電路計(jì)算機(jī)仿真分析

1、 實(shí)驗(yàn)一直流電路工作點(diǎn)分析和直流掃描分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1學(xué)習(xí)使用Pspice軟件,熟悉它的工作流程,即繪制電路圖、元件類別的選擇及其參數(shù)的賦值、分析類型的建立及其參數(shù)的設(shè)置、Probe窗口的設(shè)置和分析的運(yùn)行過程等。(2學(xué)習(xí)使用Pspice進(jìn)行直流工作點(diǎn)的分析和直流掃描的操作步驟。二、原理與說明對(duì)于電阻電路,可以用直觀法列些電路方程,求解電路中各個(gè)電壓和電流。Pspice軟件是采用節(jié)點(diǎn)電壓法對(duì)電路進(jìn)行分析的。使用Pspice軟件進(jìn)行電路的計(jì)算機(jī)輔助分析時(shí),首先編輯電路,用Pspice的元件符號(hào)庫繪制電路圖并進(jìn)行編輯。存盤。然后調(diào)用分析模塊、選擇分析類型,就可以“自動(dòng)”進(jìn)行電路分析了。三、實(shí)驗(yàn)示例

2、1、利用Pspice繪制電路圖如下 2、仿真(1點(diǎn)擊Psipce/New Simulation Profile,輸入名稱;(2在彈出的窗口中Basic Point是默認(rèn)選中,必須進(jìn)行分析的。點(diǎn)擊確定。(3點(diǎn)擊Pspice/Run或工具欄相應(yīng)按鈕。(4如原理圖無錯(cuò)誤,則顯示Pspice A/D窗口。(5在原理圖窗口中點(diǎn)擊V,I工具欄按鈕,圖形顯示各節(jié)點(diǎn)電壓和各元件電流值如下。Array四、選做實(shí)驗(yàn) 1、直流工作點(diǎn)分析,即求各節(jié)點(diǎn)電壓和各元件電壓和電流。 2、直流掃描分析,即當(dāng)電壓源的電壓在0-12V之間變化時(shí),求負(fù)載電阻R l中電流雖電壓源的變化曲線。曲線如圖: 直流掃描分析的輸出波形3、數(shù)據(jù)輸

3、出為:V_Vs1 I(V_PRINT10.000E+00 1.400E+001.000E+00 1.500E+002.000E+00 1.600E+003.000E+00 1.700E+004.000E+00 1.800E+005.000E+00 1.900E+006.000E+00 2.000E+007.000E+00 2.100E+008.000E+00 2.200E+009.000E+00 2.300E+001.000E+012.400E+001.100E+012.500E+001.200E+012.600E+00從圖中可得到IRL與US1的函數(shù)關(guān)系為:IRL=1.4+(1.2/12US

4、1=1.4+0.1US1五、思考與討論1、根據(jù)仿真結(jié)果驗(yàn)證基爾霍夫定律根據(jù)圖1-1,R1節(jié)點(diǎn):2A+2A=4A,R1,R2,R3構(gòu)成的閉合回路:1*2+1*4-3*2=0,滿足基爾霍夫定律。U呈線性關(guān)系,3R I=1.4+(1.2/12 1S U=1.4+0.11S U,式中1.4A表示2、由圖1-3可知,負(fù)載電流與1SU置零時(shí)其它激勵(lì)在負(fù)載支路產(chǎn)生的響應(yīng),0.11S U表示僅保留1S U,將其它電源置零(電壓源將1S短路,電流源開路時(shí),負(fù)載支路的電流響應(yīng)。3、若想確定節(jié)點(diǎn)電壓Un1隨Us1變化的函數(shù)關(guān)系,應(yīng)如何操作?應(yīng)進(jìn)行直流掃描,掃描電源Vs1,觀察Un1的電壓波形隨Us1的變化,即可確認(rèn)

5、其函數(shù)關(guān)系!4、若想確定電流Irl隨負(fù)載電阻RL的變化的波形,如何進(jìn)行仿真?將RL的阻值設(shè)為全局變量var,進(jìn)行直流掃描,觀察電流波形即可。六、實(shí)驗(yàn)心得1、由實(shí)驗(yàn)圖形和數(shù)據(jù)可知實(shí)驗(yàn)中的到的曲線滿足數(shù)據(jù)變化規(guī)律,得到的函數(shù)關(guān)系式是正確的。2、通過仿真軟件可以很方便的求解電路中的電流電壓及其變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)二戴維南定理和諾頓定理的仿真一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1進(jìn)一步熟悉仿真軟件中繪制電路圖,初步掌握符號(hào)參數(shù)、分析類型的設(shè)置。學(xué)習(xí)Probe窗口的簡單設(shè)置。(2加深對(duì)戴維南定理與諾頓定理的理解。二、原理與說明戴維南定理指出,任一線性有源一端口網(wǎng)絡(luò),對(duì)外電路來說,可以用一個(gè)電壓源與電阻的串聯(lián)的支路來代替,該電路的電

6、壓等于原網(wǎng)絡(luò)的開路電壓,電阻等于原網(wǎng)絡(luò)的全部獨(dú)立電壓源置零后的輸入電阻。諾頓定理指出,任一線性有源一端口網(wǎng)絡(luò),對(duì)外電路來說,可以用一個(gè)電流源與電導(dǎo)的并聯(lián)的支路來代替,該電路的電流等于原網(wǎng)絡(luò)的短路電流,電導(dǎo)等于原網(wǎng)絡(luò)的全部獨(dú)立電源置零后的輸入電導(dǎo)。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(1測(cè)量有源一端口網(wǎng)絡(luò)等效入端電阻和對(duì)外電路的伏安特性。其中U1=5V,R1=100,U2=4V,R2=50,R3=150。(2根據(jù)任務(wù)1中測(cè)出的開路電壓,輸入電阻組成等效有源一端口網(wǎng)絡(luò),測(cè)量其對(duì)外電路的伏安特性。(3根據(jù)任務(wù)1中測(cè)出的短路電流,輸入電阻組成等效有源一端口網(wǎng)絡(luò),測(cè)量其對(duì)外電路的伏安特性。四、實(shí)驗(yàn)步驟(1在Capture環(huán)境下

