课设：电路谐振分析 节点电压、支路电流分析

课设：电路谐振分析 节点电压、支路电流分析 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明 课程设计任务书 学生姓名:刘赤利 专业班级: 电信0805 指导教师: 封小钰 工作单位: 信息工程学院 题 目: 电路CAA课程设计 ??基于PSpice的RLC串联电路的谐振分析及节点电压支路电流分析 初始条件: 1. 提供实验室机房及其PSpice软件; 2. 选RLC串联或GCL并联电路及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(至少有三条曲线以上); 2、使用该软件进行二阶电路的零状态响应分析(分三种情况:过阻尼、欠阻尼、临界 阻尼讨论)，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 值讨论); 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; ? 课程设计的(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) 完成课程设计书及答辩 一天半; 参考文献:1.《电路》第五版，邱关源，罗先觉，高等教育出版社，2004 2(《电路分析》吴锡龙主编，高等教育出版社，2004 3(《PSPICE电路设计与应用》汪建民主编，国防工业出版社，2007 指导教师签名: 年 月 日 系主任(或责任教师)签名: 年 月 日 1 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 目录 1 PSPICE软件简介......................................................1 2 RLC串联电路的谐振分析...............................................4 2.1 RLC串联电路谐振原理分析.............................................4 2.2 电路设计............................................................5 2.2(1 RLC串联电路......................................................5 2.3仿真结果及所得曲线..................................................6 2.3.1RLC串联电路谐振...................................................6 2.4 曲线分析及总结.....................................................10 2.4.1 RLC串联谐振电路的曲线分析........................................10 3 节点电压支路电流分析.................................................12 3.1 设计原理...........................................................12 3.1.1 电路图...........................................................12 3.1.2 理论知识.........................................................12 3.1.3 原理说明.........................................................13 3.2 设计内容及步骤.....................................................14 3.2.1绘制原理图.......................................................14 3.2.2 仿真及运行结果...................................................14 3.3 仿真结果分析.......................................................16 4 心得体会...........................................................17 5 参考文献...........................................................18 本科生课程设计成绩评定表...............................................19 1 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 1 CAA设计软件Pspice简介 从20世纪50年代晶体管电路逐步取代电子管电路以来，半导体电路经历了小规模集成电路(SSI)、中规模集成电路(MSI)、大规模集成电路(LSI)、超大规模集成电路(VLSI)和甚大规模集成电路(ULSI)4个发展阶段，使集成电路的功能越来越强，集成度越来越高，规模越来越大。