电路计算机仿真分析.docx

《电路计算机仿真分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电路计算机仿真分析.docx（36页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、电路计算机仿真分析实验一直流电路工作点分析和直流.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、元件类别的选择及其参 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等。2、学习使用PSPICE进行直流工作点分析和直流扫描分析的操作步骤。二.实验原理对于电阻电路，可以用直观法（支路电流法、节点电压法、回路电流法）列写电路方程, 求解电路中各个电压和电流。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，用 PSPICE的元件符号库绘制电路图并进行编辑、存盘。然

2、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），要注意支路（也就是元件）的参考方向。对于二端元件的 参考方向定义为正端子指向负端子。三.示例实验1、示例说明：应用PSPICE求解图1-1所示电路个节点电压和各支路电流。图1T2.图形 显示各 节点电 压和各元件电流值如下:AAAr1kR33k Idc24Adc Idc12Adc图1-2仿真结果四.选做实验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

3、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。同上。132AdcIPRINT闫直加15Vdc图1-3选做实验电路图2、直流扫描分析结果见图1-4。图卜4直流扫描分析的输出波形W W.3.数据输出为:V_V1I(V_PRINT1)0. 000E+001. 400E+001. 000E+001. 500E+002. 000E+001. 600E+003. 000E+001. 700E+004. 000E+001. 800E+005. 000E+001. 900E+006. 000E+002. 000E+007. 000E+002. 100E+008. 000E+002. 200E+0

4、09. 000E+002. 300E+001. 000E+012. 400E+001. 100E+012. 500E+001.200E+012. 600E+00(5) IRL 与 US1 的函数关系为：IRL=1.4+(1.2/12)U1. (公式 1-1)1 .4表示当没有电压源U1时，IRL为1.4A；12表示U1变化了 12V；2 . 2表示当电压变化了 12V时，电流变化了 1. 2A。五.思考与讨论1、任选一条闭合回路，可以得出该回路的电压之和为零，即：EUi-0 ；另外任一节点电 流之和为零，即：EIi=O。可以得出基尔霍夫电压定律和基尔霍电流定律的正确性。2、公式1T中，1.4表

5、示Vsl断开时其他电源作用于RL的电流，0.1表示Vsl单独作用 于RL,而其他电源置零时的等效电导，根据电路的叠加原理，所有电源同时作用于RL 时的电流为两部分之和。即：Il=1.4+0. lUsl。3、实验中如果要测量节点N1的电压随Usl的函数关系，只需在节点N1处添加一个电压 指针，其他设置与直流扫描分析类似。七.实验报告3 .总结如何用Pspice进行直流工作点分析和直流扫描分析。答：Pspice软件的使用：若想得到其它量的函数关系，得到其波形图，只需在所测定点 上设置相应的探针，然后在参数设定上进行一点更改。如想要确定负载电阻RL的电 流随负载电阻变化的波形，只需将“直流扫描分析参

6、数表”中“Name”中的VI该为 RL；若想要确定节点电压Uni随U1的变化，只需在nl这个节点上设置一个电压探针。 3.分析实验结果答：对于电路1,设4 V和6 V所对应的结点分别为1和2。对于中间的一个 回路有：4*1+1*2-3*2=0,即基尔霍夫电压定律成立。对于结点1有：2+2-4=0, 即基尔霍夫电流定律成立。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仿真软件中绘制的电路图，初步掌握符号参数、分析类型的设 置。学习Prode窗口的简单设置。2、加深对戴维南定理与诺顿定理的理解二、实验原理戴维南定理指出，任一线性有源一端口网络，对外电路来说，可以用一个电压

7、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等于原网 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，时 外电路来说，可以用一个电流源与电导并联的支路来代替，该电流源的饿电流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=l/Req)o1.绘制电路图RLd2.按测得的等效参数修改电路参数，见2-2。v ar = 1k图2-2修改参数后的电路图3.甫新设定扫描参数，显示结果如图2-3。图2-3修改参数后的输出伏安特性曲线五.思考与讨论1、戴维南定理和诺顿定理使用的条件为：不含

