電路課設(shè)報告

1、目錄1.仿真軟件PSpice概述11.1 PSpice 簡介11.2 Pspice的仿真軟件結(jié)構(gòu)11.3 PSpice的基本操作22 RLC串聯(lián)電路的諧振分析32.1創(chuàng)建電路圖32.2理論分析42.3模擬過程及參數(shù)設(shè)置.82.4模擬結(jié)果和比較分析.93單管放大電路的分析153.1原理電路圖153.2電路理論分析163.3電路仿真174課程設(shè)計的心得體會245參考文獻25精品1仿真軟件PSpice概述1.1 PSpice 簡介用于模擬電路仿宜的 SPIC E （Simulation Program with Integrated Circuit E mphasis ） 軟件于1972年由美國加州

2、大學(xué)伯克利分校的計算機輔助設(shè)計小組利用FORTR A N語 言開發(fā)而成，主要用于大規(guī)漠集成電路的計算機輔助設(shè)計oSPIC E的正式版SPICE 2G 在1975年正式推出，但是該程序的運行環(huán)境至少為小型機。1985年，加州大學(xué)伯克 利分校用C語言對SP1CE軟件進行了改寫，并由M1CROSIM公司推出。1988年SPICE 被定為美國國家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。與此同時，各種以SPICE為核心的商用模擬電路仿真軟 件，在SPICE的基砒上做了大量實用化工作，從而使SP1CE成為晟為流行的電子電 路仿宜軟件。PSpice是一個電路通用分析程序，它主要是實現(xiàn)對電路進行模擬和仿真。在電子設(shè)計 肖動化發(fā)展的過程中，

3、PSpice起到了重要的作用。該程序通過對電路進行漠?dāng)M計算，達到 輔助電路設(shè)計的冃的。PSpice可以用兩種方式輸入：網(wǎng)單輸入文件（即程序的輸入）和電路圖輸入。由于電 路圖輸入更為方便快捷，岡此我們常常利用電路圖編輯工具來編輯電路圖以及設(shè)置和分析 各種過程參數(shù)。OrCAD/PSpicC9程序有龐大的元件庫，可以模擬6類常用的電路元器件：基本無源元 件，如電阻，電容，電感，傳輸線等；常用的半導(dǎo)體器件，如二極管，雙極晶體管，結(jié)型 場效應(yīng)管，MOS管等；獨立電壓源和獨立電流源；各種受控電壓源，受控電流源和受控開 關(guān)；基本數(shù)宇電路單元，如門電路，傳輸門，觸發(fā)器，可編程邏輯陣列等；常用單元電路, 如運算

4、放大器，555定時器等。OrCAD/PSpicC9中采用的是實用工程單位制，如電壓用伏（V）,電流用安（A）,功率 用瓦（W）等。在運行中，PSpice會根據(jù)具體對象肖動確定其單位。用戶在輸入數(shù)據(jù)時， 代表單位的字母可以省去。例如給電壓源賦值時，鍵入12和12V意思一樣。PSpice中的數(shù)宇采用科學(xué)表示方式，即可以使用整數(shù)，小數(shù)和以1（）為底的指數(shù)。用指 數(shù)表示時，底數(shù)1（）用E來表示。1.2 Pspicc的仿真軟件結(jié)構(gòu)OrCAD/Pspice9是一個軟件包,它共有六大功能漠塊，分別是PspiceA/D, Capture, Probe, Stimulus Editor, Model Edito

5、r 和 Optimizer。各模塊的功能簡述如下：0)電路模擬分析的核心模塊PspiccA/D。它實現(xiàn)電路的仿真與分析，可分析的電路 特性有6類15種：笫一類直流分析，包括靜態(tài)工作點，直流靈敏度，宜流傳輸特性，直流 特性掃描分析。笫二類交流分析，包括頻率特性，噪聲特性分析。第三類瞬態(tài)分析，包括 瞬態(tài)響應(yīng)分析，傅立葉分析。第四類參數(shù)掃描，包括溫度特性分析，參數(shù)掃描分析。笫五 類統(tǒng)計分析，包括彖托卡諾分析，晟壞情況分析。第六類邏輯模擬，包括邏輯模擬，數(shù)/ ?；旌夏M，晟壞情況時序分析。在使用的過程中，它接受網(wǎng)單文件的輸入，并列方程進 行計算求解，晟后輸出結(jié)果。仿真的結(jié)果一般由圖形文件(*.DAT)

