电路CAA课程设计基于PSpice的节点电压、支路电流分析

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1、武汉理工大学matlab课程设计课程设计说明书 课程设计任务书学生姓名: 专业班级: 电信0804指导教师: 工作单位: 信息工程学院 题 目: 电路CAA课程设计基于PSpice的节点电压、支路电流分析初始条件:1. 提供实验室机房及其PSpice软件；2. 自选一电路图（3个节点、4条支路以上）。要求完成的主要任务：(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求):1、熟练运用PSpice软件创建电路、模拟电路、显示或绘制结果（至少有三条曲线以上）；2、使用该软件进行电路的节点电压、支路电流分析；3、独立完成课程设计说明书，课程设计说明书按学校统一规范来撰写，具体包括： 目录；

2、 理论分析； 程序设计； 程序运行结果及图表分析和总结； 课程设计的心得体会（至少800字，必须手写。）； 参考文献（不少于5篇）。时间安排: (1) 布置课程设计任务，查阅资料， 学习Pspice软件 两天； (2) 用Pspice软件进行电路分析 一天半； (3) 完成课程设计报告书及答辩 一天半； 指导教师签名: 年 月 日系主任(或责任教师)签名: 年 月 日 目 录课程设计任务书 .11. PSPICE软件简介 .21.1 PSPICE的起源与发展.21.2 PSPICE仿真软件的优越性.21.3 PSPICE的模拟功能.31.4 PSPICE的模拟功能.42. 电路原理.6 .3.

3、 电路图设计.63.1设计原理图.63.2 所用到的器件.83.3 对电路图的理论分析.84. 仿真曲线分析.10 4.1支路电流仿真曲线.10 4.2节点电压仿真曲线.105. 课程设计心得.116. 参考文献.127. 附件：科生课程设计成绩评定表.13第一章PSPICE软件简介 PSPICE是较早出现的EDA软件之一，1985年就由MICROSIM公司推出，在电路仿真方它的功能可以说是最为强大，在国内被普遍使用，现在使用较多的是PSPICE6.2，工作于WINDOWS环境，占用硬盘空间20多M，整个软件由原理图编辑、电路仿真、激励编辑、元器件库编辑、波形图等几个部分组成，使用时是一个整体

4、，但各个部分各有各的窗口。PSPICE发展至今，已被并入ORCAD，成为ORCADPSPICE，但PSPICE仍然单独销售和使用，新推出的版本为PSPICE9.1，工作于WINDOWS9598NT平台上，要求是奔腾以上CPU、32M内存、50M以上剩余硬盘空间、800X600以上显示分辨率，是功能强大的模拟电路和数字电路混合仿真EDA软件，它可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出、并在同一个窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果，无论对哪种器件哪些电路进行仿真，包括IGBT、脉宽调制电路、模数转换、数模转换等，都可以得到精确的仿真结果，对于库中没有的元器

5、件模块，还可以自己编辑。它在INTERNET上的网址与ORCAD公司一样。 PSPICE程序简介 PSPICE是由SPICE发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是由美国加州大学伯克莉分校于1972年开发的电路仿真程序。随后，版本不断更新，功能不断增强和完善。1988年SPICE被定为美国国家工业标准。目前微机上广泛使用的PSPICE是由美国MicroSim公司开发并于1984年1月首次推出的。SPICE有工业版（Production version）和教学版(Evaluat

6、ion version）之分，本书介绍1986年8月推出的PSPICE6.3版本（MicroSim Evaluation Version 6.3，即教学版，有时也称为学生版）。它能进行模拟电路分析、数字电路分析和模拟数字混合电路分析。 PSPICE6.3可以对众多元器件构成的电路进行仿真分析，这些元器件以符号、模型和封装三种形式分别存放在扩展名为slb、lib和plb三种类型的库文件中。*.slb库中的元器件符号用于绘制电路图；*.lib库中的元器件模型用于电路仿真分析；*.plb库中的元器件封装形式用于绘制印刷电路板的版图。在电路仿真分析中只用到前两个库。1.1 PSPICE6.3运行环境

