基于PSpiceRLC串聯(lián)電路的諧振分析

1、基于PSpiceRLC串聯(lián)電路的諧振分析姓名：XXX 指導(dǎo)老師：XXX摘 要 本課程設(shè)計(jì)主要目的是為了對(duì)基于PSpiceRLC串聯(lián)電路的諧振分析進(jìn)行仿真，在課程設(shè)計(jì)中系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)為PSpice，程序運(yùn)行平臺(tái)為Windows XP。通過(guò)對(duì)運(yùn)行結(jié)果的觀察分析RLC串聯(lián)電路的諧振。關(guān)鍵詞PSpice；RLC；諧振1 引 言1.1課程設(shè)計(jì)的題目電路理論課程設(shè)計(jì) 基于PSPICE RLC串聯(lián)電路的諧振分析1.2 課程設(shè)計(jì)的目的及意義（1）通過(guò)設(shè)計(jì)、調(diào)試、仿真、驗(yàn)證，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)電路課程的理解，提高學(xué)生的分析應(yīng)用能力。（2）通過(guò)訓(xùn)練使學(xué)生掌握正確的測(cè)量方法，能夠熟練的使用虛擬儀器和儀表。 1.3 要求完成

2、的主要任務(wù)（1）熟練運(yùn)用PSPICE軟件創(chuàng)建電路、模擬電路、顯示或繪制結(jié)果； （2）使用該軟件進(jìn)行電路分析并與理論結(jié)果進(jìn)行比較； （3）獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 2 概 述2.1 PSpice簡(jiǎn)介PSpice是一個(gè)電路通用分析程序，它主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)電路進(jìn)行模擬和仿真。在電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化發(fā)展的過(guò)程中，PSpice起到了重要的作用。該程序通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行模擬計(jì)算，達(dá)到輔助電路設(shè)計(jì)的目的。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，因此我們常常利用電路圖編輯工具來(lái)編輯電路圖以及設(shè)置和分析各種過(guò)程參數(shù)。OrCAD/PSpice9程序有龐大的元件庫(kù)，可

3、以模擬6類常用的電路元器件：基本無(wú)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(chǎng)效應(yīng)管，MOS管等；獨(dú)立電壓源和獨(dú)立電流源；各種受控電壓源，受控電流源和受控開(kāi)關(guān)；基本數(shù)字電路單元，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(yùn)算放大器，555定時(shí)器等。OrCAD/PSpice9中采用的是實(shí)用工程單位制，如電壓用伏（V），電流用安（A），功率用瓦（）等。在運(yùn)行中，PSpice會(huì)根據(jù)具體對(duì)象自動(dòng)確定其單位。用戶在輸入數(shù)據(jù)時(shí)，代表單位的字母可以省去。例如給電壓源賦值時(shí)，鍵入12和12V意思一樣。PSpice中的數(shù)字采用科學(xué)表示方式，即可以使用整數(shù)

4、，小數(shù)和以10為底的指數(shù)。用指數(shù)表示時(shí)，底數(shù)10用E來(lái)表示。2.2 Pspice的仿真軟件結(jié)構(gòu) OrCAD/Pspice9是一個(gè)軟件包，它共有六大功能模塊，分別是PspiceA/D，Capture，Probe，Stimulus Editor，Model Editor和Optimizer。各模塊的功能簡(jiǎn)述如下：（1）電路模擬分析的核心模塊PspiceA/D。它實(shí)現(xiàn)電路的仿真與分析，可分析的電路特性有6類15種：第一類直流分析，包括靜態(tài)工作點(diǎn)，直流靈敏度，直流傳輸特性，直流特性掃描分析。第二類交流分析，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

5、度特性分析，參數(shù)掃描分析。第五類統(tǒng)計(jì)分析，包括蒙托卡諾分析，最壞情況分析。第六類邏輯模擬，包括邏輯模擬，數(shù)/模混合模擬，最壞情況時(shí)序分析。在使用的過(guò)程中，它接受網(wǎng)單文件的輸入，并列方程進(jìn)行計(jì)算求解，最后輸出結(jié)果。仿真的結(jié)果一般由圖形文件（*.DAT）和數(shù)據(jù)文件（*.OUT）兩部分組成。（2）電路圖編輯模塊。其主要功能是以人機(jī)交互方式在屏幕上繪制電路圖，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(yùn)行Pspice及其他配套功能模塊。（3）激勵(lì)信號(hào)編輯模塊。其主要功能是以人機(jī)交互方式生成電路模擬中需要的各激勵(lì)信號(hào)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)