7、繪制編輯電路,包括原件、連線、輸入?yún)?shù)和設(shè)置節(jié)點(diǎn)等。分別編輯原電路、戴維南等效電路和諾頓等效電路。(2為測(cè)量原網(wǎng)絡(luò)的伏安特性,Rl是可變電阻。為此,Rl的阻值要在“PARAM”中定義一個(gè)全局變量var同時(shí)把Rl的阻值野設(shè)為該變量var。(3設(shè)定分析類型為“DC Sweep“,掃描變量為全局變量var,并具體設(shè)置線性掃描的起點(diǎn)為IP,終點(diǎn)為IG,步長為IMEG。 (4 系統(tǒng)啟動(dòng)分析后,自動(dòng)進(jìn)入Probe窗口。 重新設(shè)定掃描參數(shù),掃描變量仍為全局變量var,線性掃描的起點(diǎn)為1,終點(diǎn)為10k,步長為100。重新啟動(dòng)分析,進(jìn)入Probe窗口。選擇Plot=>Add Plot增加兩個(gè)坐標(biāo)軸,選擇P

8、lot=>X Axis Settings= >Axis Variable,設(shè)置橫軸為V(RL:2,選擇Trace=>Add 分別在三個(gè)軸上加I(RL、I(RLd和I(RLn變量。顯示結(jié)果如圖。200mA100mASEL>>0A-I(R9200mA100mA0A-I(RLd200mA100mA0AV(R9:2五、思考與討1、戴維南定理和諾頓定理的使用條件是什么?戴維南定理和諾頓定理只適用于線性元件。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1、經(jīng)過計(jì)算出等效參數(shù),將原電路等效成戴維南電路和諾頓電路,進(jìn)行實(shí)觀察。2、由曲線可分析得知戴維南等效電路和諾頓等效電路的試驗(yàn)曲線與原電路基本相同,由此可以說

9、明戴維南定理和諾頓定理的正確性。實(shí)驗(yàn)三正弦穩(wěn)態(tài)電路分析和交流掃描分析一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1學(xué)習(xí)用Pspice進(jìn)行正弦穩(wěn)態(tài)電路的分析。(2學(xué)習(xí)用Pspice進(jìn)行穩(wěn)態(tài)電路的交流掃描分析。(3熟悉含受控源電路的聯(lián)接方法。二.原理與說明在電路中已經(jīng)學(xué)過,對(duì)于正弦穩(wěn)態(tài)電路,可以用向量法列寫電路方程(之路電流法.節(jié)點(diǎn)電壓法,回路電流法。,求解電路中各個(gè)電壓和電流的振幅(有效值和初相位(初相角。Pspice軟件是用向量形式的節(jié)點(diǎn)電壓法對(duì)正弦穩(wěn)態(tài)電路進(jìn)行分析的。三.實(shí)驗(yàn)示例(1正弦穩(wěn)態(tài)分析。以圖示電路為例,其中正弦電源的角頻率為10Krad/s,要求計(jì)算兩個(gè)回路中的電流。a.在capture環(huán)境下編輯電路,互感用符

10、號(hào)“XFRM-LINER表示。參數(shù)設(shè)置如下:L1-VALUE,L2-VALUE為感抗,COUPLE為耦合系數(shù)。b.設(shè)置仿真,打開分析類型對(duì)話框,對(duì)于正弦電路分析要選擇ACSweep。單擊該按鈕后,可以打開下一級(jí)對(duì)話框交流掃描分析參數(shù)表,設(shè)置具體的分析參數(shù)。對(duì)于圖示的電路,設(shè)置為: ACSweep Type選擇為Linear,Sweep Parameters設(shè)置為-Start Freq(起始頻率輸入1592,End Freq(終止頻率也輸入1592,Total Pts(掃描點(diǎn)數(shù)輸入1.c.運(yùn)行軟件仿真計(jì)算程序,在Probe窗口顯示交流掃描分析的結(jié)果。d .為了得到數(shù)值的結(jié)果,可以在兩個(gè)回路中分別

11、設(shè)置電流打印機(jī)標(biāo)識(shí)符。如圖所示,其中電流打印機(jī)標(biāo)識(shí)符的屬性設(shè)置分別為I(R1和I(C1,設(shè)置項(xiàng)有(AC,MAG,REAL,PHASE,IMAG .即得到仿真的結(jié)果輸出。. FREQ IM(V_PRINT1IP(V_PRINT1IR(V_PRINT1II(V_PRINT1 1.592E+03 2.268E-03 8.987E+01 5.145E-06 2.268E-03FREQ IM(V_PRINT2IP(V_PRINT2IR(V_PRINT2II(V_PRINT2 1.592E+03 2.004E+00 8.987E+01 4.546E-03 2.004E+00 C110u四.選做實(shí)驗(yàn)(1以給

12、出的實(shí)驗(yàn)例題和實(shí)驗(yàn)步驟,用Pspice 獨(dú)立的做一遍,給出仿真結(jié)果。 (2對(duì)正弦穩(wěn)態(tài)電路進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析,求出各元件的電流,電路如圖所示,其中電壓源Us=100cos (1000t V ,電流控制電壓源的轉(zhuǎn)移電阻是20歐姆。 100C11000uFrequency80Hz159Hz239HzI(R1I(R2I(R3I(R4I(R5I(C1I(L10A 20A40A60A實(shí)驗(yàn)方法:進(jìn)行交流掃描,掃描頻率為1000/(2*3.14=159.2Hz ,得到幾個(gè)電流值的點(diǎn)。(4 電路如圖,Us=220cos (314t V 。電容是可調(diào)的,其作用是為了提高電路的功率因數(shù)。試分析電容為多大值時(shí),電路的

