大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)電路CAA課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、0 / 32 文檔可自由編輯打印目錄1 1 概述概述 .1 11.1 PSPICE簡介.11.2 PSPICE的仿真軟件結(jié)構(gòu).11.3 PSPICE 的仿真功能 .21.4 PSPICE的基本操作.42 2 一階電路的暫態(tài)分析一階電路的暫態(tài)分析 .5 52.1 一階電路的暫態(tài)分析原理 .52.2 一階電路設(shè)計(jì)原理圖 .72.3 一階 RC 零狀態(tài)響應(yīng)波形圖及其分析.92.4 一階 RL 零狀態(tài)響應(yīng)波形圖及其分析 .112.5 一階電路仿真曲線圖的分析 .133 3RLCRLC 串聯(lián)電路的諧振分析串聯(lián)電路的諧振分析 .14143.1 RLC 串聯(lián)電路的諧振分析原理.143.2 RLC 串聯(lián)電路的

2、諧振設(shè)計(jì)原理圖.183.3 RLC 串聯(lián)電路的諧振波形圖及其分析.194 4 課設(shè)心得體會(huì)課設(shè)心得體會(huì) .27275 5 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .2828文檔可自由編輯打印1 概述1.1 PSpice 簡介PSpice 是一個(gè)電路通用分析程序，它主要是實(shí)現(xiàn)對電路進(jìn)行模擬和仿真。在電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化發(fā)展的過程中，PSpice 起到了重要的作用。該程序通過對電路進(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編輯電路圖以及設(shè)置和分析各種過程參數(shù)。OrCAD/PSpice9 程序有龐

3、大的元件庫，可以模擬 6 類常用的電路元器件：基本無源元件，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

4、中的數(shù)字采用科學(xué)表示方式，即可以使用整數(shù)，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 來表示。1.2 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。各模塊的功能簡述如下：1.2.1 電路模擬分析的核心模塊 PspiceA/D2 / 32 文檔可自由編輯打印它實(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

5、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。1.2.2 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。1.2.3 激勵(lì)信號(hào)編輯模

6、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)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)。1.2.4 模擬參數(shù)編輯模塊其主要功能是編輯來自廠家的器件的數(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 的模擬庫中提供了 1 萬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)庫中的元器件，這是Model Editor 軟件就顯得至關(guān)重要。1.2.5 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。1.2.6 電路設(shè)

7、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)。3 / 32 文檔可自由編輯打印1.3 PSpice 的仿真功能SPICE 程序的主要功能有非線性直流分析、非線性瞬時(shí)分析、線性小信號(hào)交流分析、靈敏度分析和統(tǒng)計(jì)分析1.3.1 直流分析非線性直流分析功能簡稱直流分析。它是計(jì)算直流電壓源或直流電流源作用于電路時(shí)電路的工作狀態(tài)。對電路進(jìn)行的直流分析主要包括直流工作點(diǎn)分析、直流掃描分析和轉(zhuǎn)移函數(shù)分析。直流工作點(diǎn)是電路正常工作的基礎(chǔ)。通過對電路進(jìn)行直流工作點(diǎn)的分析，可以知道電路中各組件的電壓和電流，從而知道電路是否正常工作以及工作的狀態(tài)。一般在對電路進(jìn)行仿真的過

8、程中，首先要對電路的靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)行分析和計(jì)算。直流掃描分析主要是將電路中的直流電源、工作溫度、組件參數(shù)作為掃描變量 ，讓這些參量以特定的規(guī)律進(jìn)行掃描，從而獲取這些參量變化對電路各種性能參數(shù)的影響。直流掃描分析主要是為了獲得直流大信號(hào)瞬時(shí)特性。1.3.2 瞬時(shí)分析非線性瞬時(shí)分析簡稱為瞬時(shí)分析。瞬時(shí)分析計(jì)。算電路中電壓和電流隨時(shí)間的變化，即電路的時(shí)域分析。這種分析在輸入信號(hào)為時(shí)變信號(hào)時(shí)顯得尤為重要。時(shí)域分析是指在某一函數(shù)激勵(lì)下電路的時(shí)域響應(yīng)特性。通過時(shí)域分析，設(shè)計(jì)者可以清楚地了解到電路中各點(diǎn)的電壓和電流波形以及它們的相位關(guān)系，從而知道電路在交流信號(hào)作用下的工作狀況，檢查它們是否滿足電路設(shè)計(jì)的要求。