6、等5種信號(hào)波，形和邏輯模擬中需要的時(shí)鐘，脈沖，總線等各種信號(hào)。（4）模擬參數(shù)編輯模塊。其主要功能是編輯來(lái)自廠家的器件的數(shù)據(jù)信息，生成Pspice模擬時(shí)所需要的模擬參數(shù)。因?yàn)楸M管PspiceA/D的模擬庫(kù)中提供了1萬(wàn)多種元器件和單元集成電路的模擬參數(shù)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍有用戶需采用未包括在模擬參數(shù)庫(kù)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PSpice的分析結(jié)果用圖形顯示出來(lái)。（6）電路設(shè)計(jì)優(yōu)化模塊。其主要功能是自動(dòng)調(diào)整元器件的參數(shù)設(shè)計(jì)值，使電路的特性得以改善，實(shí)現(xiàn)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。2.3 PSpice的基本操作2.3.1 使用Capture

7、模塊編輯電路圖 （1）新建設(shè)計(jì)項(xiàng)目 （2）放置元器件：用鼠標(biāo)單擊原理圖繪制窗口，選擇Place/Part，或點(diǎn)擊窗口右側(cè)對(duì)應(yīng)的繪圖工具快捷鍵，出現(xiàn)Place Part對(duì)話框。在Part窗口鍵入元器件名稱，點(diǎn)擊Part Search，查找相應(yīng)的元件。 （3）連線與設(shè)置節(jié)點(diǎn)：電路圖連線。Place/Wire(shift+w)，單擊右鍵，單擊End Wire結(jié)束連線。設(shè)置節(jié)點(diǎn)名。Place/Net Alias，在Alias中輸入節(jié)點(diǎn)名，單擊OK，將出現(xiàn)的小方框移到節(jié)點(diǎn)名的位置，單擊左鍵即可，單擊右鍵，選中End Mode，結(jié)束節(jié)點(diǎn)名設(shè)置。 （4）編輯元件屬性：雙擊元器件，在Property Edit

8、or對(duì)話框中設(shè)置參數(shù)。或者雙擊參數(shù)，在Value欄下設(shè)置參數(shù)。單擊OK即可。2.3.2 電路仿真 電路仿真包括靜態(tài)工作點(diǎn)分析（將電路中的電容開(kāi)路，電感短路，針對(duì)電流的直流電平值，計(jì)算電路的直流偏置電壓）、瞬態(tài)分析（求電路的時(shí)域響應(yīng)）、傅里葉分析（在瞬態(tài)分析完成后，計(jì)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)變化時(shí)求電路的直流偏置特性）、直流傳輸特性分析(計(jì)算電路的直流小信號(hào)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。 現(xiàn)在就以直流分析為例講述電路仿真的步驟：（1）用Capture軟件畫(huà)好電路圖。（2）設(shè)置分析類型和參數(shù)：?jiǎn)螕鬚spice

9、/New Simulation Profile，在Name欄鍵入模擬類型組的名稱，單擊Create。在Analysis type欄中選DC Sweep；在Options欄中選Primary Sweep。在Sweep variable欄中選Voltage source，在Name欄中填入Vs，意思是以電壓源Vs為變量。在Sweep type欄中選Linear。在Start欄中填入-0.3V，在End欄中填入+0.3V，在Increment欄中填入0.03V，意思是Vs從-0.3V+0.3V作線性變化，步長(zhǎng)為0.03V。設(shè)置完單擊OK。（3）運(yùn)行Pspice。（4）在Probe窗口中，執(zhí)行Trac

