电路课设报告

目录1. 仿真软件PSpice概述11.1 PSpice简介11.2 Pspice的仿真软件结构11.3 PSpice的基本操作22 RLC串联电路的谐振分析32.1 创建电路图32.2 理论分析42.3 模拟过程及参数设置82.4 模拟结果和比较分析93单管放大电路的分析153.1 原理电路图153.2 电路理论分析163.3 电路仿真174 课程设计的心得体会245 参考文献251. 仿真软件PSpice概述1.1 PSpice简介用于模拟电路仿真的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）软件于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTR AN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。SPICE的正式版SPICE 2G在1975年正式推出，但是该程序的运行环境至少为小型机。1985年，加州大学伯克利分校用C语言对SPICE软件进行了改写， 并由MICROSIM公司推出。1988年SPICE被定为美国国家工业标准。与此同时，各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件，在SPICE的基础上做了大量实用化工作，从而使SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件。PSpice是一个电路通用分析程序，它主要是实现对电路进行模拟和仿真。在电子设计自动化发展的过程中，PSpice起到了重要的作用。该程序通过对电路进行模拟计算，达到辅助电路设计的目的。PSpice可以用两种方式输入：网单输入文件（即程序的输入）和电路图输入。由于电路图输入更为方便快捷，因此我们常常利用电路图编辑工具来编辑电路图以及设置和分析各种过程参数。OrCAD/PSpice9程序有庞大的元件库，可以模拟6类常用的电路元器件：基本无源元件，如电阻，电容，电感，传输线等；常用的半导体器件，如二极管，双极晶体管，结型场效应管，MOS管等；独立电压源和独立电流源；各种受控电压源，受控电流源和受控开关；基本数字电路单元，如门电路，传输门，触发器，可编程逻辑阵列等；常用单元电路，如运算放大器，555定时器等。OrCAD/PSpice9中采用的是实用工程单位制，如电压用伏（V），电流用安（A），功率用瓦（）等。在运行中，PSpice会根据具体对象自动确定其单位。用户在输入数据时，代表单位的字母可以省去。例如给电压源赋值时，键入12和12V意思一样。PSpice中的数字采用科学表示方式，即可以使用整数，小数和以10为底的指数。用指数表示时，底数10用E来表示。1.2 Pspice的仿真软件结构 OrCAD/Pspice9是一个软件包，它共有六大功能模块，分别是PspiceA/D，Capture，Probe，Stimulus Editor，Model Editor和Optimizer。各模块的功能简述如下：（1）电路模拟分析的核心模块PspiceA/D。它实现电路的仿真与分析，可分析的电路特性有6类15种：第一类直流分析，包括静态工作点，直流灵敏度，直流传输特性，直流特性扫描分析。第二类交流分析，包括频率特性，噪声特性分析。第三类瞬态分析，包括瞬态响应分析，傅立叶分析。第四类参数扫描，包括温度特性分析，参数扫描分析。第五类统计分析，包括蒙托卡诺分析，最坏情况分析。第六类逻辑模拟，包括逻辑模拟，数/模混合模拟，最坏情况时序分析。在使用的过程中，它接受网单文件的输入，并列方程进行计算求解，最后输出结果。仿真的结果一般由图形文件（*.DAT）和数据文件（*.OUT）两部分组成。（2）电路图编辑模块。其主要功能是以人机交互方式在屏幕上绘制电路图，设置电路中元器件的参数，生成多种格式要求的电连接网表。在改程序中可直接运行Pspice及其他配套功能模块。（3）激励信号编辑模块。其主要功能是以人机交互方式生成电路模拟中需要的各激励信号源，包括瞬态分析中需要的脉冲，分段线性，调幅正弦，调频，指数等5种信号波，形和逻辑模拟中需要的时钟，脉冲，总线等各种信号。（4）模拟参数编辑模块。其主要功能是编辑来自厂家的器件的数据信息，生成Pspice模拟时所需要的模拟参数。