课件 第三讲 PSPICE数字电路仿真分析

文章编号 :1008-1402(2007 02-0149-03基于 PSPICE 的三相交流电路仿真分析①姚齐国1,2, 朱玲2(1. 华中科技大学水电与数字化工程学院 , 湖北武汉 430074;2. 武汉工程大学电气信息学院 , 湖北武汉 430073摘要 : PSPICE 是一个通用的电路设计和分析软件 . 在建立硬件电路之前 , 借助 PSPICE 进行模拟分析 , 根据实际要求设置不同的参数 , 来分析电路是否合理、是否需要变更、估计元器件的变化对电路造成的影响、分析一些较难测量的电路特性等等 , 从而得到一个合理的最优化电路 , 这样可以节省大量的时间和资金 , 使产品开发时间短、更新快 . 三相电路是日常工业用电和民用电的普遍供电方式 , 本文以三相电路为例 , 介绍 PSPICE 仿真分析的应用过程 , 具有一定的实用价值 , 对学习和掌握 PSPICE 有帮助作用 .关键词 : PSPICE ; 三相电路 ; 仿真中图分类号 : TP391. 9文献标识码 : A1 PSPICE 简介随着计算机技术的发展 , . 、集成效率 , 提高设计成功率 . 而大规模集成电路的发展 , 使得原始的设计方法无论是从效率上还是从设计精度上已经无法适应当前电子工业的要求 , 采用计算机辅助设计来完成电路的设计已经势在必行 . 同时 , 计算机以及相关应用软件的迅速发展使得计算机辅助设计技术逐渐成为提高电子线路设计速度和质量的不可缺少的重要工具 [1].SPICE 是美国加利福尼亚大学伯克利分校在 1972年开发的通用电路分析程序 . 该程序自从问世以来 , 在电工、电子领域得到了广泛的应用 . 它可以仿真和计算电路的性能 , 被国内外技术人员、专家、学者公认为是通用电路计算机仿真程序中最优秀的软件 . 在大学里 , 它是工科类学生必会的分析与设计电路的工具 ; 在科研开发部门 , 它是产品从设计、试验到定型过程中不可缺少的工具 . 其版本也在不断更新 , 功能不断完善 [1,2].PSPICE 是 SPICE 家族中的一员 , 是 Microsim 公司于 1984年推出的基于SPICE 的电路设计、分析、优化软件 , 它不仅具有 SPICE 的所有功能 , 而且在、、仿. 它不仅可以分析模拟电路 , 而且可以分析数字电路和数模混合电路 , 源文件既可以以文本形式输入 , 又可以以电路图输入 . 目前最新版本为 PSPICE9. 2, 它包括以下 8个子程序 :文件管理器 Design Manager ; 电路图输入程序 Schematics ; 电路仿真程序Pspice A ΠD ; 输出绘图程序 Probe ; 激励源编辑器 Stimulus Editor ; 模型参数提取程序 Parts ; 电路优化工具 Optimizer ; 文本编辑器 T ext Editor. 其主要仿真分析功能有 :直流分析 ; 交流小信号分析 ; 瞬态分析 ; 灵敏度分析 ; 参数分析 ;容差分析和温度分析等 [3]. 本文仅以对称三相交流电路为例介绍 PSPICE 软件的使用过程 .2三相交流电路的 PSPICE 仿真2. 1绘制电路图进入 PSPICE 子程序 Schematics , 创立一个新的文件 , 保存为 sanxiang. sch 文件 , 从Draw ΠG et NewPart 中依次在 analog. slb 元件库里取出电阻和电感元件 , 从 s ource. slb 中取出电源元件 , 从 port. slb 中取出地节点 , 完成各元件的属性设置 , 其中电源的最大值VAMP L =311V , FRE Q =50H z ,VOFF =0. 1, DF =0, T D =1ms , 然后在 MarkersΠmark v oltage Πlevel①收稿日期 :2006-12-12作者简介 :姚齐国 (1966- , 男 , 湖北公安县人 , 副教授 , 硕士 . 主要研究方向 :系统建模与仿真 , 优化运算与运行 , 电路理论分析与应用 , 微机控制技术 .第 25卷第 2期佳木斯大学学报 (自然科学版 V ol. 25N o. 22007年 03月 Journal of Jiamusi University (Natural Science EditionMar. 2007中取出电压探针 , 连线 , 组成图 1所示的电路 [3].图 1实例电路图2. 2仿真参数设置对图 1所示的电路 , 作瞬态分析 . 在Analysis Πsetup 下 , 点中 transient , 并设置开始时间为 1ms , 结束时间为 30ms , 然后点击Analysis Π, 即开始运行仿真 , , 2., T race ΠAdd , 然后选 . 如 A 相电源的电压波形和中线的电流波形分别如图 3和图 4所示 .图 2缺省设置时的输出波形图2. 3仿真分析仿真结束后 , 系统自动生成 6个相关文件 , 其中 output 文件的部分内容如下 :……………………………………………3Schematics Netlist 3V V1 $N 0001 0 DC 0 AC 311+SI N 0. 1 311 501ms 0 0VV2 $N0002 0 DC 0 AC 311+SI N 0. 1 311 50 1ms 0 -120V V3$N 0003 0 DC 0 AC 311+SI N 0. 1 311 50 1ms 0 120R R1$N 0001$N 0004 20R R2$N 0004$N 0005 50R R3$N 0002 $N 0006 20R R4$N 0006$N 0007 50R R5$N 0003$N 0008 20R R6 $N 0008$N 0009 50R R7 0$N0010 30L L1$N 0005$N 0010 1H IC =0L L2$N 0007$N 00101H IC =0LL3$N0009$N0010 1H IC =0……………………………………………VO LT AGE S OURCE C URRE NTS NAME C URRE NT V V11. 000E -10V V2- -DISSIPATI ON 1. 45E -04W ATTS JOB C ONC LUDE D T OT A L JOB TI ME . 48图 3 A 相电源的电压波形图图 4中线的电流波形图51佳木斯大学学报 (自然科学版2007年从输出文件中可以知道 , PSPICE 自动对元件和节点编号 , 运行结束后 , 显示电路的有功功率为 1. 45x10-4W , 仿真用时为 0. 48秒 . 观察图 2, 可以验证在对称三相电路中 , 负载中性点和电源中点是等电位点 ; 图 3表明 , 在无阻尼 (DF =0 时 , 三相电源的电压是严格无衰减的正弦线 ; 由图 4知 , 对称三相电路的中线电流为零 . 这些仿真结果均与实际情况相符[4].3结束语对电路设计而言 , 在建立硬件电路之前 , 借助 PSPICE 来进行模拟分析 , 就如同对所设计的电路进行搭试 , 然后用各种仪器来进行调整和测试一样 , 根据实际要求来设置不同的参数 , 分析电路是否合理 , 是否需要变更 , 估计元器件的变化对电路造成的影响 , 分析一些较难测量的电路特性等等 , 从而得到一个合理的最优化电路 , 这样可以节省大量的时间和资金 , 入 , 而且可以使产品开发时间短、 , 信号与系统进行辅助分析与设计 , 以及电子工程、信息工程和自动控制等领域具有重要的意义 . 三相电路是日常工业用电和民用电的普遍供电方式 , 对三相电路的仿真分析具有重要的实用价值 , 尤其是借助 PSPICE 对不对称三相电路在一相故障情况下的应用研究以及对称三相电路功率因数的提高是后续展开的课题 .在用 PSPICE 仿真分析中 , 绘制电路图时 , 应先取元件 , 后连线 , 而且图形文件的名字只能使用字母 , 否则 , 编译不能通过 . 仿真时 , 参数设置一定要恰当 , 不然 , 难以得到令人满意的波形 . 参考文献 :[1]吴建强 . Pspice 仿真实践 [M].哈尔滨 :哈尔滨工业大学出版社 ,2001,4.[2]李永平 , 董欣 . Pspice [M].北京 :国防工业]. [M].北京 :国防工业出. 电路 (第四版 [M].北京 :高等教育出版社 ,2000,1.Three ’ s Simulation and Analysis B ased on PSPICEY AO Qi -guo1,2, ZHU Ling2(1. I nstitute of hydroelectric and digital engineering , H u azhong U niversity of Science and T echnology , Wuh an 430074, China ; 2. Dep artment of E lectricity and Communication , Wuh an I nstitute of T echnology , Wuh an 430073, ChinaAbstract : PSPICE is a kind of general circuit design and analysis s oftware. Before setting up hardware circuit , with the help of PSPICE , we may analog analyze the circuit , and set up different parameters according to practical require , analyze whether it is reas onable and needs to be m odified , and estimate the effect that cause of the com po 2nent ’ s change, as well as analyze s ome circuit ’ s specific property which is difficult to measure , and s o on. S o we will get a reas onable and optimal circuit. Therefore , we may save a lot of time and fund , as well as short the time of prod 2uct ’ s development and renew. Three phase circuit is a general supply power method of industry and daily life con 2sume. This article has s ome functional value by setting it as an exam ple to introduce the PSPICE ’ s applying process , and it will be helpful to learn and g rasp PSPICE.K ey Words : PSPICE ; three phase AC circuit ; simulation151第 2期姚齐国 , 等 :基于 PSPICE 的三相交流电路仿真分析。