7、硬件环境：486以上的IBMPC机或兼容机，8M以上内存，最好有80M以上硬盘空间（PSPICE6.3完全安装将占用63M左右的空间），标准键盘及VGA以上显示适配器，鼠标，CD-ROM驱动器（用于安装PSPICE）。 软件环境：Windows3.X、Windows95或WindowsNT3.51以上。 1.2 PSPICE功能简介 PSPICE6.3可执行的主要分析功能如下： 1. 直流分析： 包括电路的静态工作点分析；直流小信号传递函数值分析；直流扫描分析；直流小信号灵敏度分析。在进行静态工作点分析时，电路中的电感全部短路，电容全部开路，分析结果包括电路每一节点的电压值和在此工作点下的有源

8、器件模型参数值。这些结果以文本文件方式输出。 直流小信号传递函数值是电路在直流小信号下的输出变量与输入变量的比值，输入电阻和输出电阻也作为直流解析的一部分被计算出来。进行此项分析时电路中不能有隔直电容。分析结果以文本方式输出。 直流扫描分析可作出各种直流转移特性曲线。输出变量可以是某节点电压或某节点电流，输入变量可以是独立电压源、独立电流源、温度、元器件模型参数和通用（Global）参数（在电路中用户可以自定义的参数）。 直流小信号灵敏度分析是分析电路各元器件参数变化时，对电路特性的影响程度。灵敏度分析结果以归一化的灵敏度值和相对灵敏度形式给出，并以文本方式输出。 2. 交流小信号分析： 包括

9、频率响应分析和噪声分析。PSPICE进行交流分析前，先计算电路的静态工作点，决定电路中所有非线性器件的交流小信号模型参数，然后在用户所指定的频率范围内对电路进行仿真分析。 频率响应分析能够分析传递函数的幅频响应和相频响应，亦即，可以得到电压增益、电流增益、互阻增益、互导增益、输入阻抗、输出阻抗的频率响应。分析结果均以曲线方式输出。 PSPICE用于噪声分析时，可计算出每个频率点上的输出噪声电平以及等效的输入噪声电平。噪声电平都以噪声带宽的平方根进行归一化。它们的单位是V/Hz1/2。 3. 瞬态分析： 即时域分析，包括电路对不同信号的瞬态响应，时域波形经过快速傅里叶变换（FFT）后，可得到频谱

10、图。通过瞬态分析，也可以得到数字电路时序波形。 另外，PSPICE可以对电路的输出进行傅里叶分析，得到时域响应的傅里叶分量（直流分量、各次谐波分量、非线性谐波失真系数等）。这些结果以文本方式输出。 4. 蒙特卡罗（Monte Carlo）分析和最坏情况（Worst Case）分析： 蒙特卡罗分析是分析电路元器件参数在它们各自的容差（容许误差）范围内，以某种分布规律随机变化时电路特性的变化情况，这些特性包括直流、交流或瞬态特性。 最坏情况分析与蒙特卡罗分析都属于统计分析，所不同的是，蒙特卡罗分析是在同一次仿真分析中，参数按指定的统计规律同时发生随机变化；而最坏情况分析则是在最后一次分析时，使各个

11、参数同时按容差范围内各自的最大变化量改变，以得到最坏情况下的电路特性。2.电路原理在电路中任意选择某一节点为参考节点，其他节点为独立节点，这些节点与参考节点之间的电压成为节点电压，节点电压的参考极性是以参考节点为负，其余独立节点为正。由于任一支路都连接在两个节点上，根据KVL，不难断定支路电压就是两个节点电压之差。如果每一个支路电流都可由支路电压来表示，那么它也一定也可以用节点电压来表示。在具有n个节点的电路中写出其中（n-1）个独立节点的KCL方程，就得到变量为（n-1）个节点电压的共（n-1）个独立方程，称为节点电压方程，最后由这些方程解出节点电压，从而求出所需的电压、电流。这就是节点电压

12、法。 对一个具有b条支路和n个节点的电路，当以支路电压和支路电流为电路变量列方程时，总共有2b个未知量。为了减少求解的方程数，可以利用元件的VCR将各之路电压以支路电流表示，然后代入KVL方程，就得到以b个支路电流为未知量的b个KVL和KCL方程。这种方法称为支路电流法。3设计并仿真原理图 3.1绘制原理图运行Orcad Family Release 9.2 Lite Edition中的Capture CIS Lite Edition，新建空白项目Project，命名为zuoye，通过右侧工具栏中的键来选择元器件，如果找不到相应的原件通过add library键来添加元件库。本次课程设计中要用