因为尽管PspiceA/D的模拟库中提供了1万多种元器件和单元集成电路的模拟参数，但在实际应用中仍有用户需采用未包括在模拟参数库中的元器件，这是Model Editor软件就显得至关重要。（5）波形显示和分析模块。其主要功能是将PSpice的分析结果用图形显示出来。（6）电路设计优化模块。其主要功能是自动调整元器件的参数设计值，使电路的特性得以改善，实现电路的优化设计。1.3 PSpice的基本操作1.3.1 使用Capture模块编辑电路图（1）新建仿真设计项目（2）放置元器件：用鼠标单击原理图绘制窗口，选择Place/Part，或点击窗口右侧对应的绘图工具快捷键，出现Place Part对话框。在Part窗口键入元器件名称，点击Part Search，查找相应的元件。（3）连线与设置节点：电路图连线。Place/Wire(shift+w)，单击右键，单击End Wire结束连线。设置节点名。Place/Net Alias，在Alias中输入节点名，单击OK，将出现的小方框移到节点名的位置，单击左键即可，单击右键，选中End Mode，结束节点名设置。（4）编辑元件属性：双击元器件，在Property Editor对话框中设置参数。或者双击参数，在Value栏下设置参数。单击OK即可。1.3.2 电路仿真电路仿真包括静态工作点分析（将电路中的电容开路，电感短路，针对电流的直流电平值，计算电路的直流偏置电压）、瞬态分析（求电路的时域响应）、傅里叶分析（在瞬态分析完成后，计算输出波形的直流、基波和各次谐波分量）、直流分析（当电路中某一参数在一定范围内变化时求电路的直流偏置特性）、直流传输特性分析(计算电路的直流小信号增益，输入电阻和输出电阻)、交流分析（、参数扫描分析和温度分析等。现在就以直流分析为例讲述电路仿真的步骤：（1）用Capture软件画好电路图。（2）创建仿真简要表，设置分析功能：单击Pspice/New Simulation Profile命令创建一个仿真分析简要表，设置分析类型和参数。（3）运行Pspice：选择菜单命令Pspice/ Simulation Selected Profile(s)。（4）在Probe窗口中，执行Trace/Add Traces，选择要显示的变量名。单击OK即可看到电路电压传输特性曲线。2 RLC串联电路的谐振分析2.1 创建电路图 图2.1 RLC串联谐振电路图2.2 理论分析2.2.1 基本原理图2.2所示为RLC串联电路，在可变频的正弦电压源Us激励下，由于感抗、容抗随频率变动，所以电路中的电压、电流响应亦随频率变动。图2.2 RLC串联谐振示意图电路的输入阻抗Z（jw）可表示为：频率特性表示为： 在输入电压Ui为定值时，电路中的电流的的表达式为： 可以看出，由于串联电路中同时存在着电感L和电容C，两者的频率特性不仅相反，（感抗与w成正比，而容抗与w成反比），而且直接相减（电抗角差180）。可以肯定，一定存在一个角频率w0，是感抗和容抗相互完全抵消，即X（jw0）=0。当w=w0时，X（jw0）=0,电路的工作状况将出现一些重要的特征，现分述如下：（1），就是I（jw0）与Us(jw0)同相，工程上将电路的这一特殊状态定义为谐振，由于是在RLC串联电路中发生的谐振，又常称为串联谐振。有上述分析可知，谐振发生的条件为： 由上式可知电路发生谐振的角频率w0和频率f0为： 可以看书，RLC串联电路的谐振频率只有一个，而且仅与电路中的L、C有关，与电阻R无关。W0（或f0）称为电路的固有频率。因此只有当输入信号Us的频率与电路的固有频率f0相同时，才能在电路中激起谐振。取电阻R上的电压U0作为响应，当输入电压Ui的幅值维持不变时，在不同频率的信号激励下，测出U0之值，然后以f为横坐标，以U0/Ui为纵坐标，会出光滑的曲线，此即为幅频特性曲线，如图：在处，即幅频特性曲线尖峰所在的频率点产生谐振，此时，XL=Xc,电路呈纯阻性，电路阻抗的的模为最小。在输入电压Ui为定值时，电路中的电流达到最到最大值，且与输入电压Ui同相位。从理论上讲，此时Ui=UR=U0,UL=UC=QUi,式中的Q称为电路得品质因数。2.2.2 理论计算结果根据原理和公式，串联谐振电路的阻抗随频率变化为，阻抗模为，因此可得在w时,X（jw）0,(jw)0,工作在容性区，Rw0时,X（jw）0,(jw)0,工作在感性区，R|Z(jw)|，且。