电路CAA课程设计-基于PSpice的节点电压、支路电流分析

电路CAA课程设计-基于PSpice的节点电压、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: 专业班级: 电信 班 指导教师: 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 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)。 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; 、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， 3 具体包括: ? 目录; ? 理论分析; ? 程序设计; ? 程序运行结果及图分析和; ? 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) 刘岚 叶庆云 主编，《电路分析基础》 ，高等教育出版社，2010 (2) 邱关源 主编，《电路》(第5版)，高等教育出版社，2006 (3) 李永平 《Pspice电路设计与实现》 ，国防工业出版社，2005 指导教师签名: 年 月 日 系主任(或责任教师)签名: 年 月 日 1 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 目 录 1. CAA设计软件—Pspice简介 ...................... 3 1.1 Pspice发展历程 1.2 Pspice程序简介 1.3 Pspice的优越性 2. 电路原理 ..................................... 6 2.1 概念解释 2.2 原理电路图 2.3 电路图的理论分析 2.3.1 支路电流法 2.3.2 节点电压法 3. 绘图仿真 ..................................... 9 3.1 绘制原理图 3.2 开始仿真 3.3 仿真曲线 3.3.1 电路参数图 3.3.2 支路电流仿真曲线 3.3.3 节点电压仿真曲线 4. 仿真结果分析 ................................ 11 4.1 支路电流仿真结果分析 4.2 节点电压仿真结果分析 5. 总结 ........................................ 12 6. 课程设计的心得体会 ........................... 13 7. 参考文献 .................................... 14 8. 附件:本科生课程设计成绩评定表 2 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 1.1 Pspice发展历程 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。 1.2 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(Simul,ation 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， 3 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 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。 1.3 Pspice的优越性 PSPICE软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成图表，模拟和计算电路。它不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件。 电路设计软件有很多，但在电路系统仿真方面，PSPICE可以说独具特色，是其他软件无法比拟的，它是一个多功能的电路模拟试验平台，PSPICE软件由于收敛性好，适于做系统及电路级仿真，具有快速、准确的仿真能力。 (1)图形界面友好，易学易用，操作简单 由Dos版本的PSPICE到Windows版本的PSPICE，使得该软件由原来单一的文本输入方式而更新升级为输入原理图方式，使电路设计更加直观形象。PSPICE 6.0以上版本全部采用菜单式结构，只要熟悉Windows操作系统就很容易学，利用鼠标和热键一起操作，既提高了工作效率，又缩短了设计周期。即使没有参考书，用户只要具备一定的英语基础就可以通过实际操作很快掌握该软件。 (2)实用性强，仿真效果好 在PSPICE中，对元件参数的修改很容易，它只需存一次盘、创建一次连接表，就可以实现一个复杂电路的仿真。如果用Protel等软件进行参数修改仿真，则过程十分繁琐。在改变一个参数时，哪怕是一个电阻阻值的大小都需要重新建立网络表的连接，设置其他参数更为复杂。 (3)功能强大，集成度高 在PSPICE内集成了许多仿真功能，如:直流分析、交流分析、噪声分析、温度分析等 ，用户只需在所要观察的节点放置电压(电流)探针，就可以在仿真结果图 4 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 中观察到其“电压(或电流)-时间图”。而且该软件还集成了诸多数学运算，不仅为用户提供了加、减、乘、除等基本的数学运算，还提供了正弦、余弦、绝对值、对数、指数等基本的函数运算，这些都是其他软件所无法比拟的。 5 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 2. 电路原理 2.1 概念解释 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将各支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。 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。 2.2 原理电路图 图1 原理电路图 6 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 2.3 电路图的理论分析 2.3.1 支路电流法 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。 根据以上步骤，设电压源V的电压为U。