8、受控源的线性网络。2、通过分析比较图2-3中的三条伏安特性曲线，可以发现三条曲线耦合得非常好，这说 明了戴维南定理和诺顿定理的正确性。即：一个有源一端口网络既可以等效为一个电 压源和电阻串联的电路，也可以等效为一个电流源和电导相并联的电路。3、在测量电路的短路电流和开路电压时，可以通过启动图形工具栏中的十字型标尺，根 据标尺数据显示框读取电流和电压。4、如果图2-3出现渐增的波形，则是由于电流的正负不一致，但是并不影响实验的结果。七.实验报告由输出特性曲线可以看出，这三条伏安特性曲线是完全一样的，从而验证了戴维南定 理和诺顿定理的正确性。实验三正弦稳态电路分析和交流扫描分析一、实验目的1、进一

9、步学习使用PSPICE软件，熟悉它的工作流程。2、学习用PSPICE进行正弦稳态电路的分析。3、学习用PSPICE进行正弦稳态电路的交流扫描分析。二、实验原理时于正弦稳态电路，可以用相量法列写电路方程（支路电流法、节点电压法、回路电流 法），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、示例实验1.正弦稳态分析:图3-1正弦稳态分析电路图仿真计算的输出结果为:FREQIM(V_PRINT3)IP(V_PRINT3)IR(V_PRINT3)II(V_PRINT3)1.592E+032.268E-038.987E

10、+015. 145E-062.268E-03FREQIM(V_PRINT4)IP(V_PRINT2)IR(V PRINT4)II(V_PRINT4)1.592E+032.004E+008.987E+014.546E-032.004E+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.对正弦稳态电路进行计算机辅助分析，求出各元件的电流。电路如图3-2。图3-2仿真得到结果如图3-3所示图3-3 计算输出结果为：FREQIM(V_PRINT1)IP(V_PRINT1)IR(V_PRINT1)II(V_PRINT1)1.592E+024.925

11、E+011.482E+004.923E+011.273E+00FREQIM(V_PRINT4)IP(V_PRINT4)IR(V_PRINT4)II(V_PRINT4)1.592E+022.450E+01-4. 484E+011.738E+01-1.728E+01FREQIM(V_PRINT5)IP(V_PRINT5)IR(V_PRINT5)II(V_PRINT5)1. 592E+022.025E+017.136E+016.472E+001.919E+01FREQIM(V_PRINT10)IP(V_PRINT10)IR(V_PRINT10)II(V_PRINT10)1. 592E+021. 32

12、9E+015. 77OE+O17.105E+001.124E+013、电路如图3-3, Us=311cos(314t)V,电容是可调的，其作用是为了提高电路的功率因 数人。试分析电容为多大时，电路的功率因数入=1。图3-4图3-5仿真输出结果五、思考与讨论1、在感性负载上并联电容器后，电路的总电流可能增大也可能减小，具体的变化要看 电容的大小，电容较小时总电流将增大，电容较大时电流将减小。此时感性元件上 的电流和功率不变。2.并联电容的容性无功功率补偿了负载电感中的感性无功功率，理论上可以用串联电容 的方法来提高功率因数，但这样会改变电动机的工作状态，故不用串联电容法来提 高功率因数。所并的电

13、容并不是越来越好，太大可能导致过补偿。七.实验结果分析(1)根据所给出的实验步骤，用PSPICE做例题后，得到了数值的结果，由此结果可看出 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,与课本上结论一样。(2)求出各元件的电流如图3-3所示，对仿真结果进行判断：例，由图知，I(R1)=44A, I(R2)=6.4A, I(R3)=14A,I(R4)=22A,则对由 这四个电阻构成的结点做KCL分析得，44约=6. 4+14+22,所以仿真结果大致正确。(3)对图3-4进行仿真，因已知当功率因数为1时，电源输出电流最小，所以以电容值为 变量，电源输出电流为因变量，得实验结果如图3

14、-5所示，则观察曲线可知，当C=14.27uf 时，电源输出电流大致为最小。实验四一阶动态电路的研究实验目的1、掌握PSPICE编辑动态电路、设置动态元件的初始条件、掌握周期激励的属性及对动 态电路的仿真方法。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.实验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，就要过度到新的稳定状态。从 一种稳定状态转到另一种新的稳定状态往往不能跃变，而是需要一定的过渡过程(时间) 的，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，所以在过渡 过程中的工作状态成为暂

