電路CAA課程設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)電壓支路電流分析

1、武漢理工大學(xué)電路CAA課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名: 專(zhuān)業(yè)班級(jí): 電信 班 指導(dǎo)教師: 劉守軍 工作單位: 信息工程學(xué)院 題 目: 電路CAA課程設(shè)計(jì)基于PSpice的節(jié)點(diǎn)電壓、支路電流分析初始條件:1. 提供實(shí)驗(yàn)室機(jī)房及其PSpice軟件；2. 自選一電路圖（3個(gè)節(jié)點(diǎn)、4條支路以上）。要求完成的主要任務(wù)：(包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求,以及說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)等具體要求):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)行電路的節(jié)點(diǎn)電壓、支路電流分析；3、獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)按學(xué)校統(tǒng)一規(guī)范來(lái)撰寫(xiě)，具體包括： 目錄； 理論分析； 程序設(shè)計(jì)； 程

2、序運(yùn)行結(jié)果及圖表分析和總結(jié)； 課程設(shè)計(jì)的心得體會(huì)（至少800字，必須手寫(xiě)。）； 參考文獻(xiàn)（不少于5篇）。時(shí)間安排: (1) 布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)，查閱資料， 學(xué)習(xí)Pspice軟件 兩天； (2) 用Pspice軟件進(jìn)行電路分析 一天半； (3) 完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)及答辯 一天半； 參考文獻(xiàn)：(1) 劉嵐 葉慶云 主編，電路分析基礎(chǔ) ，高等教育出版社，2010(2) 邱關(guān)源 主編，電路（第5版），高等教育出版社，2006(3) 李永平 Pspice電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ，國(guó)防工業(yè)出版社，2005指導(dǎo)教師簽名: 年 月 日系主任(或責(zé)任教師)簽名: 年 月 日目 錄1. CAA設(shè)計(jì)軟件Pspice簡(jiǎn)介31.

3、1 Pspice發(fā)展歷程1.2 Pspice程序簡(jiǎn)介1.3 Pspice的優(yōu)越性2. 電路原理62.1 概念解釋2.2 原理電路圖2.3 電路圖的理論分析2.3.1 支路電流法2.3.2 節(jié)點(diǎn)電壓法3. 繪圖仿真93.1 繪制原理圖3.2 開(kāi)始仿真3.3 仿真曲線(xiàn)3.3.1 電路參數(shù)圖3.3.2 支路電流仿真曲線(xiàn)3.3.3 節(jié)點(diǎn)電壓仿真曲線(xiàn)4. 仿真結(jié)果分析114.1 支路電流仿真結(jié)果分析4.2 節(jié)點(diǎn)電壓仿真結(jié)果分析5. 總結(jié)126. 課程設(shè)計(jì)的心得體會(huì)137. 參考文獻(xiàn)148. 附件：本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表1. CAA設(shè)計(jì)軟件Pspice簡(jiǎn)介1.1 Pspice發(fā)展歷程用于模擬電路仿真的S

4、PICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）軟件于1972年由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)小組利用FORTR AN語(yǔ)言開(kāi)發(fā)而成，主要用于大規(guī)模集成電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。SPICE的正式版SPICE 2G在1975年正式推出，但是該程序的運(yùn)行環(huán)境至少為小型機(jī)。1985年，加州大學(xué)伯克利分校用C語(yǔ)言對(duì)SPICE軟件進(jìn)行了改寫(xiě)， 并由MICROSIM公司推出。1988年SPICE被定為美國(guó)國(guó)家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，各種以SPICE為核心的商用模擬電路仿真軟件，在SPICE的基礎(chǔ)上做了大量實(shí)用化工作，從而使SPICE成為最為

5、流行的電子電路仿真軟件。PSPICE采用自由格式語(yǔ)言的5.0版本自80年代以來(lái)在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，并且從6.0版本開(kāi)始引入圖形界面。1998年著名的EDA商業(yè)軟件開(kāi)發(fā)商O(píng)RCAD公司與Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSPICE產(chǎn)品正式并入ORCAD公司的商業(yè)EDA系統(tǒng)中。不久之后，ORCAD公司已正式推出了ORCAD PSPICE Release 10.5，與傳統(tǒng)的SPICE軟件相比，PSPICE 10.5在三大方面實(shí)現(xiàn)了重大變革：首先，在對(duì)模擬電路進(jìn)行直流、交流和瞬態(tài)等基本電路特性分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了蒙特卡羅分析、最壞情況分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等較為復(fù)雜的電路特性分析；第