13、功率因數(shù)為 1. 220Vac 0VdcC1v arPARAMET ERS:對(duì)電容的值設(shè)置全局變量,進(jìn)行掃描,觀測(cè)流過電源的電流,當(dāng)電流最小時(shí)所得的電容就是使功率因數(shù)為1時(shí)的電容。仿真結(jié)果如下:var05u10u15u20u25u30uI(V11.4A1.6A1.8A2.0A(14.340u,1.5773根據(jù)仿真結(jié)果可以得出,當(dāng)電容為14.34uf 時(shí),電流最小為1.6733A 。五、思考與討論1.為了提高功率因數(shù),常在感性負(fù)載上并聯(lián)電容器,此時(shí)增加了一條電流之路,但電路的總電流卻減小了,此時(shí)感性元件上的電流和功率卻不變。2.提高線路的功率因數(shù)只采用并聯(lián)電容的方法,而不采用串聯(lián)法是因?yàn)榇?lián)會(huì)改

14、變感性負(fù)載上的電流,增加了電路的總功率。并聯(lián)的電容不是越大越好,電容過大反而會(huì)使功率因數(shù)減小。實(shí)驗(yàn)四 一階動(dòng)態(tài)電路的研究一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 掌握Pspice 編輯動(dòng)態(tài)電路、設(shè)置動(dòng)態(tài)元件的初始條件、掌握周期激勵(lì)的屬性及對(duì)動(dòng)態(tài)電路仿真的方法。(2 理解一階RC 電路在方波激勵(lì)下逐步實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)充放電的過程。(3 理解一階RL 電路在正弦激勵(lì)下,全響應(yīng)與激勵(lì)接入角的的關(guān)系。二.原理與說明電路在一點(diǎn)條件下有一定的穩(wěn)定狀態(tài),當(dāng)條件改變,就要過渡到新的穩(wěn)定狀態(tài)。從一種穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一種新的狀態(tài)往往不能躍變,而是需要一定的過渡過程的,這個(gè)物理的過程就稱為電路的過渡過程。電路的過渡過程往往是短暫的,所以電路的過渡

15、過程中的工作狀態(tài)成為暫態(tài),因而過渡過程又稱為暫態(tài)過程。三.實(shí)驗(yàn)示例(1分析圖示RC 串聯(lián)電路在方波激勵(lì)下的全響應(yīng)。其中方波激勵(lì)圖如圖所示,電容的初始電壓為2V (電容Ic 設(shè)為2V 。a 編輯電路。其中方波電源是SOURCE 庫中的VPULSE 電源。并且修改方波激勵(lì)的屬性。為分辨電容屬性,電容選取Analog 庫中的C-elect (電容Ic 設(shè)為2V 。b 設(shè)置分析的類型為Transient 。其中Print Step 設(shè)為2ms ,Final Time 設(shè)為40ms 。c設(shè)置輸出方式。為了觀察電容電壓的充放電過程與方波的激勵(lì)關(guān)系,設(shè)置兩個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓標(biāo)識(shí)符以獲得激勵(lì)和電容電壓的波形,設(shè)置打印

16、電壓標(biāo)識(shí)符VPRINT1以獲取電容電壓數(shù)值輸出。 TD = 2msPW = 2ms PER = 4msV1 = 0V2 = 7Vd 仿真計(jì)算及結(jié)果分析。經(jīng)計(jì)算得到輸出圖形。Time0s5ms10ms15ms20ms25ms30ms35ms40msV(V1:+V(C1:+0V2.0V4.0V6.0V8.0VTIME V(N00159 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 4.3

17、63E+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 2.800E-02 4.449E+003.000E-02 2.550E+00 3.200E-024.449E+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.選做實(shí)驗(yàn)(1. 參照示例實(shí)驗(yàn)

18、,改變R 和C 的元件參數(shù),觀察改變時(shí)間常數(shù)對(duì)電容電壓波形的影響。(2.仿真計(jì)算R=1K ,C=100uf 的RC 串聯(lián)電路,接入峰-峰值為3V 周期為2s 的方波激勵(lì)的零狀態(tài)響應(yīng)。(3仿真計(jì)算R=1K ,C=100uf 的RC 串聯(lián)電路,接入峰-峰值為5V 、周期為2s 的方波激勵(lì)時(shí)的全響應(yīng),其中電容電壓的初始值為1V.R=1K, C=100uF 時(shí)接入峰峰值為3V ,周期為2s 的方波激勵(lì)的零狀態(tài)相應(yīng)。 TD = 2msPW = 1s PER = 2sV1 = 0V2 = 3V當(dāng)接入峰-峰值為3V 周期為2s 的方波激勵(lì)的零狀態(tài)響應(yīng)時(shí)得到的波形與數(shù)據(jù)如下:Time0s1.0s2.0s3.0

19、s4.0s5.0s6.0s7.0s8.0sV(V1:+V(C1:+0V1.0V2.0V3.0VTIMEV(N004090.000E+00 0.000E+00 1.000E+00 2.987E+00 2.000E+00 6.650E-03 3.000E+00 2.987E+00 4.000E+00 6.650E-03 5.000E+00 2.987E+00 6.000E+00 6.650E-03 7.000E+00 2.987E+00 8.000E+00 8.791E-05R=1K,C=100uF 時(shí),接入峰峰值為5V ,周期為2s 的方波激勵(lì)時(shí)的全響應(yīng)。其中電容的電壓的初始值為1V 。Time

20、0s1.0s2.0s3.0s4.0s5.0s6.0s7.0s8.0sV(V1:+V(C1:+0V2.0V4.0V6.0VTIME V(N004090.000E+00 1.000E+00 1.000E+00 4.983E+00 2.000E+00 1.108E-02 3.000E+00 4.978E+00 4.000E+00 1.108E-02 5.000E+00 4.978E+00 6.000E+00 1.108E-02 7.000E+00 4.978E+00 8.000E+00 1.465E-04比較這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的波形可以發(fā)現(xiàn),全響應(yīng)與零狀態(tài)響應(yīng)的不同之處就在于充電的起點(diǎn)不同,后續(xù)的波形都是相