15、态，因而过渡过程又称为暂态过程。三.实验示例L分析图4-1所示RC串联电路在方波激励下的全响应。电容初始电压为2V (电容Ic 设为2V).TD = 2msTR = 0.001 usTF = 0.001 usPW = 2ms PER = 4ms图4-12.仿真计算及结果分析。经过仿真计算得到图形输出如图4-2所示。图4-2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

16、,最小值2. 550。增加VPRINT到电路上观察电容电压的数值输出:TIMEV(N00257)0. 000E+002.000E+002. 000E-03I. 146E+004. 000E-033. 645E+006.000E-032. 089E+008.000E-034.185E+00I.000E-022. 399E+00l.200E-024. 363E+00I.400E-022.500E+00I.600E-024.421E+00I.800E-022.534E+002.000E-024.440E+002.200E-022.545E+002.400E-024.447E+002.600E-022

17、.548E+002.800E-024. 449E+003.000E-022. 550E+003.200E-024.449E+003.400E-022.550E+003.600E-024.450E+003.800E-022.550E+004.000E-024.450E+00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.如下图所示，改变电容值为0. 2uF。改变时间常数为原来的0. 1倍，观察时间常数对 电容电压波形的影响。R1-VA/5K12drfe VVTTTPP7 2ms0.001 us 0.001 us 2ms - 4ms经仿真分析得到以下结果:图4-4

18、改变电容值为20uF,时间常数变为原来的10倍。得到仿真结果如下所示:akJ” 号货n就2 .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。图4-7得到仿真结果如下所示:图4-8TIMEV(N00257)0. 000E+000. 000E+002.000E+001.221E-044.000E+001. 222E-046.000E+001.222E-048.000E+001. 222E-041.000E+011. 222E-041.200E+011. 222E-041.400E+011. 222E-041.600E+011. 222E-

19、041.800E+011. 222E-043 .仿真计算R=lK,C=100uf的RC串联电路，接上峰-峰值为5V、周期为2s的方波激励时的 全响 应电 容电 压的 初始 值为 IVo得到仿真结果如下所示:TIME0.000E+001.000E+002.000E+003.000E+004.000E+00V(N00257)1. 000E+004. 667E-055. 004E+002. 035E-045. 004E+00图4-95. 000E+00 6. 000E+00 7. 000E+00 8.000E+00 9.000E+001.000E+01 1.100E+01 1.200E+01 1.3

20、00E+01 1.400E+01 1.500E+01 1.600E+01 1.700E+01 1.800E+01 1.900E+01 2. 000E+012. 035E-045. 004E+002. 035E-045. 004E+002. 035E-045. 004E+002. 035E-045. 004E+002. 035E-045. 004E+002. 035E-045. 004E+002. 035E-045. 004E+002. 035E-045. 004E+00分析：全响应，电容起始电压为IV,此后电容处于充电状态，充电达到饱和后，电 容电压的衰减很小又很快开始充电。五.思考与讨论1.

21、 RC串联电路中，电容电压上升到稳态值的63. 2%所需要的时间为一个时间常数T。2. RC串联电路中，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T o3. 通常认为电路从暂态到稳态所需时间是5 7。七.实验结果分析(1)通过实验，发现电容电压波形受R,C元件参数及时间常数的影响。其中时间常数对 波形的影响从图上看：1 .波形由方脉冲尖顶波变为弧形2脉冲，电容冲放电过程由近似的直线变成明显的与 电压成非线形关系。2 .随着时间常数的增大，电容一次充电和放电的时间间隔明显增大，如图4-2和图4-4, 从0增加到0.5s。(2)由示例实验及实验3、4知道，不同参数的RC串联电路

22、，由不同方波激励的仿真影 响时，所得到的电容电压与激励的波形是不同的，即它们的冲放电过程是有差别的。 当然，激励的大小不同，所得到的电容电压的最值也不同。(3)对电容电压的零状态响应及全响应：零状态响应时，电容电压的初始值为0, 全响应时，电容电压的初始值不为0,具有一定的数值。实验五二阶动态电路的仿真分析实验目的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。.实验原理1、用二阶微分方程描述的动态电路，称为二阶电路。电路