6、二，不但能夠?qū)δM電路進(jìn)行，而且能夠?qū)?shù)字電路、數(shù)/?；旌想娐愤M(jìn)行仿真；第三，集成度大大提高，電路圖繪制完成后可直接進(jìn)行電路仿真，并且可以隨時(shí)分析觀察仿真結(jié)果。PSPICE軟件的使用已經(jīng)非常流行。在大學(xué)里，它是工科類(lèi)學(xué)生必會(huì)的設(shè)計(jì)電路工具；在公司里，它是產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)到定型過(guò)程中不可少的設(shè)計(jì)工具。1.2 Pspice程序簡(jiǎn)介PSPICE是由SPICE發(fā)展而來(lái)的用于微機(jī)系列的通用電路分析程序。SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是由美國(guó)加州大學(xué)伯克莉分校于1972年開(kāi)發(fā)的電路仿真程序。隨后，版本不斷更新，功能不斷增

7、強(qiáng)和完善。1988年SPICE被定為美國(guó)國(guó)家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前微機(jī)上廣泛使用的PSPICE是由美國(guó)MicroSim公司開(kāi)發(fā)并于1984年1月首次推出的。SPICE有工業(yè)版（Production version）和教學(xué)版(Evaluation version）之分，它能進(jìn)行模擬電路分析、數(shù)字電路分析和模擬數(shù)字混合電路分析。 PSPICE6.3可以對(duì)眾多元器件構(gòu)成的電路進(jìn)行仿真分析，這些元器件以符號(hào)、模型和封裝三種形式分別存放在擴(kuò)展名為slb、lib和plb三種類(lèi)型的庫(kù)文件中。*.slb庫(kù)中的元器件符號(hào)用于繪制電路圖；*.lib庫(kù)中的元器件模型用于電路仿真分析；*.plb庫(kù)中的元器件封裝形式用于繪制印

8、刷電路板的版圖。在電路仿真分析中只用到前兩個(gè)庫(kù)。1.3 Pspice的優(yōu)越性PSPICE軟件具有強(qiáng)大的電路圖繪制功能、電路模擬仿真功能、圖形后處理功能和元器件符號(hào)制作功能，以圖形方式輸入，自動(dòng)進(jìn)行電路檢查，生成圖表，模擬和計(jì)算電路。它不僅可以用于電路分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可用于電子線(xiàn)路、電路和信號(hào)與系統(tǒng)等課程的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)。與印制版設(shè)計(jì)軟件配合使用，還可實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化。被公認(rèn)是通用電路模擬程序中最優(yōu)秀的軟件。電路設(shè)計(jì)軟件有很多，但在電路系統(tǒng)仿真方面，PSPICE可以說(shuō)獨(dú)具特色，是其他軟件無(wú)法比擬的，它是一個(gè)多功能的電路模擬試驗(yàn)平臺(tái)，PSPICE軟件由于收斂性好，適于做系統(tǒng)及電路級(jí)仿真，具有快

9、速、準(zhǔn)確的仿真能力。(1)圖形界面友好，易學(xué)易用，操作簡(jiǎn)單由Dos版本的PSPICE到Windows版本的PSPICE，使得該軟件由原來(lái)單一的文本輸入方式而更新升級(jí)為輸入原理圖方式，使電路設(shè)計(jì)更加直觀形象。PSPICE 6.0以上版本全部采用菜單式結(jié)構(gòu)，只要熟悉Windows操作系統(tǒng)就很容易學(xué)，利用鼠標(biāo)和熱鍵一起操作，既提高了工作效率，又縮短了設(shè)計(jì)周期。即使沒(méi)有參考書(shū)，用戶(hù)只要具備一定的英語(yǔ)基礎(chǔ)就可以通過(guò)實(shí)際操作很快掌握該軟件。(2)實(shí)用性強(qiáng)，仿真效果好在PSPICE中，對(duì)元件參數(shù)的修改很容易，它只需存一次盤(pán)、創(chuàng)建一次連接表，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜電路的仿真。如果用Protel等軟件進(jìn)行參數(shù)修改仿

10、真，則過(guò)程十分繁瑣。在改變一個(gè)參數(shù)時(shí)，哪怕是一個(gè)電阻阻值的大小都需要重新建立網(wǎng)絡(luò)表的連接，設(shè)置其他參數(shù)更為復(fù)雜。(3)功能強(qiáng)大，集成度高在PSPICE內(nèi)集成了許多仿真功能，如：直流分析、交流分析、噪聲分析、溫度分析等 ，用戶(hù)只需在所要觀察的節(jié)點(diǎn)放置電壓（電流）探針，就可以在仿真結(jié)果圖中觀察到其“電壓（或電流）-時(shí)間圖”。而且該軟件還集成了諸多數(shù)學(xué)運(yùn)算，不僅為用戶(hù)提供了加、減、乘、除等基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算，還提供了正弦、余弦、絕對(duì)值、對(duì)數(shù)、指數(shù)等基本的函數(shù)運(yùn)算，這些都是其他軟件所無(wú)法比擬的。2. 電路原理 2.1 概念解釋 對(duì)一個(gè)具有b條支路和n個(gè)節(jié)點(diǎn)的電路，當(dāng)以支路電壓和支路電流為電路變量列方程時(shí)，

