在
2、世面上的SPICE兼容软件皆基于SPICE2标准。在目前个人电脑上使用的商用电路仿真软件中，以PSpice A/D系列最受大众欢迎。它是1984年MicroSim公司依SPICE2标准发展而来，可在IBM及其兼容电脑上执行的PSPICE程序。因为PSpice A/D程序集成了模拟与数字仿真运算法，所以它不只可以仿真纯模拟电路或数字电路，更可以非常有效地并完善地仿真模拟加数字的混合电路。历年来经过多次改版，以其强大的功能及高度的集成性而成为现今个人电脑上最受欢迎的电路仿真软件。1.2 Pspice可支持的电路元件Pspice可支持基本所有常用的电路元件，包括：基本无源元件，如电阻、电容、电感、传
3、输线等; 常用的半导体器件，如二极管、双极晶体管、结型场效应管、MOS管等; 独立电压源和独立电流源; 各种受控电压源、受控电流源和受控开关; 基本数字电路单元，如门电路、传输门、触发器、可编程逻辑阵列等基本数字电路单元，如门电路、传输门、触发器、可编程逻辑阵列等; 常用单元电路，如运算放大器、555定时器等。在这里集成电路可作为一个单元电路整体出现在电路中，而不必考虑该单元电路的内部结构。1.3 PSpice可分析的电路特性Pspice可分析多种元件的电路特性，常用的包括基本无源元件，如电阻、电容、电感、传输线； 常用的半导体器件，如二极管、双极晶体管、结型场效应管、MOS管等; 独立电压源
4、和独立电流源; 各种受控电压源、受控电流源和受控开关; 基本数字电路单元，如门电路、传输门、触发器、可编程逻辑阵列等; 常用单元电路，如运算放大器、555定时器等。在这里集成电路可作为一个单元电路整体出现在电路中，而不必考虑该单元电路的内部结构。1.4 Pspice 的模拟功能Pspice程序的主要功能有静态工作点分析，暂态分析，傅里叶分析，直流分析，交流分析，参数扫描分析，温度分析。电路的静态工作点分析；在进行静态工作点分析时，电路中的电感全部短路，电容全部开路，分析结果包括电路每一节点的电压值和在此工作点下的有源器件模型参数值。这些结果以文本文件方式输出。 暂态分析又称TRAN分析，就是求
5、电路的时域响应。它可在给定输入信号情况下，计算电路输出端的暂态响应，也可在没有激励信号但有储能信号元件的情况下，求震荡波形，瞬态分析常用的波形有：脉冲信号源，正弦信号源，指数信号源，分段线性信号源，调频信号源，分析结果以文本方式输出。 傅立叶分析是指暂态分析完成后，计算输出波形的直流，基波，各次谐波分量。因此傅立叶分析应在暂态分析以后进行。频率响应分析能够分析传递函数的幅频响应和相频响应，亦即，可以得到电压增益、电流增益、互阻增益、互导增益、输入阻抗、输出阻抗的频率响应。分析结果均以曲线方式输出。 直流分析又称DC分析，就是当电路中某一参数在一定范围内变化时求电流的直流偏量特性。可以用这一分析
6、特性做出电路的传输特性曲线，晶体管的输入特性曲线，DC分析只能用于分析直接耦合电路，不能分析阻容耦合电路。直流传输特性分析又称TF分析，就是计算电路的直流小信号增益，输入电阻和输出电阻。用它来求解放大器的电压放大倍数，输入电阻和输出电阻是最方便的。分析时将电路中的电容开路，电感短路，只能应用于分析直接耦合电路，不能分析阻容耦合电路。交流分析又称AC分析，就是求电路的频率响应，当输入信号的频率发生变化时，它能够计算电路的幅频响应和相频响应，包括频率响应分析和噪声分析。Pspice进行交流分析前，先计算电路的静态工作点，决定电路中所有非线性器件的交流小信号模型参数，然后在用户所指定的频率范围内对电