23、的零输入响应只与电路的参 数有关，对应不同的电路参数，其响应有不同的特点：当R2时，零输入响应中的电压、电流具有非周期的特点，称为过阻尼状态。当R2时，零输入响应中的电压、电流具有衰减振荡的特点，称为欠阻尼状态。此时 衰减系数8 =R/2L, 30=1/是在R=0情况卜的振荡角频率，称为无阻尼振荡电路的 固有角频率。在RW0时，R、L、C串联电路的固有振荡频率3= 将随6=R/2L 的增加而下降。当R=2时，有8=3。，3 =0,暂态过程界于非周期与振荡之间，称为临界状态。其本质属于非周期暂态过程。2、此外还可以在相平面作同样的研究工作。相平面也是宜角坐标系，其横轴表示被研 究的物理量度x,纵

24、轴表示被研究的物理量对时间的变化率dx/dt。由电路理论可 知，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 o因 为iL=ic=CdUc/dt,所以取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 ,可用相平面上的某一点来表示，这个点称为相迹点。Uc、 il随时间变化的每一个状态可用相平面上一系列相迹点表示。一系列相迹点相连 得到的曲线称为状态轨迹（或相轨迹）。利用Pspice仿真可以很方便地得到状态轨迹。三.示例实验1 .研究R、L、C串联电路零输入响应波形。图5T在一个坐标下观察Uc、Uu波形。R=20ohm,欠阻尼情况fin 工

25、g0.0*E*,；” V Y冬笛R = 40ohm,临界阻尼情况Cb3.&ZU O.Sffli E0产满.;” 歹修门久：却为R=100ohm,过阻尼情况Kar四、选做实验2 .研究方波信号作用下的R、L、C串联电路。V1 =0 V2 = 10TD 0TR 0.001usTF = O.OOlusPW = 2ms PER 4msPARAMETERS:图5-6图5-7b. Rl=0. 1c.Rl=l图5-9d. Rl=10e. Rl=40图 5-11f. RI =200n/：0n配图 5-12根据公式R=2 JC , L=0.8m,C=2u,得R=40,可知Rl=40。是临界非振荡充电过程的条件。

26、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; R40时，电路处于过阻尼状态。五、思考与讨论（1） 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*i6nzi图7-3(5)分别将RI阻值减小为10k, 5k, Ik,得到不同的电压波形。Rl=10k图7-4Rl=5k图7-6(6)R1,R2,R3设置成不同得阻值，形成三相不平衡电路，观察不同状态下的电压波形。2、增加中线如图7-8所示:重复上面的实验过程，得到以下不同的电压波形图: 三相四线对称星形电路电压波形i

27、JiFSRl=50K雪磔Ip野掌导e曾阻他：R1=1OK雪磔“为智盟+H8曾趋”安R1=5KtM 9imaM RON w VCWveaX&J9R1=1KR营像喷曾潦：时9江花濯:iSta4瓯R1=1OK, R2=30K, R3=100K四、选做实验以图7-8的图形为基础，分别设计1.中线正常，三相中一相短路2.中线正常，三相中一相开路3.没有中线，三相中一相短路4.没有中线，三相中一相开路5.没有中线，三相中一相短路，一相开路五、思考与讨论(1)三相三线制电路中，负载电压随相应的负载变化而变化，而且变化规律相反，即一路 负载变大，这路电压减小，反之增大。(2)三相三线制电路中，负载与电压成正比

28、关系。随着RI阳值减小，其所在的相的电压也 减小，其余两相的电压不变。在三相不平衡电路中，负载最大的那一相电压最高,，负载最小 的那一相电压最低。七.实验报告(1)三相三线制电路中，各相的电压电流互不影响。在实验c中，所在短路相的电压 为0,电流比另两相大。实验d中，所在开路相的电流为0,电压比另两相大。三相四线制电路中，因有中线贯穿，电压不会随负载的改变而变化。在选做实验a 中，因中线正常，故不管负载是否对称，电压输出均不改变，而电流输出则与负载关 系密切，其中一相短路时，即Rl=0时，R1和R2上的电流均为0, R3上电流不改变。 实验b中，开路电压输出不影响，所在开路相的电流为0。(2)