21、同的。五、思考與討論在RC 串聯(lián)電路中,電容充電上升到穩(wěn)定值遇電容衰減到初始值所需要的時(shí)間相同,時(shí)間常數(shù)=R*C ,RC 串聯(lián)電路中,電容電壓上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需要的時(shí)間為一個(gè)時(shí)間常數(shù),RC 串聯(lián)電路中,電容電壓衰減到初始電壓的36.8%所需要的時(shí)間為一個(gè)時(shí)間常數(shù)。通常認(rèn)為電路從暫態(tài)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時(shí)間為無窮大,但實(shí)際計(jì)算時(shí)通常取時(shí)間常數(shù)的5倍,即5。實(shí)驗(yàn)五 二階動(dòng)態(tài)電路的仿真分析一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 研究R 、L 、C 串聯(lián)電路的電路參數(shù)與暫態(tài)過程的關(guān)系。(2 觀察二階電路在過阻尼、臨界阻尼和欠阻尼三種情況下的響應(yīng)波形。利用響應(yīng)波形,計(jì)算二階電路暫態(tài)過程有關(guān)的參數(shù)。(3 掌握利用計(jì)

22、算機(jī)仿真與示波器觀察電路響應(yīng)波形的方法。二、 實(shí)驗(yàn)原理(1 用二階微分方程描述的動(dòng)態(tài)電路,為二階電路。圖5-1所示R 、L 、C 串聯(lián)電路是典型的二階電路。其電路方程為: LCd 2u c /dt 2+RCdu c /dt+u c =u s u c (0+= u c (0-=U 0 du c (0+/dt=i L (0+/C=i L (0-/C=I 0/C圖5-1電路的零輸入響應(yīng)只與電路的參數(shù)有關(guān),對(duì)應(yīng)不同的電路參數(shù),其響應(yīng)有不同的特點(diǎn): 當(dāng)R>2C L /時(shí),零輸入響應(yīng)中的電壓、電流具有非周期的特點(diǎn),成為過阻尼狀態(tài)。 當(dāng)R<2C L /時(shí),零輸入響應(yīng)中的電壓、電流具有衰減振蕩的特

23、點(diǎn),稱為欠阻尼狀態(tài)。 此時(shí)衰減系數(shù)=R/2L ,0=1/LC 是在R=0情況下的振蕩角頻率,成為無阻尼振蕩電流的固有角頻率。在R 0時(shí),R 、L 、C 串聯(lián)電路的固有振蕩頻率將隨=R/2L 的增加而下降。當(dāng)R=2C L /時(shí),有=0,=0暫態(tài)過程介于非周期與振蕩之間,稱為臨界狀態(tài),其電壓、電流波形如圖5-3(C 所示。其本質(zhì)屬于非周期暫態(tài)過程。(2 除了在以上各圖所表示的u-t 或i-t 坐標(biāo)研究動(dòng)態(tài)電流的暫態(tài)過程以外,還可以在相平面作同樣的研究工作。相平面也是直角坐標(biāo)系,其橫軸表示被研究的物理量度x ,縱軸表示被研究的物理量對(duì)時(shí)間的變化率dx/dt 。由電路理論可知,對(duì)于R 、L 、C 串聯(lián)

24、電路,兩個(gè)狀態(tài)變量分別為電容電壓u c 、電感電流i L 。因?yàn)閕 L =i C =Cdu c /dt ,所以取u c 為橫坐標(biāo),i L 為縱坐標(biāo),構(gòu)成研究該電流的狀態(tài)平面。每一個(gè)時(shí)刻的u c 、i L ,可用向平面上的某一點(diǎn)表示,這個(gè)點(diǎn)稱為相跡點(diǎn)。u c 、i L 隨時(shí)間變化的每一個(gè)狀態(tài)可用相平面上一系列相跡點(diǎn)表示。一系列相跡點(diǎn)相連得到的曲線,稱為狀態(tài)軌跡(或相軌跡。 IR1V圖5-2 R 、L 、C 串聯(lián)電路利用PSpice 仿真可以很方便地得到狀態(tài)軌跡。圖5-3各圖的左邊即為幾種不同暫態(tài)過程的狀態(tài)軌跡。三、 示例實(shí)驗(yàn)1、 研究R 、L 、C 串聯(lián)電路零輸入響應(yīng)波形。(1 利用PSpice

25、 分析圖5-2所示電路。其中電容元件C1的IC (初始狀態(tài)uc (0+設(shè)為10V ,電感元件IC (初始狀態(tài)iL (0+設(shè)為0,電阻R1元件Value 設(shè)為val,設(shè)置PARAN 的val 參數(shù)為1。在設(shè)置仿真參數(shù)元件的全局變量時(shí),設(shè)置Parameter name :為val 。在Sweep type 欄內(nèi),選Value list (參數(shù)列表為0.00001,20,40,100,即分別計(jì)算以上參數(shù)下的個(gè)變量波形。Time0s0.1ms0.2ms 0.3ms0.4ms0.5ms 0.6ms0.7ms0.8ms0.9ms1.0msV(C1:2V(L1:2I(L1-10-5510R=0.00001(

26、2 再用PSpice 在一個(gè)坐標(biāo)下觀察uc 、iL 、uL1波形,并在屏幕上得到如圖5-4所示的結(jié)果。Time0s0.2ms0.4ms 0.6ms0.8ms1.0ms 1.2ms1.4ms1.6ms1.8ms2.0msV(C1:2V(L1:2I(L1-10-55R=20 欠阻尼情況Time0s0.2ms0.4ms 0.6ms0.8ms1.0ms 1.2ms1.4ms1.6ms1.8ms2.0msV(C1:2V(L1:2I(L1-10-55R=40 臨界阻尼情況Time0s0.2ms0.4ms 0.6ms0.8ms1.0ms 1.2ms1.4ms1.6ms1.8ms2.0msV(C1:2V(L1

27、:2I(L1-10-55(c R=100 過阻尼情況圖5-4 3種情況下的uc ,iL ,uL 波形四、 選做實(shí)驗(yàn)2、 研究方波信號(hào)作用下的R 、L 、C 串聯(lián)電路。 VPARAMETERS:TD = 0PW = 2ms V1 = 0V2 = 10L1R1圖5-5 方波信號(hào)作用下的RLC 串聯(lián)電路(1 利用PSpice 分析電路圖5-5,元件設(shè)置如圖所示,這里C1與L1的初始狀態(tài)均為0,設(shè)置暫態(tài)仿真時(shí)間范圍是08ms (即方波脈沖的兩個(gè)周期,參數(shù)設(shè)置為列表方式,分別選取Val=-0.5,0.1,1,10,40,200,觀察uc 在這些參數(shù)下的波形。Time0s1.0ms2.0ms3.0ms4.

