电路计算机仿真实验报告.doc

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1、优质文本电路计算机仿真分析实验报告实验一 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、原理与说明对于电阻电路，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

2、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、 例如实验 应用PSPICE求解图1-1所示电路个节点电压和各支路电流。图1-1 直流电路分析电路图 图1-2 仿真结果四、选做实验1、实验电路图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，即当电压源Us1的电压在0-12V之间变化时，求负载电阻RL中电

3、流IRL随电压源Us1的变化曲线。图1-3 选做实验电路图2、仿真结果图1-4 选做实验仿真结果3、直流扫描分析的输出波形图1-5 选做实验直流扫描分析的输出波形4、数据输出 V_Vs1 I(V_PRINT2) 0.000E+00 1.400E+00 1.000E+00 1.500E+00 2.000E+00 1.600E+00 3.000E+00 1.700E+00 4.000E+00 1.800E+00 5.000E+00 1.900E+00 6.000E+00 2.000E+00 7.000E+00 2.100E+00 8.000E+00 2.200E+00 9.000E+00 2.30

4、0E+00 1.000E+01 2.400E+00 1.100E+01 2.500E+00 1.200E+01 2.600E+00从图1-3可以得到IRL与USI的函数关系为：IRL=1.4+(1.2/12)US1=1.4+0.1US1 (公式1-1)五、思考题与讨论：1、根据图1-1、1-3及所得仿真结果验证基尔霍夫定律。 答：根据图1-1、1-3及所得仿真结果图1-2、1-4的数据显示可以得出，回路的电压满足KVL方程，各个节点的电流满足KCL方程，验证了基儿霍夫定律。2、 怎样理解式1-1表示的电流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：式1-1IRL=

5、1.4+1.2/12US1=1.4+0.1US1表示负载电阻RL中的电流IRL与电压源US1的电压成线性关系。式中1.4表示电压源US1置零时其他鼓励在负载电阻RL上产生的电流响应，0.1US1表示仅保存电压源US1，其他电源置零电流源开路，电压源短路时，负载上产生的电流响应。3、 对图1-3的电路，假设想确定节点电压UN1随US1变化的函数关系，如何使用Pspice软件？操作分几步进行？ 答：1、在节点n1处放置节点电压探针； 2、进行直流扫描分析： a、单击PSpice/Edit Simulation Profile,翻开分析类型对话框，选择“DC Sweep。在“Sweep Var. T

6、ype选择“Voltage Source，在“Sweep Type选择“Linear，在“Name选择“Vs1，在“Start Value输入“0，“End Value输入“12，“ Increment输入“0.5。 b、运行PSPICE的仿真计算程序，进行直流扫描分析，即得节点电压UN1随US1变化的函数关系。 4、对上述电路，假设想确定负载电阻RL的电流IRL随负载电阻RL变化设RL变化范围为0.1-100的波形，又该如何使用Pspice软件进行仿真分析？ 答：应在图1-3负载电阻RL处放置电流探针，将负载电阻的阻值设置为全局变量var，添加PARAM，对其相应参数进行设置。然后单击Psp

7、ice/Edit Simulation Profile，选择“Global parameter，将“Parameter设为“var，Sweep Type选择“Linear，“Start设为0.1，“End设为“100，Increment设为“1，然后运行仿真，即可得到负载电流随负载电阻变化的曲线。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窗口的简单设置。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，

8、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，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GeqGeq=1/Req。三、 例如实验1、 实验电路图 测量有源一端口网络如图2-1等效输入端电阻Req和对外电路的伏安特性。 图2-1 实验电路图2、原电路及等效电路外特性的显示结果图2-2 测得I(RL)最大值即短路电流Isc130mA，V(RL:2)最大值即Uoc为3.5455V。那么输入端电阻Re

