电路计算机仿真分析

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电路计算机仿真分析

实验报告

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试验一直流电路工作点分析和直流扫描分析

一、试验目的

1、学习使用PSPICE软件，熟悉它的工作流程，即绘制电路图、元件类别的选择及其参数的赋值、分析类型的建立及其参数的设置、Probe窗口的设置和分析的运行过程等。2、学习使用PSPICE进行直流工作点分析和直流扫描分析的操作步骤。

二、试验原理

对于电阻电路，可以用直观法（支路电流法、节点电压法、回路电流法）列写电路方程，求解电路中各个电压和电流。PSPICE软件是采用节点电压法对电路进行分析的。

使用PSPICE软件进行电路的计算机辅助分析时，首先在capture环境下编辑电路，用PSPICE的元件符号库绘制电路图并进行编辑、存盘。然后调用分析模块、选择分析类型，就可以“自动〞进行电路分析了。需要强调的是，PSPICE软件是采用节点电压法“自动〞列写节点电压方程的，因此，在绘制电路图时，一定要有参考节点（即接地点）。此外，一个元件为一条“支路〞（branch）,要注意支路（也就是元件）的参考方向。对于二端元件的参考方向定义为正端子指向负端子。

三、试验内容与步骤

1、例如试验

(1)例如说明：应用PSPICE求解图1-1所示电路个节点电压和各支路电流。

R21I2I12AdcR11R334Adc0图1-1

2、操作步骤：

(1)启动Orcadcapture,建立工程Projl,选项框选择AnalogorMixedA/D。类型选择为createablankproject。

(2)在原理图界面点击Place/Part或右键快捷键。(3)首先添加常用库，点击AddLibrary，将常用库添加进来。本例需添加Analog(包含电阻、电容等无源器件)，Soure(包含电压源、电流源等电源器件)，Special(包含虚拟打印机等器件)。在相应的库中选取电阻R,电流源IDC，点取Place/GND选取O/Source，以放置零节点（每个电路必需有一个零节点）。

(4)移动元件到适当位置，右键单击器件进行适当旋转，点击Place/Wire或捷键将电路连接起来如图1-1所示。

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(5)双击器件或相应参数修改名称和值。(6)在需要观测的位置放置探针。(7)保存原理图。

3、仿真

(1)点击Pspice/NewSimulationProfile,输入名称（例如DC1）；

(2)在弹出的窗口中BasicPoint是默认选中，必需进行分析的，点击确定。(3)点Pspice/Run(快捷键F11)或工具栏相应按钮。(4)如原理图无错误，则显示PspiceA/D窗口。在本例中未设置其它分析，窗口无显示内容，关闭该窗口。

(5)在原理图窗口中点击V,I工具栏按钮，图形显示各节点电压和各元件电流值如下：

R24.000KV4.000AR11k1k2.000A2.000AR33k6.000KV

Idc12Adc2.000AIdc24Adc4.000A0V0图1-2仿真结果

四、选做试验

以图所示的直流电路为例，要求对这个电路进行以下两方面的分析：

1、直流工作点分析：即求各节点电压和各元件电压和电流。同上。

IPRINTIs29.616KVR222.401AR1Is11Adc1.000A412.00VVs112Vdc0V2.401A14.42KVI5I33.000A3AdcR433.599A10.80KVV43.599A7VdcV310.80KV2Adc3.599A5Vdc2Adc2.000A1.000A1AdcV22.401A10Vdc14.41KV14.41KV3.599AR31I10.81KVI42.000A0图1-3选做试验电路图

2、直流扫描分析：

(1)单击Pspice/EditSimulationProfile,开启分析类型对话框，建立分析类型。对直流电路的扫描分析要选择“DCSweep?.〞。选中后，开启下一级对话框“直流扫描分析

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参数表〞，并设置为：

“SweepVar.Type〞选择“VoltageSource〞;“SweepType〞选择“Linear〞;“Name〞选择“Vs1〞;“StartValue〞输“0〞，“EndValue〞输“12〞,〞Increment〞输“0.5〞。(2)运行Pspice的仿真计算程序，进行直流扫描分析。

(3)对于图中电路，电压源US1的电压设置在0到12V之间变化，显示的波形就是负载电阻RL的电流IRL随USL变化的波形。见图1-4。

2.8A2.4A2.0A1.6A1.2A0V-I(R3)V_Vs12V4V6V8V10V12V图1-4直流扫描分析的输出波形

(4)为了得到数值的结果，可以从“SPECIAL〞库取“INPRINT〞(电流打印机)，把它串联

到测量点上。例如对于图1-5电路，可以把“INPRINT〞与“RL〞串联。这时“INPRINT〞的属性设置为“dc=I(RL)〞,其余项可以缺省。当在“直流扫描分析参数表〞中设置的分析参数“Increment〞为“1〞时，运行仿真。在Capture窗口单击Psoice/ViewOutputfile,数据输出为：

V_V1I(V_PRINT1)0.000E+001.400E+001.000E+001.500E+002.000E+001.600E+003.000E+001.700E+004.000E+001.800E+005.000E+001.900E+006.000E+002.000E+007.000E+002.100E+008.000E+002.200E+009.000E+002.300E+001.000E+012.400E+001.100E+012.500E+001.200E+012.600E+00

（5）IRL与US1的函数关系为：IRL=1.4+(1.2/12)U1。（公式1-1）

1.4表示当没有电压源U1时，IRL为1.4A；12表示U1变化了12V；

1.2表示当电压变化了12V时，电流变化了1.2A。

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五、思考与探讨

1、任选一条闭合回路，可以得出该回路的电压之和为零，即：∑Ui=0；另外任一节点电

流之和为零，即：∑Ii=0。可以得出基尔霍夫电压定律和基尔霍电流定律的正确性。2、公式1-1中，1.4表示Vs1断开时其他电源作用于RL的电流，0.1表示Vs1单独作用

