电路课设二阶暂态分析

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1、1 Pspice的简介1.1 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

2、。1.2 PSPICE的组成1.2.1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

3、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

4、 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

5、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

6、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

7、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

8、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R1C1VA1|+ V40.5k1uf5UdcA2I* 1图2-2-1二阶电路原理图2.2原理说明二阶电路的初

9、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。LCd2U /dt2+RCdU /dt+U =Us的特解与激励的形式相同，且为微分方程的一个解，则特 ccc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

10、征方程为：LCp2+RCp+1=0其特征根为：土 *卫）2工P 2L 土 2L ）LC根据日、L、C取值的不同，特征根存在三种不同的情况:1.当 1，LC时，特征根p、p1为不相等的负实数，此时称为欠阻尼情况。2.1 LC即r 2：L时，特征根p、C1p为一对共轭复数，此时称为欠阻尼2情况。3.1LC土时，特征根p、p为相等的负实数，此时称为临界阻24.尼情况。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Pspi

11、ce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 Orcad Family Release 9.2 Lite Edition 中的 Capture CIS Lite Edition，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。I先做临界阻尼的情况，设定L1=1H,C1=1uF，则r 2、匕计算得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，Analysis Type 设为 Time domain，下面的 op

12、tions 在 general settings 打钩。在 Run to栏填入20ms，smart saving data栏填入0，在maximum step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/add trace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R

13、un to 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Run to 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

14、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Run to 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

15、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；Simulation Settings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