要分析和设计复杂的电子系统，人工分析、设计已不适用，必须采用计算机辅助分析与设计，即采用CAA与CAD(Computer Aided Analysis and Design)技术。正因为如此，CAA与CAD已经成为分析和设计电子电路的关键技术之一，各种软件也应运而生，Spice和Pspice软件相继问世。. Spice(Simulation Program with Intergraded Circuit Emphasis，侧重于集成电路的模拟程序)是美国加利福尼亚大学伯克莱分校研制的模拟电路仿真软件，从20世纪70年代初期问世以来已经有20多个版本。Pspice是美国Microsim公司开发的众多Spice不同分支中的一种，主要用于PC机上，实现电子电路设计的模拟和仿真。 Pspice可以进行模拟电路分析、数字电路分析和数模混合电路分析，因此在设计制作实际电路前，可以使用它模拟电路的性能，调整器件参数，分析电路的结构，而且这种分析不受器件的数量、类型和损耗情况的限制，不需要任何实际仪器。它还可以快速、方便、精确地评价电路设计的正确性，获得电路的技术指标，节省大量的时间和费用。同时，它还能反映元器件的改变对电路所造成的影响，分析一些较难测量的电路特性，例如噪声、频谱分析、失真、器件和环境温度对电路的影响等，从而大大提高电路的设计质量。可见 Pspice软件相当于一个模拟的“实验台”，可以代替大部分制板实验工作，所以一般来说，Pspice是进行实际电路工作前必要的仿真过程。但是要想利用它得到好的设计结果还必须具备使用此工具的熟练能力和丰富经验。 PSpice有很多优点: 1 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 第一，Pspice的元器件模型库提供了几千种常用器件，包括电阻、电容、电感、晶体管和集成电路，用户可以直接调用，也可以自己建立模型，或对库中已有的器件模型进行修改。 第二，利用Pspice的仿真功能，可以对一些传统难以进行的实验进行仿真模拟，比如电路的温度特性、容差、灵敏度、最坏情况分析等，提高电路分析和设计的应用范围。 第三，利用Pspice的图表功能，可以对电路进行仿真测试，不仅能测试电路的静态工作点、放大倍数、输入输出阻抗参数，还可以描绘模拟电路和数字电路中各测试点的波形，观察器件或温度的变化对电路性能的影响，比如饱和失真、截止失真、放大倍数的上升与下降等因素对器件的影响。 第四，Pspice仿真系统中为用户提供了节点访问，用户通过在电路中标上节点号，然后就可以在仿真图中观测到各个节点以及各节点之间的情况。同时，仿真结果图还向用户提供了加、减、乘、除等基本的数学运算，提供了绝对值、均方差、正弦、余弦、对数、指数等基本函数运算，这是其他软件所无法比拟的。 第五，Pspice实用性强，仿真效果好。因为如果用Protel等软件仿真时，仿真过程复杂，当改变某个参数，即使是电阻值或是电容值，都需要重新建立网络表的连接，而在Pspice中，改变参数的仿真是非常容易实现的。 第六，Pspice操作简单、易学，高版本采用Windows界面、菜单式结构，使用鼠标和键盘热键进行操作，工作效率更高。.. 美国的OrCAD公司是世界上知名度很高的EDA公司。1998年OrCAD公司与开发Pspice软件的Microsim公司实现了强强联合，推出了新版本OrCAD Pspice 9。OrCAD Pspice 9不仅大大丰富和完善了模拟电路的分析功能，也进一步增强了数字电路、数,模混合电路的分析功能。 OrCAD Pspice 9的逻辑模拟功能有: 第一，分析数字电路输出与输入之间的逻辑关系; 第二，分析数字电路的延迟特性; 第三，对同时包含有模拟器件和数字器件的电路进行数,模混合模拟，可以同时显示出电路内部的模拟信号和数字信号波形; 第四，检查数字电路中是否存在时序异常和冒险竞争现象; 第五，实现最坏情况逻辑模拟。 1 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 目前，OrCAD公司已经推出了Pspice最新版本Pspice 9(2，其功能更加完善 Pspice仿真软件是省时、经济地从事科研工作的有力手段，它给电路设计者和软件使用者提供了极大的便利，具有极大的工程应用价值。 Pspice是计算机辅助分析设计中的电路模拟软件。它主要用于所设计的电路硬件实现之前，先对电路进行模拟分析，就如同对所设计的电路用各种仪器进行组装、调试和测试一样，这些工作完全由计算机来完成。用户根据要求来设置不同的参数，计算机就像扫描仪一样，分析电路的频率响应，像示波器一样，测试电路的瞬态响应，还可以对电路进行交直流分析、噪声分析、Monte Carlo统计分析、最坏情况分析等，使用户的设计达到最优效果。以往一个新产品的研制过程需要经过工程估算，试验板搭试、调整，印刷板排版与制作，装配与调试，性能测试，测试指标不合格，再从调整开始循环，直至指标合格为止。这样往往需要反复实验和修改。而仿真技术可将“实 ”合二为一。为确定元件参数提供了科学的依据。它的优点主要有: 验”与“修改 (1)为电路设计人员节省了大量的时间。 (2)节省了各种仪器设备。 (3)生产产品一致性好、可靠性高。 (4)产品的更新率高、新产品投放市场快等。 Pspice程序采用改进节点法列电路方程，用牛顿-莱普生方法的改进算法进行非线性分析，用变节步长的隐式积分法进行瞬态分析，在求解线性代数方程组时，采用了稀疏矩阵技术。 本次课程设计即采用Pspice软件进行电路图绘制及仿真。 