7、路进行仿真分析。频率响应分析能够分析传递函数的幅频响应和相频响应，亦即，可以得到电压增益、电流增益、互阻增益、互导增益、输入阻抗、输出阻抗的频率响应。分析结果均以曲线方式输出。Pspice用于噪声分析时，可计算出每个频率点上的输出噪声电平以及等效的输入噪声电平。噪声电平都以噪声带宽的平方根进行归一化。参数扫描分析就是当电路中某个参数在一定的范围变化时，对每个指定值的一次基本分析。每一种分析如DC分析，AC分析，TRAN分析都可与参数扫描分析配合使用，它在电路优化方面有着重要的作用。温度分析与参数扫描分析类似，只不过是可变化的参数是温度，即在温度变化时，分析电路特性的变化，与温度分析搭配的可以是
8、AC分析，DC分析，TRAN分析等基本特性分析。以上是对Pspice软件功能的简单介绍，大体上交代了该软件的功能，就是对电路进行各种模拟和仿真。1.5 使用Pspice的一般步骤输入电路结构：选择Draw/Get New Part或相应的图标，将元器件从库中调出放置在图形编辑页面上，再选择Draw/Wire或相应的图标画出电路连线。编辑修改电路元器件标号和参数值：包括直流电源和信号源参数。主要通过选择Edit/Attributes或相应的图标来完成。有些参数要通过Edit/Model来修改。 分析功能设置：根据不同的分析要求，选择Analysis/Setup设置不同的分析功能。电路规则检查及生
9、成电路网络表格：规则规定每个节点必须有一个到“地”的通路，每个元件至少有两个以上的连接点。该步在执行仿真时可自动完成。执行仿真：选择Analysis/Simulate或相应的图标，PSPICE开始进行电路连接规则检查和建立网络表格文件，然后自动调用PSPICE程序项进行仿真分析，分析过程能自动报错。分析结果存入文本文件*.out和波形数据文件*.dat中。如果有波形输出，就自动调用波形后处理程序Probe。仿真结果分析及输出：从输出的文本文件*.out和波形数据文件*.dat（用Probe程序打开）中观察仿真结果，这些结果还可由打印机输出。2原理分析2.1一阶电路的零状态响应分析当电路中具有一
10、个电感或者一个电容时就组成了简单的一阶电路。这时，描述电路特性的微分方程是一阶微分方程。在一阶电路中，初始条件应有一个，它们由储能元件电感或者电容的初始值来确定。一阶电路根据电源的情况分为：一阶电路的零输入响应，零状态响应，全响应，阶跃响应和冲激响应。电路中用了一阶电路中的零状态响应：就是动态元件的初始储能为零，而有外施激励引起的响应。 下面以RC串联电路为例，如图2-1， 图2-1 RC串联电路如图所示的RC串联电路开关s闭合前电路处于零初始状态，即。在t=0时刻，开关s闭合，电路接入直流电压源，根据KVL，有将=Ri，i=C代入，得电路的微分方程，RC+Uc=Us 此方程为一阶线性非齐次方
11、程。方程的解由非齐次方程的特解和对应的齐次方程的通解两个分量组成，即Uc=,可求得特解为，而齐次方程RC的通解为 其中=RC。因此Uc=Us+A。代入初始值，可求得A=-Us；Uc=Us-Us;由此得到了I=从式中可以看出Uc指数形式趋近于它的最终恒定值Us，到达该值后，电压和电流不在变化，电容相当于开路，电流为零。此时电路达到稳定状态，所以在这种情况下，特解称为稳态分量。同时可以看出与外施激励的变化规律有关，所以又称强制分量。齐次方程的通解则尤其变化规律取决于特征根而与外施激励无关，所以又称为自由分量。自由分量按指数规律衰减，最终趋于零，所以又称为瞬态分量。2.2 一阶RL电路的零状态响应分