6、和數(shù)據(jù)文件(LOUT) 兩部分組成。(2) 電路圖編輯模塊。其主要功能是以人機交互方式在屛幕上繪制電路圖，設(shè)置電路 中元器件的參數(shù)，生成多種格式要求的電連接網(wǎng)表。在改程序中可直接運行Pspicc及其他 配套功能模塊。(3) 激勵信號編輯模塊。其主要功能是以人機交互方式生成電路模擬中需要的各激勵 信號源，包括瞬態(tài)分析中需要的脈沖，分段線性，調(diào)幅正弦，調(diào)頻，指數(shù)等5種信號波， 形和邏輯模擬中需要的時鐘，脈沖，總線等各種信號。(4) 模擬參數(shù)編輯模塊。其主要功能是編輯來自廠家的器件的數(shù)據(jù)信息，生成Pspicc 模擬時所需要的模擬參數(shù)。閔為盡管PspiccA/P的模擬庫中提供了 1萬多種元器件和單元

7、集成電路的模擬參數(shù)，但在實際應(yīng)用中仍有用戶需采用耒包括在模擬參數(shù)庫中的元器件， 這是Model Editor軟件就顯得至關(guān)重要。(5) 波形顯示和分析模塊。其主要功能是將PSpicc的分析結(jié)果用圖形顯示出來。(6) 電路設(shè)計優(yōu)化模塊。其主要功能是自動調(diào)整元器件的參數(shù)設(shè)計值，使電路的特性 得以改善，實現(xiàn)電路的優(yōu)化設(shè)計。1.3 PSpice的基本操作1.3.1使用Capture模塊編輯電路圖(1) 新建仿宜設(shè)計項目(2) 放置元器件：用鼠標(biāo)單擊原理圖繪制窗口，選擇Placc/Part,或點擊窗口右側(cè)對應(yīng)的繪圖工具快捷縫，出現(xiàn)Place Part對話框。在Part窗口鍵入元器件名稱，點擊Part S

8、earch,查找相應(yīng)的元件。(3) 連線與設(shè)置節(jié)點：電路圖連線。Placc/WirC(shift+w),單擊右鍵，單擊End Wire結(jié)束連線。設(shè)置節(jié)點名。Place/Net Alias,在Alias中輸入節(jié)點名,單擊OK,將出現(xiàn)的小方框移到 節(jié)點名的位置，單擊左縫即可，單擊右縫，選中E nd Mode,結(jié)束節(jié)點名設(shè)置。(4) 編輯元件厲性：雙擊元器件，在Properly Editor對話框中設(shè)置參數(shù)?；蛘唠p擊參 數(shù)，在Value欄下設(shè)置參數(shù)。單擊C)K即可。1.3.2電路仿真電路仿真包括靜態(tài)工作點分析(將電路中的電容開路，電感短路，針對電流的直流電 平值，計算電路的直流偏置電壓)、瞬態(tài)分析(

9、求電路的時域響應(yīng))、傅里葉分析(在瞬態(tài) 分析完成后，計算輸出波形的直流、基波和各次諧波分量)、直流分析(當(dāng)電路中某一參 數(shù)在一定范圍內(nèi)更化時求電路的宜流偏置特性)、直流傳輸特性分析(計算電路的直流小信 號增益，輸入電阻和輸出電阻)、交流分析(、參數(shù)掃描分析和溫度分析等?，F(xiàn)在就以宜流分析為例講述電路仿真的步驟：(1) 用Capture軟件畫好電路圖。(2) 創(chuàng)建仿真簡要表，設(shè)置分析功能:單擊Pspicc/Ncw Simulation Profile命令創(chuàng)建一 個仿真分析簡要表，設(shè)置分析類型和參數(shù)。(3) 運行 Pspicc:選擇菜單命令 Pspicc/ Simulation Selected P

