基于PSpice的节点电压、支路电流分析课程设计报告

课程设计任务书学生姓名: 专业班级: 电信 0902 指导教师: 李庆 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；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：(1) 目录； (2) 理论分析；(3) 程序运行结果及图表分析和总结； (4) 课程设计的心得体会（至少 800 字，必须手写） ；(5) 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 日目录摘要 I1 概述 12 PSPICE 软件简介及功能22.1 PSPICE 软件简介 22.2 PSPICE 的功能 32.3 PSPICE 的优越性 53 电路原理分析 64 设计并仿真原理图74.1 绘制原 理图 74.2 仿 真 84.3 对电路图的理论分析 85 仿真曲线10 5.1 节点电压仿真曲线 105.2 支路电流仿真曲线 116 课程设计心得体会 12参考文献 13致谢 14摘要在应用节点分析法分析电路的实际教学中,往往会碰到写错节点方程得出错误结果的问题.从参考节点的选择、正确列出节点方程和受控源的正确处理三个方面探讨了解决这些问题的方法并结合实例进行分析,以求达到真正掌握这种方法并应用该方法来正确分析电路的目的. 关键词:节点分析法;参考节点;节点方程;受控源1 概述节点分析法就是在电路中选择一个节点作为参考节点,首先设法通过联立方程把电路中其他各节点的电压求出来,然后再通过这些电压很简单地把电路中各支路电压和电流求出来的一种电路分析方法.在实际教学中会碰到这样三方面的问题:一是如何正确选择参考节点;二是如何正确列出节点方程。电路中所有的支路电压都可以用节点电压的线性组合。电路中支路或是接在独立的节点与参考节点之间，或是接在两独立节点之间。可见，一旦求得了节点电压，所有的支路电压就随之而定了，进而可以求得所有的支路电流及支路功率，因此节点电压是一组完备的电压参量。当然，参考节点选择的不同，电路中各的节点的节点电压会有所不同，各节点电位的高低是相对于参考节点而言的。但是电路中任意两节点间的电压值却与参考节点的选择无关，不会因为参考节点选择的不同而有所改变。那么，如何建立求解节点电压所需的联立方程？可以首先对每一个独立节点列写出KCF 方程。然后再对每一条支路列写出特性方程，并将其中的支路电压用相应的节点电压的线性组合来表示。最后再将用节点电压表示的支路电流代人到每一个独立的节点的 KCF方程中，就得到了一组以节点电压为变量的方程组，称为节点电压方程，它们必然与待求变量数目相同而且是独立的。求解这组方程可得到各节点电压，进而可求得个支路电压，电流以及功率，这种求解电路的方法称为节点电压，支路电流分析法。节点分析法是在支路电压法的基础上演变发展而来的，其优点是电路变量有 b 个支路电压减少到（n-1)个节点电压，列写电路方程的数目少了很多，求解更为容易。一旦求出节点电压，根据 KVL 就能确定各支路电压，再根据支路特性方程确定支路电流，进而确定支路功率。而且以节点电压为电路变量的节点电压方程的形式十分简单，各项物理意义极强，可以观察电路按规律写方程。2 PSPICE 软件简介及功能2.1 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，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件模块，还可以自己编辑。它在 INTERNET 上的网址与 ORCAD 公司一样。PSPICE 软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成网表，模拟和计算电路。它的用途非常广泛，不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件，具有广阔的应用前景。这些特点使得 PSpice 受到广大电子设计工作者、科研人员和高校师生的热烈欢迎，国内许多高校已将其列入电子类本科生和硕士生的辅修课程。PSPICE 的组成。PSPICE 是计算机辅助分析设计中的电路模拟软件。它主要用于所设计的电路硬件实现之前，先对电路进行模拟分析，就如同对所设计的电路用各种仪器进行组装、调试和测试一样，这些工作完全由计算机来完成。用户根据要求来设置不同的参数，计算机就像扫描仪一样，分析电路的频率响应，像示波器一样，测试电路的瞬态响应，还可以对电路进行交直流分析、噪声分析、Monte Carlo 统计分析、最坏情况分析等，使用户的设计达到最优效果。以往一个新产品的研制过程需要经过工程估算，试验板搭试、调整，印刷板排版与制作，装配与调试，性能测试，测试指标不合格，再从调整开始循环，直至指标合格为止。这样往往需要反复实验和修改。而仿真技术可将“实验”与“修改”合二为一。2.2 PSPICE 的功能（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。