28、0ms5.0ms6.0ms7.0ms8.0msV(C1:2-200V-100V0V100V200VVal=-0.5Time0s1.0ms2.0ms3.0ms4.0ms5.0ms6.0ms7.0ms8.0msV(C1:2-40V-20V0V20V40VVal=0.140V20V0V-20VTimeVal=115V10V5V0V-5VTimeVal=1012.0V8.0V4.0V0VTimeVal=4010V5V0VTimeR=200的圖形五、思考與討論RLC 串聯(lián)電路的暫態(tài)過程中,電感和電容之間存在能量轉(zhuǎn)換,在能量傳遞過程中,由于電阻會(huì)消耗能量,所以隨著R 的大小的不同,電路會(huì)出現(xiàn)不同的工作狀態(tài)

29、。當(dāng)R 較小( R <振蕩狀態(tài),電感和電容通過電流來實(shí)現(xiàn)能量交換,由于電阻總是消耗能量(此時(shí)消耗能量較小,使整個(gè)系統(tǒng)的能量不斷減少,從而使電容電壓的振幅值衰減。當(dāng)當(dāng)R >電路處于非振蕩狀態(tài), 由于電阻較大,消耗的能量較多,從而“阻礙”了電容和電感之間能量的傳遞,故稱之為“過阻尼”。當(dāng) R =等幅振蕩。實(shí)驗(yàn)六 頻率特性和諧振的仿真一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 學(xué)習(xí)使用PSpice 軟件仿真分析電路的頻率特性。 (2 掌握用PSpice 軟件進(jìn)行電路的諧振研究。 (3 了解耦合諧振的特點(diǎn)。二、 原理與說明(1 在正弦穩(wěn)態(tài)電路中,可以用相量發(fā)對(duì)電路進(jìn)行分析。電路元件的作業(yè)是用復(fù)阻抗(有時(shí)也簡稱阻抗

30、Z 表示,復(fù)阻抗Z 不僅與元件參數(shù)有關(guān),還與電源的頻率有關(guān)。因此,電路的輸出(電壓、電流不僅與電源的大小(有效值或振幅有關(guān),還與電源的頻率有關(guān),輸出(電壓、電流傅氏變換與輸入(電壓源、電流源傅氏變換之比稱為電路的頻率特性。(2 在正弦穩(wěn)態(tài)電路中,對(duì)于含有電感L 和電容C 的無源一端口網(wǎng)絡(luò),若端口電壓和端口電流同相位,則稱該一端口網(wǎng)絡(luò)為諧振網(wǎng)絡(luò)。諧振既可以通過調(diào)節(jié)電源的頻率產(chǎn)生,也可以通過調(diào)節(jié)電容元件或電感元件的參數(shù)產(chǎn)生。電路處于諧振時(shí),局部會(huì)得到高于電源電壓(或電流數(shù)倍的局部電壓(或電流。(3 進(jìn)行頻率特性和諧振電路的仿真時(shí),采用“交流掃描分析”,在Probe 中觀測(cè)波形,測(cè)量所需數(shù)值。還可以

31、改變電路或元件參數(shù),通過計(jì)算機(jī)輔助分析,設(shè)計(jì)出滿足性能要求的電路。(4 對(duì)濾波器輸入正弦波,令其頻率從零逐漸變大,則輸出的幅度也將不斷變化。把輸出降為其最大值的(1/2多對(duì)應(yīng)的頻率稱為截止頻率,用c 表示。輸出大于最大值的(1/2的頻率范圍就稱為濾波器的通頻帶(簡稱通帶,也就是濾波器能保留的信號(hào)的頻率范圍。各類濾波器的通頻帶定義如圖6-1所示。(5 對(duì)濾波器電路的分析可以用PSpice 軟件采用“交流掃描分析”,并在Probe 中觀測(cè)波形,測(cè)量濾波器的通頻帶,調(diào)節(jié)電路參數(shù),以使濾波器滿足設(shè)計(jì)要求。三、示例實(shí)驗(yàn)(1 雙T 型網(wǎng)絡(luò)如圖6-2所示。分析該網(wǎng)絡(luò)的頻率特性。分析網(wǎng)絡(luò)的頻率特性,須在AC

32、Sweep 的分析類型下進(jìn)行。編輯電路,輸入端為1V 的正弦電壓源,從輸入端獲取電壓波形。 R2R1圖6-2 雙T 型網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)電路仿真設(shè)置:Frequency100Hz300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHzV(C5:20V0.5V1.0V圖6-4 雙T 型網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性從圖6-4可以看出,這是一個(gè)帶阻濾波器,低頻截止頻率近似為182Hz ,高頻截止頻率近似為3393Hz ,帶阻寬度3211Hz 。四、選做實(shí)驗(yàn)(1 圖6-5(a 所示為RLC 串聯(lián)電路,測(cè)試氣幅頻特性,確定去通帶寬f 。若f 小于40KHz ,試采用耦合諧振的方式改進(jìn)電路,使其通帶寬滿足設(shè)計(jì)要求。 (a 仿真圖6-5