10、rofile。(4) 在Probe窗口中,執(zhí)行Tracc/Add Traces,選擇要顯示的變量名。單擊OK即可 看到電路電壓傳輸特性曲線。2RLC串聯(lián)電路的諧振分析2.1創(chuàng)建電路圖R1C120mH圖2.1 RLC串聯(lián)諧振電路圖2.2理論分析221基本原理圖2.2所示為RLC串聯(lián)電路，在可變頻的正弦電壓源Us激勵下，由于感抗.容抗隨 頻率交動，所以電路中的電壓、電流響應(yīng)亦隨頻率交動。圖2.2 RLC串聯(lián)諧振示意圖電路的輸入阻抗z (jw)可表示為：Z(jw) = R + j wL- IwC J頻率特性表示為:I Z(jvv) 1=cos(yvv)J 在輸入電壓Ui為定值時，電路中的電流的的表達

11、式為:可以看出，由于串聯(lián)電路中同時存在著電感L和電容C,兩者的頻率特性不僅相反, (感抗與w成正比，而容抗與w成反比)，而且直接相減(電抗角差180 )?？梢钥隙?， 一定存在一個角頻率vO,是感抗和容抗相互完全抵消，即X (心0) = X(0) = w0L! = 0叫c由上式可知電路發(fā)生諧振的角頻率5)和頻率fl)為:1H，O = 7ZF可以看書，RLC串聯(lián)電路的諧振頻率只有一個，而且僅與電路中的L、C有關(guān)，與電 阻R無關(guān)。W0 (或)稱為電路的網(wǎng)有頻率。因此只有當(dāng)輸入信號Us的頻率與電路的固 有頻率ft)相同時，才能在電路中激起諧振。取電阻R上的電壓U()作為響應(yīng)，當(dāng)輸入電壓Ui的幅值維持不

12、變時，在不同頻率的信 號激勵下，測出U0之值，然后以F為橫坐標(biāo)，以UO/O為縱坐標(biāo)，會出光滑的曲線，此 即為幅頻特性曲線，如圖：在f = f()=處，即幅頻特性曲線尖峰所在的頻率點產(chǎn)生諧振，此時，XL=Xc,電路呈純阻性，電路阻抗的的模為晟小。在輸入電壓。為定值時，電路中的電流達到晟到 晟大值，且與輸入電壓Ui同相位。從理論上講，此時U匸Ur=U(),Ul二Uc二QUi,式中的Q稱 為電路得品質(zhì)閔數(shù)。2.2.2理論計算結(jié)果模為 Z(jw)=根據(jù)原理和公式，串聯(lián)諧振電路的阻抗隨頻率更化為巾+陽-爲(wèi))，阻抗W此可得在W時A (jw) O,(p(jw)O,X作在容性區(qū),Roc在 WwO 時伍(jw)

13、 O,(p(jw)O,X作在感性區(qū)，R0.707圖26Ul、Uc的幅頻特性曲線R二200Q 時，Q =200 0.05 x IO-620x10*=3.16R二400Q 時，Q =1 J 40x107 而 Yo.oixiofR=800Q 時，Q =140x10-38000.01xl06= 1.58= 0.792.3模擬過程及參數(shù)設(shè)置在PSpicc的Schomtics程序中畫好電路圖后，按照圖設(shè)置好參數(shù)，分別將電阻的阻值 設(shè)置為200、40()、80()歐姆，分別進行仿克，觀察棋擬結(jié)果波形。設(shè)置好參數(shù)后，單擊Analysis 中的Setup進行仿宜設(shè)置。Simulation Settings 一

14、rc!6Opti onsBata CollectionProbe WindowGeneralAnalysisInclude Flies|Librri esSt imul-usAnalysis type:iseOpti on囂tSGenerSettings二Fflonte Carlo/Aorst C鎰 Orar am-e trie Seep :Temp erature (Sweep) Sawe Bias Point Load. Bias PointNoise AnalysisExtabl. e di/vIIntervj0-utpu.t File OptionsZncluAe detailed b

