电路计算机仿真分析

电路计算机仿真分析

实验报告

学院：电气工程学院

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预备实验Orcad Pspice 的操作和分析过程

一、实验目的

熟悉Orcad Pspice 的操作和分析过程。

实验示例

阅读实验指导书，查找相关资料了解Orcad Pspice 的详细过程。上机查看相关视频：

1、了解Pspice 的启动，电路图的绘制；

2、修改元器件的标号和参数；

3、设置分析功能；

4、仿真前的准备工作；

5、仿真过程；

6、了解库、库元件；

7、了解分析设置的方法。

实验一直流电路工作点分析和直流扫描分析

一、实验目的

（1）学习使用Pspice软件，熟悉它的工作流程，即绘制电路图、元件类别的选择及参数的赋值、分析类型的建立及其参数的设置、Probe窗口的设置和分析的运行过程。

（2）学习用Pspice进行直流工作点分析和直流扫描分析的操作步骤。

二、原理和说明

Pspice软件是采用节点电压法对电路进行分析的。

使用Pspice软件进行电路的计算机辅助分析时，首先在capture环境下编辑电路，采用Pspice的元件符号库绘制电路图并进行编辑、存盘。然后调用分析模块、选择分析类型，就可以“自动”进行电路分析了。需要强调的是，Pspice软件是采用节点电压法“自动”列写节点电压方程的，因此，在绘制电路图时，一定要有参考节点（即接地点）。此外，一个元件为一条“支路”（branch），要注意到支路（也就是元件）的参考方向。对于二端元件参考方向定义为正端子指向负端子。

三、实验过程

1、示例说明：应用Pspice求解下图所示电路各节点电压和各支路电流。

2、操作步骤

（1）启动Orcad capture,新建工程Proj1,选项框选择Analog or Mixed A/D.类型选择为create a blank project。

（2）在原理图界面上点击Place/Part或右侧快捷键。

（3）首先增加常用库，点击Add Library,将常用库添加进来。本例需要添加Analog(包含电阻、电容等无源器件)。在相应的库中选取电阻R，电流源IDC。点去Place/Ground选取0/Source以放置零节点（每个电路必须有一个零节点）。（4）移动元器件到适当位置，右键单击器件进行适当旋转，点击Place/Wire或快捷键将电路连接起来（如下页图所示）。（5）双击原器件或相应参数修改名称和值。

（6）在需要观察到位置放置探针。

（7）保存原理图。

3、仿真

（1）点击Pspice/New Simulation Profile，输名称（例如输DC1）；

（2）在弹出的窗口中Basic Point是默认选中，必须进行分析的。点击确定。

（3）点击Pspice/Run（快捷键F11）或工具栏相应按钮。

（4）如原理图无错误，则显示Pspice A/D窗口。在本例中未设置其它分析，窗口无显示内容，关闭该窗口。

（5）在原理图窗口中点击V,I工具栏按钮，图形显示各节点电压和各元件电流值如下：

四选做实验

选做实验图

以图所示的直流电路为例，要求对这个电路进行以下两方面的分析：

1、直流工作点分析，即求各节点电压和各元件电压和电流：

2、直流扫描分析：

a.单击Pspice/Edit Simulation Profile,打开分析类型对话框，建立分析类型。对直流电路的扫描分析要选择“DC

Sweep….”。选中后，打开下一级对话框“直流扫描分析参数表”，并设置为：“Sweep Var.Type”选择“V oltage Source”;“Sweep Type”选择“Linear”;“Name”选择“Vs1”;“Start Value”输“0”，“End Value”输“12”,”Increment”输“0.5”。

b.运行Pspice的仿真计算程序，进行直流扫描分析。

c.对于图中电路，电压源US1的电压设置在0到12V之间变化，显示的波形就是负载电阻RL的电流IRL随USL变

化的波形：

d.为了得到数值结果，可以从“Special”库取“IPRINT”，把它串联到测量点上。例如图中电路，可把“IPRINT”

与“RL”串联。这时“dc=1”，其余可以缺省。当在“直流扫描分析参数表”中设置的分析参数“Incement”为

“1”时，运行仿真。在Capture窗口单击pspice/view output file，数据输出为：

V_Vs1 I(V_PRINT1)