9、1.3.3 交流分析線性小信號(hào)交流分析簡稱為交流分析。它是 SPICE 程序的主要分析功能。它是在交流小信號(hào)的條件下，對電路的非線性組件選擇合適的線性模型將電路在直流工作點(diǎn)附近線性化，然后在用戶指定的范圍內(nèi)對電路輸入一個(gè)掃頻信號(hào)，從而計(jì)算出電路的幅頻特性、相頻特性、輸入電阻、輸出電阻等。這種分析等效于電路的正弦穩(wěn)態(tài)分析即頻域分析。頻域分析用于分析電路的頻域響應(yīng)即頻率響應(yīng)特性。這種分析主要用于分析電路的幅頻特性和相頻特性。1.3.4 靈敏度分析直流靈敏度分析業(yè)稱為靈敏度分析。它是在工作點(diǎn)附近將所有的組件線性化后，4 / 32 文檔可自由編輯打印計(jì)算各元器件參數(shù)值變化時(shí)對電路性能影響的敏感程度。通

10、過對電路進(jìn)行靈敏度分析，可以預(yù)先知道電路中的各個(gè)組件對電路的性能影響的重要程度。對于那些對電路性能有重要影響的組件，要在電路的生產(chǎn)或組件的選擇時(shí)給予特別的關(guān)注。1.3.5 統(tǒng)計(jì)分析統(tǒng)計(jì)分析主要包括蒙特卡羅分析和最壞情況分析。蒙特卡羅分析是在考慮到器件參數(shù)存在容差的情況下，分析電路在直流分析、交流分析或瞬時(shí)分析時(shí)電路特性隨器件容差變化的情況。另一種統(tǒng)計(jì)分析是最壞情況分析，它不僅對各器件參數(shù)的變化逐一進(jìn)行分析，得到單一器件對電路性能的靈敏度分析，同時(shí)分析各器件容差對電路性能的最大影響量(最壞情況分析)，從而達(dá)到優(yōu)化電路的目的。1.4 PSpice 的基本操作1.4.1 使用 Capture 模塊編

11、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)對應(yīng)的繪圖工具快捷鍵，出現(xiàn) Place Part 對話框。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

12、Editor 對話框中設(shè)置參數(shù)?；蛘唠p擊參數(shù)，在 Value 欄下設(shè)置參數(shù)。單擊 OK 即可。1.4.1.4.2 電路仿真現(xiàn)在就以直流分析為例講述電路仿真的步驟：（1）用 Capture 軟件畫好電路圖。（2）設(shè)置分析類型和參數(shù)：單擊 Pspice/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5 / 32 文檔可自由編輯打印Name 欄中填入 Vs，意

13、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，步長為 0.03V。設(shè)置完單擊 OK。（3）運(yùn)行 Pspice。（4）在 Probe 窗口中，執(zhí)行 Trace/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。2 一階電路的暫態(tài)分析2.1 一階電路的暫態(tài)分析原理2.1.1 一階 RC 電路零狀態(tài)響應(yīng)分析一階電路根據(jù)電源的情況分為：一階電路的零輸入響應(yīng)，零狀態(tài)響應(yīng)，全響應(yīng)，階躍