初打开的 Captrue 的页面，图 2.1 Captrue 编辑页面这是电路图的画图页面，在这个页面可以进行多种电路图的画法，还可以进行简单的编辑和设置参数。 图 2.2 元件库2.3 PSPICE 的优越性（1）图形界面友好，易学易用，操作简单由 Dos 版本的 PSPICE 到 Windows 版本的 PSPICE，使得该软件由原来单一的文本输入方式而更新升级为输入原理图方式，使电路设计更加直观形象。PSPICE 60 以上版本全部采用菜单式结构，只要熟悉 Windows 操作系统就很容易学，利用鼠标和热键一起操作，既提高了工作效率，又缩短了设计周期。即使没有参考书，用户只要具备一定的英语基础就可以通过实际操作很快掌握该软件。（2）实用性强，仿真效果好在 PSPICE 中，对元件参数的修改很容易，它只需存一次盘、创建一次连接表，就可以实现一个复杂电路的仿真。如果用 Protel 等软件进行参数修改仿真，则过程十分繁琐。在改变一个参数时，哪怕是一个电阻阻值的大小都需要重新建立网络表的连接，设置其他参数更为复杂。（3）功能强大，集成度高在 PSPICE 内集成了许多仿真功能，如：直流分析、交流分析、噪声分析、温度分析等 ，用户只需在所要观察的节点放置电压（电流）探针，就可以在仿真结果图中观察到其“电压（或电流）-时间图” 。而且该软件还集成了诸多数学运算，不仅为用户提供了加、减、乘、除等基本的数学运算，还提供了正弦、余弦、绝对值、对数、指数等基本的函数运算，这些都是其他软件所无法比拟的。另外，用户还可以对仿真结果窗口进行编辑，如添加窗口、修改坐标、叠加图形等 ，还具有保存和打印图形的功能，这些功能都给用户提供了制作所需图形的一种快捷、简便的方法。因此，Windows 版本的 PSPICE 更优于 Dos 版本的 PSPICE，它不但可以输入原理图方式，而且也可以输入文本方式。无疑是广大电子电路设的好帮手。3 电路原理分析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。4 设计并仿真原理图4.1 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到的是 SOURCE 及ANALOG_P 元件库。然后按表 3.1 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。表 4.1 元件参数电阻 R1 R/AnalogR2 R/AnalogR3 R/AnalogR4 R/Analog直流电压源 V1 VDC/Source地 0 0/Source设计的电路图如图 4.2 所示，图 4.2 电路图 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 R2 并1V3R联后在串联 R4 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R个节点分别是 , , 。其中 为参考地点， 为此处电压，设为节点 1， 为另一0N120N1N2N个节点，即所设的节点 2.4.2 仿 真画好原理图后，设置仿真参数。点击 仿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。4.3 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1R流为 ，流过 的电流为 ，流过 的电流为 41RUI2 1231/RUIR3，流过的 电流为 ，流过电压源23123*/IR2 23123*/RI的电流为 。1V4123/RUIV 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 。1U12312/*RUN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 的电流为 ，流过 的电流为4R41RUI1，流过 的电流为 ，流过的 电流为131/RUIR3 23123*/IR2，流过电压源 的电流为 。231232*/IR 1V41231/RUIV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 。1U12312/*N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1推测仿真出来的图像是线性的关系。5 仿真曲线 图 5.1 电路图如图所示，这是仿真后的图，这个图验证了 KVL 和 KCL 定理的正确性。5.1 节点电压仿真曲线图 5.2 仿真电压曲线图 5.2 中从上到下一次是 N1,N2 节点电压随 的变化而变化，其中 N0 是一条恒为 01U的直线，节点 N1 就是电源电压 ，节点 N2 的电压为 3.125 ，这些都是与理论分析中1 1完全相符合。12312/*RUN5.2 支路电流仿真曲线图 5.3 仿真电流曲线从图 5.3 中上到下依次是 ,R4 的电流随电压源 的变化曲线. 的电流是随132,R1V1R的增加而增加。这与理论分析中 是现符合的。然而 的电流1U123/UI 423,值却是随 的增加而反向增大，这是因为我的原理图中的 的