33、(a ,觀察其諧振頻率和通帶寬是否滿足設(shè)計(jì)要求。 IC1(a RLC 串聯(lián)電路Frequency1.0MHz900KHz1.2MHzI(L10A200mA400mA600mA800mA由實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),通頻帶過窄,小于40KHZ 。 C2253PR2C1(b 耦合諧振電路圖6-5諧振電路的實(shí)驗(yàn)電路改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)電路明顯改變了通頻帶的寬度,電路的選頻特性更好。Frequency1.0MHz900KHz1.1MHz-I(R20A100mA200mA300mA400mA五、 思考與討論(1同一電阻、電感、電容原件做串聯(lián)和并聯(lián)時(shí),電路的性質(zhì)不同。因?yàn)楫?dāng)串聯(lián)電路呈感性時(shí),并聯(lián)電路可能呈容性;串聯(lián)電路呈容性時(shí),

34、并聯(lián)電路可能呈感性。當(dāng)串聯(lián)電路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí),電容和電感相當(dāng)于短路,而此時(shí)對(duì)于并聯(lián)電路來說可能發(fā)生并聯(lián)諧振,并聯(lián)支路相當(dāng)于開路。(2頻率對(duì)電路的性質(zhì)有影響。頻率不同時(shí),容抗和感抗都會(huì)隨之而改變,從而可能使原來呈感性的電路轉(zhuǎn)而呈容性,也可能使原來呈容性的電路變?yōu)楦行?。?dāng)發(fā)生諧振時(shí),還會(huì)使電路呈阻性。實(shí)驗(yàn)七三相電路的研究一實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^基本的星形三相交流電的供電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),著重研究三相四線制和三相三線制,并對(duì)某一相開路、短路或者負(fù)載不平衡進(jìn)行研究,從而熟悉三相交流電的特性。二原理與說明1.利用三個(gè)頻率50Hz、有效值220V、相位各相差120度的正弦信號(hào)源代替三相交流電。2.星形三相三線制負(fù)載不同時(shí)的

35、電壓波形變化及相應(yīng)的理論。3.星形三相四線制:三相交流源的公共端N與三相負(fù)載的公共端相連。4.當(dāng)三相電路出現(xiàn)若干故障時(shí),對(duì)應(yīng)電壓和電流會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象去驗(yàn)證理論。三示例實(shí)驗(yàn)1、電路圖如下所示,其中電源為三相對(duì)稱電源,負(fù)載分為兩種情況:一種情況是三相對(duì)稱負(fù)載,另一種情況是不對(duì)稱三相負(fù)載。(注:圖中R4=1M,為Pspice提供一個(gè)虛擬零電位。 VOFF = 0(a在capture中繪制如上所示電路圖,V1,V2,V3設(shè)置為Vac=220V,Vampl=311V,freq=50Hz, V off=0,phase分別為0,-120,120.三相負(fù)載阻值均為100K。(b設(shè)置Transient分析的ru

36、n time 為40ms。(c運(yùn)行仿真,得到電壓波形如下:400V200V0V-200V-400V0s5ms10ms15ms20ms25ms30ms35ms40ms V(V3:+V(V2:+V(V1:+Time(d 改變其中一相負(fù)載的阻值R1=50K,重新運(yùn)行仿真,得到結(jié)果如下:400V200V0V-200V-400V0s5ms10ms15ms20ms25ms30ms35ms40ms V(V3:+V(V2:+V(V1:+Time(e分別將R1的阻值減小為10K,5K,1K,得到不同的電壓波形如下:R1=10K:500V0V-500V0s5ms10ms15ms20ms25ms30ms35ms40

37、ms V(V3:+V(V2:+V(V1:+TimeR1=5K:600V400V200V0V-200V-400V-600V0s5ms10ms15ms20ms25ms30ms35ms40ms V(V3:+V(V2:+V(V1:+TimeR1=1K:600V400V200V0V-200V-400V-600V0s5ms10ms15ms20ms25ms30ms35ms40ms V(V3:+V(V2:+V(V1:+Time(f將R1,R2,R3設(shè)置成不同的阻值,形成三相不平衡電路,觀察不同狀態(tài)下的電壓波形。500V0V-500V0s5ms10ms15ms20ms25ms30ms35ms40ms V(V3:

38、+V(V2:+V(R3:2TimeR1=100K,R2=60K,R3=20K2、增加一條中線如下圖所示,重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)過程,得到不同的電壓波形圖。 VOFF = 0(100k,100k,100k Time0s5ms 10ms15ms20ms25ms30ms35ms40msV(V3:+V(V2:+V(V1:+-400V-200V0V200V400V(50k,100k,100k Time0s5ms10ms15ms20ms25ms30ms35ms40msV(V3:+V(V2:+V(V1:+-400V-200V0V200V400V(10k,100k,100k 400V200V0V-200V-400V0

39、s5ms10ms15ms20ms25ms30ms35ms40ms V(V3:+V(V2:+V(V1:+Time(5k,100k,100k400V200V0V-200V-400V0s5ms10ms15ms20ms25ms30ms35ms40ms V(V3:+V(V2:+V(V1:+Time(1k,100k,100k400V200V0V-200V-400V0s5ms10ms15ms20ms25ms30ms35ms40ms V(V3:+V(V2:+V(V1:+Time四選做實(shí)驗(yàn)無中線R1短路600V400V200V0V-200V-400V-600V0s5ms10ms15ms20ms25ms30ms3

40、5ms40ms V(V3:+V(V2:+V(R3:1Time無中線R1=開路500V0V-500V0s5ms10ms15ms20ms25ms30ms35ms40ms V(V2:+V(V1:+V(V3:+Time有中線R1短路400V200V0V-200V-400V0s5ms10ms15ms20ms25ms30ms35ms40ms V(V2:+V(V1:+V(V3:+Time有中線R1開路400V200V0V-200V-400V0s5ms10ms15ms20ms25ms30ms35ms40ms V(V2:+V(V1:+V(V3:+Time五、思考與討論(1三相三線制電路中,負(fù)載電壓隨相應(yīng)的負(fù)載變