10、e/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。3 RLC串聯(lián)電路的諧振分析3.1 創(chuàng)建電路圖 圖3.1 RLC串聯(lián)諧振電路圖3.2 理論分析3.2.1 基本原理圖3.2所示為RLC串聯(lián)電路，在可變頻的正弦電壓源Us激勵(lì)下，由于感抗、容抗隨頻率變動(dòng)，所以電路中的電壓、電流響應(yīng)亦隨頻率變動(dòng)。圖3.2 RLC串聯(lián)諧振示意圖電路的輸入阻抗Z（jw）可表示為：頻率特性表示為： 在輸入電壓Ui為定值時(shí)，電路中的電流的的表達(dá)式為： 可以看出，由于串聯(lián)電路中同時(shí)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

11、°）?？梢钥隙?，一定存在一個(gè)角頻率w0，是感抗和容抗相互完全抵消，即X（jw0）=0。當(dāng)w=w0時(shí)，X（jw0）=0,電路的工作狀況將出現(xiàn)一些重要的特征，現(xiàn)分述如下：（1），就是I（jw0）與Us(jw0)同相，工程上將電路的這一特殊狀態(tài)定義為諧振，由于是在RLC串聯(lián)電路中發(fā)生的諧振，又常稱為串聯(lián)諧振。有上述分析可知，諧振發(fā)生的條件為： 由上式可知電路發(fā)生諧振的角頻率w0和頻率f0為： 可以看書(shū)，RLC串聯(lián)電路的諧振頻率只有一個(gè)，而且僅與電路中的L、C有關(guān)，與電阻R無(wú)關(guān)。W0（或f0）稱為電路的固有頻率。因此只有當(dāng)輸入信號(hào)Us的頻率與電路的固有頻率f0相同時(shí)，才能在電路中激起諧振。取

12、電阻R上的電壓U0作為響應(yīng)，當(dāng)輸入電壓Ui的幅值維持不變時(shí)，在不同頻率的信號(hào)激勵(lì)下，測(cè)出U0之值，然后以f為橫坐標(biāo)，以U0/Ui為縱坐標(biāo)，會(huì)出光滑的曲線，此即為幅頻特性曲線，如圖：在處，即幅頻特性曲線尖峰所在的頻率點(diǎn)產(chǎn)生諧振，此時(shí)，XL=Xc,電路呈純阻性，電路阻抗的的模為最小。在輸入電壓Ui為定值時(shí)，電路中的電流達(dá)到最到最大值，且與輸入電壓Ui同相位。從理論上講，此時(shí)Ui=UR=U0,UL=UC=QUi,式中的Q稱為電路得品質(zhì)因數(shù)。3.2.2 理論計(jì)算結(jié)果 根據(jù)原理和公式，串聯(lián)諧振電路的阻抗隨頻率變化為，阻抗模為，因此可得在w<w0時(shí),X（jw）<0,(jw)<0,工作在容

13、性區(qū)，R<|Z(jw)|,且；在w=w0時(shí),X（jw）=0,(jw)=0,工作呈電阻性，R=Z(jw0)；在w>w0時(shí),X（jw）>0,(jw)>0,工作在感性區(qū)，R<|Z(jw)|，且。因此可以看出|Z（jw）|是隨著頻率的變化先從無(wú)窮大減小，再又增加到無(wú)窮大的，最小值所對(duì)應(yīng)的w是諧振頻率，如圖3.3所示。 圖3.3 阻抗的幅頻響應(yīng)而阻抗角的表達(dá)式為，的值先從無(wú)窮大減小到0，又從0增加到無(wú)窮大。因此阻抗角(jw)先從減小到0，再?gòu)?增加到。如圖3.4所示。 圖3.4 阻抗的相頻響應(yīng) 由于電壓值保持恒定，故電流的幅頻響應(yīng)曲線應(yīng)和電阻的相反，為先從0增加到某一最大值

