1、電路計算機仿真分析實驗報告實驗一 直流電路工作點分析和直流掃描分析1、 實驗?zāi)康?、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)置和分析的運行過程等。2、學(xué)習(xí)使用Pspice進行直流工作點分析和直流掃描分析的操作步驟。二、原理與說明對于電阻電路，可以用直觀法（支路電流法、節(jié)點電壓法、回路電流法）列寫電路方程，求解電路中各個電壓和電流。PSPICE軟件是采用節(jié)點電壓法對電路進行分析的。使用PSPICE軟件進行電路的計算機輔助分析時，首先在capture環(huán)境下編輯電路，用PSPICE的元件符號庫繪制電路圖并

2、進行編輯、存盤。然后調(diào)用分析模塊、選擇分析類型，就可以“自動”進行電路分析了。需要強調(diào)的是，PSPICE軟件是采用節(jié)點電壓法“自動”列寫節(jié)點電壓方程的，因此，在繪制電路圖時，一定要有參考節(jié)點（即接地點）。此外，一個元件為一條“支路”（branch）,要注意支路（也就是元件）的參考方向。對于二端元件的參考方向定義為正端子指向負端子。3、 示例實驗 應(yīng)用PSPICE求解圖1-1所示電路個節(jié)點電壓和各支路電流。圖1-1 直流電路分析電路圖 圖1-2 仿真結(jié)果四、選做實驗1、實驗電路圖（1）直流工作點分析，即求各節(jié)點電壓和各元件電壓和電流。（2）直流掃描分析，即當電壓源Us1的電壓在0-12V之間變化

3、時，求負載電阻RL中電流IRL隨電壓源Us1的變化曲線。圖1-3 選做實驗電路圖2、仿真結(jié)果圖1-4 選做實驗仿真結(jié)果3、直流掃描分析的輸出波形圖1-5 選做實驗直流掃描分析的輸出波形4、數(shù)據(jù)輸出 V_Vs1 I(V_PRINT2) 0.000E+00 1.400E+00 1.000E+00 1.500E+00 2.000E+00 1.600E+00 3.000E+00 1.700E+00 4.000E+00 1.800E+00 5.000E+00 1.900E+00 6.000E+00 2.000E+00 7.000E+00 2.100E+00 8.000E+00 2.200E+00 9.0

4、00E+00 2.300E+00 1.000E+01 2.400E+00 1.100E+01 2.500E+00 1.200E+01 2.600E+00從圖1-3可以得到IRL與USI的函數(shù)關(guān)系為：IRL=1.4+(1.2/12)US1=1.4+0.1US1 (公式1-1)五、思考題與討論：1、根據(jù)圖1-1、1-3及所得仿真結(jié)果驗證基爾霍夫定律。 答：根據(jù)圖1-1、1-3及所得仿真結(jié)果圖1-2、1-4的數(shù)據(jù)顯示可以得出，回路的電壓滿足KVL方程，各個節(jié)點的電流滿足KCL方程，驗證了基兒霍夫定律。2、 怎樣理解式（1-1）表示的電流IRL隨US1變化的函數(shù)關(guān)系？這個式子中的各項分別表示什么物理意

5、義？ 答：式（1-1）IRL=1.4+（1.2/12）US1=1.4+0.1US1表示負載電阻RL中的電流IRL與電壓源US1的電壓成線性關(guān)系。式中1.4表示電壓源US1置零時其他激勵在負載電阻RL上產(chǎn)生的電流響應(yīng)，0.1US1表示僅保留電壓源US1，其他電源置零（電流源開路，電壓源短路）時，負載上產(chǎn)生的電流響應(yīng)。3、 對圖1-3的電路，若想確定節(jié)點電壓UN1隨US1變化的函數(shù)關(guān)系，如何使用Pspice軟件？操作分幾步進行？ 答：1）、在節(jié)點n1處放置節(jié)點電壓探針； 2）、進行直流掃描分析： a、單擊PSpice/Edit Simulation Profile,打開分析類型對話框，選擇“DC

6、Sweep”。在“Sweep Var. Type”選擇“Voltage Source”，在“Sweep Type”選擇“Linear”，在“Name”選擇“Vs1”，在“Start Value”輸入“0”，“End Value”輸入“12”，“ Increment”輸入“0.5”。 b、運行PSPICE的仿真計算程序，進行直流掃描分析，即得節(jié)點電壓UN1隨US1變化的函數(shù)關(guān)系。 4、對上述電路，若想確定負載電阻RL的電流IRL隨負載電阻RL變化（設(shè)RL變化范圍為0.1-100）的波形，又該如何使用Pspice軟件進行仿真分析？ 答：應(yīng)在圖1-3負載電阻RL處放置電流探針，將負載電阻的阻值設(shè)置為

