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1、目录摘要21 PSpice软件介绍12 一阶电路暂态原理分析62.1 阶RC电路的零状态响应分析62.2 阶RL电路的零状态响应分析73电路原理图设计83.1 一阶RC电路原理图设计83.2 一阶RL电路原理图设计84 一阶电路响应波形图及其分析94.1 一阶RC零状态响应波形图及其分析94.2 一阶RL零状态响应波形图及其分析105电路课程设计心得体会11参考文献12摘要含有动态元件的电路发生换路后,电路会从一种稳态进人另一种稳态，一般情况下都要 经历一个暂态过程,这种过程通常只有几个毫秒甚至几个微秒，本论文对正弦激励下的RC 串联一阶电路和RL并联一阶电路的暂态过程进行了研究，得到了一阶电
2、路在正弦激励下暂 态过程的变化规律,并讨论了电路直接进入稳态响应的条件。关键词：一阶电路；零状态响应；稳态1 PSpice软件介绍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
3、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 验”与“修改”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：为 电路设计人员节省了大量的时间、节省了各种仪器设备、生产产品一致性好、可靠性 高、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。OrCAD/PSpise9是一个软件包，它共有六大功能模块，分别是 PSpiceA/D、
4、Capt ure、 Probe、 Stimulus Editor 和 Optimizer。一、各模块的功能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（或文本文件）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，晶体管，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。激励源编辑程序 Stim
5、ulus 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。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。(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(给图形后处理程序Probe )和扩展名
6、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。(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windows95,98,20
7、00/XP的出现，Probe的绘图能力也越来越强。(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。PSPICE具有自建的元件模型，元件的建立以元件的物理原理为基础，模型参数 与物理特性密切相关。元件的等效模型还有其工作条件与分析要求相关。在直流分析 中，非线性元件的等效模型是小信号线性等效电路；在瞬态分析中，非线性元件的等 效模型考虑到了
8、电荷存储效应。双极管型晶体管采用GUMMEL-POON的积分电荷控 制模型，结型场效应管采用SHICHMAN-HODGFS的场效应管模型。二极管模型既适用于结型二极管，也适用于肖特基势垒二极管。M0S1由I-V特性来描述，M0S2是一个解析模型，MOS3是一种半经验模型。除了分立元件参数库以外，还有集成电路 的宏模型库，并提供了一些著名器件和 IC生产厂家的专有元器件参数库。二、PSPICE的模拟功能SPICE程序的主要功能有非线性直流分析、非线性暂态分析、线性小信号交流分 析、灵敏度分析和统计分析。（1 ）直流分析非线性直流分析功能简称直流分析。它是计算直流电压源或直流电流源作用于电 路时电
9、路的工作状态。对电路进行的直流分析主要包括直流工作点分析、直流扫描分 析和转移函数分析。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。与直流扫描分析相类似的还有温度分析。在这种分析过程中，将电路的温度作为 扫描变量进行分析。因为电路
10、的主要器件的特性都是与温度有关的，所以这就为分析 电路在环境变化是的工作情况提供了一种非常有用的工具。特别重要的是，通过这种分析，我们可以预测电路在某些特殊环境如极端温度条件或极端电源电压条件或元件 开路短路条件下电路的工作情况，从而在进行电路设计时采取必要的预防措施。（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
11、，检查它们是否满足电路设计的要求。（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
12、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。（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
13、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。（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 阶电路暂态原理分析由外施激励引起的响零状态响应就是电路在零初始状态下（动态元件初始储能为零） 应。2.1 一阶RC电路的零状态响应分析
14、R1图2-1 RC电路的零状态响应即 uc(0 ) 0。在 t=0图2-1-1所示RC串联电路，开关S闭合前电路处于零初始状态, 的时刻，开关S闭合，电路接入直流电压源US。根据KVL,有UR + UC = U将UR= Ri= C字代入，得电路的微分方程RC dUc + u 二 US dt c s解得:Uc 二 Us 一 USeT(其中t RC).due Us _t i = C e t dt R2.2 一阶RL电路的零状态响应分析图2-2-1所示为RL电路，直流电流源的电流为I，在开关合向b前电感中的电流为零。S开关合向b后i (0 )= i (0 )=0,电路的响应为零状态响应。注意到换路后
15、R与I串联的等 L + L -SS效电路仍为I，则电路的微分方程为SL di .L + I = IR dt L S解得匚广Is(1 -/)(其中R)L1100uHo图2-2 RL电路的零状态响应3电路原理图设计3.1 一阶RC电路原理图设计图3-1 一阶RC电路原理图3.2 一阶RL电路原理图设计11 =-5mAI2 =5mATD :=1uTR：=1uTF =1uPW=1msPER = 2m：K7L1 100uH4 阶电路响应波形图及其分析4.1 一阶RC零状态响应波形图及其分析u、u的波形曲线ic图4-1 u、u的波形曲线ic从图可见，图示电路在换路前电感元件上的原始能量为零，t=0时开关S闭合。RL电路的零状态响应也是按指数规律变化。其中元件两端的电压uL按指数规律衰减 （即只存在过渡过程中）；电感电流iL按指数规律上升；电阻电压UR=iR按指数规律增长零状态响应变化的快慢也取决于时间常数t =L/R。当时间常数T越大，充电过程就越 长。从图可见，电容电压由零开始以指数规律上升到US，经过一个时间常数变化到（1-0.368）US=0.632