1 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 2 RLC串联电路的谐振分析 2(1原理分析 2.1 .1RLC串联谐振原理分析 (1)本次设计采用3条RLC串联支路，分3种Q值进行阻抗、电流频率特性分析。在 每一条RLC串联电路中，在可变频的电压源V的激励下，由于感抗、容抗随频率变动，所1 以电路中的电流应亦随频率变动。 1输入阻抗Z(jw),R,j(wL ) wC 1wL,wC频率特性表示为 ,(jw),arctan()R 由于串联电路中同时存在电感L和电容C，两者的频率特性不仅相反，而且直接相减。 所以可以肯定，一定存在一个频率w，使感抗容抗完全抵消，即X(jw)=0.此时，(jw),000 1,=0，RLC串联电路发生串联谐振，即电感电容同时存在，且满足L,,0。则谐振频率,C 1f=RLC串联谐振频率只有一个，且只与R、L有关，与电阻R无关。 02,LC (2)只有当输入信号V的频率与电路的固有频率f相同时，才能在电路中激起谐振。10 电路在谐振时的电流I(j w)为极大值，也是最大值，即谐振峰。当V的幅度不变，谐01振峰仅与电阻R有关，改变R即能改变谐振峰的大小。 (3)串联谐振时，电抗电压U(jw)=0，L、C串联端口相当于短路两者模值相等且反x0 相，完全抵消，则定义谐振电路的品质因数Q wL11LQ Q值综合反映了电路中三个参数对谐振状态的影响。 def,,RwCRRC 1 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 2.2 电路设计 2.2.1 RLC串联谐振电路设计 图3.1 RLC串联谐振电路 如图所示，电路中用到的元器件有:电阻R1,R2,R3,其阻值分别为:1，2，1.电感L1,L2,L3的电感值分别为:30mh，35mh，35mh。电容C1,C2,C3，容值都为:0.1u。其参数设置用控制变量法，以便于分别研究R,L,C对谐振的影响。 1 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 2.3 仿真结果及所得曲线 2.3.1 RLC串联谐振分析 在不同情况下频率的取值范围分别设置为: 表4.1 各情况下所取频率范围表 Start(单位:KHz) End(单位:KHz) 只显示I(R)一条曲线时 2.85 2.95 1 只显示I(R)一条曲线时 2.5 3.5 2 只显示I(R)一条曲线时 2.5 3.5 3 显示I(R)I(R)I(R)三条曲线时 2.5 3.5 123 设置好后，执行Pspice下Run，出现Probe窗口。执行Trace下Add Trace命令即可看到I(R1)、I(R2)、I(R3)阻抗、电流频率特性曲线。如图: 1 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 图4.1 R1支路的频率响应曲线(R1支路谐振时，该支路电流达到最大) 图4.2 R2支路的频率响应曲线(R2支路谐振时，该支路电流达最大) 1 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 图4.3 R3支路的频率响应曲线(R3支路谐振时，该支路电流达最大) 图4.4 R123的频率响应曲线(谐振频率与R无关，谐振峰与R成反比) 1 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 图4.5 阻抗曲线(谐振时，阻抗最小) 图4.6相频响应曲线 1 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 2.4 曲线分析及总结 2.4.1 RLC串联谐振分析 阻抗及频率特性分析 (1) R支路，对该RLC串联电路，当谐振时 1 1,阻抗 Z(jw)=R+=R，为最小值，如图4.5所示。 j(L,)1,C 此时电路中电流达到最大I(R)=U/R=1/2A=0.5A,如图4.1所示。 11 11,2.91谐振频率 f==KHz，如图波峰处。 0,，，20.030.00000012,LC 110.03LQ,,,547.72品质因数 RC10.0000001 (2) R支路，对该RLC串联电路，当谐振时 2 1,Z(jw)阻抗 j(L,)=R+=R，为最小值，如图4.5所示。 2,C 此时电路中电流达到最大I(R)=U/R=1/2A=0.5A, 如图4.2所示。 22 1 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 11,2.69谐振频率 f==KHz，如图波峰处。 0,，，20.0350.00000012,LC 110.035LQ,,,591.6品质因数 RC10.0000001 (3) R3支路，对该RLC串联电路，当谐振时， 1,阻抗 =R+=R，为最小值，如图4.5所示。 Z(jw)j(L,)3,C 此时电路电流达到最大I(R=1/1A=1A,如图4.3所示。 )=U/R33 11,2.69谐振频率 f==KHz，如图波峰处。 0,，，20.0350.00000012,LC 110.035LQ,,,591.6品质因数 RC10.0000001 (4)图4.4对应于R、R、R支路，对该三支RLC串联电路，在曲线图中可以清楚123 的看到R值不同L、C值相同的R支路、R支路各自发生串联谐振时:曲线峰值为同一频23 率，表明谐振频率与R无关;曲线峰值大小不同，表明谐振峰与R有关，且成反比。在曲 线图中还可以看到L值不同R、C值相同的R、R支路各自发生串联谐振时:曲线峰值不12是同一频率，表明谐振频率与L有关，同理可分析谐振频率与C值也有关。 (5) 图4.6显示出R、R、R三条支路的相频响应变化。 123 1 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 3节点电压支路电流分析 3.1 设计原理 3.1.1 电路图 1 I1武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 1Adc R2R3 n1n3n2 11 R4 1 R5R6 11V10 5Vdc图2-1 支路分析图 其中，R2=R3=R4=R5=R6=1，U1=5V，I1=1A; 参考电流方向为顺时针，流过电流源电流为i1，流过R2电流为i2，流过R6的为i3。 3.1.2 理论知识 列出支路电流法的电路方程的步骤如下: (1)选定各支路电流的参考方向。 (2)对(n-1)个独立结点列出KCL方程。 (3)选取(b-n+1)个独立回路，指定回路的绕行方向，按照公式列出方程。 节点电压法的基本步骤: (1)指定参考节点，其余节点对参考节点之间的电压就是节点电压。通常以参考节点为各节点电压的负极性。 (2)按一般公式列出节点电压方程，注意自导总是正的，互导总是负的;并注意各节点注入电流前面的“+”、“-”号。 (3)当电路中有受控源或无伴电流源时需另行处理。 1 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 3.1.3 原理说明 如图2—1所示，该电路图中共有3个节点，6条支路，n1、n2、n3节点电压设 为Un1、Un2、Un3 。各路电流依次为i1、i2、i3 。 如果用节点电压法求解，列出节点电压方程: 111U1; Un1*(，),Un2*,,I1R4R2R2R4 11111; Un2*(，，),Un1*,Un3*,0R2R5R3R2R3 111。 Un3*(，),Un2*,I1R6R3R3 易求得:Un1、Un2 和Un3。 如果用支路电流法求解，选定参考方向如图，列支路电流的方程为: i1=i2; i2*(R2+R4+R5)-i1*R2-i3*R5=U1; i3*(R3+R5+R6)-i1*R3-i2*R5=0; 易求得:i1，i2，i3。 1 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 3.2 设计内容及步骤 3.2.1 绘制原理图 运行Orcad Family Release 9.2 Lite Edition中的Capture CIS Lite Edition，新建空白Project，命名为hjj，按图1—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。 3.2.2 仿真及运行结果 在hjj中设置仿真参数，Analysis Type设为Bias Point ; Output File Options 选 Include detailed , 然后确定 。 执行Pspice下Run，出现Probe窗口。然后在原图上方点击电压，电流符号，即 I1 可在原图上显示出各节点电压，支路电流。如图: 1Adc R2R3 n1n2 n311 R4 1 R5R6 11V1 5Vdc 0 图3-1 支路分析电压图 1 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 I1 1Adc R2R3 n2n1n3 11R4 1 R5R6 11V1 5Vdc 0 图3-2 支路分析电流图 1 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 3.3 仿真结果分析 由理论公式代入数据: 节点电压法: Un1*2-Un2*1=5-1; Un2*3-Un1*1-Un3*1=0; Un3*2-Un2*1=1; 求得: Un1=2.625V ， Un2=1.25V ，Un3=1.125V ，与仿真生成值一样。 支路电流法: i1=1; i2*3-i1*1-i1*1=5; i3*3+i1*1-i2*1=0; 求得: i1=1A ，i2=1.375A ，i3=1.125 ，与仿真生成值一样。 1 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 4 心得体会 1 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 参考文献 [1]吴友宇.模拟电子技术基础.北京:清华大学出版社.2009.5 [2]王源.电子电路CAD 程序及其应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001. [3]李永平.Pspice电路设计与实现.北京:国防工业出版社.2005.1 [4]Mark N. Horenstein.Microelectronic Circruits and Devices.2nd ednew jersey:Prentice-Hall Inc,1996 [5]Robert B. Northrop.Analog Electronic Circruits.New York:Addison-Wesley Publishing Company,1990 [6]Rayender Goyal. High-frepuency Analog Integrated Circuit Design. New York:John Wiley &Sons.Inc,1995 1