谐振分析.docx
- 文档编号:20124067
- 上传时间:2023-04-25
- 格式:DOCX
- 页数:19
- 大小:147.04KB
谐振分析.docx
《谐振分析.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《谐振分析.docx(19页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
谐振分析
课程设计任务书
学生姓名:
徐航专业班级:
电信0906
指导教师:
李景松工作单位:
信息工程学院
题目:
电路CAA课程设计
━━基于PSpice的RLC串联电路的谐振分析
初始条件:
1.提供实验室机房及其PSpice软件;
2.选RLC串联电路,一阶暂态电路。
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RLC串联电路的阻抗、电流频率特性分析(分三种Q值情况讨论);
3、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,
具体包括:
⑴目录;⑵理论分析;
⑶程序设计;⑷程序运行结果及图表分析和总结;
⑸课程设计的心得体会(至少800字。
);⑹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)完成课程设计报告书及答辩一天半;
参考文献:
(1)王源电子电路CAD程序及其应用[M]西安:
西安电子科技大学出版社,2001.
(2)蔡元宇电路及磁路(第2版)[M]北京:
高等教育出版社,2000.5.
(3)李永平Pspice电路设计与实现北京国防工业出版社.2005.1
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
年月日
目录
1CAA设计软件Pspice简介……………………………………………………2
2设计原理………………………………………………………………………………3
2.1电路图………………………………………………………………………………3
2.2原理说明…………………………………………………………………………4
3设计内容及步骤…………………………………………………………………5
3.1绘制原理图………………………………………………………………………5
3.2仿真、产生曲线及运行结果………………………………………………5
4仿真结果分析………………………………………………………………………7
4.1阻抗及频率特性分析…………………………………………………………8
4.2一阶电路零状态响应曲线分析……………………………………………9
5设计总结……………………………………………………………………………9
6心得体会………………………………………………………………………………9
7参考文献………………………………………………………………………………10
8本科生课程设计成绩评定表………………………………………………11
1CAA设计软件Pspice简介
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。
PSPICE6.0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。
本次课程设计即采用Pspice软件进行电路图绘制及仿真。
2设计原理
2.1RLC串联谐振电路图
2.2原理说明
①如图1—1,本次设计采用3条RLC串联支路,分3种Q值进行阻抗、电流频率特性分析。
在每一条RLC串联电路中,在可变频的电压源V1的激励下,由于感抗、容抗随频率变动,所以电路中的电流应亦随频率变动。
输入阻抗
频率特性表示为
由于串联电路中同时存在电感L和电容C,两者的频率特性不仅相反,而且直接相减。
所以可以肯定,一定存在一个频率w0,使感抗容抗完全抵消,即X(jw0)=0.此时,
(jw0)=0,RLC串联电路发生串联谐振,即电感电容同时存在,且满足
。
则谐振频率f0=
RLC串联谐振频率只有一个,且只与C、L有关,与电阻R无关。
②只有当输入信号V1的频率与电路的固有频率f0相同时,才能在电路中激起谐振。
电路在谐振时的电流I(jw0)为极大值,也是最大值,即谐振峰。
当V1的幅度不变,谐振峰仅与电阻R有关,改变R即能改变谐振峰的大小。
③串联谐振时,电抗电压Ux(jw0)=0,L、C串联端口相当于短路两者模值相等且反相,完全抵消,则定义谐振电路的品质因数Q
Q
Q值综合反映了电路中三个参数对谐振状态的影响。
2.3一阶暂态电路
(一)RC一阶零状态响应
图2-2RC电路
(二)RL一阶零状态响应
图2-3RL电路
2.4电路图原理说明
(一)RC一阶零状态响应
上述的RC电路是一阶线性电路,电路的响应是由稳态分量(包括零值)和暂态分量两部分相加而得,如写成一般式子,则为
f(t)=f′(t)+f″(t)=f(∞)+Ae-t/τ
式中f(t)是电流或电压,f(∞)是稳态分量,Ae-t/τ是暂态分量。
若初始值为f(0+),则得A=f(0+)-f(∞)于是
f(t)=f(∞)+[f(0+)-f(∞)]e-t/τ