14、響應(yīng)和沖激響應(yīng)。電路中用了一階電路中的零狀態(tài)響應(yīng)：就是動(dòng)態(tài)元件的初始儲(chǔ)能為零，而有外施激勵(lì)引起的響應(yīng)。一階 RC 電路的電路圖如圖 2-1 所示，它是一個(gè)電阻與一個(gè)電容的串聯(lián)電路。V1R1C1電路分析，應(yīng)用 KVL 和電容的 VCR 得： 解得：)(tuuRiSct dduCic，若以電流為變量： )(tuut dduRCScc)(1tuidtCRiSdttduCit ddiRS)(圖 2-1 一階 RC 電路6 / 32 文檔可自由編輯打印零狀態(tài)響應(yīng)：動(dòng)態(tài)元件初始能量為零，由 t 0 電路中外加輸入激勵(lì)作用所產(chǎn)生的響應(yīng)。RL 電路的零狀態(tài)響應(yīng)，方程：，非齊次線性常微分方程：SCCUutuRC

15、dd，是齊次方程通解，是非齊次方程特解。特解（強(qiáng)制分量，穩(wěn)態(tài)分cccuuucucu量）的特解是，與輸入激勵(lì)的變化規(guī)律有關(guān)，為電路的穩(wěn)SCCUutuRCddSCUu 態(tài)解。通解（自由分量，暫態(tài)分量）的通解是，變化規(guī)0ddCCutuRCRCtCAeu律由電路參數(shù)和結(jié)構(gòu)決定。全解：由初始條件RCtSCCCAeUuutu )(定積分常數(shù)，得出，0)0(UcA0)0(UsAUcUsA，從以上式子可以得出)0( )1 ( teUeUUuRCtSRCtSScRCtSeRUtuCiddC電壓、電流是隨時(shí)間按同一指數(shù)規(guī)律變化的函數(shù)；電容電壓由兩部分構(gòu)成：（2）響應(yīng)變化的快慢，由時(shí)間常數(shù)決定；大充電慢，小充電就快

16、。RC（3）響應(yīng)與外加激勵(lì)成線性關(guān)系；（4）能量關(guān)系 電容儲(chǔ)存：221SCU圖 2-2 穩(wěn)態(tài)分量（強(qiáng)制分量）圖 2-3 暫態(tài)分量（自由分量）7 / 32 文檔可自由編輯打印 電源提供能量：20dSSSCUqUtiU 電阻消耗：200221d)(d2SRCSCUtRRUtRite電源提供的能量一半消耗在電阻上，一半轉(zhuǎn)換成電場能量儲(chǔ)存在電容中。2.1.2 一階 RL 電路零狀態(tài)響應(yīng)分析R1V1L112電路分析，應(yīng)用 KVL 和電感的 VCR 得：,，若以電感)(tuuRiSLt ddiLuL電壓為變量：。)(tuudtuLRSLLRL 電路的零狀態(tài)響應(yīng)：初始條件已知，電路方程為：0)0(Li，電感

17、電流的通解為：，特解SLLUiRtdidLtLRSLLLAeRUiii ，。RUiSLA0)0()1 (tLRSLeRUitLRSLLeUtiLudd從而得到一階 RL 電路在零狀態(tài)下的響應(yīng)，可以看出電感電流成指數(shù)形式衰減最終趨近于 Is,到達(dá)該值年后，電流和電壓不再變化，電感相當(dāng)于短路，電壓為零。圖 2-4 一階 RL 電路圖 2-5 變化量圖Lu8 / 32 文檔可自由編輯打印2.2 一階電路設(shè)計(jì)原理圖2.2.1 一階 RC 電路原理圖設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的一階 RC 電路如圖 2-5 所示，主要電路參數(shù)為 V1=0,V2=5,PW=0.1m，PER=0.2m。OutV1TD = 0TF = 0PW

18、= 0.1msPER = 0.2msV1 = 0vTR = 0V2 = 5v0C11n12InputR11k2.2.2 一階 RL 電路原理圖設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的一階 RL 電路如圖 2-6 所示，主要電路為 I1=0,I2=5,PW=0.1m，PER=0.2m。圖 2-7 一階 RC 電路原理圖設(shè)計(jì)圖 2-6 變化量圖Lu9 / 32 文檔可自由編輯打印R21k21L120uH12R11k21InputV1TD = 0TF = 0PW = 0.1msPER = 0.2msV1 = 0vTR = 0V2 = 5v02.2.3 原件參數(shù)設(shè)置元件名稱參數(shù)R11KR21KC11nfL120uHV1V1=0,V