12、析如图2-2所示的RL电路，直流电流源的电流为Is,在开关打开前电感最终的电流为零。图2-2 RL电路开关打开后，电路的响应为零状态响应。则电路的微分方程为，初始条件为。电流的通解为。特解=Is,所以。从而得到了一阶RL电路在零状态下的响应，可以看出成指数形式衰减最终趋近于Is，到达该值后，电流和电压不再变化，电感相当于短路，电压为零。3 程序设计及实验步骤3.1 实验电路图3.1.1 一阶RC串联电路图3.1.2 一阶RL串联电路图3.2 仿真曲线及运行结果（1）电压源，R、C串联（2）电压源，R、L串联4 仿真结果分析根据仿真要求，对一阶RC和RL电路在方波激励下进行了扫描分析，得到了第三
13、节的各曲线。4.1 一阶电路暂态分析4.1.1一阶RC串联电路电路中时间常数=RC=1ms，而方波的周期为4ms，大于时间常数，所以在电路中最终的曲线中有突变现象。在高电位的时候电容储存电能，电压升高；而当电压源处于低电位的时候，由于电阻消耗能量使得电容的电压不断下降。这样，就形成了电容的电压的一会上升一会下降的变化。同理电路中的电流也会变化，当电源电压处于低电位，时电流大小与电容两端的电压的变化率成正比形成脉冲。但是，在一个周期内电容储存的能量大于电阻消耗的能量，所以电路的总体趋势和恒定稳压源的电压电流变化趋势很相似。最终，电容电压接近于高电位，电流的大小在高电位时接近0。在低电位时曲线会出
14、现脉冲。4.1.2一阶RL串联电路电路中时间常数=1/RL=1ms，而方波的周期为4ms，大于时间常数，所以在电路中最终的曲线中有突变现象。在t=0时，电路中的电感相当于开路，电压等于高电位。随着时间的推移，在高电位的时候电感储存能量，通过电感的电流；而当电压源处于低电位的时候，由于电阻的消耗能量使得电感的电流不断下降。这样，就形成了电感的电流的一会上升一会下降的变化。同理电路中的电阻的电压也会变化，当电压源电压处于低电位时，电压大小与电感两端的电流的变化率成正比形成脉冲。但是，在一个周期内电容储能的能量大于电阻消耗的能量，所以电路的总体趋势和恒定稳压源的电压电流变化趋势很相似。最终，电感电压
15、接近于0，在低电位时电压曲线会出现脉冲。电阻的电压最终很接近于电源电压。4.2 影响因素分析对组件属性设置不恰当；对软件不够熟悉；画图过程中的连线节点误放；SimulationSetting中的时间设置不当等等。5 课程设计总结含有动态元件的电路发生换路后，电路会从一种稳态进入另一中稳态，一般情况下要一个暂态过程，这种过程通常只有几个毫秒甚至几个微妙，虽然时间短暂，但在工程技中具有重要意义。暂态过程有血多重要的应用，但也有其不利的一面。例如暂态过程中的过电压，过电流，其数值往往很大，这种过电压会使电路元件击穿，电气设备的绝缘损坏；而过电流会使电机、电器的绕组在瞬间产生强的功力，从而使电机、电器
16、产生严重的机械损伤。对于一阶RC电路，充电过程是向电容充电，并以电场能量的形式储存起来。随着电场能量的逐渐增加，电容端电压Uc逐渐增加，但是增加的速度随着时间的进行逐渐减小，充电电流ic=逐渐减小且随着时间的进行减小 的速度降低。这一过程进行与R、C（即时间常数=RC）的大小相关。时间常数越大，充电过程进行得越慢对于一阶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与R、L（即时间常数=）的大小相关。时间常数越大，充电越慢。6 心得体会7 参考文献1 邱关源 电路（第五版） 北京：高等教育出版社，20062周围 电路分析基础 北京：人民邮电出版社，20043 王记波 电子CAD技术 北京：清华大学出版社，20074 关健， 张晓娟 电子CAD技术 北京：电子工业出版社，20065James W. Nilsson，Susan A.Riedel. 电路M.7版. 北京：电子工业出版社，2005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
