电路CAA课程设计基于PSpice的二阶电路的暂态分析.docx
- 文档编号:26177820
- 上传时间:2023-06-17
- 格式:DOCX
- 页数:15
- 大小:316.45KB
电路CAA课程设计基于PSpice的二阶电路的暂态分析.docx
《电路CAA课程设计基于PSpice的二阶电路的暂态分析.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《电路CAA课程设计基于PSpice的二阶电路的暂态分析.docx(15页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
电路CAA课程设计基于PSpice的二阶电路的暂态分析
摘要
二阶电路是含有两个独立储能元件的线性定常电路。
描述这种电路的方程是二阶线性常微分方程。
由电阻器、电感器和电容器串联或并联而成的电路是最简单的二阶电路。
通过Pspice的仿真分析对二阶电路的暂态分析,说明了Pspice在电子电路分析中的重要作用,并进行二阶电路的零状态响应仿真分析,及过阻尼、欠阻尼、临界阻尼讨论,加深对二阶电路的理解。
关键字:
Pspice二阶电路仿真分析
1理论分析
1.1Pspice简介
1.1.1PSPICE的起源与发展
用于模拟电路仿真的SPICE(SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis)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FORTRAN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SPICE2G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。
PSPICE采用自由格式语言的5.0版本自80年代以来在我国得到广泛应用,并且从6.0版本开始引入图形界面。
1998年著名的EDA商业软件开发商ORCAD公司与Microsim公司正式合并,自此Microsim公司的PSPICE产品正式并入ORCAD公司的商业EDA系统中。
不久之后,ORCAD公司已正式推出了ORCADPSPICERelease10.5,与传统的SPICE软件相比,PSPICE10.5在三大方面实现了重大变革:
首先,在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上,实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析;第二,不但能够对模拟电路进行,而且能够对数字电路、数/模混合电路进行仿真;第三,集成度大大提高,电路图绘制完成后可直接进行电路仿真,并且可以随时分析观察仿真结果。
PSPICE软件的使用已经非常流行。
在大学里,它是工科类学生必会的分析与设计电路工具;在公司里,它是产品从设计、实验到定型过程中不可缺少的设计工具。
1.1.2PSPICE仿真软件的优越性
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。
它的用途非常广泛,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,具有广阔的应用前景。
这些特点使得PSPICE受到广大电子设计工作者、科研人员和高校师生的热烈欢迎,国内许多高校已将其列入电子类本科生和硕士生的辅修课程。
1.1.3PSPICE的组成
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、MonteCarlo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:
1.1.4PSPICE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。
1.1.4.1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。
1.1.4.2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。
1.1.4.3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。
1.1.4.4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。
1.1.4.5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。
PSPICE10.5它最为突出之处,是改进了其9.2版本,使绘制电路,以及仿真算法更加优化,更加节省时间(以前进行1S的仿真如果取点ms级,那将是非常恐怖的事情),而且蒙特卡罗分析和最坏情况分析有助于我们模拟在不同温度和环境,以及元件损坏的情况下电路的实现过程及结果,那么我们就知道电路的弱点,以及电路中的最重要元件,就可以相应的对其采取保护、散热等措施。
1.2电路原理:
图1LCR并联电路
对图1所示电路列出KVL方程
若取电流i作为要讨论的零输入响应,则将立式对t求导一次,并注意到
便有
t≥0
给定的初始条件是
vC(0)=V0
i(0)=iL(0)=0
将t=0代入式中得
=
以式(6.4)和(6.5)为初始条件的微分方程(6.2)的解便是零输入响应i。
令此解为
于是有
和
将它们代人式(6.2)便知式(6.2)的特征方程为
特征根为
特征根又称固有频率。
若令
则特征根又可写成
二阶齐次常微分方程的通解即零输入响应为
上面所引入的参数和0分别称为电路的阻尼常数和谐振(角)频率
参数0是以rad/s(弧度/秒)为度量单位。
零输入响应i的形式将取决于固有频率s1和s2是实数还是复数,而s1和s2又依赖于参数和0(或者说R、L和C)的相对大小。
其相对大小可分为
,
、
与此种情况相对应的固有频率s1和s2将是:
不等负实数、相等负实数、共轭复数。
同时,零输入响应也相应地被分为过阻尼、临界阻尼、欠阻尼。
2绘制原理图
2.1新建项目
图2新建项目
输入文件名,选择保存路径后点OK。
图3设置
选择“Createablankproject”,然后点OK。
2.2放置所需元件
图4放置元件
放置元件时按“R”和“L”对元件进行旋转。
2.3连线并编辑元件属性
图5编辑元件属性
连接元件,并编辑元件属性,其中外置激励压为1V。
3进行电路仿真
3.1仿真设置
图6设置参数
在Analysistype栏中选TimeDomain(Transient),设置终止时间0.1S,步长为10uS。
确定后运行。
图7添加变量
添加所需要的变量到窗口中,选中的变量波形就显示在屏幕上。
3.2瞬态分析
瞬态分析又称TRAN分析,就是求电路的时域响应。
它可以在给定输入激励信号情况下,计算电路输出的瞬时响应,也可以在没有激励信号但有储能元件(如C和L)的情况下,求振荡波形。
T<0时V1=0V,T>0时V1=1V满足零状态响应分析要求。
当Vs=1V,R=1K,C=1uF,L=1H时,其环路电流I的波形如图:
图8环路电流
电容C两端电压如下图所示:
图9电容C两端电压
电阻R两端电压如下图所示:
图10电阻R两端电压
此时
系统处于欠阻尼振荡,其零状态激响应是一个衰减的振荡过程。
当Vs=1V,R=2K,C=1uF,L=1H时,其环路电流I的波形如图:
图11环路电流
电容C两端电压如下图所示:
图12电容C两端电压
电阻R两端电压如下图所示:
图13电阻R两端电压
此时
经过再次仿真系统处于临界阻尼状态,波形衰减速度较快,略微可以看到振荡波形。
当Vs=1V,R=5K,C=1uF,L=1H时,其环路电流I的波形如图:
图14环路电流
电容C两端电压如下图所示:
图15电容C两端电压
电阻R两端电压如下图所示:
图16电阻R两端电压
R取5k时
系统处于过阻尼振荡,其零状态激响应是一个快速衰减过程,看不到振荡波形。
4总结
通过Pspice仿真掌握二阶电路的分析方法,理解二阶电路过阻尼、临界阻尼、欠阻尼及自由振荡的条件。
当>0时,电路的零状态激响应必是衰减非周期性(非振荡性)类型的,或者说,是过阻尼型的。
当=0时,电路的零状态激响应必是衰减速度较快类型的,或者说,是临界阻尼状态。
而当<0时,电路的零状态激响应必是衰减周期性(振荡性)类型的,或者说,是欠阻尼型的。
经过以上讨论,可知由电路元件的参数R、L、C和电路拓扑结构决定的两个辅助参数及0影响着电路零状态激响应的波形。
5课程设计心得体会
参考文献
[1]邱关源.《电路》第五版.高等教育出版社,2006.5
[2]李永平.《PSpice电路原理与实现》.国防工业出版社,2004.10
[3]StevenM.Sandler.《SPICE电路分析》.科学出版社,2007.7
[4]赵雅兴.《PSpice与电子器件模型》.北京邮电大学出版社,2004.9
[5]吴锡龙.《电路分析》.高等教育出版社,2004
- 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:
- 电路CAA课程设计 基于PSpice的二阶电路的暂态分析 电路 CAA 课程设计 基于 PSpice 分析