19、2=5,PW=0.1ms，PER=0.2ms2.3 一階 RC 零狀態(tài)響應(yīng)波形圖及其分析1.對輸入電壓仿真曲線圖圖 2-8 一階 RL 電路原理圖設(shè)計(jì)表 2-1 元件具體參數(shù)表10 / 32 文檔可自由編輯打印 Ti m e0s20us40us60us80us100us120us140us160us180us200usV(I N PU T)0V1. 0V2. 0V3. 0V4. 0V5. 0V2.對仿真曲線圖)(tuC(1)、在半個(gè)周期內(nèi)的變化曲線 Ti m e0s20us40us60us80us100us120us140us160us180us200usV(O U T)0V1. 0V2. 0

20、V3. 0V4. 0V5. 0V6. 0V（2） 、在時(shí)間內(nèi)的變化曲線4 Ti m e0s0. 4us0. 8us1. 2us1. 6us2. 0us2. 4us2. 8us3. 2us3. 6us4. 0usV(C 1: 2) - V(C 1: 1)0V1. 0V2. 0V3. 0V4. 0V5. 0V圖 3-1 輸入電壓仿真曲線 Ti m e0s20us40us60us80us100us120us140us160us180us200usV(O U T)V(I N PU T)0V1. 0V2. 0V3. 0V4. 0V5. 0V6. 0V參數(shù)表圖 3-2 的仿真曲線)(tuC圖 3-3 時(shí)間

21、內(nèi)的仿真曲線4)(tuC11 / 32 文檔可自由編輯打印由圖 3-3-可知，電容兩端電壓逐漸增大，最后穩(wěn)定在 5V 左右，等于電源電壓，Vc=Vs=5V，因?yàn)橐婚_始電容中無電荷，所以無電壓，電壓為 0，最后電容經(jīng)過充電飽和，最后相當(dāng)于斷路。所以 Vc=5V。3對仿真曲線圖)(tiC Ti m e0s20us40us60us80us100us120us140us160us180us200usI (C 1)-3. 0m A-2. 0m A-1. 0m A0A1. 0m A2. 0m A3. 0m A4對電路中電源、電容和電阻的電壓仿真曲線圖 Ti m e0s20us40us60us80us100

22、us120us140us160us180us200usV(C 1: 2) - V(C 1: 1)V(R 1: 1) - V(R 1: 2)V1(V1)-4. 0V-2. 0V0V2. 0V4. 0V6. 0V5對電路中 V(Input)和 V（Out）仿真曲線圖圖 3-5 對電路中各元件電壓的仿真曲線圖 3-4 的仿真曲線)(tiC12 / 32 文檔可自由編輯打印 Ti m e0s20us40us60us80us100us120us140us160us180us200usV(O U T)V(I N PU T)0V1. 0V2. 0V3. 0V4. 0V5. 0V6. 0V6對電路中電容和電阻

23、的電壓仿真曲線圖 Ti m e0s20us40us60us80us100us120us140us160us180us200usV(C 1: 2) - V(C 1: 1)V(R 1: 1) - V(R 1: 2)-4. 0V-2. 0V0V2. 0V4. 0V6. 0V2.4 一階 RL 零狀態(tài)響應(yīng)波形圖及其分析1對電感電流的仿真曲線圖 Ti m e0s10ns20ns30ns40ns50ns60ns70ns80ns90ns100ns110ns120ns130ns140ns150nsI (L1)0A1. 0m A2. 0m A3. 0m A4. 0m A5. 0m A圖 3-6 對 V(Inpu

