CAA-课设.doc

课程设计任务书学生姓名: 吴庆 专业班级: 电信0906 指导教师: 李景松 工作单位: 信息工程学院 题 目: 电路CAA课程设计基于PSpice的节点电压、支路电流分析基于PSpice的一阶电路的暂态分析初始条件:1. 提供实验室机房及其PSpice软件；2. 自选一电路图（3个节点、4条支路以上）。3. 选一阶RC和RL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、使用该软件进行电路的节点电压、支路电流分析；3、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；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) 周守昌主编. 电路原理（上，下册）.2版.北京高等教育出版社，2004. (2) 汪建民.PSpice电路设计与应用. 北京：国防工业出版社，2004. (3) 邱关源主编.电路（第三版上，下册）.北京：高等教育出版社，2005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- 3 -1.1 PSPICE程序简介- 4 -1.2 PSPICE功能简介- 5 -2.电路原理- 8 -2.1节点电压、支路电流电路- 8 -2.2一阶暂态电路- 11 -3. 仿真曲线- 13 -3.1.节点电压，支路电流仿真图- 13 -3.2一阶暂态电路仿真图- 15 -4曲线分析- 18 -4.1节点电压、支路电流仿真图分析- 18 -4.2节点电压仿真曲线分析- 18 -4.3 一阶电路暂态分析- 19 -5设计电路分析总结- 20 -5.1节点电压、支路电流分析- 20 -5.2一阶暂态电路分析总结- 20 -6.课程设计心得- 22 -7.参考文献- 23 -1.PSPICE软件简介 用于模拟电路仿真的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）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FORTR AN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SPICE 2G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。PSPICE采用自由格式语言的5.0版本自80年代以来在我国得到广泛应用，并且从6.0版本开始引入图形界面。1998年著名的EDA商业软件开发商ORCAD公司与Microsim公司正 式合并，自此Microsim公司的PSPICE产品正式并入ORCAD公司的商业EDA系统中。不久之后，ORCAD公司已正式推出了ORCAD PSPICE Release 10.5，与传统的SPICE软件相比，PSPICE 10.5在三大方面实现了重大变革：首先，在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；第二，不但能够对模拟电路进行，而且能够对数字电路、数/模混合电路进行仿真；第三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并且可以随时分析观察仿真结果。PSPICE软件的使用已经非常流行。在大学里，它是工科类学生必会的设计电路工具；在公司里，它是产品从设计、实验到定型过程中不可少的设计工具。1.1 PSPICE程序简介 PSPICE是由SPICE发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是由美国加州大学伯克莉分校于1972年开发的电路仿真程序。随后，版本不断更新，功能不断增强和完善。1988年SPICE被定为美国国家工业标准。目前微机上广泛使用的PSPICE是由美国MicroSim公司开发并于1984年1月首次推出的。