于RL，而其他电源置零时的等效电导，根据电路的叠加原理，所有电源同时作用于RL时的电流为两部分之和。即：IRL=1.4+0.1Us1。

3、试验中假使要测量节点N1的电压随Us1的函数关系，只需在节点N1处添加一个电压

指针，其他设置与直流扫描分析类似。

4、总结如何用Pspice进行直流工作点分析和直流扫描分析。

答：Pspice软件的使用：若想得到其它量的函数关系，得到其波形图，只需在所测定点

上设置相应的探针，然后在参数设定上进行一点更改。如想要确定负载电阻RL的电流随负载电阻变化的波形，只需将“直流扫描分析参数表〞中“Name〞中的V1该为RL；若想要确定节点电压Un1随U1的变化，只需在n1这个节点上设置一个电压探针。

试验二戴维南定理和诺顿定理的仿真

一、试验目的

1、进一步熟悉PSPICE仿真软件中绘制的电路图，初步把握符号参数、分析类型的设置。学习Prode窗口的简单设置。2、加深对戴维南定理与诺顿定理的理解

二、试验原理

戴维南定理指出，任一线性有源一端口网络，对外电路来说，可以用一个电压源与电阻串联的支路来代替，该电压源的电压Us等于原网络的开路电压Uoc，电阻Ro等于原网络的全部独立电源置零后的输入电阻Req。诺顿定理指出，任一线性有源一端口网络，对外电路来说，可以用一个电流源与电导并联的支路来代替，该电流源的饿电流Is等于原网络的短路电流Isc，其电导Go等于原网络的全部独立电源置零后的输入电导Geq（Geq=1/Req）。

R0R1100R250R3150V15Vdc0VdcV2RL{var}1kRLd1kIsG01kRLn1kV30PARAMETERS:var=1k00图2-1绘制的电路图

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三．试验内容

1、测量有源一端口网络等效输入端电阻Req和对外电路的伏安特性。其中U1=5V,R1=100

?,U2=4V.R2=50?,R3=150?。

2、根据任务１中测出的开路电压Uoc、输入电阻Req，组成的等效有源一端口网络，测量

其对外电路的伏安特性。

3、根据任务１中测出的短路电流Isc、输入电阻Req,组成的等效有源一端口网络，测量

其对外电路的伏安特性。

四．试验步骤

1、在Capture环境下绘制和编辑电路，包括取元件、连线、输入参数和设置节点等。分

别编辑原电路、戴维南等效电路和诺顿等效电路（等效参数待定），检查无误后存盘。2、为测量原网络的伏安特性，图２－1中的RL是可变电阻。为此，RL的阻值要在“PARAM〞

中定义一个全局变量var（参数值可任意选择如10?、1k?,同时把RL的阻值也设为该变量｛var｝。

注：PARAM设置方法是从special库中选取PARAM放置在电路图上，双击该器件在属性

栏左上角的AddNewColumn/Row,输入名称var，值1k。如要显示该名称和值在电路图上，在数据栏上右键单击，修改display属性。

3、为测电路的开路电压Uoc及短路电流Isc，设定分析类型为“DCSweep?〞,扫描变

量为全局变量var,并具体设置线性扫描的起点、终点和步长。因需要测短路电流，故扫描的起点电阻要尽量小，但不能是０。而欲测开路电压，扫描的终点电阻要尽量大。线性扫描的起点为１P,终点为１G，步长为１MEG。此时不需要中间数据，为了缩短分析时间，步长可以设置大一些。

4、启动分析后，系统自动进入Probe窗口。选择Plot=>AddPlottoWindow增加一坐标

轴，选择Trace=>Add?分别在两轴上加I(RL)和V(RL:2)变量。激活显示电流的坐标轴。选择Tools=>Cursor=>Display显示电流的坐标值列表，选择Tools=>Cursor=>Max显示电流的最大值。同样可以显示电压的最大值。测得I(RL)最大值即短路电流Isc＝130mA，V(RL:2)最大值即Uoc为3.5455V。则输入端电阻Req=3.5455/0.13=27.273Ω。按测得的等效参数修改电路参数，见2-2。

R0R1100R250R3V2V15Vdc4Vdc150RL{var}V3vdcIsIsG027.273RLn{var}27.273RLd{var}00PARAMETERS:var=1k0图2-2修改参数后的电路图

重新设定扫描参数，扫描变量仍为全局变量var，线性扫描的起点为１P,终点为10K，步长为10K。重新启动分析，进入Probe窗口。选择Plot=>AddPlot增加两个坐标轴，选择Plot=>XAxisSettings?=>AxisVariable,设置横轴为V(RL:2),选择Trace=>Add?

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分别在三个轴上加I(RL)、I(RLd)和I(RLn)变量。显示结果如图2-3。

0A-100mA-200mAI(RL)0A-100mA-200mAI(RLd)0A-100mASEL>>-200mA0VI(RLn)V(RL:2)0.4V0.8V1.2V1.6V2.0V2.4V2.8V3.2V3.6V图2-3修改参数后的输出伏安特性曲线

五、结论

由输出特性曲线可以看出，这三条伏安特性曲线是完全一样的，从而验证了戴维南定理和诺顿定理的正确性。

六、思考与探讨

1、戴维南定理和诺顿定理使用的条件为：不含受控源的线性网络。

2、通过分析比较图2-3中的三条伏安特性曲线，可以发现三条曲线耦合得十分好，这说

明白戴为南定理和诺顿定理的正确性。即：一个有源一端口网络既可以等效为一个电压源和电阻串联的电路，也可以等效为一个电流源和电导相并联的电路。

3、在测量电路的短路电流和开路电压时，可以通过启动图形工具栏中的十字型标尺，根

据标尺数据显示框读取电流和电压。

4、假使图2-3出现渐增的波形，则是由于电流的正负不一致，但是并不影响试验的结果。

试验三正弦稳态电路分析和交流扫描分析

一、试验目的

1、进一步学习使用PSPICE软件，熟悉它的工作流程。2、学习用PSPICE进行正弦稳态电路的分析。

3、学习用PSPICE进行正弦稳态电路的交流扫描分析。

二、试验原理

对于正弦稳态电路，可以用相量法列写电路方程（支路电流法、节点电压法、回路电流法），求解电路中各个电压和电流的振幅（有效值）和初相位（初相角）。PSPICE软件是用相量形式的节点电压法对正弦稳态电路进行分析的。