因此可以看出|Z（jw）|是随着频率的变化先从无穷大减小，再又增加到无穷大的，最小值所对应的w是谐振频率，如图2.3所示。图2.3 阻抗的幅频响应而阻抗角的表达式为，的值先从无穷大减小到0，又从0增加到无穷大。因此阻抗角(jw)先从减小到0，再从0增加到。如图2.4所示。图2.4 阻抗的相频响应 由于电压值保持恒定，故电流的幅频响应曲线应和电阻的相反，为先从0增加到某一最大值（U/R），再从这一最大值减小至0而相同的，对于电阻R上的电压，由于电阻不变，由U=IR知，电阻上的电压的幅频曲线与电流曲线相一致。电流的幅频曲线如图2.5所示。 图2.5 电流谐振曲线根据原理，我们知道，其中，理论曲线如图2.6所示。UC和UL曲线的交点所对应的值就是。对于Q值，由公式Q=wL/R可以得出，Q随电阻增大而减小。 我们可计算出，图2.6 UL、UC的幅频特性曲线 R=200时，R=400时，R=800时，2.3 模拟过程及参数设置 在PSpice的Schematics程序中画好电路图后，按照图设置好参数，分别将电阻的阻值设置为200、400、800欧姆，分别进行仿真，观察模拟结果波形。设置好参数后，单击Analysis中的Setup进行仿真设置。图2.7仿真参数设置 2.4 模拟结果和比较分析（a） 电阻为200欧姆（b） 电阻为400欧姆 （c） 电阻为800欧姆图 2.8电阻上电压的幅频曲线（a） 电阻值为200欧姆（b） 电阻值为400欧姆（c） 电阻值为800欧姆图2.9 电路中电流的幅频曲线（a） 电阻值为200欧姆（b）电阻值为400欧姆（c） 电阻值为800欧姆图2.10电感上电压和电容上电压的幅频曲线（a） 电阻值为200欧姆（b） 电阻值为400欧姆（c） 电阻值为800欧姆图2.11 阻抗的幅频响应曲线（a） 电阻值为200欧姆（b） 电阻值为400欧姆（c） 电阻值为800欧姆图2.12 阻抗的相频响应曲线（这个电路图有三个模拟，要改变电阻的值来观察在不同的电阻情况下的电流、各电压以及谐振点、Q值的变化，模拟的结果可以从Probe窗口中的波形图看出来。如图2.7-2.12所示。电感上和电抗上的电压，趋势是电容上电压先从某一值增加达到最大值再相交，电感先相交后达到最大值再减小。同时，我们可以从图观察到，随着电阻值的增大，电抗曲线和电感曲线的交点所对应的电压值减小，即UC(jw0)=UL(jw0)减小。这是由于：当R=200时，,当R=400时，,当R=800时, ，当w=w0时，,当R增大时，UC(jw0)=UL(jw0)减小。对于阻抗值和阻抗角变化趋势是一样的，只是阻抗值的最小值会随着电阻值的增加而增加。在图中由于电阻值比较小，所以看不出来。阻抗角的变化更为平缓一些。在这三种情况中，谐振频率一直没变，因为由公式：可以看出，谐振频率只取决于电感和电容的大小，与电阻的大小无关。因此只要电感和电容没变，谐振频率就不会变。而对于Q值，有公式： 由电感上电压和电容上电压的幅频曲线图可以得出UC(jw0)=UL(jw0)减小，所以Q值也随着电阻值的增大而减小。3单管放大电路的分析3.1 原理电路图本电路设计采用了三极管的射级偏置放大电路的连接方式。具体电路如下图：图3.1射级偏置放大电路注：该图是在OrCAD Capture环境中构造的电路原图。3.2 电路理论分析3.2.1 静态工作点分析如图所示，本设计电路是为了实现三极管的单管放大功能，则应该保证其中的三极管能够正常放大。如下图所示，该图为其直流通路，工作电压选取三极管Q2N2222的额定工作电压12V。然后，为了减小信号源的输出波动以及一些不可预知因素，在本设计中作者加入了由和组成的基级分压式射级偏置电路来稳定该三极管的静态工作点，避免三极管受到输入信号波动和温度变化的影响（具体见后的交流扫描的温度分析），而使得三极管工作在非线性区，从而产生意外的非线性失真。 图3.2 直流通路电路图由图可知，由于电阻对静态工作点的自动调节（负反馈）作用，该电路的Q点基本稳定。本电路设计中的=3k , =1k 。则是为了控制电流在三极管线性工作区域内，而不至于太大产生饱和失真。其中估算静态工作点理论分析如下式 3.2.2 动态分析图3.3 交流等效电路如图所示，共射级放大电路的小信号等效电路。