9、q=3.5455/0.13=27.273 。图2-3原电路及等效电路外特性的显示结果选择Tools=Cursor=Display显示坐标轴列表，点击I(RL)、I(RLd)和I(RLn)前面的小方块，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，可显示不同电压时的相应电流值。 三个电源对外伏安特性曲线完全相同,从而验证了戴维南定理和诺顿定理。二、 思考题与讨论1、戴维南定理和诺顿定理的使用条件分别是什么？ 答：戴维南定理和诺顿定理使用条件均要求等效替代网络为线性有源一端口网络。 2、如果图2-4出现渐增的波形，那么是由于电流的正负不一致，但是并不影响实验的结果。 实验三 正弦稳态电

10、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连接方式。二原理与说明在“电路课中已学过，对于正弦稳态电路，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 例如实验（1） 正弦稳态分析。以图3-1的电路为例。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。图3-1（2） 仿真计算的输出结果：FREQ IM(V_PRINT1)IP(V_PRI

11、NT1)IR(V_PRINT1)II(V_PRINT1) 1.592E+03 2.268E-03 8.987E+01 5.145E-06 2.268E-03FREQ 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由以上结果可知，电源回路中的电流振幅近似等于0，而负载回路中的电流振幅近似等于2A。四 选做实验1、 实验电路图图3-2 选做实验的电路图2、 各元件的电流如下列图所示：图3-3 各元件电流源3、 电流随电容变化的曲线：图3-4 电流随电

12、容变化曲线由图可明显看出电容对功率因素的影响为一抛物线图形,这与理论是相当吻合的,从图也得出电容为14.34F时，电路发生并联谐振，此时电流最小，功率因数为1。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之路，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：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，令电路发生谐振时的电容为0，那么当0时,电流随着电容的增大而增大,当=0时,电流最小.此时感性元件上的电流和功率不会改变.2、提高线路功率因数为什么只采用并联电容器法，而不用串联法？所并的

13、电容器是否越大越好？ 答：并联电容的容性无功功率可以补偿感性负载的感性无功功率而不会改变负载的工作状态，如果采用串联电容法来提高功率因数，会导致负载的工作状态改变，故不用串联电容法来提高功率因数。所并的电容并不是越来越好，太大可能导致过补偿。实验四 一阶动态电路的研究一.实验目的1、掌握Pspice编缉动态电路、设置动态元件的初始条件、掌握周期鼓励的属性及对动态电路仿真的方法。2、理解一阶RC电路在方波鼓励下逐步实现稳定充放电的过程。3、理解一阶RL电路在正弦鼓励下，全响应与鼓励接入角的关系。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，就要过度到新的稳定状态。从一种稳定状态转

14、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态，因而过渡过程又称为暂态过程。三、 例如实验1 分析图4-1所示RC串联电路在方波鼓励下的全响应。电容初始电压为2V电容Ic设为2V。图4-1 电路图2、 仿真计算及结果分析。图4-2 电容电压与鼓励的波形由输出波形可知，电容的工作过程是连续在充放电过程，开始电容放电，到达最小值，当第一个方波脉冲开始以后，经历一个逐渐的“爬坡过程，最后输出成稳定的状态，产生一个近似的三角波。最后电容电压输出波形稳定在最大值为4.450V，最小值为2.5

15、50V。 TIME V(N00390) 0.000E+00 2.000E+00 2.000E-03 1.146E+00 4.000E-03 3.645E+00 6.000E-03 2.089E+00 8.000E-03 4.185E+00 1.000E-02 2.399E+00 1.200E-02 4.363E+00 1.400E-02 2.500E+00 1.600E-02 4.421E+00 1.800E-02 2.534E+00 2.000E-02 4.440E+00 2.200E-02 2.545E+00 2.400E-02 4.447E+00 2.600E-02 2.548E+00