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三、试验内容与步骤

1、例如试验

(1)正弦稳态分析。其中正弦电源的角频率为10Krad/s，要求计算两个回路中的电流。a.在capure环境下编辑电路，互感是用符号“XFRM_LINER〞表示的。参数设置如下：L1_VALUE，L2_VALUE为自感，COUPLING为耦合系数。

b.设置仿真，开启分析类型对话框，对于正弦电路分析要选择“ACsweep〞。单击该按钮后，可以开启下一级对话框“交流扫描分析参数表〞，设置具体的分析参数。对于图中的例子，设置为：“Startfreq.〞输“1592〞；“endfreq.〞输“1592〞；“totalpts.〞输“1〞。

c.运行pspice的仿真计算程序，在probe窗口显示交流扫描分析的结果。d.为了得到数值的结果，可以在两个回路中分别设置电流打印机标示符。

IPRINTR11010Vac0VdcV3C110uTX2IPRINT0

图3-1正弦稳态分析电路图

其中，电流打印机标示符的属性设置分别为I(R1)和I（C1），设置项有（AC、MAG、PHASE、REAL、IMAG）。仿真计算的输出结果为：

FREQIM(V_PRINT3)IP(V_PRINT3)IR(V_PRINT3)II(V_PRINT3)1.592E+032.268E-038.987E+015.145E-062.268E-03FREQIM(V_PRINT4)IP(V_PRINT2)IR(V_PRINT4)II(V_PRINT4)1.592E+032.004E+008.987E+014.546E-032.004E+00

分析：可以明白的看出，电源回路中的电流振幅近似等于0，负载回路中的电流振幅等于2A。

四、选做试验

1、以给出的试验例题和试验步骤，用PSPICE独立做一遍，给出仿真结果。

2、对正弦稳态电路进行计算机辅助分析，求出各元件的电流。电路如图3-2，其中，电

压源Us=141.4cos（1000t）V，电流控制电压源的转移电阻为2Ω。

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R31kR4H5H1L11mHR2100Vac0VdcV1222R11+-R53C11000uFIPRINT0图3-2

仿真计算输出结果为：

FREQIM(V_PRINT1)IP(V_PRINT1)IR(V_PRINT1)II(V_PRINT1)1.592E+024.925E+011.482E+004.923E+011.273E+00FREQIM(V_PRINT4)IP(V_PRINT4)IR(V_PRINT4)II(V_PRINT4)1.592E+022.450E+01-4.484E+011.738E+01-1.728E+01FREQIM(V_PRINT5)IP(V_PRINT5)IR(V_PRINT5)II(V_PRINT5)1.592E+022.025E+017.136E+016.472E+001.919E+01FREQIM(V_PRINT10)IP(V_PRINT10)IR(V_PRINT10)II(V_PRINT10)1.592E+021.329E+015.770E+017.105E+001.124E+01

3、电路如图3-3，Us=311cos(314t)V，电容是可调的，其作用是为了提高电路的功率因

数λ。试分析电容为多大时，电路的功率因数λ=1。（参考：当功率因数λ=1时，电源输出电流最小。）

R1

100V1VOFF=0VAMPL=311FREQ=50C21

{var}L1

0.2H20PARAMETERS:

图3-3

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6.0A4.0A2.0A0A0I(V1)var10u20u30u40u50u60u70u80u90u100u图3-4仿真输出结果

五、思考与探讨

1、为了提高电路的功率因数，常在感性负载上并联电容器，此时增加了一条电流支路，

试问电路的总电流时增大还是减小，此时感性元件上的电流和功率是否改变？答：在感性负载上并联电容器后，电路的总电流可能增大也可能减小，具体的变化要看

电容的大小，电容较小时总电流将增大，电容较大时电流将减小。此时感性元件上的电流和功率不变。

2、提高线路功率因数为什么只采用并联电容器法而不是串联法？所并的电容器是否越

大越好？

答：并联电容的容性无功功率补偿了负载电感中的感性无功功率，理论上可以用串联电

容的方法来提高功率因数，但这样会改变电动机的工作状态，故不用串联电容法来提高功率因数。所并的电容并不是越来越好，太大可能导致过补偿。

试验四一阶动态电路的研究

一．试验目的

1、把握PSPICE编辑动态电路、设置动态元件的初始条件、把握周期鼓舞的属性及对动态电路的仿真方法。

2、理解一阶RC电路在方波鼓舞下逐步实现稳态充放电的过程。3、理解一阶RL电路在正弦鼓舞下，全响应与鼓舞接入角的关系。

二．试验原理与说明

电路在一定条件下有一定的稳定状态，当条件改变，就要过度到新的稳定状态。从一种稳定状态转到另一种新的稳定状态往往不能跃变，而是需要一定的过渡过程（时间）的，这个物理过程就称为电路的过渡过程。电路的过渡过程往往为时短暂，所以在过渡过程中的工作状态成为暂态，因而过渡过程又称为暂态过程。

三．试验内容与步骤

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1、试验例如

(1)分析图4-1所示RC串联电路在方波鼓舞下的全响应。电容初始电压为2V（电容Ic

设为2V）.

R10VV1.8k2.000VVV1=0V2=7TD=2msTR=0.001usTF=0.001usPW=2msPER=4msVsC22uf0V0图4-1

(2)编辑电路。其中方波电源是Source库中的VPULSE电源。根据波形，对VPULSE的属性的意义列于表中。为分辩电容特性，电容选取Analog库中的C_elect(电容Ic设为2V).