可列支路电流方程组: 11 -I，I，I,0R1R2, ,-IR2，IR3，IR4,0,,RI,U1R11, ,-RI，RI，RI,01R12R23R3, ,-R3IR3，R4IR4,0, 可分别算得 U1I,,400mAR流过的电流为 ， 1R1R1 U1I,,I,400mAR流过的电流为 ， R2R12R//R，R342 UR114I,，,I,200mAR流过的电流为 ， R3R13R//R，RR，R234234 RU131I,，,I,200mAR流过电流为 ， R4R14R//R，RR，R234234 UUV流过电压源的电流为 111I,，,2I,800mAV1R1R//R，RR3421 7 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 2.3.2 节点电压法 利用节点电压法解题步骤: (1)选择参考节点，设定各节点电压 (2)代入通式列写节点电压方程组 (3)求解方程组，求出各节点电压 (4)根据KVL和支路特性确定各支路电压和支路电流 根据以上步骤，选取N的电压为参考地点，可列节点电压方程组: 0 U,20n1, , -GU，(G，G，G)U,02n1234n2, 可求得: U=20V, U=4V n1n2 因为选取了N的电压为参考地点，所以其电压值始终为0，从而可以推得 0 1N2,U1,Un2,4V节点, 节点 N1,U1,Un1,20V5由这些电流电压的表达式可以看出，各电压电流随U的变化都是直线变化的，所以可以1推测仿真出来的图像是线性的关系。 8 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 3. 绘图仿真 3.1 绘制原理图 运行Orcad Family Release 9.2 Lite Edition中的Capture CIS Lite Edition，新建空白项目Project，命名为1，通过右侧工具栏中的键来选择元器件，如果找不到相应的原件通过add library键来添加元件库。选择相应的元器件，放到合适的位置，连线，然后修改各个元件的参数，绘制原理图结束。 3.2 开始仿真 画好原理图后，设置仿真参数。点击仿真按钮中最左边的一个来仿真，首先命名，然后设置相应的参数Analysis Type设为DC Sweep;Options选Primary Sweep;Sweep Sweep中选Linear，其三个参量设置为0V、variable选Voltage source，其name中写V1; 20V、2V。 设置好后，执行中的最右边的三角形按钮，出现Probe窗口。执行Trace下Add Trace命令，选择要显示的内容，即可查看相应的图表。 3.3 仿真曲线 3.3.1 电路参数图 图2 电路参数图 9 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 3.3.2 支路电流仿真曲线 图3 支路电流仿真曲线 从上往下，依次为流过R，R，R，R，V的电流随电压源变化的曲线。 24311 3.3.3 节点电压仿真曲线 图4 节点电压仿真曲线 从上往下，依次为N,N,N节点电压随电压源变化的曲线。 120 10 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 4. 仿真结果分析 电路参数图中得到的数据与理论值完全相同，说明了理论与实际的正确性。 4.1 支路电流仿真结果分析 图3中从上到下依次是流过R，R，R，R，V的电流随电压源V变化的变化曲243111线，从图中可以看出，R，R的电流都是随U的增加而增加，并且R恒为R的两倍。24124 U1 I,,I这与理论分析中错误～未找到引用源。, 错误～未找到引用源。1R2R1// RR，RRU34231 I,，,I，R，V的电流值却是随U的是符合的。但是R3111R4R1//2 RR，RR，R34234增加而反向增大，这是因为在利用Pspice软件绘制电路图时，R，R，V的管脚与实际311电流的流向是相反的，所以仿真出来的结果是个负值。但是不难发现其斜率的大小也是与 U1,I理论分析中错误～未找到引用源。，错误～未找到引用源。1R1R1UR14 I,，,I， 错误～未找到引用源。R3R1//2 UU11RR，RR，R34234 I,，,2I 的结果是相同的。V1R1 R//R，RR3421 4.2 节点电压仿真结果分析 图4中从上往下，依次为N,N,N节点电压随电压源变化的曲线，其中N是一条1200 1U恒为0的直线，节点N就是恒等于电源电压，节点N的电压为，都与理论分析121U15完全符合。 11 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 5. 总结 根据以上的理论分析与仿真结果，我们验证了支路电流法和节点电压法的正确性。 支路电流法是对一个具有b条支路和n个节点的电路，以支路电压和支路电流为电路变量列出方程，再利用元件的VCR关系将各支路电压以支路电流表示，然后代入KVL方程，就可以得到以b个支路电流为未知量的b个KVL和KCL方程。 一般步骤为: (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 )用基尔霍夫电压定律列出L=b-(n-1)个网孔方程 (3 (4)代入已知数据求解方程组，确定各支路电流及方向 节点电压法是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。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。 一般步骤为: (1)选择参考节点，设定各节点电压 (2)代入通式列写节点电压方程组 (3)求解方程组，求出各节点电压 (4)根据KVL和支路特性确定各支路电压和支路电流 利用支路电流法和节点电压法可以帮助我们分析电路，简化求解电压电流等参数，在电路领域应用十分广泛。 12 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 6. 课程设计的心得体会 13 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 7. 参考文献 (1)刘岚 叶庆云 主编，《电路分析基础》 ，高等教育出版社，2010 (2)邱关源 主编，《电路》(第5版)，高等教育出版社，2006 (3)周守昌 主编，《电路原理》(第2版)，北京高等教育出版社，2004 (4)汪建民 《Pspice电路设计与应用》 ，国防工业出版社，2004 (5)李永平 《Pspice电路设计与实现》 ，国防工业出版社，2005 14 武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书 附件: 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 15