7、全局變量var，添加PARAM，對其相應(yīng)參數(shù)進行設(shè)置。然后單擊Pspice/Edit Simulation Profile，選擇“Global parameter”，將“Parameter”設(shè)為“var”，”Sweep Type”選擇“Linear”，“Start”設(shè)為”0.1”，“End”設(shè)為“100”，”Increment”設(shè)為“1”，然后運行仿真，即可得到負載電流隨負載電阻變化的曲線。實驗二 戴維南定理和諾頓定理的仿真一.實驗?zāi)康?、進一步熟悉Pspice仿真軟件中繪制電路圖，初步掌握符號參數(shù)、分析類型的設(shè)置。學(xué)習(xí)Probe窗口的簡單設(shè)置。2、加深對戴維南定理與諾頓定理的理解。二原理與說

8、明戴維南定理指出，任一線性有源一端口網(wǎng)絡(luò)，對外電路來說，可以用一個電壓源與電阻串聯(lián)的支路來代替，該電壓源的電壓Us等于原網(wǎng)絡(luò)的開路電壓Uoc，電阻Ro等于原網(wǎng)絡(luò)的全部獨立電源置零后的輸入電阻Req。諾頓定理指出，任一線性有源一端口網(wǎng)絡(luò)，對外電路來說，可以用一個電流源與電導(dǎo)并聯(lián)的支路來代替，該電流源的餓電流Is等于原網(wǎng)絡(luò)的短路電流Isc，其電導(dǎo)Go等于原網(wǎng)絡(luò)的全部獨立電源置零后的輸入電導(dǎo)Geq（Geq=1/Req）。3、 示例實驗1、 實驗電路圖 測量有源一端口網(wǎng)絡(luò)（如圖2-1）等效輸入端電阻Req和對外電路的伏安特性。 圖2-1 實驗電路圖2、原電路及等效電路外特性的顯示結(jié)果圖2-2 測得I(

9、RL)最大值即短路電流Isc130mA，V(RL:2)最大值即Uoc為3.5455V。則輸入端電阻Req=3.5455/0.13=27.273 。圖2-3原電路及等效電路外特性的顯示結(jié)果選擇Tools=>Cursor=>Display顯示坐標軸列表，點擊I(RL)、I(RLd)和I(RLn)前面的小方塊，數(shù)值列表中將顯示相應(yīng)坐標中的坐標值。用鼠標拖動十字交叉線，可顯示不同電壓時的相應(yīng)電流值。 三個電源對外伏安特性曲線完全相同,從而驗證了戴維南定理和諾頓定理。2、 思考題與討論1、戴維南定理和諾頓定理的使用條件分別是什么？ 答：戴維南定理和諾頓定理使用條件均要求等效替代網(wǎng)絡(luò)為線性有源

10、一端口網(wǎng)絡(luò)。 2、如果圖2-4出現(xiàn)漸增的波形，則是由于電流的正負不一致，但是并不影響實驗的結(jié)果。 實驗三 正弦穩(wěn)態(tài)電路分析和交流掃描分析一.實驗?zāi)康?、學(xué)習(xí)用Pspice進行正弦穩(wěn)態(tài)電路分析。2、學(xué)習(xí)用Pspice進行正弦穩(wěn)態(tài)電路的交流掃描分析。3、熟悉含受控源電路的連接方式。二原理與說明在“電路”課中已學(xué)過，對于正弦穩(wěn)態(tài)電路，可以用相量法列寫電路方程（支路電流法、節(jié)點電壓法、回路電流法），求解電路中各個電壓和電流的振幅（有效值）和初相位（初相角）。PSPICE軟件是用相量形式的節(jié)點電壓法對正弦穩(wěn)態(tài)電路進行分析的。3 示例實驗（1） 正弦穩(wěn)態(tài)分析。以圖3-1的電路為例。其中正弦電源的角頻率為1

11、0Krad/s ,要求計算兩個回路中的電流。圖3-1（2） 仿真計算的輸出結(jié)果：FREQ IM(V_PRINT1)IP(V_PRINT1)IR(V_PRINT1)II(V_PRINT1) 1.592E+03 2.268E-03 8.987E+01 5.145E-06 2.268E-03FREQ IM(V_PRINT2)IP(V_PRINT2)IR(V_PRINT2)II(V_PRINT2) 1.592E+03 2.004E+00 8.987E+01 4.546E-03 2.004E+00由以上結(jié)果可知，電源回路中的電流振幅近似等于0，而負載回路中的電流振幅近似等于2A。4 選做實驗1、 實驗電