ｅ．IRL与US1的函数关系为：

IRL=1.4+(1.2/12)US1=1.4+0.1US1

一、思考与讨论及实验结果分析

（1）根据两图及所得仿真结果验证基尔霍夫定律

答：由示例仿真结果知

第一组方程：Idc1+IR2=2.000A+2.000A=4.000A=IR1,Idc2=4.000A=IR2+IR3；

第二组方程：Vidc1+VR1=4+(-4)=0,VR1+VR2+VR3=4+2-6=0,Vidc2+VR3=6-6=0;

由以上两组方程知道，各支点流进电流等于流出电流，各回路电压压降和为0，故结果验证了基尔霍夫定律。

（2）怎样理解电流IRL随US1变化的函数关系？这个式子中的各项分别表示什么物理意义？

答：IRL与US1的函数关系为：IRL=1.4+(1.2/12)US1=1.4+0.1US1。式子中IRL表示流过电阻IRL的电流，US1表示电源电压。

（3）对图中的电路，若想确定节点电压Un1随US1变化的函数关系，如何使用Pspice软件？

答：直流扫描分析。单击Pspice/Edit Simulation Profile,打开分析类型对话框，建立分析类型。对直流电路的扫描分析要选择“DC Sweep….”。选中后，打开下一级对话框“直流扫描分析参数表”，并设置为：“Sweep Var.Type”选择“V oltage Source”;“Sweep Type”选择“Linear”;“Name”选择“Vs1”;“Start Value”输“0”，“End Value”输“12”,”Increment”输“0.5”。运行Pspice的仿真计算程序，进行直流扫描分析。对于图中电路，电压源US1的电压设置在0到12V之间变化，显示的波形就是负载电阻RL的电流IRL随USL变化的波形。d.为了得到数值结果，可以从“Special”库取“IPRINT”，把它串联到测量点上。例如图中电路，可把“IPRINT”与“RL”串联。这时“dc=1”，其余可以缺省。当在“直流扫描分析参数表”中设置的分析参数“Incement”为“1”时，运行仿真。在Capture窗口单击pspice/view output file，然后输出数据。

（4）对上述电路，若想确定负载电阻RL的电流IRL随负载电阻RL变化（设RL变化范围为0.1到100）的波形，又该如何使用Pspice软件进行仿真分析？

答：单击Pspice/Edit Simulation Profile,打开分析类型对话框，建立分析类型。对直流电路的扫描分析要选择“DC Sweep….”。选中后，打开下一级对话框“直流扫描分析参数表”，并设置为：“Sweep Var.Type”选择“Model parametent”;“Sweep Type”选择“Linear”;“Name”选择“IRL”;“Start Value”输“0.1”，“End Value”输“12”,”Increment”输“0.5”。运行Pspice的仿真计算程序，进行直流扫描分析。

（5）总结如何用Pspice进行直流工作点分析和直流扫描分析。

直流工作点分析，即求各节点电压和各元件电压和电流。直流扫描分析：单击Pspice/Edit Simulation Profile,打开分

析类型对话框，建立分析类型。对直流电路的扫描分析要选择“DC Sweep….”。

实验二戴维南定理和诺顿定理的仿真

一、实验目的：

（1）进一步熟悉Pspice仿真软件中绘制电路图，初步掌握符号参数、分析类型的设置。学习Probe窗口的设置。

（2）加深对戴维南定理与诺顿定理的理解

二、原理与说明：

戴维南定理指出，任一线性有源一端口网络，对外电路来说，可以用一个电压源与电阻串联的支路来代替，该电压源的电压US等于原网络的开路电压UOC，电阻RO等于网络的全部独立电源置零后的输入电阻REQ。诺顿定理指出，任一线性有源一端口网络，对外电路来说，可以用一个电流源与电导并联的支路来代替，该电流源的电流Is等于原网络的短路电流ISC，其电导GO等于原网络的全部独立电源置零后的输入电导Geq（Geq=1/Req）。

三、实验内容：

（1）测量有源一端口网络等效入端电阻Req和对外电路的伏安特性。其U1=5V，R1=100，U2=4V，R2=50，R3=150。（2）根据任务中测出的开路电压Uoc、电阻Req，组成等效有源一端口网络，测量其对外电路的伏安特性。