根据电压增益、输入电阻的定义，由图3.3可分别得到、的估算表达式： 电压增益 输入电阻 输出电阻 3.3 电路仿真3.3.1 静态分析静态工作点分析设置如下：图3.4 静态工作点分析参数设置静态工作点仿真分析如图：图3.5 静态工作点（电压标记）图3.6 静态工作点（电流标记）图3.7 静态工作点（功率标记）由于静态点理论分析时较小故近似认为流过的电流等于流过的电流，因此仿真数据与理论分析之间存在误差。3.3.2时域分析（瞬态分析）在设置中，可以设置波形图中有3个周期，即3ms。信号源采用的是1kHz，则设置如下图3.8 瞬态分析设置波形图如下（电压、电流截取了前三个周期）：图3.9 电压输入波形图3.10电压输出波形图3.11 电流输入波形图3.12 电流输出波形共射级放大电路是同时对电流电压放大，由上两图可知其电路放大倍数为: Av=400mv/5mv=80 动态理论分析时，由于静态工部位作点分析时存在近似，本身动态分析也存在误差，故仿真放大倍数与理论分析放大倍数存在误差。3.3.3交流分析交流扫描分析电路图如图所示图3.13 交流扫描电路图交流扫描分析的设置如下：图3.14 通频带分析设置幅频与相频曲线输出波形图：图3.15 幅频曲线由上图可知：Avm=38dB;Av=38-3=35dB。由理论可知通频带为减去下限频率，由幅频响应图像可大致看出上限频率和下限频率即：19.055M-136.45819.055M图3.16 相频曲线可以看出，通频带中的相位变化不大。故在通频带中，相位稳定。4 课程设计的心得体会通过为期一个星期的认真学习和实际操作，我终于完成了本次电路CAA课程设计。在本次电路课程设计的过程中，我学到了很多，充分理解了电路的基本原理。在实际仿真过程中，也遇到了很多困难，但都在自己的自我学习和同学的帮助下得到很好的解决，通过对电路的仿真我更清晰的看到了随着某种因素的改变，电路参考量的变化，使理论知识更加直观生动的展现了出来，加深了我的理解。本次课程设计中，我首先学习怎样使用PSpice软件。我通过从图书馆借来的书籍和网上找到的资料 ，充分了解了PSpice的结构组成以及主要功能，并重点学习了其中仿真参数设置中各个参数的含义以及使用Capture模块编辑电路图的具体步骤和一些细节问题。然后通过电脑运行PSpice软件进行一些简单的仿真，通过实际的操作PSpice软件，我真切的体会到理论与实际的差距，虽然之前做了充分的准备，但到实际操作的时候还是遇到很多的问题，通过查找资料和与同学讨论顺利了解决了操作问题。学会了使用PSpice软件进行仿真，我开始完成本次电路课设中我的任务。首先根据电路的理论知识设计好电路图，然后进行理论分析，使自己的电路图具有可行性，并将几个重要的电路参数值记录下。然后进行仿真，得到所需要的仿真图像。最后对自己得到的仿真数据进行分析，对理论知识进行验证，并分析误差产生原因。课设的最后一部分就是写实验报告了，有很多人都认为既然是课程设计最重要的就是操作了，实际上实验报告也是非常重要的，通过实验报告我们可以对本次课设进行总结，对自己的出现问题进行详细的分析和解决方法，以免自己在以后再犯类似的错误。这才是最重要的，这样自己才能进步，才能有所收获。电路课程设计实验报告的严格要求让我们以后在写论文或者报告时候更加的规范，对我们以后有很大的益处。总体上来说，由于是第一次做课程设计，在完成课设的过程中可谓困难重重，许多东西之前从没有碰过，但通过本次课设自己也收获颇丰。虽然该说PSpice软件已经很老的软件了，但学会使用它我们可以方便的对自己学到的理论知识进行仿真，在我们目前的学习中用处很大，并且类似的软件使用都是相通的，学会使用PSpice软件，其他就很容易学会了。而且通过本次课设让我更深的了解了电路这门课，使我对电信这个专业更有兴趣，从中我找到了乐趣，获得了成就感。5 参考文献1 邱关源，罗先觉.电路.北京：高等教育出版社，20062 吴友宇，伍时和，凌玲.模拟电子技术基础.北京：清华大学出版社，20093 赵世强.电子电路EAD技术.西安：西安电子科技大学出版社，20004 李永平，董欣主，宋小涛.Pspice电路原理与实现.北京：国防工业出版社，20045 康华光，陈大钦，张林.电子技术基础模拟部分.北京：高等教育出版社，20066 刘爱. Pspice电路设计与实现.北京：国防工业出版社,2005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