一阶暂态分析

1、课程设计任务书学生姓名_ 专业班级:指导教师:黄晓放工作单位: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初始条件：提供实验室机房及其PSpice软件；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（至少有三条曲线）；2、使用该软件进行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、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

2、计的心得体会（至少800字，必须于写。）；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）丘关源.电路（第五版）.高等教育出版社，2006.3.（2电子技术基础。（3）李永平.Pspice电路设计与实现.国防工业出版社.2005.1指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年目录月日 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 1 Pspice 的简介 (3) HYPERLINK

3、 l bookmark41 o Current Document Pspice的起源与发展(3)Pspice 的组成(3)Pspice的模拟功能(4) HYPERLINK l bookmark75 o Current Document 2理论分析 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document 一阶电路3程序设计(10)3.1实验电路图 (10) HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 3.2仿真、产生曲线及运行结果(11) HYPERLINK l bookmark95 o Current Document 4仿真

4、结果分析(17)一阶电路(18) HYPERLINK l bookmark101 o Current Document 4.2影响因素分析(18) HYPERLINK l bookmark104 o Current Document 5总结(19) HYPERLINK l bookmark107 o Current Document 6心得体会(20) HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 7参考文献(21) HYPERLINK l bookmark113 o Current Document 8本科生课程设计成绩评定表(22)1 Pspice的

5、简介PSPICE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的组成1.2

6、.1电路原理图编辑程序SchematicsPSPICE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，品体管，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Stimulus EditorPSPICE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。

7、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PSPICE A/D模拟计算程序是PSPICE A/D也叫做电路仿真程序，它是软件核心部分。在PSPICE 4.1 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

8、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PSPICE A/D进行模拟分析。1.2.4输出结果绘图程序ProbeProbe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Model Editor电路仿真分析的精度和可靠性主要取决

9、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Model ED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LIB1.3 PSPICE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

10、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

11、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

12、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原理分析一阶电路2.1电路原理图图2-2-1 （a） RC 一阶电路2.1.2原理分析图2-2-1（b）RL 一阶电路（1）电压源，R、L串联电路零状态响应就是电路在零

13、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。如图所示串联电路，开关S闭合前电路处于零初始状态，即%（。）= 0。在t=0时刻， 开关S闭合，电路接入直流电压源Us=0。根据KVL，有u + u U将uR = Ri , i-C十代入，得电路的微分方程duRC + uC = 0此方程为一阶线性非奇次方程。方程的解由非齐次方程的特解uc和对应的齐次方程的 通解u ”两个分量组成，即u u + u ，不难求得特解为u U，而齐次方程CC C CCSduRC C + u = U的通解为uC = Ae -：，其中t - RC o因此uC= Us + Ae 一；，代入初始值，可求得A - -U

14、、而tt. -u - U - U e t - U (1 - e t ),du U i C C s e t。dt R（2）电压源，R、L串联电路 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，j增加的速度逐渐 变慢。时间常数：这一过程进行得快慢与成、 (即时间常数T = lr)的大小相关，时 间常数越大，放电过程进行得越慢。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。随着磁开关打开后，电路接入直流电流源七，电路的微分方程为:dt可以推导得:)=I (1 e t )，Sdiu = L L = RIdt其中iL ( 3 )为电流充满时电感电流的稳态值。3程序设

15、计及实验步骤3.1实验电路图阶电路的暂态分析（1）电压源，R、C串联R11k2V1 = 0V11V2 = 1.5V (nJC1TD = 0TR = 01 1uTF = 0PW = 0.5msPER = 0.5ms J图3-1-1（a）RC 一阶电路实验电路图（2）电流源，R、L并联= 0= 1.5TD = 0TR = 0TF = 0PW = 0.5msPER = 0.5msI1R21kL11H图3-1-1 (b) RL 一阶电路实验电路图3仿真、产生曲线及运行.2.1 一阶电路(1)电压源，R、C串联电容C电压变化电阻R电流变化(2)电流源，R、L并联图3-2(c)电感L2电流的变化图3-1

16、(d)电感的电压变化图3-2(e)电阻R2电压的变化4仿真结果分析阶电路暂态分析(1)电压源，R、C串联电路中时间常数t=RC=1ms，而方波的周期为0.6ms，小于时间常数。所以在电路中最 终的曲线中有突变现象。在高平电位的时候电容储存电能，电压升高；而当电压源处于低 平电位的时候，由于电阻的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平时， 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识。最终，电容

17、电压接近于高电位，电流的大小在高电 平时接近0，在低电平时曲线会出现脉冲。(2)电压源，R、L串联这个电路的分析和上个实验分析很相似。电路中时间常数t =L/R=1ms，而方波的周期 为0.6ms，小于时间常数。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。电压等于高平电位。随着时间的推移，在高平电位的时候电感储存电能， 通过电感的电流；而当电压源处于低平电位的时候，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，当电源电压处于低电平时，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识。最终，电感电压接近于0，在低电平时电压曲线会 出现脉冲。电阻的电压最终很接近于电源电压。4.3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；Simulation Settings中的时间设置不当等等。5总结(1)一阶电路当电压源为方波时，RL,RC电路中