12、路圖圖3-2 選做實驗的電路圖2、 各元件的電流如下圖所示：圖3-3 各元件電流源3、 電流隨電容變化的曲線：圖3-4 電流隨電容變化曲線由圖可明顯看出電容對功率因素的影響為一拋物線圖形,這與理論是相當吻合的,從圖也得出電容為14.34F時，電路發(fā)生并聯(lián)諧振，此時電流最小，功率因數(shù)為1。五、思考與討論 1、為了提高電路的功率因數(shù)，常在感性負載上并聯(lián)電容器，此時增加了一條電流之路，試問電路的總電流時增大還是減小，此時感性元件上的電流和功率是否改變？ 答：在感性負載上并聯(lián)電容器后，電路的總電流可能增大也可能減小，具體的變化要看電容的大小，令電路發(fā)生諧振時的電容為0，則當<0時，電流隨著電容的

13、增大而減小，當>0時,電流隨著電容的增大而增大,當=0時,電流最小.此時感性元件上的電流和功率不會改變.2、提高線路功率因數(shù)為什么只采用并聯(lián)電容器法，而不用串聯(lián)法？所并的電容器是否越大越好？ 答：并聯(lián)電容的容性無功功率可以補償感性負載的感性無功功率而不會改變負載的工作狀態(tài)，如果采用串聯(lián)電容法來提高功率因數(shù)，會導(dǎo)致負載的工作狀態(tài)改變，故不用串聯(lián)電容法來提高功率因數(shù)。所并的電容并不是越來越好，太大可能導(dǎo)致過補償。實驗四 一階動態(tài)電路的研究一.實驗?zāi)康?、掌握Pspice編緝動態(tài)電路、設(shè)置動態(tài)元件的初始條件、掌握周期激勵的屬性及對動態(tài)電路仿真的方法。2、理解一階RC電路在方波激勵下逐步實現(xiàn)穩(wěn)定

14、充放電的過程。3、理解一階RL電路在正弦激勵下，全響應(yīng)與激勵接入角的關(guān)系。2、 原理與說明電路在一定條件下有一定的穩(wěn)定狀態(tài)，當條件改變，就要過度到新的穩(wěn)定狀態(tài)。從一種穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一種新的穩(wěn)定狀態(tài)往往不能躍變，而是需要一定的過渡過程（時間）的，這個物理過程就稱為電路的過渡過程。電路的過渡過程往往為時短暫，所以在過渡過程中的工作狀態(tài)成為暫態(tài)，因而過渡過程又稱為暫態(tài)過程。3、 示例實驗1 分析圖4-1所示RC串聯(lián)電路在方波激勵下的全響應(yīng)。電容初始電壓為2V（電容Ic設(shè)為2V）。圖4-1 電路圖2、 仿真計算及結(jié)果分析。圖4-2 電容電壓與激勵的波形由輸出波形可知，電容的工作過程是連續(xù)在充放電過程，

15、開始電容放電，達到最小值，當?shù)谝粋€方波脈沖開始以后，經(jīng)歷一個逐漸的“爬坡過程”，最后輸出成穩(wěn)定的狀態(tài)，產(chǎn)生一個近似的三角波。最后電容電壓輸出波形穩(wěn)定在最大值為4.450V，最小值為2.550V。 TIME V(N00390) 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 4.363E+00 1.400E-02 2.500E+00 1.600E-02 4.421E+00 1.800E-

16、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+00 3.000E-02 2.550E+00 3.200E-02 4.449E+00 3.400E-02 2.550E+00 3.600E-02 4.450E+00 3.800E-02 2.550E+00 4.000E-02 4.450E+004、 選做實驗（1）參照示例實驗，改變R和C的元件參數(shù)，觀察改變時間常數(shù)對電容電壓波形的影響。圖4-3 選做實驗（1）電路圖圖4-4 電

17、容電壓隨時間的變化由以上輸出波形可知，時間常數(shù)增大時，電容器充放電變慢。（2） 仿真計算R=1K，C=100uf的RC串聯(lián)電路，接入峰-峰值為3V、周期為2S的方形激勵時的零狀態(tài)響應(yīng)。圖4-5 選做實驗（2）電路圖圖4-6 仿真輸出結(jié)果（3） 仿真計算R=1K，C=100uf的RC串聯(lián)電路，接入峰-峰值為5V、周期為2S的方波激勵時的全響應(yīng)。其中電容電壓的初始值為1V。圖4-7 選做實驗（3）電路圖圖4-8仿真輸出結(jié)果5、 思考與討論（1） 在RC串聯(lián)電路中，電容充電上升到穩(wěn)態(tài)值的多少所需時間為一個時間常數(shù)？ 答：RC串聯(lián)電路中，電容電壓上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需要的時間為一個時間常數(shù)。（2