13、到的是SOURCE及ANALOG_P元件库。然后按表31选择相应的元器件，放到合适的位置，连线，然后修改各个元件的参数，绘制原理图结束。图31此电路为简单的串并联电路，其中为直流电压源，输出15V的电压， 与并联后在串联所得到的等效电阻再与相并联接在直流稳压源的两端。图中还插入了三个节点分别是,。其中为参考地点，为此处电压，设为节点1，为另一个节点，即所设的节点2.所用到的器件器件模型模型库电阻R1R/Analog_pR2R/Analog_pR3R/Analog_pR4R/Analog_p直流电压源V1VDC/Source地00/Source 表313.2仿真画好原理图后，设置仿真参数。点击仿

14、真按钮中最左边的一个来仿真，首先命名，然后设置相应的参数Analysis Type设为DC Sweep；Options选Primary Sweep；Sweep variable选Voltage source，其name中写V1；Sweep中选Linear，其三个参量设置为0V、15V、1V。设置好后，执行中的最右边的三角形按钮，出现Probe窗口。执行Trace下Add Trace命令，选择要显示的内容，如（等）即可查看相应的图表。3.3 对电路图的理论分析 方法一：利用支路电流法解题的步骤： （1）任意标定各支路电流的参考方向和网孔绕行方向。 （2）用基尔霍夫电流定律列出节点电流方程。有n个

15、节点，就可以列出n-1个独立电流方程。 （3）用基尔霍夫电压定律列出L=b-（n-1）个网孔方程。说明：L指的是网孔数，b指是支路数，n指的是节点数。 （4）代入已知数据求解方程组，确定各支路电流及方向。利用以上步骤，设电压源V1的电压为U1。可通过支路电流法分别算得流过的电流为 流过的电流为 流过的电流为 流过的电流为 流过电压源的电流为同样可以推得各个节点电压的大小：其中选取N0的电压为参考地点，其电压值始终为0，从而可以推得节点N1的电压值为,节点N2的电压值为方法二：利用节点电压法解题步骤：（1）选择参考节点，设定参考方向（2）求节点电压U（3）求支路电流通过此方法同样可以分别算得流过

16、 的电流为 流过的电流为 流过的电流为 流过的电流为 流过电压源的电流为同样也可以推得各个节点电压的大小：其中选取N0的电压为参考地点，其电压值始终为0，从而可以推得节点N1的电压值为,节点N2的电压值为由这些电流电压的表达式可以看出，各电压电流随的变化都是直线变化的，所以可以推测仿真出来的图像是线性的关系。4. 仿真曲线 4.1支路电流仿真曲线图41 图42图41中从上到下依次是的电流随电压源的变化曲线，图42从上打下一次是从图中可以看出，的电流都是随的增加而增加，并且R2的变化速度更加快。这与理论分析中 是现符合的，显然有然而的电流值却是随的增加而反向增大，这是因为我的原理图（图31）中的

17、的管脚（pspice中默认是从1流向2）与实际电流的流向是相反的，所以仿真出来的结果是个负值。不难发现其斜率的大小也是与理论分析中 的分析结果是相同的。4.2 节点电压仿真曲线图42图41中从上到下一次是N1,N2,N0节点电压随的变化而变化，其中N0是一条恒为0的直线，节点N1就是电源电压，节点N2的电压为0.5，这些都是与理论分析完全相符合。 5.课程设计心得7.参考文献1 周守昌主编. 电路原理（上，下册）.2版.北京高等教育出版社，2004.2汪建民.PSpice电路设计与应用. 北京：国防工业出版社，2004.3邱关源主编.电路（第三版上，下册）.北京：高等教育出版社，20054Hayt W H,Kemmeryly J E. Engineering Circuit Analysis.3rd ed.s.l.:MacGraw-Hill,Inc.,1978.5Mark N Horenstein.Microelectronic Circuit and Devices .2nd ed.New Jerwsey:Prentice-Hall Inc,1996.附件1：本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别专业、班级课程设计题目：课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日14