SPICE有工业版（Production version）和教学版(Evaluation version）之分，本书介绍1986年8月推出的PSPICE6.3版本（MicroSim Evaluation Version 6.3，即教学版，有时也称为学生版）。它能进行模拟电路分析、数字电路分析和模拟数字混合电路分析。 PSPICE6.3可以对众多元器件构成的电路进行仿真分析，这些元器件以符号、模型和封装三种形式分别存放在扩展名为slb、lib和plb三种类型的库文件中。*.slb库中的元器件符号用于绘制电路图；*.lib库中的元器件模型用于电路仿真分析；*.plb库中的元器件封装形式用于绘制印刷电路板的版图。在电路仿真分析中只用到前两个库。1.1.1 PSPICE6.3运行环境 硬件环境：486以上的IBMPC机或兼容机，8M以上内存，最好有80M以上硬盘空间（PSPICE6.3完全安装将占用63M左右的空间），标准键盘及VGA以上显示适配器，鼠标，CD-ROM驱动器（用于安装PSPICE）。 软件环境：Windows3.X、Windows95或WindowsNT3.51以上1.2 PSPICE功能简介 PSPICE6.3可执行的主要分析功能如下： 1.2.1 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。 1.2.2 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。小信号转移特性分析主要分析在小信号输入的情况下，电路的各种转移函数，通常分析的是电路的电压放大倍数。噪声分析是电路设计的重要内容之一。在模拟电路中，无源器件和有源器件均会产生噪声，主要包括电阻上产生的热噪声，半导体器件产生的散粒噪声和闪烁噪声。在噪声分析时，将元件的噪声等效为一个输入信号进行交流分析。通过噪声分析可以计算出各器件在某一输出节点产生的总噪声以及某一输入节点的等效输入噪声。从而可以分析一个电路产生噪声的主要来源，采取一定的电路设计措施来减小噪声的影响。1.2.3 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。直流灵敏度分析业称为灵敏度分析。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。1.2.4 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。PSPICE10.5个人认为它最为突出之处，是改进了其9.2版本，使绘制电路，以及仿真算法更加优化，更加节省时间（以前进行1S的仿真如果取点ms级，那将是非常恐怖的事情），而且蒙特卡罗分析和最坏情况分析有助于我们模拟在不同温度和环境，以及元件损坏的情况下电路的实现过程及结果，那么我们就知道电路的弱点，以及电路中的最重要元件，就可以相应的对其采取保护、散热等措施。2.电路原理2.1节点电压、支路电流电路2.1.1设计原理图图2-1 节点电路2.1.2参数说明：这个电路图的原件参数都已标注于电路图上面。2.1.3原理图分析：在电路中任意选择某一节点为参考节点，其他节点为独立节点，这些节点与参考节点之间的电压成为节点电压，节点电压的参考极性是以参考节点为负，其余独立节点为正。由于任一支路都连接在两个节点上，根据KVL，不难断定支路电压就是两个节点电压之差。如果每一个支路电流都可由支路电压来表示，那么它也一定也可以用节点电压来表示。在具有n个节点的电路中写出其中（n-1）个独立节点的KCL方程，就得到变量为（n-1）个节点电压的共（n-1）个独立方程，称为节点电压方程，最后由这些方程解出节点电压，从而求出所需的电压、电流。这就是节点电压法。 对一个具有b条支路和n个节点的电路，当以支路电压和支路电流为电路变量列方程时，总共有2b个未知量。为了减少求解的方程数，可以利用元件的VCR将各之路电压以支路电流表示，然后代入KVL方程，就得到以b个支路电流为未知量的b个KVL和KCL方程。这种方法称为支路电流法。 方法一：利用支路电流法解题的步骤： （1）任意标定各支路电流的参考方向和网孔绕行方向。 （2）用基尔霍夫电流定律列出节点电流方程。有n个节点，就可以列出n-1个独立电流方程。 （3）用基尔霍夫电压定律列出L=b-（n-1）个网孔方程。