14、（U/R），再?gòu)倪@一最大值減小至0.而相同的，對(duì)于電阻R上的電壓，由于電阻不變，由U=IR知，電阻上的電壓的幅頻曲線與電流曲線相一致。電流的幅頻曲線如圖3.5所示。 圖3.5 電流諧振曲線 根據(jù)原理，我們知道，其中，理論曲線如圖3.6所示。UC和UL曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的值就是。對(duì)于Q值，由公式Q=wL/R可以得出，Q隨電阻增大而減小。 我們可計(jì)算出， 圖3.6 UL、UC的幅頻特性曲線 R=200時(shí)， R=400時(shí)， R=800時(shí)，3.3 模擬過(guò)程及參數(shù)設(shè)置 在PSpice的Schematics程序中畫(huà)好電路圖后，按照?qǐng)D3.1設(shè)置好參數(shù)，分別將電阻的阻值設(shè)置為200、400、800歐姆，分別進(jìn)行

15、仿真，觀察模擬結(jié)果波形。設(shè)置好參數(shù)后，單擊Analysis中的Setup進(jìn)行仿真設(shè)置。對(duì)此電路圖，我們需要分析的是頻率響應(yīng)，因此選擇交流分析（AC Sweep），在彈出的對(duì)話框的AC Sweep type中選擇Decade,意思是以10倍頻方式掃描。在Sweep Parameters欄中的Start Freq中填1K，End Freq中填1MEG，單擊OK即可。再單擊Analysis中的Simulate即可進(jìn)行仿真。在彈出的Probe窗口中，可執(zhí)行Trace/Add Trace命令，在Trace Expression文本框中輸入自己需要觀察的變量即可看到相應(yīng)的波形。3.4 模擬結(jié)果和比較分析（

16、a） 電阻為200歐姆（b） 電阻為400歐姆（c） 電阻為800歐姆圖3.7電阻上電壓的幅頻曲線（a） 電阻值為200歐姆（b） 電阻值為400歐姆（c） 電阻值為800歐姆圖3.8 電路中電流的幅頻曲線（a） 電阻值為200歐姆（b）電阻值為400歐姆（c） 電阻值為800歐姆圖3.9電感上電壓和電容上電壓的幅頻曲線（a） 電阻值為200歐姆（b） 電阻值為400歐姆（c） 電阻值為800歐姆圖3.10 阻抗模的諧振曲線（a） 電阻值為200歐姆（b） 電阻值為400歐姆（c） 電阻值為800歐姆圖3.11 阻抗角的諧振曲線這個(gè)電路圖有三個(gè)模擬，要改變電阻的值來(lái)觀察在不同的電阻情況下的電流

17、、各電壓以及諧振點(diǎn)、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(lái)。如圖3.7-3.11所示。由圖，我們可以看出，電路中電阻的阻值不同，則會(huì)使電阻電壓和電流都不同，雖然趨勢(shì)一樣，但最大值會(huì)不同，電阻越大，則電壓和電流都越大，越接近于電源電壓1.5V。電感上和電抗上的電壓，在200歐姆和400歐姆時(shí)，趨勢(shì)是電抗上電壓先從某一值增加達(dá)到最大值再相交，電感先相交后達(dá)到最大值再減小，而在電阻值為800歐姆時(shí)，電抗是直接從最大值再減小和電感曲線相交的，電感是相交后就增加達(dá)到最大值，電抗少了一個(gè)從某一值增加到最大值的過(guò)程，而電感則少了一個(gè)從最大值減小的過(guò)程。這是因?yàn)榍皟煞N情況Q值大于0.707

18、，而后一種情況Q值就小于0.707。同時(shí)，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(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓值減小，即UC(jw0)=UL(jw0)減小。這是由于：當(dāng)R=200時(shí)，,當(dāng)R=400時(shí)，,當(dāng)R=800時(shí), ，當(dāng)w=w0時(shí)，,當(dāng)R增大時(shí)，UC(jw0)=UL(jw0)減小。對(duì)于阻抗值和阻抗角變化趨勢(shì)是一樣的，只是阻抗值的最小值會(huì)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(lái)。阻抗角的變化更為平緩一些。在這三種情況中，諧振頻率一直沒(méi)變，因?yàn)橛晒剑嚎梢钥闯?，諧振頻率只取決于電感和電容的大小，與電阻的大小無(wú)關(guān)。因此只要電感和電容沒(méi)變，諧振頻率就不會(huì)變。而對(duì)于Q值，有公