（3）根据任务1中测出的短路电流ISC、电阻Req,组成等效有一端口网络，测量其对外电路的伏安特性。

四、实验步骤：

8、在Capture下绘制和编辑电路，包括取元件、连线、输参数和设置节点等。分别编辑原电路、戴维南等效电路和诺顿等效电

路（等效参数待定），检查无误后存盘。

9、为测量原网络的伏安特性，RL是可变电阻。为此，RL的阻值要在“PARAM”中定义一个全局变量var。注意：PARAM设

置方法是从special库中去PARAM放置在电路图上，双击该器件在属性栏左上角的Add New Column/Row，输名称var，值1K。如要显示该名称和值在电路图上，在数据栏上右键单击，修改display属性。

10、为测电路的开路电压UOC及短路电流ISC，设定分析类行为“DC sweep”，扫描变量为全局变量var，并具体设置线性扫

描的起点、终点和步长。因需要测短路点，故扫描的起点电阻要尽量小，但不能是0。而要测开路电压，扫描的终点电阻要尽量大。现行扫描的起点为1P，终点为1G，步长为1MEG。此时不需要中间数据，为了缩短分析时间，步长可以设置大一些。

11、启动分析后，系统自动进了Probe窗口。选择Plot=Add plot to window增加一坐标轴，选择Trace=Add…分别在两轴上加I

和V变量。激活显示电流的坐标轴。选择Trace=cursor=display显示电流的坐标值列表，选择Trace=cursor=max显示电流的最大值。同样可以显示电压的最大值。测得I（RL）最大值ISC=130ma，V（RL：2）最大值3.5455V。则电阻Req=3.5455/0.13=27.273。回到capture界面，按测得的等效参数修改电路参数。重新设定扫描参数，扫描变量仍为var，现行扫描的起点为1，终点为10K，步长为100.重新启动后，来到Probe窗口。选择plot=Add plot增加两个坐标轴，选择Plot=Xaxis setting=axis variable，设置横轴V（RL：2），选择Trace=add分别在三个轴上加I(RL)、I(RLd)、I(RLn)变量。选择Trace=cursor=display显示坐标值列表，点击I(RL)、I(RLd)、I(RLn)前面的小方格，数值列表中将显示相应坐标中的坐标值。用鼠标拖动十字交叉线，可以显示不同电压时的相应电流值。比较三条伏安特性曲线，验证戴维南定理和诺顿定理。

五、实验分析思考与讨论

（1）戴维南定理和诺顿定理的使用条件是什么？

答：戴维南定理和诺顿定理要求是一个线性有源一端口网络。

（2）绘制原电路和等效电路的伏安特性曲线，比较三条曲线的特性。

实验三正弦稳态电路分析和交流扫描分析

一、实验目的

（1）学习用pspice进行正弦稳态电路的分析

（2）学习用Pspice进行正弦稳态电路的交流扫描分析

（3）熟悉含受控源电路的链接方式

二、原理与说明

对于正弦稳态电路，可以用向量法列写电路方程，求解电路中各个电压和电流的振幅（有效值）和初相位（初相角）。Pspice软件是用相量形式的节点电压法对正弦稳态电路进行分析的。

三、实验示例

（1）正弦稳态分析。其中正弦电源的角频率为10Krad/s，要求计算两个回路中的电流。

a.在capure环境下编辑电路，互感是用符号“XFRM_LINER”表示的。参数设置如下：

L1_V ALUE，L2_V ALUE为自感，COUPLING为耦合系数。

b.设置仿真，打开分析类型对话框，对于正弦电路分析要选择“AC sweep”。单击该按钮

后，可以打开下一级对话框“交流扫描分析参数表”，设置具体的分析参数。对于图中的例子，设置为：“Start freq.”输“1592”；“end freq.”输“1592”；“total pts.”输“1”。

c.运行pspice的仿真计算程序，在probe窗口显示交流扫描分析的结果。

d.为了得到数值的结果，可以在两个回路中分别设置电流打印机标示符。

其中，电流打印机标示符的属性设置分别为I(R1)和I（C1），设置项有（AC、MAG、PHASE、REAL、IMAG）。仿真计算的输出结果为

FREQ IM(V_PRINT1) IP(V_PRINT1) IR(V_PRINT1) II(V_PRINT1)

1.592E+03

2.268E-03 8.987E+01 5.145E-06 2.268E-03

FREQ IM(V_PRINT2) IP(V_PRINT2) IR(V_PRINT2) II(V_PRINT2)