方波鼓舞的属性意义:V1=0V2=7TD=2msTR=0.001usTF=0.001usPW=2msPER=4ms方波低电平方波高电平第一次方波上升时间方波上升沿时间方波下降沿时间方波高电平宽度方波周期(3)设置分析类型为Transient。其中MaximumStep设为2ms,Runto设为40ms。(4)设置输出方式。为了观测电容电压的充放电过程与方波鼓舞的关系，设置两个节点电压标识符以获取鼓舞和电容电压的波形，设置打印电压标识符（VPRINT1）以获取电容电压数值输出。

(5)仿真计算及结果分析。经过仿真计算得到图形输出如图4-2所示。

8.0V6.0V4.0V2.0V0V0sV(R1:1)5msV(R1:2)10ms15ms20msTime25ms30ms35ms40ms图4-2

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从波形可见，电容的工作过程是连续在充放电过程，开始电容放电，达到最小值，但第一个方脉冲开始以后，经历一个逐渐“爬坡过程〞，最终输出成稳定的状态，产生一个近似的三角波。从电容电压的数值输出可以确切看到这个“爬坡过程〞的详细状况。最终电容电压输出波形稳定在最大值为4.450，最小值2.550。增加VPRINT到电路上观测电容电压的数值输出：

TIMEV(N00257)0.000E+002.000E+002.000E-031.146E+004.000E-033.645E+006.000E-032.089E+008.000E-034.185E+001.000E-022.399E+001.200E-024.363E+001.400E-022.500E+001.600E-024.421E+001.800E-022.534E+002.000E-024.440E+002.200E-022.545E+002.400E-024.447E+002.600E-022.548E+002.800E-024.449E+003.000E-022.550E+003.200E-024.449E+003.400E-022.550E+003.600E-024.450E+003.800E-022.550E+004.000E-024.450E+00

最终电容电压输出波形稳定在最大值为4.5V，最小值为2.55V。

2、选做试验

(1)如下图所示，改变电容值为0.2uF。改变时间常数为原来的0.1倍，观测时间常数对电容电压波形的影响。

R12.000VV5K0VVC31uFV1=0V2=7TD=2msTR=0.001usTF=0.001usPW=2msPER=4msV10V0图4-3

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经仿真分析得到以下结果：

3.0V2.0V1.0V0V0sV(R1:1)0.5sV(R1:2)1.0s1.5s2.0sTime2.5s3.0s3.5s4.0s图4-4

改变电容值为20uF，时间常数变为原来的10倍。

R1V1k

V1V1=0V2=5TD=2msTR=0.001usTF=0.001usPW=1sPER=2s

VC3100uF

图4-5

得到仿真结果如下所示：

6.0V04.0V2.0V0V0sV(R1:1)0.5sV(R1:2)1.0s1.5s2.0sTime2.5s3.0s3.5s4.0s图4-6

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(2)仿真计算R=1K，C=100uF的RC串联电路，接上峰-峰值为3V、周期为2S的方波鼓舞的零状态响应。

得到仿真结果如下所示：

4.0VR10VV1k0VVsV1=0V2=3TD=2msTR=0.0005msTF=0.0005msPW=1sPER=2s0VVC2100uf0图4-7

3.0V2.0V1.0V0V0sV(R1:1)2sV(R1:2)4s6s8s10sTime12s14s16s18s20s图4-8

TIMEV(N00257)

0.000E+000.000E+002.000E+001.221E-044.000E+001.222E-046.000E+001.222E-048.000E+001.222E-041.000E+011.222E-041.200E+011.222E-041.400E+011.222E-041.600E+011.222E-041.800E+011.222E-042.000E+018.841E-05

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(3)仿真计算R=1K,C=100uf的RC串联电路，接上峰-峰值为5V、周期为2s的方波鼓舞时的全响应。电容电压的初始值为1V。

得到仿真结果如下所示：

6.0VR10VV1k1.000VV1=0VsV2=5TD=1sTR=0.0005msTF=0.0005msPW=1sPER=2s0VC2100ufV0图4-9

4.0V2.0V0V0sV(Vs:+)2sV(C2:+)4s6s8s10sTime12s14s16s18s20s图4-10

TIMEV(N00257)0.000E+001.000E+001.000E+004.667E-052.000E+005.004E+003.000E+002.035E-044.000E+005.004E+005.000E+002.035E-046.000E+005.004E+007.000E+002.035E-048.000E+005.004E+009.000E+002.035E-041.000E+015.004E+001.100E+012.035E-041.200E+015.004E+00

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1.300E+012.035E-041.400E+015.004E+001.500E+012.035E-041.600E+015.004E+001.700E+012.035E-041.800E+015.004E+001.900E+012.035E-042.000E+015.004E+00

分析：全响应，电容起始电压为1V，此后电容处于充电状态，充电达到饱和后，电容电压的衰减很小又很快开始充电。

四、思考与探讨

1、在RC串联电路中，电容充电上升到稳态值的多少所需要的时间为一个时间常数?。答：RC串联电路中，电容电压上升到稳态值的63.2%所需要的时间为一个时间常数?。2、在RC串联电路中，电容放电衰减到初始电压的多少所需要的时间为一个时间常数?。答：RC串联电路中，电容电压衰减到初始电压的36.8％所需要的时间为一个时间常数?。3、寻常认为电路从暂态到达稳定状态所需要多少时间？答：寻常认为电路从暂态到稳态所需时间是5?。

