电路课设二阶暂态分析.docx
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电路课设二阶暂态分析
1Pspice的简介
1.1PSPICE的起源与发展
用于模拟电路仿真的SPICE软件于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成,主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。
SPICE的正式版SPICE2G在1975年正式推出,但是该程序的运行环境至少为小型机。
1985年,加州大学伯克利分校用C语言对SPICE软件进行了改写,并由MICROSIM公司推出。
1988年SPICE被定为美国国家工业标准。
与此同时,各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件,在SPICE的基础上做了大量实用化工作,从而使SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件。
1.2PSPICE的组成
1.2.1电路原理图编辑程序Schematics
PSPICE的输入有两种形式,一种是网单文件形式,一种是电路原理图形式,相对而言后者比前者较简单直观,它既可以生成新的电路原理图文件,又可以打开已有的原理图文件。
电路元器件符号库中备有各种原器件符号,除了电阻,电容,电感,晶体管,电源等基本器件及符号外,还有运算放大器,比较器等宏观模型级符号,组成电路图,原理图文件后缀为.sch。
图形文字编辑器自动将原理图转化为电路网单文件以提供给模拟计算程序运行仿真。
1.2.2激励源编辑程序StimulusEditor
PSPICE中有很丰富的信号源,如正弦源,脉冲源,指数源,分段线性源,单频调频源等等。
该程序可用来快速完成各种模拟信号和数字信号的建立与修改,并且可以直观而方便的显示这些信号源的波形。
1.2.3电路仿真程序PSPICEA/D
模拟计算程序是PSPICEA/D也叫做电路仿真程序,它是软件核心部分。
在PSPICE4.1版本以上,该仿真程序具有数字电路和模拟电路的混合仿真能力。
它接收电路输入程序确定的电路拓扑结构和原器件参数信息,经过原器件模型处理形成电路方程,然后求解电路方程的数值解并给出计算结果,最后产生扩展名为.dat的数据文件和扩展名为.out的电路输出文本文件。
模拟计算程序只能打开扩展名为.cir的电路输入文件,而不能打开扩展名为.sch的电路输入文件。
因此在Schemayics环境下,运行模拟计算程序时,系统首先将原理图.sch文件转换为.cir文件,而后再启动PSPICEA/D进行模拟分析。
1.2.4输出结果绘图程序Probe
Probe程序是PSPICE的输出图形后处理软件包。
该程序的输入文件为用户作业文本文件或图形文件仿真运行后形成的后缀为.dat的数据文件。
它可以起到万用表,示波器和扫描仪的作用,在屏幕上绘出仿真结果的波形和曲线。
随着计算机图形功能的不断增强,PC机上windows95,98,2000/XP的出现,Probe的绘图能力也越来越强。
1.2.5模型参数提取程序ModelEditor
电路仿真分析的精度和可靠性主要取决于元器件模型参数的精度。
尽管PSPICE的模型参数库中包含了上万种元器件模型,但有时用户还是根据自己的需要而采用自己确定的元器件的模型及参数。
这时可以调用模型参数提取程序ModelED从器件特性中提取该器件的模型参数。
3.6元件模型参数库LIB
1.3PSPICE的模拟功能
1.3.1直流分析
直流工作点是电路正常工作的基础。
通过对电路进行直流工作点的分析,可以知道电路中各元件的电压和电流,从而知道电路是否正常工作以及工作的状态。
一般在对电路进行仿真的过程中,首先要对电路的静态工作点进行分析和计算。
直流扫描分析主要是将电路中的直流电源、工作温度、元件参数作为扫描变量,让这些参量以特定的规律进行扫描,从而获取这些参量变化对电路各种性能参数的影响。
直流扫描分析主要是为了获得直流大信号暂态特性。
1.3.2暂态分析
非线性暂态分析简称为暂态分析。
暂态分析计算电路中电压和电流随时间的变化,即电路的时域分析。
这种分析在输入信号为时变信号时显得尤为重要。
时域分析是指在某一函数激励下电路的时域响应特性。
通过时域分析,设计者可以清楚地了解到电路中各点的电压和电流波形以及它们的相位关系,从而知道电路在交流信号作用下的工作状况,检查它们是否满足电路设计的要求。
1.3.3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。
1.3.4灵敏度分析
灵敏度分析包括直流灵敏度分析和蒙特卡罗分析两种。