24、t)和 V（Out）電壓的仿真曲線圖 3-7 對電路中各元件電壓的仿真曲線圖 3-8 對電感電流的仿真曲線13 / 32 文檔可自由編輯打印在方波激勵(lì)下在方波激勵(lì)下，電路剛接通瞬間，電路中有電流通過，電感阻礙電流的通過，接通開關(guān)前電感中無電流，由換路定則可知 ,所以曲線0)0()0(II經(jīng)過零點(diǎn)，然后逐漸增大，到一定的范圍后，最后達(dá)到穩(wěn)定值，近似為 I=5mA，此時(shí)電路動(dòng)態(tài)過程結(jié)束，電路達(dá)到了新的穩(wěn)態(tài)，由于電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)引起的電路變化統(tǒng)稱為換路，在解決問題時(shí)可具體應(yīng)用稱為換路定則，此時(shí)電感相當(dāng)于短路，原電路相當(dāng)于兩個(gè)電阻并聯(lián)，在方波電源的作用下得到了圖 3-8 的曲線。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，大約經(jīng)歷了

25、 150ns 的時(shí)間，對于的時(shí)間常數(shù) nsCL201000/ )10*20(/6(為時(shí)間常數(shù))。通過此式，可以求得電路的時(shí)間常數(shù)，進(jìn)而證明了電路一般在 3到 5的時(shí)間內(nèi)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。2.對 R1 電流的仿真曲線圖 Ti m e0s10ns20ns30ns40ns50ns60ns70ns80ns90ns100ns110ns120ns130ns140ns150nsI (R 1)0A0. 5m A1. 0m A1. 5m A2. 0m A2. 5m A對流過電阻 R1 電流進(jìn)行仿真，可得到曲線圖 3-9，由于電感開始阻礙電流的流通，電阻和電感并聯(lián)，兩端電壓先增加后減小，所以電阻的電流的先增大，然后達(dá)

26、到最大值，最后減小到 0。3 對 R2 電流的仿真曲線圖圖 3-9 對 R1 電流的仿真曲線圖 2-10 對電路中各元件電壓的仿真曲線14 / 32 文檔可自由編輯打印 Ti m e0s10ns20ns30ns40ns50ns60ns70ns80ns90ns100ns110ns120ns130ns140ns150nsI (R 2)0A1. 0m A2. 0m A3. 0m A4. 0m A5. 0m A4對電路中 R2,R1,L1 的電流仿真曲線圖 Ti m e0s10ns20ns30ns40ns50ns60ns70ns80ns90ns100ns110ns120ns130ns140ns150n

27、sI (L1)I (R 1)I (R 2)0A1. 0m A2. 0m A3. 0m A4. 0m A5. 0m A5對電感電壓的仿真曲線圖 Ti m e0s10ns20ns30ns40ns50ns60ns70ns80ns90ns100ns110ns120ns130ns140ns150nsV(L1: 1) - V(L1: 2)0V0. 5V1. 0V1. 5V2. 0V2. 5V圖 3-10 對 R2 電流的仿真曲線圖 3-11 對 R1、R2 和 L1 的電流仿真曲線圖 3-12 對電感電壓的仿真曲線15 / 32 文檔可自由編輯打印2.5 一階電路仿真曲線圖的分析2.5.1 對一階 RC

28、電路仿真曲線圖的分析設(shè)置仿真參數(shù):電壓源 V2=5mA,PW=0.1ms，PER=0.2ms,其他設(shè)為 0，Analysis Type 設(shè)為 Time Domain(Transient),Time Domain(Transient)中選擇 Run to 150n seconds,其他參數(shù)默認(rèn)。設(shè)置好后，執(zhí)行 Pspice 下 Run，出現(xiàn) Probe 窗口。執(zhí)行Trace 下 Add Trace 命令即可分別看到零狀態(tài)下的,的響應(yīng)曲線。)(1ti)(2ti輸入方波電壓源，R=1k 歐，C=1nf,Ui =5v,由理論分析得，時(shí)間常數(shù),，Us 以指數(shù)形式趨近于它的終極恒定值 Us,到達(dá)該值后，電