18、）在RC串聯(lián)電路中，電容放電衰減到初始值的多少所需時間為一個時間常數(shù)？ 答：RC串聯(lián)電路中，電容電壓衰減到初始電壓的36.8所需要的時間為一個時間常數(shù)。（3） 通常認為電路從暫態(tài)到達穩(wěn)定狀態(tài)需要多少時間？ 答：從理論上講，電路的動態(tài)過程需要經(jīng)歷無限長時間才能結(jié)束，也就是說當t=時，電感放電才能衰減到零，達到新的穩(wěn)態(tài)。但實際上，當時間T=5時，UL=U0 e-5=0.007U0。 此時電感電壓已接近于零，電感的放電過程已基本結(jié)束。所以工程上一般認為從暫態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)的的時間為4-5。實驗五 二階動態(tài)電路的仿真分析一.實驗?zāi)康?、研究R,L,C串聯(lián)電路的電路參數(shù)與其暫態(tài)過程的關(guān)系。2、觀察二階電路在

19、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，計算二階電路暫態(tài)過程有關(guān)的參數(shù)。3、掌握利用計算機仿真與示波器觀察電路響應(yīng)波形的辦法。二實驗原理（1）用二階微分方程描述的動態(tài)電路，稱為二階電路。電路的零輸入響應(yīng)只與電路的參數(shù)有關(guān)，對應(yīng)不同的電路參數(shù)，其響應(yīng)有不同的特點： 當 R>2 時，零輸入響應(yīng)中的電壓、電流具有非周期的特點，稱為過阻尼狀態(tài)。 當 R<2時，零輸入響應(yīng)中的電壓、電流具有衰減振蕩的特點，稱為欠阻尼狀態(tài)。此時衰減系數(shù)=R/2L,0=1/ 是在R=0情況下的振蕩角頻率，稱為無阻尼振蕩電路的固有角頻率。在R0時，R、L、C串聯(lián)電路的固有振蕩頻率= 將隨=R/2

20、L的增加而下降。 當R=2 時，有=0 ，= =0，暫態(tài)過程界于非周期與振蕩之間，稱為臨界狀態(tài)。其本質(zhì)屬于非周期暫態(tài)過程。 （2）此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時間的變化率dx/dt 。由電路理論可知，對于R、L、C串聯(lián)電路，兩個狀態(tài)變量分別為電容電壓Uc、電感電流il。因為iL=ic=CdUc/dt,所以取Uc為橫坐標，il為縱坐標，構(gòu)成研究該電路的狀態(tài)平面。每一個時刻的Uc、il，可用相平面上的某一點來表示，這個點稱為相跡點。Uc、il隨時間變化的每一個狀態(tài)可用相平面上一系列相跡點表示。一系列相跡點相連得到的

21、曲線稱為狀態(tài)軌跡（或相軌跡）。利用Pspice仿真可以很方便地得到狀態(tài)軌跡。三示例實驗研究R、L、C串聯(lián)電路零輸入響應(yīng)波形。圖5-1 R、L、C串聯(lián)電路2、不同情況下的UC、IL、UL波形：(a) R=0,00001(b) R20 欠阻尼(c) R40 臨界阻尼(d) R100 過阻尼圖5-2 4種不同情況下UC、IL、UL波形4 選做實驗1、 研究方波信號作用下的R、L、C串聯(lián)電路。圖5-3 方波幸好作用下的RLC串聯(lián)電路2、不同參數(shù)下Uc的波形：Val0.5Val0.1Val1Val10Val40Val200圖5-4 不同參數(shù)下UC的波形5、 思考與討論1、 R、L、C串聯(lián)電路的暫態(tài)過程為

22、什么會出現(xiàn)三種不同的工作狀態(tài)？試從能量轉(zhuǎn)換的角度對其作出解釋。 答：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，由于電阻會消耗能量，所以隨著R的大小的不同，電路會出現(xiàn)不同的工作狀態(tài)。當R較?。ǎr，電路處于振蕩狀態(tài)，電感和電容通過電流來實現(xiàn)能量交換，由于電阻總是消耗能量（此時消耗能量較?。?，使整個系統(tǒng)的能量不斷減少，從而使電容電壓的振幅值衰減。當當時，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”。當時，電路處于臨界狀態(tài)，由于此時能量沒有消耗，故此時電容電壓幅值不會衰減，而是等幅振蕩。實驗六 頻率特性和