直流灵敏度分析也称为灵敏度分析。
它是在工作点附近将所有的元件线性化后,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元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元件,要在电路的生产或元件的选择时给予特别的关注。
1.3.5统计分析
统计分析主要包括蒙特卡罗分析和最坏情况分析。
蒙特卡罗分析是在考虑到器件参数存在容差的情况下,分析电路在直流分析、交流分析或暂态分析时电路特性随器件容差变化的情况。
另一种统计分析是最坏情况分析,它不仅对各器件参数的变化逐一进行分析,得到单一器件对电路性能的灵敏度分析,同时分析各器件容差对电路性能的最大影响量(最坏情况分析),从而达到优化电路的目的。
2原理分析
2.1电路原理图
图2-2-1二阶电路原理图
2.2原理说明
二阶电路的初始储能为零(即电容两端的电压和电感中的电流都为零),仅由外施激励引起的响应称为二阶电路的零状态响应。
如上图所示,RCL并联,根据KVL有:
Uc+UL+UR=Us可得:
LCd2Uc/dt2+RCdUc/dt+Uc=Us
这是二阶线性非齐次微分方程,它的解将由特解和对应的齐次方程的通解组成。
其特解与激励的形式相同,通解与零输入响应形式相同,再根据初始条件确定积分常数,从而得到全解。
LCd2Uc/dt2+RCdUc/dt+Uc=Us的特解与激励的形式相同,且为微分方程的一个解,则特解Uc=Us;此微分方程的通解为其对应的齐次方程LCd2Uc/dt2+RCdUc/dt+Uc=0的解。
其特征方程为:
LCp2+RCp+1=0
其特征根为:
根据日、L、C取值的不同,特征根存在三种不同的情况:
1.当
,即
时,特征根
、
为不相等的负实数,此时称为欠阻尼情况。
2.当
,即
时,特征根
、
为一对共轭复数,此时称为欠阻尼情况。
3.当
,即
时,特征根
、
为相等的负实数,此时称为临界阻尼情况。
4.特殊情况:
当R=0时电路中电阻为零,此时称为无阻尼情况。
3程序设计及实验步骤
3.1元器件的选择及放置
本次设计采用R、L、C串联电路,用到的元件有:
滑动变阻器R1、电容C1、电感L1、直流电压源V1(5V)以及地(软件要求)。
在Pspice中选择相应元器件,过程如下图:
3.2完成实验电路图
图3-1二阶零状态响应实验电路图
3.3仿真、产生曲线及运行结果
(1)临界阻尼情况
运行OrcadFamilyRelease9.2LiteEdition中的CaptureCISLiteEdition,新建空白Project,命名为erjie,按图选择相应的元器件,摆放好位置,连线,绘制原理图。
先做临界阻尼的情况,设定L1=1H,C1=1uF,则
计算得R1=2k,将电路中的电阻参数设成2k,接下来做仿真的步骤。
画好原理图后,设置仿真参数,AnalysisType设为Timedomain,下面的options在generalsettings打钩。
在Runto栏填入20ms,smartsavingdata栏填入0,在maximumstep栏填入40u。
设置完单击确定,运行pspice/run指令。
出现probe窗口,在该窗口中执行trace/addtrace命令。
再依次选择V(C1:
2),V(L1:
2)一组,I(C1)一组,得到两个曲线图依次是:
图3-2-1(a)临界阻尼情况下V(C1:
2),V(L1:
2)的变化
图3-2-1(b)临界阻尼情况下的变化I(C1)的变化
(2)欠阻尼情况
将R1的参数值设定为0.5k,此时电路处于欠阻尼情况下。
在仿真参数设定时将Runto栏填入40ms,按照3.2.1的步骤同样得到V(C1:
2),V(L1:
2)一组,I(C1)一组两个曲线图依次是:
图3-2-1(c)欠阻尼情况下V(C1:
2),V(L1:
2)的变化
图3-2-1(d)欠阻尼情况下I(C1)的变化
(3)过阻尼情况
将R1的参数值设定为5k,此时电路处于过阻尼情况下。
在仿真参数设定时将Runto栏填入20ms,按照3.2.1的步骤同样得到V(C1:
2),V(L1:
2))一组,I(C1)一组两个曲线图他们依次是:
图3-2-1(e)过阻尼情况下V(C1:
2),V(L1:
2)的变化
图3-2-1(f)过阻尼情况下I(C1)的变化
(4)无阻尼情况
将R1的参数值设定为0k,此时电路处于无阻尼情况下。
在仿真参数设定时将Runto栏填入20ms,按照3.2.1的步骤同样得到V(C1:
2),V(L1:
2))一组,I(C1)一组两个曲线图他们依次是:
图3-2-1(g)无阻尼情况下V(C1:
2),V(L1:
2)的变化
图3-2-1(h)无阻尼情况下I(C1)的变化
图3