试验五二阶动态电路的仿真分析

一．试验目的

1、研究R、L、C串联电路的电路参数与其暂态过程的关系。

2、观测二阶电路在过阻尼、临界阻尼和欠阻尼三种状况下的响应波形。利用响应波形，

计算二阶电路暂态过程有关的参数。

3、把握利用计算机仿真与示波器观测电路响应波形的方法。

二．试验原理

1、用二阶微分方程描述的动态电路，称为二阶电路。电路的零输入响应只与电路的参

数有关，对应不同的电路参数，其响应有不同的特点：

当R>2时，零输入响应中的电压、电流具有非周期的特点，称为过阻尼状态。当Re.R1=40

12.0V8.0V4.0V0V0sV(C1:2)Time1.0ms2.0ms3.0ms4.0ms5.0ms6.0ms7.0ms8.0ms图5-11

f.R1=200

10V5V0V0sV(C1:2)Time1.0ms2.0ms3.0ms4.0ms5.0ms6.0ms7.0ms8.0ms

图5-12

根据公式R＝2L/C，L=0.8m,C=2u，得R＝40，可知R1=40?是临界非振荡充电过程的条件。当R=-0.5（负电组）时，可看到Uc逐渐变大，与电阻为正值时状况相反；

R40时，电路处于过阻尼状态。

五、思考与探讨

1、R、L、C串联电路的暂态过程为什么会出现三种不同的工作状态?试从能量转换的角度

对其作出解释。

答：RLC串联电路的暂态过程中，电感和电容之间存在能量转换，在能量传递过程中，由

于电阻会消耗能量，所以随着R的大小的不同，电路会出现不同的工作状态：

当R较小（

R?2LC）时，电路处于振荡状态，电感和电容通过电流来实现能量交换，由于电阻总是消耗能量（此时消耗能量较小），使整个系统的能量不断减少，从

-21-

而使电容电压的振幅值衰减；当

R?2LC时，电路处于非振荡状态，由于电阻较大，消耗的能量太多，从而阻碍了电容和电感之间能量的传递，也导致了震荡过程的消失，故称之为“过阻尼〞；当

相传递的过程，也即是介于震荡与过阻尼的状态之间的交界状态。2、试验分析

(1)在RLC串联电路中,因R取值不同,电路的零输入响应出现欠阻尼,临界阻尼,和过阻尼

三种状况。选做试验中不同R值对应的不同的暂态过程，也反映了不同的能量转换过程。

(2)在选做试验中，计算的R1=40时为临界阻尼状态，R〈40时是欠阻尼，R〉40时是过

阻尼，故会出现不同波形差异。

(3)通过本次试验，使我对二阶电路零输入响应和零状态响应有了进一步的了解，对出现

的各不同波形的原因理解更深。

R?2LC时，电路处于临界状态，电容和电感的能量没有互试验六频率特性和谐振的仿真

一、试验目的

1、学习使用Pspice软件仿真分析电路的频率特性。2、把握用Pspice软件进行电路的谐振研究。3、了解耦合谐振的特点。

二、试验原理

1、在正弦稳态电路中，可以用相量法对电路进行分析。电路元件的作用是用复阻抗Z

表示的，复阻抗Z不仅与元件参数有关，还与电源的频率有关。因此，电路的输出（电压、电流）不仅与电源的大小（有效值或振幅）有关，还与电源的频率有关，输出（电压、电流）傅氏变换与输入（电压源、电流源）傅氏变换之比称为电路的频率特性。

2、在正弦稳态电路中，对于含有电感L和电容C的无源一端口网络，若端口电压和端

口电流同相位，则称该一端口网络为谐振网络。谐振既可以通过调理电源的频率产生，也可以通过调理电容元件或电感元件的参数产生。电路处于谐振时，局部会得到高于电源电压（或电流）数倍的局部电压（或电流）。3、进行频率特性和谐振电路的仿真时，采用“交流扫描分析〞，在Probe中观测波形，

测量所需数值。还可以改变电路或元件参数，通过计算机辅助分析，设计出满足性能要求的电路。

4、对滤波器输入正弦波，令其频率从零逐渐增大，则输出的幅度也将不断变化。把输

出降为其最大值的所对应的频率称为截止频率，用ωc表示。输出大于最大值的的频率范围就称作滤波器的通频带（简称通带），也就是滤波器能保存的信号的频率范围。

5、对滤波电路的分析可以用Pspice软件采用“交流扫描分析〞，并在Probe中观测波

形、测量滤波器的通频带、调理电路参数，以使滤波器满足设计要求。

-22-

三、例如试验

１、双T型网络如图６－１所示。分析该网络的频率特性。

R12kR22kV1Vac0VdcV1C10.1uC20.1uR31kC30.2u0图6-1

分析网络的频率特性，须在ACSweep的分析类型下进行。编辑电路，输入端为１V的正弦电压源，从输出端获取电压波形，如图6-2所示。

1.0V0.5V0V100HzV(R2:2)300Hz1.0KHzFrequency3.0KHz10KHz

图6-2

分析：这是一个带阻滤波器，带阻范围为当幅值降为二分之根号二时的频率范围，

此后图可得低频截止频率近似为182HZ，高频截止频率近似为3393HZ，带阻宽度为3211HZ。

四、选做试验

１、图６-３所示为RLC串联电路，测试其幅频特性，确定其通带宽△f0若△f小于40KHZ，试采用耦合谐振的方式改进电路，使其通带宽满足设计要求。

-23-

C1253p210Vac0VdcV1L1100uH1R1V12.560图6-3RLC串联电路

输出幅频特性曲线:

10V5V0V100KHzV(R1:2)300KHz1.0MHzFrequency3.0MHz10MHz

图6-4

分析：当频率为100.559K时，幅值达到最大，幅值降为二分之根号二时的频率范围为通带宽度，由此图可知通带宽度小于40KHz。所以，此电路图不满足要求，须采用耦合谐振的方式改进电路。

2、改进电路如图６-5所示，其耦合电感参数设置如下L1=L2=100uH,耦合系数COUPLE=0.022。观测其谐振频率和通带宽是否满足设计要求。

C110Vac0VdcV1253pIITX1R212.56C2R112.56253p00图6-5

-24-

输出幅频特性曲线：

12V8V4V0V100KHzV(R2:2)300KHz1.0MHzFrequency3.0MHz10MHz

图6-6

五、思考与探讨

1、同一电阻、电感、电容原件做串联和并联时，电路的性质一致吗？为什么？

答：同一电阻、电感、电容原件做串联和并联时，电路的性质不同。由于当串联电路呈感

性时，并联电路可能呈容性；串联电路呈容性时，并联电路可能呈感性。当串联电路发生串联谐振时，电容和电感相当于短路，而此时对于并联电路来说可能发生并联谐振，并联支路相当于开路。