11、總共有2b個(gè)未知量。為了減少求解的方程數(shù)，可以利用元件的VCR將各支路電壓以支路電流表示，然后代入KVL方程，就得到以b個(gè)支路電流為未知量的b個(gè)KVL和KCL方程。這種方法稱(chēng)為支路電流法。在電路中任意選擇某一節(jié)點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)為獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的電壓成為節(jié)點(diǎn)電壓，節(jié)點(diǎn)電壓的參考極性是以參考節(jié)點(diǎn)為負(fù)，其余獨(dú)立節(jié)點(diǎn)為正。由于任一支路都連接在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上，根據(jù)KVL，不難斷定支路電壓就是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓之差。如果每一個(gè)支路電流都可由支路電壓來(lái)表示，那么它也一定也可以用節(jié)點(diǎn)電壓來(lái)表示。在具有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的電路中寫(xiě)出其中（n-1）個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的KCL方程，就得到變量為（n-1）個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓的共（

12、n-1）個(gè)獨(dú)立方程，稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)電壓方程，最后由這些方程解出節(jié)點(diǎn)電壓，從而求出所需的電壓、電流。這就是節(jié)點(diǎn)電壓法。2.2 原理電路圖圖1 原理電路圖2.3 電路圖的理論分析2.3.1 支路電流法利用支路電流法解題的步驟： （1）任意標(biāo)定各支路電流的參考方向和網(wǎng)孔繞行方向。 （2）用基爾霍夫電流定律列出節(jié)點(diǎn)電流方程。有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，就可以列出n-1個(gè)獨(dú)立電流方程。 （3）用基爾霍夫電壓定律列出L=b-（n-1）個(gè)網(wǎng)孔方程。說(shuō)明：L指的是網(wǎng)孔數(shù)，b指是支路數(shù)，n指的是節(jié)點(diǎn)數(shù)。 （4）代入已知數(shù)據(jù)求解方程組，確定各支路電流及方向。根據(jù)以上步驟，設(shè)電壓源V1的電壓為U1?？闪兄冯娏鞣匠探M：可分別算得流過(guò)的電

13、流為 ，流過(guò)的電流為 ，流過(guò)的電流為 ，流過(guò)電流為 ，流過(guò)電壓源的電流為 2.3.2 節(jié)點(diǎn)電壓法利用節(jié)點(diǎn)電壓法解題步驟：（1）選擇參考節(jié)點(diǎn)，設(shè)定各節(jié)點(diǎn)電壓（2）代入通式列寫(xiě)節(jié)點(diǎn)電壓方程組（3）求解方程組，求出各節(jié)點(diǎn)電壓（4）根據(jù)KVL和支路特性確定各支路電壓和支路電流根據(jù)以上步驟，選取N0的電壓為參考地點(diǎn)，可列節(jié)點(diǎn)電壓方程組：可求得：Un1=20V, Un2=4V因?yàn)檫x取了N0的電壓為參考地點(diǎn)，所以其電壓值始終為0，從而可以推得節(jié)點(diǎn), 節(jié)點(diǎn)由這些電流電壓的表達(dá)式可以看出，各電壓電流隨U1的變化都是直線(xiàn)變化的，所以可以推測(cè)仿真出來(lái)的圖像是線(xiàn)性的關(guān)系。3. 繪圖仿真3.1 繪制原理圖運(yùn)行Orcad

14、 Family Release 9.2 Lite Edition中的Capture CIS Lite Edition，新建空白項(xiàng)目Project，命名為1，通過(guò)右側(cè)工具欄中的鍵來(lái)選擇元器件，如果找不到相應(yīng)的原件通過(guò)add library鍵來(lái)添加元件庫(kù)。選擇相應(yīng)的元器件，放到合適的位置，連線(xiàn)，然后修改各個(gè)元件的參數(shù)，繪制原理圖結(jié)束。3.2 開(kāi)始仿真畫(huà)好原理圖后，設(shè)置仿真參數(shù)。點(diǎn)擊仿真按鈕中最左邊的一個(gè)來(lái)仿真，首先命名，然后設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)Analysis Type設(shè)為DC Sweep；Options選Primary Sweep；Sweep variable選Voltage source，其name