29、在中线有负载的情况下，负载改变对电流电压的影响又有所不同。在实验e中，因R5 的分流或者分压作用，使得开路和短路实验的电压电流输出与无R5时不同。实验八 受控电源的电路设计一、实验目的1、学习使用PSpice进行电路的辅助设计。2、用Pspice “测试”受控电源的控制系数和负载特性。3、加深对受控源的理解。二、实验原理受控源是一种二端口元件，按控制量和被控制量的不同，受控电源可分为：电压控制 电压源(VCVS)、电压控制电流源(VCCS)、电流控制电压源(CCVS)和电流控制电流源 (CCCS)四种。控制系数为常数的受控电源为线性受控电源，它们的控制系数分别用U、 9、r 和 B。本实验是用

30、运算放大器和固定电阻组成上述四种受控电源。图8T中的电压控制电 压源U2=(1+R1/R2)U1 ,控制系数u=(l+Rl/R2)。图8-2中的电压控制电流源I2=(1/R)U1 , 控制系数9=R。图8-3中的电流控制电压源U2=(-R)I1 ,控制系数尸-R。图8-4中的 电流控制电流源12=(1+m2)11,控制系数3= (1+R1/R2).三、实验任务1、电压控制电压源和电压控制电流源的仿真设计。电路分别如图8T和8-4所示。a.用Pspice绘制电路和设置符号参数。b.设置分析类型，对电路进行分析，得到控制量和被控制量，间接测量控制系数U和9 .通过公式= (1+R1/R2)、g=l

31、/R分别计算控制系数U和9 .c.对结果进行分析。d.改变电阻值，再用Pspice进行仿真分析，分别确定控制系数u和g与电阻的函数关 系。U1图8-2理论：n=1+R1/R2=2 实际：斜率k=u=2R1=2KR2=1K时运行仿真电路得到曲线图图8-3理论：U=1+R1/R2=3 实际：斜率k=u=3U1OIOPAMPR12kR21k- 0图8-4一工阴3图8实验分析：理论：g=l/R=lmS 实际：g=k=lmS理论：g=l/R=0. 5mS图8-6实际：g=k=0. 5mS2、电流控制电压源的仿真设计。电路图8-3所示，输入电流II由电压源Us和串联电 阻Ri提供。图8-7a.用Pspic

32、e绘制电路和设置符号参数。b.设置分析类型，对电路进行分析，得到控制量和被控制量，间接测量控制系数r, 并通过公式r=-R计算控制系数。c.对结果进行分析。运行仿真电路得到曲线图Till)R=2k时运行仿真电路得到曲线图理论：r=R=2K 实验：r=k=2Kd.改变电阻值，再用Pspice进行仿真分析，确定控制系数r和电阻的函数关系。 3,电流控制电流源的仿真设计。电路如图8-8所示，输入电流II也是由电压源Us 和串联电阻Ri提供。. V1 3Vdcr=i=a.用Pspice绘制电路和设置符号参数。b.设置分析类型，对电路进行分析，得到控制量和被控制量，间接测量控制系数3 o并通过公式B=

33、(1+R1/R2)计算控制系数运行仿真电路得到曲线图实验分析：理论：B=1+R1/R2=2 实验：P=K1/K2=2R1=1KR2=2K时运行仿真电路得到曲线图g理论：B=1+R1/R2=1.5实验：P=K1/K2=1.5c.对结果进行分析。d.改变电阻值，再用Pspice进行仿真分析，确定控制系数B和电阻的函数关系。五、思考与讨论(1)受控电源不能作为电路的激励源对电路起作用，受控源的电势或电流是随电路中另一 支路的电压或电流而变的电源。如果电路没有独立电源仅仅有受控电源，电路是不会有电 流和电压。(2)通过本实验可知，不同的受控电源有不同的控制系数。电压控制电压源的控制系数u=(l+Rl/

34、R2)。电压控制电流源控制系数g=(l/R)o电流控制电压源控制系数r=-R。电流控制电流源B=(1+R1/R2).七.实验报告(2)在VCVS电路中,RI, R2的改变都会引起控制系数的改变,从而使电路的负载特性改变。 在VCCS电路中，R的改变使控制系数g改变，负载特性改变。而改变RL则不会使负载特性 改变。在CCVS电路中，通过电压源串联电阻构成电流源，R的改变会使r改变 从而改变负 载特性，而Ri的改变只会使输出的电流值有所改变，不会改变负载特性。在CCCS电路中， RI, R2的改变会使负载特性改变，而改变RL, Ri负载特性不变。(3)通过本次实验仿真，使我对受控电源的结构原理有了进一步的认识，也为后面的理论 学习打下了基础。