29、壓和電流不usRC1再變化，電容相當(dāng)于開路，電流為零。時(shí)間常數(shù)表示指數(shù)衰減的速度。2.5.2 對一階 RL 電路仿真曲線圖的分析設(shè)置仿真參數(shù):電壓源 V2=5V,PW=0.1ms,PER=0.2ms,其他設(shè)為 0，Analysis Type設(shè)為 Time Domain(Transient), Time Domain(Transient)中選擇 Run to 150n seconds,其他參數(shù)默認(rèn)。設(shè)置好后，執(zhí)行 Pspice 下 Run，出現(xiàn) Probe 窗口。執(zhí)行Trace 下 Add Trace 命令即可分別看到零狀態(tài)下的,的響應(yīng)曲線。) 1(LI)2(LI從圖可見，圖示電路在換路前電感元

30、件上的原始能量為零，t=0 時(shí)開關(guān) S 閉 合 。RL 電路的零狀態(tài)響應(yīng)也是按指數(shù)規(guī)律變化。其中元件兩端的電壓按指數(shù)規(guī)lU律衰減(即只存在過渡過程中)；電感電流按指數(shù)規(guī)律上升；電阻電壓 UR=iR 按指Li數(shù)規(guī)律增長零狀態(tài)響應(yīng)變化的快慢也取決于時(shí)間常數(shù)。當(dāng)時(shí)間常數(shù)越大，充RL電過程就越長。3 RLC 串聯(lián)電路的諧振分析3.1 RLC 串聯(lián)電路的諧振分析原理3.1.1 RCL 串聯(lián)電路理論分析圖 4.2 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)。16 / 32 文檔可自由編輯打印電路的輸入阻抗 Z（jw）可表示

31、為：wCwLjRjwZ1)(頻率特性表示為： RwCwLjw1arctan)( )(cos| )(|jwRjwZ在輸入電壓 Ui 為定值時(shí)，電路中的電流的的表達(dá)式為： wCwLjRjwUjwI1)()(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） ?？梢钥隙?，一定存在一個(gè)角頻率，是感抗和容抗相互完全抵消，即。0w0)(0jwX當(dāng)時(shí)，,電路的工作狀況將出現(xiàn)一些重要的特征，現(xiàn)分述如下：0ww 0)(0jwX（1），就是與同相，工程上將電路的這一特殊狀態(tài)定0)(0jw)(0jwI)(

32、0jwUS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：01)()(Im0000CwLwjwXjwZ 由上式可知電路發(fā)生諧振的角頻率和頻率為：0w0f圖 3-1 RLC 串聯(lián)諧振示意圖+C11n+UoR11k-L110uH12-17 / 32 文檔可自由編輯打印 LCw10LCf210 可以看書，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 無關(guān)。（或）稱為電路的固有頻率。因此只有當(dāng)輸入信號(hào) Us 的頻率0w0f與電路的固有頻率 f0 相同時(shí)，才能在電路中激起諧振。取電阻 R 上的電壓 Uo 作為響應(yīng)，當(dāng)

33、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，測出 Uo 之值，然后以 f 為橫坐標(biāo)，以 Uo/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0f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=Uo,UL=UC=QUi,式中的Q 稱為電路得品質(zhì)因數(shù)。3.1.2 RCL 串聯(lián)諧振電路理論計(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，)1()(wCwLjRjwZ阻抗模為，因此可得在時(shí), ,工221|

34、 )(|wCwLRjwZ0ww 0)(jwX0)(jw作在容性區(qū)，,且；在時(shí), ,| )(|jwZR | )(|limjwZw0ww0)(jwX0)(jw工作呈電阻性，；在時(shí), ,工作在感性區(qū)，)( jwZR 0ww 0)(jwX0)(jw，且。因此可以看出是隨著頻率的變化先從無窮| )(|jwZR | )(|limjwZw| )(|jwZ大減小，再又增加到無窮大的，最小值所對應(yīng)的是諧振頻率，如圖 3-2 所示。w0w圖 3-2 阻抗的幅頻響應(yīng)18 / 32 文檔可自由編輯打印而阻抗角的表達(dá)式為，的值先從無窮大減小到RwCwLjw1arctan)(RwCwL10，又從 0 增加到無窮大。因此阻