15、中寫(xiě)V1；Sweep中選Linear，其三個(gè)參量設(shè)置為0V、20V、2V。設(shè)置好后，執(zhí)行中的最右邊的三角形按鈕，出現(xiàn)Probe窗口。執(zhí)行Trace下Add Trace命令，選擇要顯示的內(nèi)容，即可查看相應(yīng)的圖表。3.3 仿真曲線(xiàn)3.3.1 電路參數(shù)圖圖2 電路參數(shù)圖3.3.2 支路電流仿真曲線(xiàn)圖3 支路電流仿真曲線(xiàn)從上往下，依次為流過(guò)R2，R4，R3，R1，V1的電流隨電壓源變化的曲線(xiàn)。3.3.3 節(jié)點(diǎn)電壓仿真曲線(xiàn)圖4 節(jié)點(diǎn)電壓仿真曲線(xiàn)從上往下，依次為N1,N2,N0節(jié)點(diǎn)電壓隨電壓源變化的曲線(xiàn)。4. 仿真結(jié)果分析電路參數(shù)圖中得到的數(shù)據(jù)與理論值完全相同，說(shuō)明了理論與實(shí)際的正確性。4.1 支路電流仿

16、真結(jié)果分析圖3中從上到下依次是流過(guò)R2，R4，R3，R1，V1的電流隨電壓源V1變化的變化曲線(xiàn)，從圖中可以看出，R2，R4的電流都是隨U1的增加而增加，并且R2恒為R4的兩倍。這與理論分析中, 是符合的。但是R3，R1，V1的電流值卻是隨U1的增加而反向增大，這是因?yàn)樵诶肞spice軟件繪制電路圖時(shí)，R3，R1，V1的管腳與實(shí)際電流的流向是相反的，所以仿真出來(lái)的結(jié)果是個(gè)負(fù)值。但是不難發(fā)現(xiàn)其斜率的大小也是與理論分析中， 的結(jié)果是相同的。4.2 節(jié)點(diǎn)電壓仿真結(jié)果分析圖4中從上往下，依次為N1,N2,N0節(jié)點(diǎn)電壓隨電壓源變化的曲線(xiàn)，其中N0是一條恒為0的直線(xiàn)，節(jié)點(diǎn)N1就是恒等于電源電壓，節(jié)點(diǎn)N2的

17、電壓為，都與理論分析完全符合。5. 總結(jié)根據(jù)以上的理論分析與仿真結(jié)果，我們驗(yàn)證了支路電流法和節(jié)點(diǎn)電壓法的正確性。支路電流法是對(duì)一個(gè)具有b條支路和n個(gè)節(jié)點(diǎn)的電路，以支路電壓和支路電流為電路變量列出方程，再利用元件的VCR關(guān)系將各支路電壓以支路電流表示，然后代入KVL方程，就可以得到以b個(gè)支路電流為未知量的b個(gè)KVL和KCL方程。一般步驟為：（1） 任意標(biāo)定各支路電流的參考方向和網(wǎng)孔繞行方向（2）用基爾霍夫電流定律列出節(jié)點(diǎn)電流方程。有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，就可以列出n-1個(gè)獨(dú)立電流方程（3）用基爾霍夫電壓定律列出L=b-（n-1）個(gè)網(wǎng)孔方程（4） 代入已知數(shù)據(jù)求解方程組，確定各支路電流及方向節(jié)點(diǎn)電壓法是在電路

18、中任意選擇某一節(jié)點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)為獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的電壓成為節(jié)點(diǎn)電壓。由于任一支路都連接在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上，根據(jù)KVL，不難斷定支路電壓就是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓之差。如果每一個(gè)支路電流都可由支路電壓來(lái)表示，那么它也一定也可以用節(jié)點(diǎn)電壓來(lái)表示。在具有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的電路中寫(xiě)出其中（n-1）個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的KCL方程，就得到變量為（n-1）個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓的共（n-1）個(gè)獨(dú)立方程，稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)電壓方程，最后由這些方程解出節(jié)點(diǎn)電壓，從而求出所需的電壓、電流。一般步驟為：（1）選擇參考節(jié)點(diǎn)，設(shè)定各節(jié)點(diǎn)電壓（2）代入通式列寫(xiě)節(jié)點(diǎn)電壓方程組（3）求解方程組，求出各節(jié)點(diǎn)電壓（4）根據(jù)KVL和支路特性確定各支路電壓和支路電流利用支路電流法和節(jié)點(diǎn)電壓法可以幫助我們分析電路，簡(jiǎn)化求解電壓電流等參數(shù)，