15、i as point information for nonlinear corttroiled sources andi i rm、精 III1!確定取消I應(yīng)用圖2.7仿宜參數(shù)設(shè)置 V(R1:2) - V(R1:1)Frequency(a) 電阻為200歐姆rrequency(b)電阻為40()歐姆rrequency(c)電阻為80()歐姆圖2.8電阻上電壓的幅頻曲線o 1(71)Frequency(a)電阻值為200歐姆精品 4 OrrAD I (VI)Frequency(b)電阻值為40()歐姆 i(VI)Frequency(c)電阻值為800歐姆圖rrequency(a)電阻值為200

16、歐姆3.0V-Frequency(b)電阻值為400歐姆Frequency(c)電阻值為800歐姆圖2.10電感上電壓和電容上電壓的幅頻曲線Frequency(a)電阻值為200歐姆精品8. OKFrequency8. OK16KHZ0OHz VI(VI) / I(Cl)(b) 電阻值為40()歐姆4 KHz8 KHz12KHzFrequency(c) 電帆值為80()歐姆圖2.11阻抗的幅頻響應(yīng)曲線lOOd-lOOdOd4 KHz3 KHz12KHz16KHzOHz P(VI(VI)/I(Cl)Frequency(a)電帆值為20()歐姆精品lOOdD P(V1 (VI)/I (Cl)Fre

17、quency精品(b)電阻值為40()歐姆100d-lOOdOdOHz4 KHz8 KHz12KHz16KHz P(V1 (VI)/I (Cl)Frequency(c)電阻值為80()歐姆圖2.12阻抗的相頻響應(yīng)曲線這個電路圖有三個模擬，要改變電阻的值來觀察在不同的電阻情況下的電流、各電 壓以及諧振點、Q值的變化，模擬的結(jié)果可以從Probe窗口中的波形圖看出來。如圖2.7-2.12 所示。電感上和電抗上的電壓，趨勢是電容上電壓先從某一值增加達到晟大值再相交，電感 先相交后達到晟大值再減小。同時，我們可以從圖觀察到，隨著電阻值的增大，電抗曲線 和電感曲線的交點所對應(yīng)的電壓值減小，即Uc(jxvo

18、)二UL(jwo)減小。這是由于：UL = vLI =wLU當(dāng) R=200Q 時,3.16x1.5QU2TY3.16x1.5當(dāng) R=400Q 時,當(dāng) R二 800Q 時,乞=-4 + 3162 1rX + 1.5821 11.58x1.51( 1、J- + 0.7921 1r丿0.79x1.52 Jh +3.16訃7, T)21.58x1.5777/72 +1.582(772-l)20.79x1.57；72 +0.792(；72-1)2當(dāng) w二wO 時，U = U = LU =_，當(dāng) R 增大時，Uc(jwo)二UL(jwo)減小。R wCR對于阻抗值和阻抗角變化趨勢是一樣的，只是阻抗值的晟小

19、值會隨著電阻值的增加而 增加。在圖中由于電阻值比較小，所以看不出來。阻抗角的交化更為平緩一些。在這三種情況中，諧振頻率一直沒變，因為由公式:可以看出，諧振頻率只取決于電感和電容的大小，與電阻的大小無關(guān)。岡此只要電感 和電容沒變，諧振頻率就不會萸。而對于Qffi,有公式：/（?。匕（?。┯呻姼猩想妷汉碗娙萆想妷旱姆l曲線圖可以得出Uc（jw（）=5（jwo）減小，所以Q值也 隨著電阻值的增大而減小。3單管放大電路的分析3.1原理電路圖本電路設(shè)計采用了三極管的射級偏置放大電路的連接方式。具體電路如下圖:C130ufVDFF = 0 VWdPL= 5FREQ= IkhzRb215kRc3k4WvQ

20、1C2Tl-30ufQ2N2222Re2k5Diifs6V1o圖3.1射級偏置放大電路注：該圖是在OrCAD Capture環(huán)境中構(gòu)造的電路原圖。3.2電路理論分析3.2.1靜態(tài)工作點分析如圖所示，本設(shè)計電路是為了實現(xiàn)三極管的單管放大功能，則應(yīng)該保證其中的三 極管能夠正常放大。如下圖所示，該圖為其直流通路，工作電壓選取三極管Q2N2222 的額定工作電壓12V。然后，為了減小信號源的輸出波動以及一些不可預(yù)知因素，在 本設(shè)計中作者加入了由凡|和&,2組成的基級分壓式射級偏置電路來穩(wěn)定該三極管的靜 態(tài)工作點，避免三極管受到輸入信號波動和溫度變化的影響（具體見后的交流掃描的 溫度分析），而使得三極管