16、2.800E-02 4.449E+00 3.000E-02 2.550E+00 3.200E-02 4.449E+00 3.400E-02 2.550E+00 3.600E-02 4.450E+00 3.800E-02 2.550E+00 4.000E-02 4.450E+00四、 选做实验1参照例如实验，改变R和C的元件参数，观察改变时间常数对电容电压波形的影响。图4-3 选做实验1电路图图4-4 电容电压随时间的变化由以上输出波形可知，时间常数增大时，电容器充放电变慢。（2） 仿真计算R=1K，C=100uf的RC串联电路，接入峰-峰值为3V、周期为2S的方形鼓励时的零状态响应。图4-5

17、选做实验2电路图图4-6 仿真输出结果（3） 仿真计算R=1K，C=100uf的RC串联电路，接入峰-峰值为5V、周期为2S的方波鼓励时的全响应。其中电容电压的初始值为1V。图4-7 选做实验3电路图图4-8仿真输出结果五、 思考与讨论（1） 在RC串联电路中，电容充电上升到稳态值的多少所需时间为一个时间常数？ 答：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。2在RC串联电路中，电容放电衰减到初始值的多少所需时间为一个时间常数？ 答：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。（3） 通常认为电路从暂态到达稳定状态需要多少时间？

18、答：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，到达新的稳态。但实际上，当时间T=5时，UL=U0 e-5=0.007U0。 此时电感电压已接近于零，电感的放电过程已根本结束。所以工程上一般认为从暂态到稳定状态的的时间为4-5。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1用二阶微分方程描述的动态电路，称为二阶电路。电路

19、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=R/2L,0=1/ 是在R=0情况下的振荡角频率，称为无阻尼振荡电路的固有角频率。在R0时，R、L、C串联电路的固有振荡频率= 将随=R/2L的增加而下降。 当R=2 时，有=0 ，= =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。相平面也是直角坐标系，其横轴表示被研究的物理量度x,纵轴表示被研

20、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。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。三例如实验研究R、L、C串联电路零输入响应波形。图5-1 R、L、C串联电路2、不同情况下的UC、IL、UL波形：(a) R=0,00001(b) R20 欠

21、阻尼(c) R40 临界阻尼(d) R100 过阻尼图5-2 4种不同情况下UC、IL、UL波形四 选做实验1、 研究方波信号作用下的R、L、C串联电路。图5-3 方波幸好作用下的RLC串联电路2、不同参数下Uc的波形：Val0.5Val0.1Val1Val10Val40Val200图5-4 不同参数下UC的波形五、 思考与讨论1、 R、L、C串联电路的暂态过程为什么会出现三种不同的工作状态？试从能量转换的角度对其作出解释。 答：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

22、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。当当时，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。三、 例如实验1、 双T型网络如图6-1所示。分析该网络的频率特性。图6-1 双T型网络实验电路2、

23、双T型网络的帧频特性图6-2 双T型网络的帧频特性从图6-2可以看出，这是一个带阻滤波器，低频截止频率近似为182HZ，高频截止频率近似为3393HZ，带阻宽度3211HZ。四、 选做实验1、 图6-3所示为RLC串联电路，测试其幅频特性，确定其通带宽f0。 假设f小于40KHZ，试采用耦合谐振的方式改良电路，使其通带宽满足设计要求。图6-3 RLC串联电路图6-4 串联电路的通带2、 改良电路如图6-5所示，其耦合电感参数设置如下L1=L2=100uH,耦合系数COUPLE=0.022。观察其谐振频率和通带宽是否满足设计要求。图6-5磁耦合谐振电路图6-6 磁耦合谐振电路的通带宽由图可以看也

24、该带阻滤波器的低频截止频率近似为985.46kHZ，高频截止频率近似为1014.6k HZ，故其带阻宽度为29.24k HZ 40kHZ故满足实验设计要求。五、 思考与讨论1、 同一电阻、电感、电容元件做串联和并联时，电路的性质相同吗？为什么？ 答：同一电阻、电感、电容原件做串联和并联时，电路的性质不同。因为当串联电路呈感性时，并联电路可能呈容性；串联电路呈容性时，并联电路可能呈感性。当串联电路发生串联谐振时，电容和电感相当于短路，而此时对于并联电路来说可能发生并联谐振，并联支路相当于开路。2、 频率对电路的性质有影响吗？为什么？ 答：频率对电路的性质有影响，频率的改变可能导致电路中容抗和感抗