23、諧振的仿真一.實驗?zāi)康?、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軟件進行電路的諧振研究。3、了解耦合諧振的特點。3、 示例實驗1、 雙T型網(wǎng)絡(luò)如圖6-1所示。分析該網(wǎng)絡(luò)的頻率特性。圖6-1 雙T型網(wǎng)絡(luò)實驗電路2、 雙T型網(wǎng)絡(luò)的幀頻特性圖6-2 雙T型網(wǎng)絡(luò)的幀頻特性從圖6-2可以看出，這是一個帶阻濾波器，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。4、 選做實驗1、 圖6-3所示為RLC串聯(lián)電路，測試其幅頻特性，確定其通帶寬f0。 若f小于40KHZ，試采用耦合諧振的方式改進電路，使其通帶寬滿足設(shè)計要求。圖6-3 RLC串聯(lián)

24、電路圖6-4 串聯(lián)電路的通帶2、 改進電路如圖6-5所示，其耦合電感參數(shù)設(shè)置如下L1=L2=100uH,耦合系數(shù)COUPLE=0.022。觀察其諧振頻率和通帶寬是否滿足設(shè)計要求。圖6-5磁耦合諧振電路圖6-6 磁耦合諧振電路的通帶寬由圖可以看也該帶阻濾波器的低頻截止頻率近似為985.46kHZ，高頻截止頻率近似為1014.6k HZ，故其帶阻寬度為29.24k HZ <40kHZ故滿足實驗設(shè)計要求。5、 思考與討論1、 同一電阻、電感、電容元件做串聯(lián)和并聯(lián)時，電路的性質(zhì)相同嗎？為什么？ 答：同一電阻、電感、電容原件做串聯(lián)和并聯(lián)時，電路的性質(zhì)不同。因為當串聯(lián)電路呈感性時，并聯(lián)電路可能呈容性

25、；串聯(lián)電路呈容性時，并聯(lián)電路可能呈感性。當串聯(lián)電路發(fā)生串聯(lián)諧振時，電容和電感相當于短路，而此時對于并聯(lián)電路來說可能發(fā)生并聯(lián)諧振，并聯(lián)支路相當于開路。2、 頻率對電路的性質(zhì)有影響嗎？為什么？ 答：頻率對電路的性質(zhì)有影響，頻率的改變可能導(dǎo)致電路中容抗和感抗的改變，從而改變電路的容性或感性。當電路發(fā)生諧振時，電路可能成阻性。實驗七 三相電路的研究一、實驗?zāi)康耐ㄟ^基本的星形三相交流電的供電系統(tǒng)實驗，著重研究三相四線制和三相三線制，并對某一相開路、短路或者負載不平衡進行研究，從而熟悉星形三相交流電的特性。2、 示例實驗1、三相三線星形電路圖7-1 三相三線對稱星形電路仿真結(jié)果輸出：R1為不同值時的輸出波

26、形：圖7-2（a) R1=100K時電路的電壓波形圖7-2（b) R1=50K時電路的電壓波形圖7-2（c） R1=10K時電路的電壓波形圖7-2（d） R1=5K是電路的電壓波形圖7-2（e) R1=1K時電路的電壓波形R1,R2,R3設(shè)置成不同得阻值，形成三相不平衡電路，觀察不同狀態(tài)下的電壓波形。圖7-3 R1、R2、R3不同阻值的電路圖 圖7-4 R1、R2、R3不同阻值事的仿真輸出結(jié)果2、 增加中線（三相四線電路）。圖7-5 三相四線星形對稱電路仿真結(jié)果輸出：R1為不同值時的輸出波形：圖7-6（a） R1=100K時電路的電壓波形圖7-6（b） R1=50K時電路的電壓波形圖7-6（c） R1=10K時電路的電壓波形圖7-6（d） R1=5K時電路的電壓波形圖7-6（e） R1=1K時電路的電壓波形3、 選做實驗（1）中線正常，三相中一相短路：圖7-7 選做實驗（1）電路圖圖7-8 選做實驗（1）仿真輸出結(jié)果（2） 中線正常，三相中一相開路：圖7-9 選做實驗（2）電路圖圖7-10 選做實驗（2）仿真輸出結(jié)果（3）沒有中線，三相中一相短路：圖7-11 選做實驗（3）電路圖圖7-12 選做實驗（3）仿真