21、工作在非線性區(qū)，從而產(chǎn)生意外的非線性失宜。Rc3kL?1 kRb82IWvesv1Q2N2222Rb2iQIC2TlSOufQ2N22221.104mA1C350uf0圖36靜態(tài)工作點（電流標(biāo)記）ct430 ufWFF = 0 ”極 沁1PL = 5n泌嚴(yán)FREQ = 1kh2 IQIQ2N2222C2Tl-30ufiC3RgEHuEE50ufn18v工0圖37靜態(tài)工作點（功率標(biāo)記）由于靜態(tài)點理論分析時/b較小故近似認(rèn)為流過的電流等于流過心的電流，閔 此仿真數(shù)據(jù)與理論分析之間存在誤差。3.3.2時域分析（瞬態(tài)分析）在設(shè)置中，可以設(shè)置波形圖中有3個周期，即3mso信號源采用的是1kHz,則 設(shè)置

22、如下圖3.8瞬態(tài)分析設(shè)置波形圖如下（電壓、電流截取了前三個周期）:精 III1! 5 OmV VI (Vi)Time圖39電壓輸入波形 VI (RL)Time圖3.10電壓輸出波形-5.0uA - I(Cl)Time圖311電流輸入波形Time圖3.12電流輸出波形共射級放大電路是同時對電流電壓放大，由上兩圖可知其電路放大借數(shù)為：Av=400mv/ 5mv=80動態(tài)理論分析時，由于靜態(tài)工部位作點分析時存在近似，本身動態(tài)分析也存在誤差, 故仿真放大俗數(shù)與理論分析放大倍數(shù)存在誤差。3.3.3交流分析交流掃描分析電路圖如圖所示Cl30uf交流掃描分析的設(shè)置如下:Rbl$2kRcskC2卅30ufQ2

23、N2222Rb2 15kRe2k1C3sfluf圖3.13交流掃描電路圖6Vout&k圖314通頻帶分析設(shè)置幅頻與相頻曲線輸出波形圖:Frequency圖3.15幅頻曲線 P(V1 (RL) /VI (VI)Frequency圖3.16相頻曲線可以看出，通頻帶中的相位交化不大。故在通頻帶中，相位穩(wěn)定。4課程設(shè)計的心得體會通過為期一個星期的認(rèn)真學(xué)習(xí)和實際操作，我終于完成了本次電路CAA課程設(shè)計。精品在本次電路課程設(shè)計的過程中，我學(xué)到了很多，充分理解了電路的基本原理。在實際 仿真過程中，也遇到了很多困難，但都在自己的自我學(xué)習(xí)和同學(xué)的幫助下得到很好的解決, 通過對電路的仿真我更清晰的看到了隨著某種因

24、素的改變，電路參考量的變化，使理論知 識更加宜觀生動的展現(xiàn)了出來，加深了我的理解。本次課程設(shè)計中，我首先學(xué)習(xí)怎樣使用PSpicc軟件。我通過從圖書館借來的書籍和網(wǎng) 上找到的資料，充分了解了 PSpicc的結(jié)構(gòu)組成以及主要功能，并重點學(xué)習(xí)了其中仿真參 數(shù)設(shè)置中各個參數(shù)的含義以及使用Capture模塊編輯電路圖的具體步驟和一些細(xì)節(jié)問題。 然后通過電腦運行PSpicc軟件進行一些簡單的仿真，通過實際的操作PSpicu軟件，我宜切 的體會到理論與實際的差距，雖然之前做了充分的準(zhǔn)備，但到實際操作的時候還是遇到很 多的問題，通過查找資料和與同學(xué)討論順利了解決了操作問題。學(xué)會了使用PSpice軟件進行仿宜，我開始完成本次電路課設(shè)中我的任務(wù)。首先根據(jù)電 路的理論知識設(shè)計好電路圖，然后進行理論分析，使自己的