4仿真结果及影响因素分析
4.1仿真结果分析
(1)临界阻尼情况
当R1=2K时,电路处于临界阻尼情况下时,其特征方程LCp2+RCp+1=0的两个特征根为相同负数,此时电路的处于非振荡状态,L1的电压先减小至负值后缓慢增大最后归为0,而C1电压先减小后增大最后慢慢归于5V,C1的电流先增大后减小最终减小到零。
(2)欠阻尼情况情况
当R1=0.5k时,电路处于欠阻尼情况下。
两个特征根为复数。
他们的波形呈现衰减振荡的状态,各原件的电压,电流方向呈周期性变化。
储能原件也周期性地交换能量。
最终C1的电压为5V、电流为零,L1的电流、电压均为0。
(3)过阻尼情况
当R1=5K时,电路处于过阻尼状态,两个特征根为两个不同的实数。
此状态下的曲线下,与临界阻尼曲线十分相似,各原件的电压、电流与临界阻尼情况下基本相同。
其实临界阻尼的情况是其他两种情况无限接近临界阻尼情况的极限情况。
(4)无阻尼情况
当R=0时,电路处于无阻尼状态,电路中的电压和电流均出现等幅无衰减波形。
实际上无阻尼状态就是欠阻尼状态的极限情况。
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;SimulationSettings中的时间设置不当等等。
5.设计总结
5.1结论
(1)在二阶电路的零状态响应中,根据电路中R、c、L参数的不同电路的响应情况也不同。
当L、C参数给定后,L、C响应将随着R值的不同而出现不同的状态,当R从零开始增大时,依次出现无阻尼状态、欠阻尼状态、临界阻尼状态以及过阻尼状态,同时电路中电流最大值逐渐减小。
当R=0时出现等幅无衰减状态,电路中能量在L、C间传递而不衰减;当R≠0时电路中L、C的电流和电压最后都归于0,C开路,L短路。
5.2小结
虽然学习了电路分析基础一年多的时间,但是第一次亲自设计、仿真、分析电路还是觉得有些难度,因为从电路构成、原理、性能指标分析我们都不是很清楚,尤其是学习运用软件Pspice花费了我很长时间。
但是,困难总是需要我们去克服的,通过看书、和同学探讨、上网搜集资料,我们还是成功完成了此次课程设计。
期间我们设计了无数个电路,仿真了无数次,都没有得到理想的结果。
但是,我们从没有想过要放弃。
通过本次课设对于电路仿真软件我们有了系统的认识,并且掌握了基本的操作技能,能够完成原理图的绘制及仿真等。
最重要的是锻炼了实际动手操作能力,掌握了新的技能,这大概就是学校安排这个课程设计的原因吧。
本次课设更接近与实际的结合,例如有能力和条件的小组学校老师要求每个成员都完成一份实物的制造。
学校这样要求是有意培养我们的动手能力,使我们能够更有竞争力能在现实社会中掌握真本领,有立足之地。
在了解原理、设计整个电路、绘制电路再到仿真,我个人感觉仿真部分是最难的,本次软件使用中,前几次的仿真都无法完全成功,不是没有波形就是无法形成所需要的波形。
后来通过多次修改实验原理图和实验元器件相关参数,我们最终成功出现了想要的波形。
当然对实验原理的了解和认识也非常重要,只有理解和认识了实验原理才能完成实验电路图的绘制与仿真。
经过这次课程设计,我们深刻体会到当出现问题并想方设法去解决问题的时候才是真正考验一个人的时候。
通过这次课程设计,我第一次比较独立的完成了对一个工具软件的从学习到使用的整个过程,可以想象在实际电路的设计时会是怎样的情形。
对于Pspice这个软件的强大功能有了深刻的了解。
当一次次的绘图布局与一次次的仿真失败到最终看到仿真波形的时候,心里感到非常的兴奋,虽然几经周折,但最后还是成功了,实现了应有的功能,感觉有很大的收获从这次课程设计中我们学到了很多东西,比如说团结、合作、坚持等等。
相信这将是我们以后人生中绚烂的一笔。
6心得体会
7参考文献
(1)邱关源.《电路(第五版)》.高等教育出版社,2006.3.
(2)吴友宇.《模拟电子技术基础》.清华教育出版社,2008.11.
(3)李永平.《Pspice电路设计与实现》.国防工业出版社.2005.1
(4)RayenderGoyal.High-frepuencyAnalogIntegratedCircuitDesign.NewYork:
JohnWiley&Sons.Inc,1995.
(5)RobertBNorthrop.AnalogElectronicCircruits.NewYork:
Addison-WesleyPublishingCompany,1990.
(6)赵雅兴.《PSpice与电子器件模型》北京邮电大学出版社.2004.9
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本科生课程设计成绩评定表
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