41、化而變化,而且變化規(guī)律相反,即一路負(fù)載變大,這路電壓減小,反之增大。(2三相三線制電路接不對(duì)稱負(fù)載時(shí),中性點(diǎn)發(fā)生偏移,負(fù)載電壓也不對(duì)稱。三相四線制電路,無論負(fù)載對(duì)稱與否,負(fù)載電壓均對(duì)稱。實(shí)驗(yàn)八受控電源的電路設(shè)計(jì)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1學(xué)習(xí)使用Pspice進(jìn)行電路的輔助設(shè)計(jì)。(2用Pspice測(cè)試受控電源的控制系數(shù)和負(fù)載特性。(3加深對(duì)受控電源的理解。二原理與說明受控電源是一種二端口元件,按控制量和被控制量的不同,受控電源可分為:電壓控制電壓源(VCVS、電壓控制電流源(VCCS、電流控制電壓源(CCVS和電流控制電流源(CCCS四種?？刂葡禂?shù)為常數(shù)的受控電源為線性受控電源,它們的控制系數(shù)分別用、g、r和

42、。本實(shí)驗(yàn)是用運(yùn)算放大器和固定的電阻組成上述四種受控電源。三實(shí)驗(yàn)任務(wù)3、電壓控制電壓源和電壓控制電流源的仿真設(shè)計(jì)。a.用Pspice繪制電路和設(shè)置符號(hào)參數(shù)。b.設(shè)置分析類型,對(duì)電路進(jìn)行分析,得到控制量和被控制量,間接測(cè)量控制系數(shù)和g。并通過公式=(1+R1/R2, g=1/R分別計(jì)算控制系數(shù)和g。c.對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。d.改變電阻值,再用Pspice進(jìn)行仿真分析,分別確定控制系數(shù)和g與電阻的函數(shù)關(guān)系。 V5電壓控制電壓源的設(shè)計(jì)電路對(duì)電路的電源V1進(jìn)行直流掃描,研究受控源的線性工作區(qū),由輸出電壓曲線可以發(fā)現(xiàn),只有V1電壓在0至2V 時(shí),輸出電壓關(guān)系才滿足受控源關(guān)系,即U2=(1+R1/R2U1=6*

43、U1. I5V電壓控制電流源的設(shè)計(jì)電路V_V10V0.5V1.0V1.5V2.0V2.5V3.0V3.5V4.0V4.5V5.0VV(U1:OUT0V5V10V15對(duì)電路的電源V1進(jìn)行直流掃描,研究受控源的線性工作區(qū),由輸出電流曲線可看到,只有在電壓為0至1V 的范圍內(nèi),輸出電流滿足電壓控制電流源關(guān)系,即I2=(1/R U1=0.01*U1. (2電流控制電壓源的仿真設(shè)計(jì)。輸入電流I1由電壓源Us 和串聯(lián)電阻Ri 提供。 a.用Pspice 繪制電路和設(shè)置符號(hào)參數(shù)。b.設(shè)置分析類型,對(duì)電路進(jìn)行分析,得到控制量和被控制量,間接測(cè)量控制系數(shù)r 。并通過公式r=-R,計(jì)算控制系數(shù)r 。c.對(duì)結(jié)果進(jìn)行

44、分析。d.改變電阻值,再用Pspice 進(jìn)行仿真分析,分別確定控制系數(shù)r 與電阻的函數(shù)關(guān)系。V 10VR2電流控制電壓源的仿真設(shè)計(jì)V_V10V0.5V1.0V1.5V2.0V2.5V3.0V3.5V4.0V4.5V5.0V-I(R20A5mA10mA15mA對(duì)電路的電源V1進(jìn)行直流掃描,研究受控源的線性工作區(qū),在仿真實(shí)驗(yàn)中將X 軸設(shè)為電源的電流,研究輸入電流與輸出電壓關(guān)系。從關(guān)系曲線上可以看出,只有輸入電流在0至7mA 范圍內(nèi),輸出電壓才滿足受控源關(guān)系,即U2=(-RI1=-2000*I1.所以該電路的輸入電流應(yīng)小于7mA 。(3電流控制電流源的仿真設(shè)計(jì)。輸入電流I1由電壓源Us 和串聯(lián)電阻R

45、i 提供。 a.用Pspice 繪制電路和設(shè)置符號(hào)參數(shù)。b.設(shè)置分析類型,對(duì)電路進(jìn)行分析,得到控制量和被控制量,間接測(cè)量控制系數(shù)。并通過公式=(1+R1/R2計(jì)算控制系數(shù)。c.對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。d.改變電阻值,再用Pspice 進(jìn)行仿真分析,分別確定控制系數(shù)與電阻的函數(shù)關(guān)系。 電流控制電流源的仿真設(shè)計(jì) IR210v電流控制電流源電路I(R1-4.0mA-2.0mA0A2.0mA4.0mA6.0mA8.0mAV(U1:OUT-20V-10V0V10V20V對(duì)電路的電源V1進(jìn)行直流掃描,研究受控源的線性工作區(qū),在仿真實(shí)驗(yàn)中將X 軸設(shè)為電源的電流,研究輸入電流與輸出電流關(guān)系。從關(guān)系曲線上可以看出只有輸

46、入電流在0至5mA 范圍內(nèi)輸出電流才滿足受控源關(guān)系,即I2=(1+R1/R2I1=2*I1.故想使該受控源電路正常工作,輸入電流不應(yīng)該超過5mA 。五.思考與討論受控源不可以作為電路的激勵(lì)源對(duì)電路起作用。如果電路里沒有獨(dú)立電源僅僅有受控源,電路中不會(huì)有電流和電壓。受控源并不是電源,它僅僅反映一個(gè)電量對(duì)另一個(gè)電量的控制關(guān)系。獨(dú)立電壓(流源可以獨(dú)立于外電路產(chǎn)生電壓(流,而受控源則不能獨(dú)立產(chǎn)生電壓(流,其電壓(流的大小完全取決于控制量。但當(dāng)控制量確定并保持不變時(shí),受控源則具有獨(dú)立電源的特性.實(shí)驗(yàn)九 負(fù)阻抗變換器電路的設(shè)計(jì)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 學(xué)習(xí)使用Pspice 進(jìn)行電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),培養(yǎng)用仿真軟