这就是分析一阶线性电路的暂态过程中任意变量的一般公式。
只要求得f(0+)、f(∞)和τ这三个“要素”,就能直接写出电路的响应。
至于电路响应的变化曲线,都是按指数规律变化的(增长或衰减)。
(二)RL一阶零状态响应
对于一阶RL电路,充电过程是向电感充电,并以磁场能量的形式储存起来。
随着磁场能量的逐渐增加,流过电感的电流
逐渐增加,由于磁场的反作用,
增加的速度逐渐变慢。
时间常数:
这一过程进行得快慢与
、
(即时间常数
)的大小相关
时间常数越大,放电过程进行得越慢。
开关打开后,电路接入直流电流源Is,电路的微分方程为:
可以推导得:
,
,
,其中
为电流充满时电感电流的稳态值。
3设计内容及步骤
3.1仿真、产生曲线及运行结果
对图1—1,在RLC中画好原理图后,设置仿真参数,AnalysisType设为ACSweep/Noise,ACSweepType中选择Linear,Total值为1000,Start、End值如下:
表3—1 仿真参数设置表
Start(单位:
KHz)
End(单位:
KHz)
只显示I(R1)一条曲线时
9.22
9.32
只显示I(R2)一条曲线时
9.15
9.25
只显示I(R3)一条曲线时
9.15
9.22
显示I(R1)I(R2)I(R3)三条曲线时
9.15
9.32
图2
设置好后,执行Pspice下Run,出现Probe窗口。
执行Trace下AddTrace命令即可看到I(R1)、I(R2)、I(R3)阻抗、电流频率特性曲线。
如图:
图3-1R1支路幅频响应曲线
图3
图4
图3-2R2支路幅频响应曲线
图3-3R3支路幅频响应曲线
图3-4R1R2R3支路幅频响应曲线
图3-5R1R2R3支路阻抗曲线
执行View下OutputFile即可看到输出文件如下:
3.2一阶暂态电路仿真图
①一阶RC电路 图3-6R1R2R3支路相频响应曲线
图3-6R1R2R3支路相频响应曲线
②一阶RC电路
图3-7电容C1的电压变化
图3-8电阻R1电流变化
②一阶RL电路
图3-9L1的电流
图3-10R1的电流
4仿真结果分析
4.1阻抗及频率特性分析
①R1支路,对该RLC串联电路,当谐振时
阻抗
=R+
=R1,为最小值,如图6所示。
此时电路中电流达到最大I(R1)=U/R1=1/1A=1A,如图2所示。
谐振频率f0=
=
=9.27KHz,如图2波峰处。
品质因数
②R2支路,对该RLC串联电路,当谐振时
阻抗
=R+
=R2,为最小值,如图6所示。
此时电路中电流达到最大I(R2)=U/R2=1/1A=1A,如图3所示。
谐振频率f0=
=
=9.19KHz,如图3波峰处。
品质因数
③R3支路,对该RLC串联电路,当谐振时,
阻抗
=R+
=R3,为最小值,如图6所示。
此时电路电流达到最大I(R3)=U/R3=1/0.5A=2A,如图4所示。
谐振频率f0=
=
=9.19KHz,如图4波峰处。
品质因数
④图5对应于R1、R2、R3支路,对该三支RLC串联电路,在曲线图中可以清楚的看到R值不同L、C值相同的R2支路、R3支路各自发生串联谐振时:
曲线峰值为同一频率,表明谐振频率与R无关;曲线峰值大小不同,表明谐振峰与R有关,且成反比。
在曲线图中还可以看到L值不同R、C值相同的R1、R2支路各自发生串联谐振时:
曲线峰值不是同一频率,表明谐振频率与L有关,同理可分析谐振频率与C值也有关。
⑤图7显示出R1、R2、R3三条支路的相频响应变化。
⑥执行View下outputfile命令,即可看到输出文件:
R_R2141
R_R3160.5
R_R1121
L_L12329.5m
L_L24530m
L_L36730m
C_C1300.01u
C_C2500.01u
C_C3700.01u
V_V110DC0VdcAC1Vac
………
从中可以清楚的读出各元器件性质,及相关参数:
V1:
1Vac
R1:
1ΩR2:
1ΩR3:
0.5Ω
L1:
29.5mHL2:
30mHL3:
30mH
C1:
0.01uC2:
0.01uC3:
0.01u
4.2一阶暂态电路分析
对于RC电路,输入方波电压源,对于第一支路,时间常数为1ms,Uc以指数形式趋近于它的终极恒定值Us,到达该值后,电压和电流不再变化,电容相当于开路,电流为零。
时间常数
表示指数衰减的速度,图3-3的曲线趋近于Us的时间为5ms。
对于RL电路,入方波电压源,对于R1支路,时间常数
i(L)以指数形式趋近于它的终极恒定值Is,
到达该值后,电压和电流不再变化,电感相当于短路,电感两端电压为零。
时间常数
表示指数衰减的速度,图3-5的曲线趋近于Is的时间为5ms
主要运用到PSPICE中的CaptureCISLiteEdition绘制原理图,然后用simulation进行电路图的仿真曲线分析。
我的设计题目是RC和RL一阶电路零状态响应分析,通过查数据,以及对原理的分析,对原理图中的参数进行反复修改和验证,终于完成了这次设计任务书。
这次设计验证了:
(1)一阶电路零状态响应的时间常数
决定了uc或i(L)趋于稳态的时间长短。
(2)RC电路中决定时间常数的参数是R和C,其中
。
(3)RL电路中决定时间常数的参数是R和L,其中
。
5设计总结