2、频率对电路的性质有影响吗？为什么？

答：频率对电路的性质有影响。频率不同时，容抗和感抗都会随之而改变，从而可能使原

来呈感性的电路转而呈容性，也可能使原来呈容性的电路变为感性。当发生谐振时，还会使电路呈阻性。3、试验分析

在选做试验中,RLC串联电路的通带宽小于40KHZ,故要改进该电路,得到磁耦合谐振电路.仿真得到的结果符合设计要求。

试验七三相电路的研究

一、试验目的

通过基本的星形三相交流电的供电系统试验，着重研究三相四线制和三相三线制，并对某一相开路、短路或者负载不平衡进行研究，从而熟悉星形三相交流电的特性。

二、原理与说明

1、利用三个频率50Hz、有效值220V、相位各相差120度的正弦信号源代替三相交流电。2、星形三相三线制负载不同时的电压波形变化及相应的理论。

3、星形三相四线制：三相交流源的公共端N与三相负载的公共端相连。

4、当三相电路出现若干的故障时，对应电压和电流会发生什么现象去验证理论。

三、例如试验

-25-

1、电路如图7-1所示，其中电源为三相对称电源，负载分为两种状况：一种状况是三相对称负载，此时R=100Ω。另一种状况是不对称三相负载，此时R=10Ω。

VOFF=0VAMPL=311FREQ=50V2VOFF=0VAMPL=311FREQ=50V3VOFF=0VAMPL=311FREQ=50V4R3VVR1VR2100k100k100kR41M0图7-1三相三线对称星型电路

(1)Captu中绘制电路图如7-1，V1、V2、V3设置为AC=220V,Vamp=311V,

freq=50hz,Voff=0,phase分别为0,-120,120。(2)设置Transient分析的runtime为40ms。(3)运行仿真，得到电压波形如下：

400V200V0V-200V-400V0sV(R1:2)5msV(V3:+)10msV(R3:2)Time15ms20ms25ms30ms35ms40ms图7-2

(4)改变其中一相负载R1=50K，重新运行仿真，得到结果如下：

400V200V0V-200V-400V0sV(R1:2)5msV(V3:+)10msV(R3:2)Time15ms20ms25ms30ms35ms40ms-26-

图7-3

(5)分别将R1阻值减小为10k,5k,1k,得到不同的电压波形。

R1=10k

500V0V-500V0sV(R1:2)5msV(V3:+)10msV(R3:2)Time15ms20ms25ms30ms35ms40ms图7-4

R1=5k

800V400V0V-400V-800V0sV(R1:2)5msV(V3:+)10msV(R3:2)Time15ms20ms25ms30ms35ms40ms图7-5

R1=1k

800V400V0V-400V-800V0sV(R1:2)5msV(V3:+)10msV(R3:2)Time15ms20ms25ms30ms35ms40ms图7-6

-27-

(6)R1,R2,R3设置成不同得阻值，形成三相不平衡电路，观测不同状态下的电压波形。

400V200V0V-200V-400V0sV(R1:2)5msV(V3:+)10msV(R3:2)Time15ms20ms25ms30ms35ms40ms图7-7

2、增加中线如图7-8所示：

VOFF=0VAMPL=311FREQ=50V2VOFF=0VAMPL=311FREQ=50V3VOFF=0VAMPL=311FREQ=50V4R3VVR1VR2100k50k150kR41M0图7-8

重复上面的试验过程，得到以下不同的电压波形图：

三相四线对称星形电路电压波形

400V0V-400V0sV(R1:2)5msV(V2:+)10msV(V1:+)15ms20msTime25ms30ms35ms40ms

-28-

R1=50K

400V0V-400V0sV(R1:2)5msV(V2:+)10msV(V1:+)15ms20msTime25ms30ms35ms40msR1=10K

400V0V-400V0sV(R1:2)5msV(V2:+)10msV(V1:+)15ms20msTime25ms30ms35ms40msR1=5K

400V200V0V-200V-400V0sV(R3:2)5msV(R2:2)10msV(V1:+)Time15ms20ms25ms30ms35ms40msR1=1K

400V0V-400V0sV(R3:2)5msV(V2:+)10msV(R1:2)15ms20msTime25ms30ms35ms40ms

-29-

R1=10K,R2=30K,R3=100K

400V0V-400V0sV(R3:2)5msV(V2:+)10msV(R1:2)15ms20msTime25ms30ms35ms40ms

四、选做试验

以图7-8的图形为基础，分别设计

1.中线正常，三相中一相短路

0V-269.3V269.3VVVVVOFF=0VAMPL=311FREQ=50V1VOFF=0VAMPL=311FREQ=50V2VOFF=0VAMPL=311FREQ=50V3R3100kR2100kR1100k-433.7e-24V-433.7e-24VR41M0V0

400V200V0V-200V-400V0sV(R3:2)5msV(R2:2)10msV(V1:+)Time15ms20ms25ms30ms35ms40ms

2.中线正常，三相中一相开路

-30-

-22.53fV-269.3V269.3VVVVVOFF=0VAMPL=311FREQ=50V1VOFF=0VAMPL=311FREQ=50V2VOFF=0VAMPL=311FREQ=50V3R3100kR2100kR1100k-22.53fV-22.53fVR41M0V0400V200V0V-200V-400V0sV(R3:2)5msV(R2:2)10msV(V1:+)Time15ms20ms25ms30ms35ms40ms