1.592E+03

2.004E+00 8.987E+01 4.546E-03 2.004E+00

分析：可以清楚的看出，电源回路中的电流振幅近似等于0，负载回路中的电流振幅等于2A。

四、选做实验

（1）以给出的实验例题和实验步骤，用pspice独立做一遍，给出仿真结果。（2）对正弦稳态电路进行计算机辅助分析，求出个元件的电流。

选做实验（1）：

选做（2）

五、 思考与讨论

（1） 为了提高电路的功率因数，常在感性负载上并联电容器，此时增加了一条电流支路，

试问电路的总电流时增大还是减小，此时感性元件上的电流和功率是否改变？ 答：总电流增大；感性元件上的电流和功率都增大。

（2） 提高线路功率因数为什么只采用并联电容器法而不是串联法？所并的电容器是否越

大越好？

答：如果用串联法，则对提高线路功率因数效果不好；所并的电容器不是越大越好。 （3） 总结如何用PSPICE 进行正弦稳态电路的交流扫描分析

答：在capure 环境下编辑电路，互感是用符号“XFRM_LINER ”表示的。参数设置如

下：L1_V ALUE，L2_V ALUE为自感，COUPLING为耦合系数。设置仿真，打开分析类型对话框，对于正弦电路分析要选择“AC sweep”。单击该按钮后，可以打开下一级对话框“交流扫描分析参数表”，设置具体的分析参数。运行pspice的仿真计算程序，在probe窗口显示交流扫描分析的结果。为了得到数值的结果，可以在两个回路中分别设置电流打印机标示符。

实验四一阶动态电路的研究

一、实验目的

（1）掌握pspice编辑动态电路、设置动态元件的初始条件、掌握周期吉利的属性及对动态电路仿真的方法。

（2）理解一阶RC电路在方波激励下逐步实现稳态充放电的过程

（3）理解一阶RL电路在正弦激励下，全响应与激励接入角的关系

二、原理与说明

电路在一定条件下有一定的稳定状态，当条件改变，就要过渡到新的稳定状态。从一种稳定状态转到另一种新的稳定状态往往不能越变，而是需要一定的过渡过程，这个物理过程就称为电路的过渡过程。电路的过渡过程往往为时短暂，所以电路在过渡过程中的工作状态成为暂态，因而过渡过程又称为暂态过程。

三、实验示例

（1）分析同种RC串联电路在方波激励下的全响应

a.编辑电路。其中方波电源是Source库中的VPULSE电源。VPULSE的属性的意义列于

表中。为分辨电容极性，电容选取Analog库中的C_elect(电容Ic设为2V)。

方波激励的属性意义

V1=0 方波低电平

V2-7 方波高电平

TD=2ms 第一方波上升时间

TR=0.0001us 方波上升沿时间

TF=0.0001us 方波下降沿时间

PW=2ms 方波高电平宽度

PER=4ms 方波周期

b.设置分析类型为Transient。其中maximum step 设为2ms,Run to 40ms>

c.设置输出方式。为了观察电容电压的冲放电过程与方波激励的关系，设置两个节点电

压标示符以获取激励和电容电压的波形，设置打印电压标示符一获取电容电压数值输出。

d.仿真计算及结果分析。经仿真计算得到图形输出：

从波形可见，电容的工作过程是连续在充放电过程，开始电容放电，达到最小值，但第一个方脉冲开始以后，经历一个逐渐“爬坡过程”，最后输出成稳定的状态，产生一个近似的三角波。从电容电压的数值输出可以精确看到这个“爬坡过程”的详细情况。最后电容电压输出波形稳定在最大值为4.450，最小值2.550。