说明：L指的是网孔数，b指是支路数，n指的是节点数。 （4）代入已知数据求解方程组，确定各支路电流及方向。利用以上步骤，设电压源V1的电压为U1。可通过支路电流法分别算得流过的电流为 流过的电流为 流过的电流为 流过的电流为 流过电压源的电流为同样可以推得各个节点电压的大小：其中选取N0的电压为参考地点，其电压值始终为0，从而可以推得节点N1的电压值为,节点N2的电压值为方法二：利用节点电压法解题步骤：（1）选择参考节点，设定参考方向（2）求节点电压U（3）求支路电流通过此方法同样可以分别算得流过 的电流为 流过的电流为 流过的电流为 流过的电流为 流过电压源的电流为同样也可以推得各个节点电压的大小：其中选取N0的电压为参考地点，其电压值始终为0，从而可以推得节点N1的电压值为,节点N2的电压值为由这些电流电压的表达式可以看出，各电压电流随的变化都是直线变化的，所以可以推测仿真出来的图像是线性的关系。2.2一阶暂态电路2.2.1一阶暂态电路设计原理图2.2.1.1 RC一阶零状态响应。 图2-2 RC电路2.2.1.2 RL一阶零状态响应。图2-3 RL电路2.2.2电路图原理说明2.2.2.1仿真参数说明：不断调整电路图中元件参数（其中，电源的参数不变）。具体变化如下：表2-2-1（对于图2-2）R（单位：K）C（单位：uF）只显示U（C1）一条曲线时11只显示U（C2）一条曲线时10.5只显示U（C3）一条曲线时10.2表2-2-2（对于图2-3）R（单位：K）L（单位： H）只显示I（L1）一条曲线时11只显示I（L2）一条曲线时12只显示I（L3）一条曲线时152.2.2.2RC一阶零状态响应原理分析上述的RC电路是一阶线性电路，电路的响应是由稳态分量（包括零值）和暂态分量两部分相加而得，如写成一般式子，则为f（t）= f（t）+ f（t）= f（）+A e-t/式中 f（t）是电流或电压，f（）是稳态分量，A e-t/是暂态分量。若初始值为 f（0+）， 则得 A=f（0+）-f（） 于是f（t）= f（）+f（0+）-f（）e-t/这就是分析一阶线性电路的暂态过程中任意变量的一般公式。只要求得f（0+）、f（）和这三个 “要素”，就能直接写出电路的响应。至于电路响应的变化曲线，都是按指数规律变化的（增长或衰减）。2.2.2.3 .RL一阶零状态响应原理分析。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，流过电感的电流逐渐增加，由于磁场的反作用，增加的速度逐渐变慢。时间常数：这一过程进行得快慢与、（即时间常数 ）的大小相关时间常数越大，放电过程进行得越慢。开关打开后，电路接入直流电流源Is，电路的微分方程为： 可以推导得：，其中为电流充满时电感电流的稳态值。 3. 仿真曲线 3.1.节点电压，支路电流仿真图.3.1.1 支路电流仿真曲线图31 R1,R2,R3,R4的电流图32 R4，V1的电流图31中从上到下依次是R1,R2,R3,R4的电流随电压源的变化曲线，图32从上到下依次是R4，V1.从图中可以看出，R3与R4的电流和等于R2的电流。这与理论分析中基尔霍夫电流定律相符合的。显然有然而的电流值却是随的增加而反向增大，这是因为我的原理图（图31）中的的管脚（pspice中默认是从1流向2）与实际电流的流向是相反的，所以仿真出来的结果是个负值。 3.1.2 节点电压仿真曲线图32 N1,N2,NO节点电压图32中从上到下一次是N1,N2,N0节点电压随的变化而变化，其中N0是一条恒为0的直线，节点N1就是电源电压，节点N2的电压为0.25，这些都是与理论分析完全相符合。3.2一阶暂态电路仿真图 3.2.1一阶RC电路图3-3 电容C1的电压变化 图3-4 电容C2的电压变化 图3-5 电容C3的电压变化 图3-6电阻R1电流变化3.2.2 一阶RL电路 图3-7 L1的电流 图3-8 L1的电流图3-9 L1的电流 图3-10 R1的电流4曲线分析4.1节点电压、支路电流仿真图分析图3-1中从上到下依次是的电流随电压源的变化曲线，图3-1从上打下一次是从图中可以看出，的电流都是随的增加而增加，并且R2的变化速度更加快。