47、件設(shè)計(jì)、調(diào)試和工程制作電路的能力。(2 用Pspice 進(jìn)行負(fù)阻抗變換器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。(3 “測(cè)試”負(fù)阻抗變換器的輸入阻抗和其負(fù)載阻抗的關(guān)系,用間接測(cè)量的方法測(cè)量負(fù)阻抗變換器的參數(shù)。(4 加深對(duì)負(fù)阻抗變換器的理解,熟悉和掌握負(fù)阻抗變換器的基本使用。二、 原理與說明負(fù)阻抗變換器(NIC 是一個(gè)有源二端口元件,實(shí)際工程中一般用運(yùn)算放大器組成。它有兩種形式,分別為電壓反向型和電流反向型。當(dāng)負(fù)阻抗變換器的負(fù)載阻抗為Z L 時(shí),從其輸入端看去的輸入端阻Z in 為負(fù)載阻抗的負(fù)值,即Z in =-Z L三、 實(shí)驗(yàn)任務(wù)(1 負(fù)阻抗變化的電路設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)電路如圖所示。 選擇Z L =R=1k ,用Pspic

48、e 軟件進(jìn)行仿真,求出其輸入阻抗Z in 。I(R1-1.0mA0A1.0mA2.0mA3.0mA4.0mA5.0mA6.0mA-I(R3-10mA0A10mA20mA R31k由電流和電壓曲線關(guān)系可計(jì)算求得R=-1K 選擇頻率為100Hz 正弦電源,其有效值可以自己選定,R=10,Z L =(5-j5,用Pspice 軟件進(jìn)行仿真分析,求出其輸入阻抗Z in 。 R35C1318.47u設(shè)置交流掃描,頻率為100HZ ,得到FREQ IM(V_PRINT1 IP(V_PRINT1 IR(V_PRINT1 II(V_PRINT1 1.000E+02 1.415E+00 -1.350E+02 -

49、1.001E+00 -1.000E+00V_V10V12V3V4V5V6V7V8V9V10VV(V1:+0V5V10VSEL>> I(PRINT2-10mA-5mA0A計(jì)算得輸入阻抗為Zin=1011j-=(5-j5。選擇正弦電源的頻率f=1000Hz,R=100,Z L=(3+j4,用Pspice軟件仿真分析,求出其輸入阻抗Z in。 R33636.9uH設(shè)置交流掃描,得出FREQ IM(V_PRINT1 IP(V_PRINT1 IR(V_PRINT1 II(V_PRINT11.000E+03 1.999E+00 1.269E+02 -1.199E+00 1.600E+00經(jīng)過計(jì)

50、算可得輸入阻抗Zin=101.2 1.6j-+=(3+j4。(2用負(fù)阻抗變換器仿真負(fù)電阻。用前面電路所示的負(fù)阻抗變換器的電路實(shí)現(xiàn)一個(gè)等效負(fù)阻抗電阻,將其與獨(dú)立電源和其他電阻組成一個(gè)直流電路。實(shí)驗(yàn)電路如圖所示。選擇元件的參數(shù),用“Bias Point Detail”仿真分析該電路,求出該電路的節(jié)點(diǎn)電壓和元件電流。從結(jié)果分析等效負(fù)電阻元件伏安特性,看其是否滿足“負(fù)電阻”特性。設(shè)電源電壓為掃描變量,用“DC Sweep”仿真分析該電路,在Probe中觀測(cè)用負(fù)阻抗變換器仿真的“負(fù)電阻”的電壓和電流曲線,并確定兩者之間的函數(shù)關(guān)系。 故U=-RI=-1000I(3 用負(fù)阻抗變換器仿真電感。用任務(wù)(1中所示

51、的負(fù)阻抗變換器電路實(shí)現(xiàn)一個(gè)等效電感,將其與R 、C 元件串聯(lián),組成一個(gè)RLC 串聯(lián)電路。 選擇元件參數(shù),用“AC Sweep”仿真分析該電路,確定其諧振頻率。 將電阻設(shè)為掃描變量,并定義為var ,再仿真分析該電路,確定電阻為何值時(shí)發(fā)生串聯(lián)諧振。此電路不可以通過簡單的串聯(lián)就做出RLC 串聯(lián)電路,因?yàn)榇藭r(shí)會(huì)將R 、L 、C 的值先相加,在一起進(jìn)行復(fù)阻抗變換,根本無法實(shí)現(xiàn)串聯(lián)諧振!事實(shí)上,復(fù)阻抗變換器有兩種逆變作用:1、負(fù)阻抗變換器的逆變作用A (與頻率有關(guān),圖1。根據(jù)Z in = - KZ L 定義 (1當(dāng)Z L 為電容時(shí),Z L =1/ j C ,Z in = - 1/ j C= j L ,

52、等值電感L= 1/2C 與頻率 有關(guān)。V_V10V12V3V4V5V6V7V8V9V10VV(V1:+0V5V10VSEL>> I(PRINT2-10mA-5mA0A(2當(dāng)Z L 為電感時(shí),Z L = j L , Z in = - j L= 1/ j C ,等值電容C= 1/2L 與頻率有關(guān)。圖1 圖22、負(fù)阻抗變換器的逆變作用B (與頻率無關(guān),圖2。當(dāng)R 與負(fù)阻元件-(R+1/j C相并聯(lián)時(shí),其結(jié)果122in 2-(R+j j Z =j j 11-(R+j j R R R C CR R C R L R C C L R C -=+=+-= ;等值電感與頻率無關(guān)。222j -(R+j j 11-(R+j j j /j /in L L R R LR Z R R L RLL R CC L R -=+=+-= 當(dāng) R 與負(fù)阻元件 -(R+相并聯(lián)時(shí),其結(jié)果等值電容與頻率無關(guān)。(4 自選實(shí)驗(yàn)。自行設(shè)計(jì)電路并用Pspice 進(jìn)行仿真分析