本次设计较为简单,涉及的内容较为宽泛,运用了电路模拟分析的核心模块PspiceA/D,电路图编辑模块(Capture),激励信号编辑模块(StimulusEditor)以及波形显示及分析模块(Probe),以人机交互方式在屏幕上绘制电路图,设置电路中元器件的参数,生成网络表,以及各种激励信号源,并最终用图形曲线显示出分析结果,并对模拟结果进行再加工,提取更多信息,最终很好的实现了设计要求,完成了设计任务。
本次设计验证了:
①RLC串联电路中,在可变频的电压源V1的激励下,由于感抗、容抗随频率变动,所以电路中的电流应亦随频率变动。
②RLC串联谐振频率只有一个,且只与C、L有关,与电阻R无关。
③谐振电路的品质因数Q综合反映了电路中三个参数对谐振状态的影响。
6心得体会
两周的课程设计结束了,在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识,也培养了我如何去把握一件事情,如何去做一件事情,又如何完成一件事情。
在设计过程中,与同学分工设计,和同学们相互探讨,相互学习,相互监督。
学会了合作,学会了运筹帷幄,学会了宽容,学会了理解,也学会了做人与处世。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练,着是我们迈向社会,从事职业工作前一个必不少的过程.”千里之行始于足下”,通过这次课程设计,我深深体会到这句千古名言的真正含义.我今天认真的进行课程设计,学会脚踏实地迈开这一步,就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础.
通过这次课程设计,我在多方面都有所提高。
通过这次课程设计,综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次电路设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力,巩固与扩充了电路设计等课程所学的内容,掌握电路设计的方法和步骤,掌握电路设计的基本的模具技能懂得了怎样分析零件的工艺性,怎样确定工艺方案,了解了电路板的基本结构,提高了计算能力,绘图能力,熟悉了规范和标准,同时各科相关的课程都有了全面的复习,独立思考的能力也有了提高。
在这次设计过程中,体现出自己单独设计电路的能力以及综合运用知识的能力,体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情,从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节,从而加以弥补。
感谢老师,感谢对我帮助过的同学们,谢谢你们对我的帮助和支持,让我感受到同学的友谊。
由于我的设计能力有限,在设计过程中难免出现错误,恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正,本人将万分感谢。
虽然现在只是初步学会了Pspice的基本用法,离真正掌握还有一定距离,但学习的这段日子确实令我收益匪浅,不仅因为它发生在特别的时间,更重要的是我又掌握了一门新的技术,收获总是令人快乐!
在这次设计过程中,体现出自己单独设计电路的能力以及综合运用知识的能力,体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情,从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节,从而加以弥补
”千里之行始于足下”,通过这次课程设计,我深深体会到这句千古名言的真正含义.我今天认真的进行课程设计,学会脚踏实地迈开这一步,就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础
纸上得来终觉浅,深知此事要躬行。
书上的毕竟和实际的相差太多,平时的小电器,要充分运用知识,能办到的就精良自己克服困难把它完成。
实际事物实验与书上的理论相结合方才是学习的真谛!
7参考文献
(1)王源电子电路CAD程序及其应用[M]西安:
西安电子科技大学出版社,2001.
(2)蔡元宇电路及磁路(第2版)[M]北京:
高等教育出版社,2000.5.
(3)李永平Pspice电路设计与实现北京国防工业出版社.2005.1
(4)RayenderGoyal.High-frepuencyAnalogIntegratedCircuitDesign.NewYork:
JohnWiley&Sons.Inc,1995.
(5)RobertBNorthrop.AnalogElectronicCircruits.NewYork:
Addison-WesleyPublishingCompany,1990.
(6)MarkNHorenstein.MicroelectronicCircruitsandDevices.2ndednewjersey:
Prentice-HallInc,1996.
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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 谐振 分析