这与理论分析中 是现符合的，显然有然而的电流值却是随的增加而反向增大，这是因为我的原理图（图31）中的的管脚（pspice中默认是从1流向2）与实际电流的流向是相反的，所以仿真出来的结果是个负值。不难发现其斜率的大小也是与理论分析中 的分析结果是相同的。4.2节点电压仿真曲线分析图3-2中从上到下一次是N1,N2,N0节点电压随的变化而变化，其中N0是一条恒为0的直线，节点N1就是电源电压，节点N2的电压为0.25，这些都是与理论分析完全相符合。4.3 一阶电路暂态分析4.31 RC一阶电路零状态响应曲线分析输入方波电压源，对于第一支路，时间常数为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，图3-3的曲线趋近于Us的时间为 5ms。输入方波电压源，对于第二支路, 时间常数为0.5ms,图3-4的曲线趋近于Us的时间为 2.5ms。输入方波电压源，对于第三支路, 时间常数为0.2ms,图3-5的曲线趋近于Us的时间为 1ms。综合以上3条曲线可以观察到越小，曲线的弯曲弧度越大，Uc趋近于Us所需要的时间越短。表明时间常数可以表示Uc趋于稳定的速率。越小，Uc趋于稳定的Us的速率越快。4.3.2 RL一阶电路零状态响应曲线分析输入方波电压源，对于R1支路，时间常数,i(L)以指数形式趋近于它的终极恒定值Is,到达该值后，电压和电流不再变化，电感相当于短路，电感两端电压为零。时间常数表示指数衰减的速度，图3-7的曲线趋近于Is的时间为3ms。输入方波电压源，对于R2支路，时间常数,图3-8的曲线趋近于Is的时间为6ms。输入方波电压源，对于R3支路，时间常数,图3-9的曲线趋近于Is的时间为15ms。从以上3条曲线曲线可以观察到时常数越大时，曲线的弯曲弧度越平缓i(L) 趋近于Is所需要的时间越长。表明时间常数可以表示i(L)趋于稳定的速率。越大，Uc趋于稳定的Us的速率越慢。 5设计电路分析总结5.1节点电压、支路电流分析在电路中任意选择某一节点为参考节点，其他节点为独立节点，这些节点与参考节点之间的电压成为节点电压，节点电压的参考极性是以参考节点为负，其余独立节点为正。由于任一支路都连接在两个节点上，根据KVL，不难断定支路电压就是两个节点电压之差。如果每一个支路电流都可由支路电压来表示，那么它也一定也可以用节点电压来表示。在具有n个节点的电路中写出其中（n-1）个独立节点的KCL方程，就得到变量为（n-1）个节点电压的共（n-1）个独立方程，称为节点电压方程，最后由这些方程解出节点电压，从而求出所需的电压、电流。这就是节点电压法。 对一个具有b条支路和n个节点的电路，当以支路电压和支路电流为电路变量列方程时，总共有2b个未知量。为了减少求解的方程数，可以利用元件的VCR将各之路电压以支路电流表示，然后代入KVL方程，就得到以b个支路电流为未知量的b个KVL和KCL方程。这种方法称为支路电流法。5.2一阶暂态电路分析总结这次课程设计比较困难，主要运用到PSPICE中的Capture CIS Lite Edition绘制原理图，然后用simulation进行电路图的仿真曲线分析。我的设计题目是RC和RL一阶电路零状态响应分析，通过查数据，以及对原理的分析，对原理图中的参数进行反复修改和验证，终于完成了这次设计任务书。这次设计验证了：（1）一阶电路零状态响应的时间常数决定了uc或i(L)趋于稳态的时间长短。（2）RC电路中决定时间常数的参数是R和C,其中。（3）RL电路中决定时间常数的参数是R和L，其中。6.课程设计心得电路课设是一门实践性很强、交叉性很强的学科，它提供给我们的不仅是一种方法论，更是一种世界观。在没有接触这门课时，我一直认为电路课设就是论文。能写出文字就OK了，从没有想过，在书写自己的设计方案时会涉及软件操作上的问题。对如那些看是简单的问题怎么用仿真图形来表针它，想得我一头雾水。做了两周的课程设计，有很多的心得体会，有关于电路方面的，更多的是关于人与人之间关系方面的。 当然理论知识是用来指导实践的，亲身体验才能领悟软件工程的妙用。课设我们选择了一阶暂态和节点分析，虽然原理很简单，虽然如此我们还是花了很大的时间去完成它。记得当时我们得到这个题目是晚上，在讨