3.没有中线，三相中一相短路

0V-269.3V269.3VVVVVOFF=0VAMPL=311FREQ=50V1VOFF=0VAMPL=311FREQ=50V2VOFF=0VAMPL=311FREQ=50V3R3100kR2100kR1100k0V0VR41M0V0

800V400V0V-400V-800V0sV(R3:2)5msV(R2:2)10msV(R3:1)Time15ms20ms25ms30ms35ms40ms-31-

4.没有中线，三相中一相开路

0V-269.3V269.3VVVVVOFF=0VAMPL=311FREQ=50V1VOFF=0VAMPL=311FREQ=50V2VOFF=0VAMPL=311FREQ=50V3R3100kR2100kR1100k0V0VR41M0V0400V200V0V-200V-400V0sV(R3:2)5msV(R2:2)10msV(R1:2)Time15ms20ms25ms30ms35ms40ms

5.没有中线，三相中一相短路，一相开路

0V2.693uV269.3VVVVVOFF=0VAMPL=311FREQ=50V1VOFF=0VAMPL=311FREQ=50V2VOFF=0VAMPL=311FREQ=50V3R3100kR2100kR1100k0V2.693uVR41M0V0

-32-

五、思考与探讨

1、三相三线制电路中负载变化时电压的变化状况，负载与电压的对应关系。

答：三相三线制电路中，负载电压随相应的负载变化而变化，而且变化规律相反，即一路

负载变大，这路电压减小，反之增大。2、试验分析

(1)三相三线制电路中，负载与电压成正比关系。随着R1阻值减小，其所在的相的电压也

减小，其余两相的电压不变。在三相不平衡电路中,负载最大的那一相电压最高,,负载最小的那一相电压最低。

(2)三相四线制电路中，因有中线贯穿，电压不会随负载的改变而变化。在选做试验a中,

因中线正常,故不管负载是否对称,电压输出均不改变，而电流输出则与负载关系密切，一相短路时，即R1=0时，R1和R2上的电流均为0，R3上电流不改变。试验b中，开路电压输出不影响，所在开路相的电流为0。。

(3)三相三线制电路中，各相的电压电流互不影响。在试验c中，所在短路相的电压为0，

电流比另两相大。试验d中，所在开路相的电流为0，电压比另两相大。

(4)在中线有负载的状况下，负载改变对电流电压的影响又有所不同。在试验e中，因R5

的分流或者分压作用，使得开路和短路试验的电压电流输出与无R5时不同。

(5)在试验中，连接中线和不连中线的电压电流与负载关系各不一致，通过本次试验，也

认识到了中线在电路中的重要作用。

试验八受控电源的电路设计

一、试验目的

1、学习使用Pspice进行电路的辅助设计。

2、用Pspice“测试〞受控电源的控制系数和负载特性。3、加深对受控源的理解。

二、试验原理

受控源是一种二端口元件，按控制量和被控制量的不同，受控电源可分为：电压控制电压源（VCVS）、电压控制电流源（VCCS）、电流控制电压源（CCVS）和电流控制电流源（CCCS）四种。控制系数为常数的受控电源为线性受控电源，它们的控制系数分别用μ、ɡ、r和β。

本试验是用运算放大器和固定电阻组成上述四种受控电源。图8-1中的电压控制电压源U2=(1+R1/R2)U1，控制系数μ=（1+R1/R2）。图8-2中的电压控制电流源I2=(1/R)U1,控制系数ɡ=1/R。图8-3中的电流控制电压源U2=(-R)I1,控制系数r=-R。图8-4中的电流控制电流源I2=(1+R1/R2)I1,控制系数β=（1+R1/R2）。

三、试验任务

1、电压控制电压源和电压控制电流源的仿真设计。电路分别如图8-1和8-4所示。a.用Pspice绘制电路和设置符号参数。

b.设置分析类型，对电路进行分析，得到控制量和被控制量，间接测量控制系数μ和ɡ。通过公式μ=（1+R1/R2）、ɡ=1/R分别计算控制系数μ和ɡ。

-33-

c.对结果进行分析。

d.改变电阻值，再用Pspice进行仿真分析，分别确定控制系数μ和ɡ与电阻的函数关系。

12VU13.000V+OUT-OPAMPR1I12.00V3kV13VdcR21k0V0图8-1

8V4V0V0VV(U1:OUT)var1.0V2.0V3.0V4.0V5.0V6.0V图8-2

理论：μ=1+R1/R2=2实际：斜率k=μ=2

R1=2KR2=1K时运行仿真电路得到曲线图

15V10V5V0V0VV(U1:OUT)1.0V2.0V3.0VV_V14.0V5.0V6.0V

图8-3

理论：μ=1+R1/R2=3实际：斜率k=μ=3

-34-

U13.000V+OUT-OPAMPR12kV13Vdc3.000VR21k9.000VV0V0图8-4

运行仿真电路得到曲线图

6.0mA4.0mA2.0mA0A0V-I(U1)V_V11.0V2.0V3.0V4.0V5.0V6.0V图8-5

试验分析：理论：g=1/R=1mS实际：g=k=1mSR＝2k时运行仿真电路得到曲线图

3.0mA2.0mA1.0mA0A0V-I(U1)V_V11.0V2.0V3.0V4.0V5.0V6.0V图8-6

理论：g=1/R=0.5mS实际：g=k=0.5mS

2、电流控制电压源的仿真设计。电路图8-3所示，输入电流I1由电压源Us和串联电

阻Ri提供。

-35-

R1kU1+Ri1k-5VdcUsOPAMPOUTV0

图8-7

a.用Pspice绘制电路和设置符号参数。

b.设置分析类型，对电路进行分析，得到控制量和被控制量，间接测量控制系数r，并通过公式r=-R计算控制系数。c.对结果进行分析。

运行仿真电路得到曲线图

6.0V4.0V2.0V0V0AABS(V(R:2))I(Ri)1.0mA2.0mA3.0mA4.0mA5.0mA6.0mA

试验分析:理论:r=R=1K试验：:r=k=1K

12V8V4V0V0AABS(V(R:2))I(Ri)1.0mA2.0mA3.0mA4.0mA5.0mA6.0mA-36-

R=2k时运行仿真电路得到曲线图

理论:r=R=2K试验：:r=k=2Kd.改变电阻值，再用Pspice进行仿真分析，确定控制系数r和电阻的函数关系。3、电流控制电流源的仿真设计。电路如图8-8所示，输入电流I1也是由电压源Us