增加VPRINT到电路上观察电容电压的数值输出：

最后电容电压输出波形稳定在最大值为4.5V，最小值为2.55V。

四、选做实验

（1）仿真计算R=1K，C=100uF的RC串联电路，接上峰-峰值为3V、周期为2S的方波激励的零状态响应。

过程略

励时的全响应。电容电压的初始值为1V。

五．思考与讨论：

1.在RC串联电路中，根据理论计算，电容充电上升到稳态值的63.2%时需要时间为一个

时间常数ζ。

2.RC串联中，电容电压衰减到初始电压的36.8％所需要的时间为一个时间常数。

3.从理论上讲，电路的动态过程需要经历无限长时间才能结束，也就是说当t=∞时，电

感放电才能衰减到零，达到新的稳态。但实际上，当时间T=5s时，U L=U0 e-5=0.007U0。

此时电感电压已接近于零，电感的放电过程已基本结束。所以工程上一般认为从暂态到稳定状态的的时间为4s-5s。

实验五二阶动态电路的仿真分析

一、实验目的

（1）研究R、L、C串联电路的电路参数与其暂态过程的关系。

（2）观察二阶电路在过阻尼、临界阻尼和欠阻尼三种情况下的响应波形。利用响应波形，计算二阶电路暂态过程有关的参数。

（3）掌握利用计算机仿真与示波器观察电路响应波形的方法。

二、实验原理

对于R、L、C串联电路，两个状态变量分别为电容电压Uc、电感电流IL。取Uc为横坐标，IL为纵坐标，构成研究该电路的状态平面。每一个时刻的Uc、IL，可以用相平面上的一点表示，这个点为相迹点。Uc、IL随时间变化的每一个状态可以用平面上一系列相迹点表示。这样得到的曲线为状态曲线。利用PSPICE仿真可以方便的得到状态曲线。

三、示例实验

（1）研究R、L、C串联电路零输进响应波形。利用Pspice分析图示电路。

（2）再用PSPICE在一个坐标下观察UC、IL、UL1波形，并输出结果。

四、选做实验

研究方波信号作用下的R、L、C串联电路

利用pspice分析电路图，元件如图所示，设置暂态仿真时间范围0到8ms（即方波脉冲的两个周期），参数设置为列表方式，分别选取Val=-0.5，0.1，1，10，40，200，观察UC在这些参数下的波形。

波形图：

根据公式R ＝2 ，L=0.8m,C=2u ，得R ＝40，可知R1=40 是临界非振荡充电过程的条件。当R=-0.5（负电组）时，可看到Uc 逐渐变大，与电阻为正值时情况相反；R<40时，每一个方波的整周期内，Uc 处于振荡状态；R>40时，电路处于过阻尼状态。

四、思考题与讨论：

RLC 串联电路的暂态过程中，电感和电容之间存在能量转换，在能量传递过程中，由于电阻会消耗能量，所以随着R 的大小的不同，电路会出现不同的工作状态。当R 较小时，电路处于振荡状态，电感和电容通过电流来实现能量交换，由于电阻总是消耗能量（此时消耗能量较小），使整个系统的能量不断减少，从而使电容电压的振幅值衰减。当R 较大时，电路处于非振荡状态，由于电阻较大，消耗的能量较多，从而“阻碍”了电容和电感之间能量的传递，故称之为“过阻尼”。当 时，电路处于临界状态，由于此时能量没有消耗，故此时电容电压幅值不会衰减，而是等幅振荡。

实验六 频率特性和谐振的仿真

一、实验目的

（1）学习使用Pspice软件仿真分析电路的频率特性。

（2）掌握用Pspice软件进行电路的谐振研究。

（3）了解耦合谐振的特点。

二、原理与说明

（1）在正弦稳态电路中，可以用相量法对电路进行分析。

（2）在正弦稳态电路中，对于含有电感L和电容C的无源一端口网络，若端口电压和端口电流通相位，则称该一端口网络为谐振网络。谐振时局部会得到高于电源电压数倍的局部电压。电流同电压。

（3）进行频率特性和谐振电路的仿真时，采用“交流扫描分析”，在Probe中观测波形，测量所需要的值。

（4）滤波器输进正弦波，其频率从零逐渐变大，则输出的幅度也将不断变化。

（5）对滤波电路的分析可以用“交流扫描分析”，并在probe窗口中观测波形、测量滤波器的通频带、调节电路参数，以使滤波器满足设计要求。

三、示例实验

双T型网络，分析其网络的频率特性，需要在AC sweep的分析类型下进行。编辑电路，输进端为1V的正弦电压源，从输出端获取电压波形。从图中可以看出，这是一个带阻滤波器，低频截止频率近似为182HZ，高频截止频率近似3393HZ，带阻宽度3211HZ。

分析网络的频率特性，须在AC Sweep的分析类型下进行。编辑电路，输入端为1V 的正弦电压源，从输出端获取电压波形，如图6-2所示。