25、的改变，从而改变电路的容性或感性。当电路发生谐振时，电路可能成阻性。实验七 三相电路的研究一、实验目的通过根本的星形三相交流电的供电系统实验，着重研究三相四线制和三相三线制，并对某一相开路、短路或者负载不平衡进行研究，从而熟悉星形三相交流电的特性。二、 例如实验1、三相三线星形电路图7-1 三相三线对称星形电路仿真结果输出：R1为不同值时的输出波形：图7-2a) R1=100K时电路的电压波形图7-2b) R1=50K时电路的电压波形图7-2c R1=10K时电路的电压波形图7-2d R1=5K是电路的电压波形图7-2e) R1=1K时电路的电压波形R1,R2,R3设置成不同得阻值，形成三相不

26、平衡电路，观察不同状态下的电压波形。图7-3 R1、R2、R3不同阻值的电路图 图7-4 R1、R2、R3不同阻值事的仿真输出结果2、 增加中线三相四线电路。图7-5 三相四线星形对称电路仿真结果输出：R1为不同值时的输出波形：图7-6a R1=100K时电路的电压波形图7-6b R1=50K时电路的电压波形图7-6c R1=10K时电路的电压波形图7-6d R1=5K时电路的电压波形图7-6e R1=1K时电路的电压波形三、 选做实验1中线正常，三相中一相短路：图7-7 选做实验1电路图图7-8 选做实验1仿真输出结果（2） 中线正常，三相中一相开路：图7-9 选做实验2电路图图7-10 选

27、做实验2仿真输出结果3没有中线，三相中一相短路：图7-11 选做实验3电路图图7-12 选做实验3仿真输出结果（4） 没有中线，三相中一相开路 图7-13 选做实验4电路图图7-14 选做实验4仿真输出结果（5） 没有中线，三相中一相开路一相短路图7-15 选做实验5电路图图7-16 选做实验5仿真输出结果四、 思考题与讨论：1、 三相三线制电路中负载变化时电压的变化情况，负载与电压的对应关系。 答：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不同，哪一相电压最高？哪一相电压最低？ 答：三相三线制电路接不

28、对称负载时，中性点发生偏移，负载电压也不对称。三相四线制电路，无论负载对称与否，负载电压均对称。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、加深对受控电源的理解。二、 例如实验1VCVS 电压控制电压源的设计电路图8-1 电压控制电压源的设计电路图8-2 仿真输出结果改变电阻值：图8-3（2） VCCS 电压控制电流源的设计电路图8-4 电压控制电流源的设计电路 图8-5 仿真输出结果改变阻值：图8-6实验分析： 理论：g=1/R=1mS 实际：g=k=1mS3CCCS 电流控制电流源的设计电路图8-

29、7 电流控制电流源的设计电路 图8-8 仿真输出结果改变电阻：图8-9（4） CCVS 电流控制电压源的设计电路图8-10 电流控制电压源的设计电路图8-11 仿真输出结果改变电阻：图8-12四、 思考与讨论1、 受控源能否作为电路的鼓励源对电路起作用？如果电路没有独立电源仅仅有受控电源，电路中还会有电流和电压吗？ 答：受控源可以作为电路的鼓励源对电路起作用。如果电路没有独立电源仅仅有受控电源，电路中不会有电流和电压。 受控源并不是电源，它仅仅反映一个电量对另一个电量的控制关系。独立电压流源可以独立于外电路产生电压流，而受控源那么不能独立产生电压流，其电压流的大小完全取决于控制量。但当控制量确定并保持不变时，受控源那么具有独立电源的特性.