这些命令语句可以和任何分析类型的语句一起使用！
第四节 电路分析示例
• 示例：
2.2.1 电路的输入语句和格式 PSPICE的文本输入任务是构造一个文本输入文件，文件名后缀 为*· CIR，它有如下六种类型的语句： <1>电路的标题语句 <2>电路的描述语句 电路元器件、 元器件模型、电源和信号源 Ex1 lowpass filter VIN 6 0 sin(0 10 1khz) R1 6 5 50 C1 5 0 3.18uf L1 5 2 15.9MH C2 2 0 3.18UF R2 2 0 50 · TRAN 10US 3MS · PLOT TRAN V(2) V(6) · PROBE · END
• File菜单是一般的文 件操作菜单 • Edit菜单也是对工作 区间文件进行操作 • Workspace菜单 • View菜单 • Tools菜单 • Windows菜单
第三节 PSPICE电路分析功能简介
这一节中我们将着重介绍PSPICE的主要 分析功能，在PSPICE输入语句中，通常用 以 “·” 开 头 的 语 句 描 述电路分析类型， 电路元器件模型和一些分析控制命令。在 PSPICE的所有分析类型中，直流、交流小 信号和瞬态分析最重要的，最常用的三大分 析功能， 以它们为主线对多数分析与控制 命令进行分组有利于了解这些语句的应用。
<3>分析类型描述语句
<4>输出描述语句 <5>注释语句 <6>下两点：
• 第一，所有语句都可以大写，也可以小写。 • 第二，某些语句较长，如果一行写不下，可 在第二行的的第一列上输入‘+’号表示该行 是前一行的继续行，如前面电路描述语句举 例中的模型语句( · model)。 继续行数量多少 不限。