35、抗角先從減小到 0，再從 0 增加到。)( jw22如圖 3-3 所示。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（U/R） ，再從這一最大值減小至 0.而相同的，對于電阻 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 3-4 所示。 圖 3-3 阻抗的相頻響應(yīng)圖 3-4 電流諧振曲線19 / 32 文檔可自由編輯打印 根據(jù)原理，我們知道，2222221111QQUwCwLRwLUwLIUL其中，理論曲線如圖22222211QQUwCwLRwCUwCIUC0ww3-5 所示。UC和 UL曲線的

36、交點(diǎn)所對應(yīng)的值就是。0ww對于 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，KHzHzLCf9 . 2101 . 003. 014. 3212160 R=200 時(shí)，74. 2101 . 010302001163CLRRwLQ R=400 時(shí)，37. 1101 . 010304001163CLRRwLQ R=800 時(shí)，685. 0101 . 010308001163CLRRwLQ3.2 RLC 串聯(lián)電路的諧振設(shè)計(jì)原理圖3.2.1RLC 串聯(lián)電路的諧振電路原理圖設(shè)計(jì)圖 3-5 UL、UC 的幅頻特性曲線20 / 32 文檔可自由編輯打印V11.5Vac0VdcL

37、130mH12C10.1u12R11002103.2.2 原件參數(shù)設(shè)置原件名稱參數(shù)R1200、400、800L11KC10.1uFV11.5V3.3 RLC 串聯(lián)電路的諧振波形圖及其分析3.3.1 RLC 串聯(lián)電路的諧振中電阻電壓的幅頻特性表 3-1 元件具體參數(shù)圖 3-6 RLC 串聯(lián)電路的諧振電路原理圖21 / 32 文檔可自由編輯打印 Frequency1. 0KH z3. 0KH z10KH z30KH z100KH zV(R 1: 1) - V(R 1: 2)0V0. 5V1. 0V1. 5V Frequency1. 0KH z3. 0KH z10KH z30KH z100KH zV

38、(R 1: 1) - V(R 1: 2)0V0. 5V1. 0V1. 5V Frequency1. 0KH z3. 0KH z10KH z30KH z100KH zV(R 1: 1) - V(R 1: 2)0V0. 5V1. 0V1. 5V3.3.2 RLC 串聯(lián)電路的諧振中電阻電流的幅頻特性圖 3-7 200電阻電壓的幅頻特性曲線圖 3-8 400電阻電壓的幅頻特性曲線圖 3-9 800電阻電壓的幅頻特性曲線22 / 32 文檔可自由編輯打印 Frequency1. 0KH z3. 0KH z10KH z30KH z100KH zI (R 1)0A2. 0m A4. 0m A6. 0m A8

39、. 0m A Frequency1. 0KH z3. 0KH z10KH z30KH z100KH zI (R 1)0A1. 0m A2. 0m A3. 0m A4. 0m A Frequency1. 0KH z3. 0KH z10KH z30KH z100KH zI (R 1)0A0. 5m A1. 0m A1. 5m A2. 0m A3.3.3 RLC 串聯(lián)電路的諧振中 R、C、L 電壓的幅頻特性圖 3-11 400電阻電流的幅頻特性曲線圖 3-12 800電阻電流的幅頻特性曲線圖 3-10 200電阻電流的幅頻特性曲線23 / 32 文檔可自由編輯打印 Frequency1. 0KH z