和串联电阻Ri提供。

R11kU1+Ri1k-CCCSR2V13Vdc1kOUTRL1k0

a.用Pspice绘制电路和设置符号参数。

b.设置分析类型，对电路进行分析，得到控制量和被控制量，间接测量控制系数β。并通过公式β=（1+R1/R2）计算控制系数β。运行仿真电路得到曲线图

12mA8mA4mA0A0V0.5V1.0VI(Ri)-I(Rl)1.5V2.0V2.5VV_Us3.0V3.5V4.0V4.5V5

试验分析:理论:β=1+R1/R2=2试验：β=K1/K2=2R1=1KR2=2K时运行仿真电路得到曲线图

-37-

8.0mA4.0mA0A0V0.5V1.0VI(Ri)-I(Rl)1.5V2.0V2.5VV_Us3.0V3.5V4.0V4.5V5.0理论:β=1+R1/R2=1.5试验：β=K1/K2=1.5c.对结果进行分析。

d.改变电阻值，再用Pspice进行仿真分析，确定控制系数β和电阻的函数关系。

四、思考与探讨

1、受控电源能否作为电路的鼓舞源对电路起作用？假使电路没有独立电源仅仅有受控电源，电路中还会有电流和电压吗？

答：受控电源不能作为电路的鼓舞源对电路起作用，受控源的电势或电流是随电路中另一

支路的电压或电流而变的电源。假使电路没有独立电源仅仅有受控电源，电路是不会有电流和电压。

试验九负阻抗变换器电路的设计

一、试验目的

1、学习使用Pspice进行电路的计算机辅助设计，培养用仿真软件设计、调试和工程操作电路的能力。

2、用Pspice进行负阻抗变换器的计算机辅助设计。3、“测试〞负阻抗变换器的输入阻抗和其负载阻抗的关系，用间接的方法测量负阻抗变换器的参数。

4、加深对负阻抗变换器的理解，熟悉和把握负阻抗变换器的基本应用。

二、试验原理

负阻抗变换器（NIC）是一个有源二端口网络元件，实际工程中一般用运算放大器组成。它有两种形式，分别为电压反相型和电流反相型。

当负阻抗变换器的负载阻抗为ZL时，从其输入端看进去的阻抗Zin为负载阻抗的负值，即Zin=-ZL。

三、试验任务

-38-

1、负阻抗变换器的电路设计选用图9-1所示的电路。

10.00VU1OPAMP5.000mAR21k5.000mAR11k+OUT-5.000VV25.000mA5Vdc5.000V5.000mAR1k0V0图9-1

a.选择ZL=R=1KΩ,用PSPICE软件仿真分析，求出其输入阻抗Zin。

b.选择频率为100Hz正弦电源，其有效值可以自己选定，R=10Ω,ZL=(5-j5)Ω,用PSPICE软件仿真分析，求出其输入阻抗Zin。

c.选择正弦电源的频率f=1000Hz,R=100Ω,ZL=(3+j4)Ω,用PSPICE软件仿真分析，求出其输入阻抗Zin。

2、如下9-2，ZL=(5-j5)Ω,我们用5Ω的电阻与318.47uF的电容串联得到该ZL。

OUTU1OPAMPR210R110+-VOFF=0VAMPL=7.07FREQ=100V5R5IC1318.47uIPRINT0图9-2

-39-

输出曲线：

2.0A1.0A0A-1.0A0s-I(V5)Time1ms2ms3ms4ms5ms6ms7ms8ms9ms10ms

满足“负阻抗〞特性，即Zin。=-ZL=-(5-j5)Ω

3、如下9-3，ZL=(3+j4)Ω,我们用3Ω的电阻与6366.2uH的电感串联得到该ZL。

U1

OPAMPR1R2

100100

RV8VOFF=03VAMPL=1.4142FREQ=1000L1I6366.2uH1IPRINT

0

图9-3

输出曲线：

+OUT40mA0A-40mA-80mA0s-I(V8)Time0.2ms0.4ms0.6ms0.8ms1.0ms1.2ms1.4ms1.6ms满足“负阻抗〞特性，即Zin。=-ZL=-(3+j4)Ω

-40-

-

4、用负阻抗变换器仿真负电阻。，将其与独立电源和其他电阻组成一个直流电路。a.选择元件参数，用“BiasPointDetail〞仿真分析该电路，求出该电路的节点电压和元件电流。

b.从结果分析等效负电阻元件伏安特性，看其是否满足“负电阻〞特性。

c.设电源电压为扫描变量，用“DCSweep?〞仿真分析该电路，在Probe中观测用负阻抗变换器仿真的“负电阻〞的电压和电流曲线，并确定两者之间的函数关系。图9U1-OPAMPR1R241001002.500mA2.500mAR8输+OUT3.0mA3k2.500mAV22.0mA5Vdc-R72.500mAI1.0mA1k2.500mA0A1.0V-I(V2)1.5V2.0V2.5V03.0VV_V23.5V4.0V4.5V5.0V出曲线

U/I=5V/2.500mA=2kΩ，而ZL=1kΩ,所以Z=R8+-ZL=3kΩ-1kΩ=2kΩ所以U、I满足函数关系式U\\I=R8+-ZL。

5、用负阻抗变换器仿真电感。用图9-1所示的负阻抗变换器电路实现一个等效电感，将其与R、C元件串联，组成一个RLC串联电路。

a.选择元件参数，用“ACSweep?〞仿真分析该电路，确定其谐振频率。

b.将电阻设为扫描变量，并定义为var，再仿真分析该电路，确定