1.2 发展历程
▪( )
▪ 由美国加州大学伯克莉（）分校电工和计算机科学系分校开 发。 ▪ 1972年首次推出。 1983年公司推出可在机上运行的 1（P即代表运行于机的版 本）。 目前微机上广泛使用的是由美国公司开发并于1984年1月首 次推出的。 ▪ 1988年被定为美国国家工业标准。
▪ 目前国际上享有盛誉的模拟电路设计工具都是以为基础实现 的，如公司的， 公司的，以及公司的等。
2.电路特性的优化设计 器件参数的容差和工作环境温度将对电路工作的稳
定性产生影响。传统的电路设计方法，很难对这种影 响进行全面的分析和了解，因而也就很难实现电路的 优化设计。技术中的温度分析和统计分析功能，既可 以分析各种恶劣温度条件下的电路特性，也可以对器 件容差的影响进行全面的计算分析。其内容包括：① 对不同的容差特性进行规定次数的跟踪分析（蒙特卡 罗分析）； ②单独分析每一器件容差对电路的影响 量（灵敏度分析）；③分析全体器件容差对电路性能 的最大影响量（最坏情况分析）。采用统计分析方法， 便于确定最佳元件参数、最佳电路结构以及适当的系 统稳定裕度，真正做到电路的优化设计。
1.2.1 软件简介
是由发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。
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。 现已成为微机级电路模拟标准软件。 5.0及以前的版本都为版，而 5.1及以后的各种版本均为窗口 版。 软件分为工业版( )和教学版( )。
1.2.2 软件
1998年1月公司与公司合并，称为公司。两公司强 强联合后，相继推出一系列基于机的软件系统。
1.4 程序项组成
（1） 图ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ编辑程序
的输入基本上是以电路原理图和网单文件两种形式。 电路元器件符号库中备有绘电原理图所需的元器件 符号，用户从符号图形库中调出所需的电路元器件 符号，组成电路图，由原理图编辑器自动将原理图 转化为电路网单文件，并标上节点号，提供给仿真 工具进行仿真。如果用户熟悉仿真程序的输入语言， 又没有将原理图存档的需求也可以直接输入电路网 单文件。

设置交流分析和瞬态分析；
计算差模电压放大倍数； 计算差模输入电阻； 观察两个输出端电压的相位关系。
4. 分析共模电压放大倍数和共模输入电阻
将输入方式改接为共模输入 （取vI1= vI2= 1 V ）； 设置交流分析和瞬态分析； 计算共模电压放大倍数； 计算共模输入电阻；
6. 分析双端输入时的vO1、vO2、vO、vE波形
电路图

设β＝145，+VCC=+15V，-VEE = -15 V，估算差分放大电路的静态工作 点IC1Q、VC1Q、VC2Q、VEQ。 估算差分电路单端输出时的差模电压放大倍数和差模输入电阻。 设Q3管组成的电流源等效内阻为Ro3=2 M，D1、D2的动态电阻rd忽略 不计，估算单端输出时的共模电压放大倍数、共模输入电阻和共模抑 制比KCMR。
实验内容
2. 仿真分析静态工作点和电压传输特 将输入方式改接为单端输入； 性
设置直流扫描分析，以Vi为扫描
对象；
分析差分放大电路的静态工作 点IC1Q、VC1Q、VC2Q、VEQ；
绘制电压传输特性曲线。
3.将输入方式改接为差模输入（取v =5mV， v = -5mV）； 仿真差模电压放大倍数和差模输入 I1 I2 电阻
(5) 保持图所示的电路形式不变，低频增益值提高到60倍以上，电路元件参数应如何修改？
.MODEL MOD1 NMOS LEVEL=1 VTO=1.0 GAMMA=0.2 PHI=0.6 LAMBDA=0.03 JS=0.16 PB=0.82 CGSO=2.9E-10 CGDO=2.9E-10 +CGBO=2.2E-9 RSH=6 TOX=9.5E-8 NSUB=2.5E14 XJ=1.2U LD=0.8U UO=700