40、3. 0KH z10KH z30KH z100KH zV(C 1: 1) - V(C 1: 2)V(L1: 1) - V(L1: 2)V(R 1: 1)- V(R 1: 2)0V1. 0V2. 0V3. 0V4. 0V5. 0V Frequency1. 0KH z3. 0KH z10KH z30KH z100KH zV(C 1: 1)- V(C 1: 2)V(L1: 1)- V(L1: 2)V(R 1: 1)- V(R 1: 2)0V0. 4V0. 8V1. 2V1. 6V2. 0V2. 4V Frequency1. 0KH z3. 0KH z10KH z30KH z100KH zV(C 1:

41、 1)- V(C 1: 2)V(L1: 1)- V(L1: 2)V(R 1: 1)- V(R 1: 2)0V0. 5V1. 0V1. 5V3.3.4 RLC 串聯(lián)電路的阻抗角的諧振曲線圖 3-13 200電阻時(shí)電路電壓幅頻特性曲線圖 3-14 400電阻時(shí)電路電壓幅頻特性曲線圖 3-15 800電阻時(shí)電路電壓幅頻特性曲線24 / 32 文檔可自由編輯打印 Frequency1. 0KH z3. 0KH z5. 0KH z7. 0KH z9. 0KH zP(V(V1: +)/ I (R 1)-80d-40d0d40d80d Frequency1. 0KH z3. 0KH z5. 0KH z7.

42、0KH z9. 0KH zP(V(V1: +)/ I (R 1)-80d-40d0d40d80d Frequency1. 0KH z3. 0KH z5. 0KH z7. 0KH z9. 0KH zP(V(V1: +)/ I (R 1)-100d-50d0d50d100d3.3.5 RLC 串聯(lián)電路的阻抗模的諧振曲線圖 3-16 電阻值為 200阻抗角諧振曲線圖 3-17 電阻值為 400阻抗角諧振曲線圖 3-18 電阻值為 800阻抗角諧振曲線25 / 32 文檔可自由編輯打印 Frequency1. 0KH z3. 0KH z10KH z30KH z100KH z300KH z1. 0M H

43、 z( V(C 1: 1) - V(C 1: 2) / I (C 1)00. 4K0. 8K1. 2K1. 6K Frequency1. 0KH z3. 0KH z10KH z30KH z100KH z300KH z1. 0M H z( V(C 1: 1) - V(C 1: 2) / I (C 1)00. 4K0. 8K1. 2K1. 6K Frequency1. 0KH z3. 0KH z10KH z30KH z100KH z300KH z1. 0M H z( V(C 1: 1) - V(C 1: 2) / I (C 1)00. 4K0. 8K1. 2K1. 6K3.3.6 RLC 串聯(lián)電路

44、的諧振波形分析這個(gè)電路圖有三個(gè)模擬，要改變電阻的值來觀察在不同的電阻情況下的電流、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。圖 3-19 電阻值為 200阻抗模諧振曲線圖 3-20 電阻值為 400阻抗模諧振曲線圖 3-21 電阻值為 800阻抗模諧振曲線26 / 32 文檔可自由編輯打印如上圖所示。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)，趨勢是電抗上電壓先從某一值增加達(dá)到最大值再相交，

45、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程，而電感則少了一個(gè)從最大值減小的過程。這是因?yàn)榍皟煞N情況 Q 值大于 0.707，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)所對應(yīng)的電壓值減小，即 = 減小。這是由于：)(0jwUC)(0jwUL2222221111QQUwCwLRwLUwLIUL當(dāng) R=200 時(shí)，,22221174. 215 . 174. 2LU2222174. 25 . 174. 2CU當(dāng) R=400 時(shí)，,22221137. 115 . 137. 1LU2222137. 15 . 137. 1CU當(dāng) R=800 時(shí), ，222211685. 015 . 1685. 0LU22221685. 05 . 1685. 0CU當(dāng)時(shí)，,當(dāng) R 增大時(shí)， = 減小。0ww wCRURwLUUULC)(0jwUC)(0jwUL對于阻抗值和阻抗角變化趨勢是一樣的，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。阻