电路课程设计.docx
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电路课程设计
电路课程设计
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课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
指导教师:
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：
⑴目录；⑵理论分析；
⑶程序设计；⑷程序运行结果及图表分析和总结；
⑸课程设计的心得体会（至少800字，必须手写。
）；
⑹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
1Pspice的简介………………………………………………………………1
1.1Pspice的背景介绍……………………………………………………1
1.2Pspice的组成……………………………………………………………1
1.3Pspice的模拟功能……………………………………………………2
1.4Pspice仿真软件的优越性………………………………………3
2电路原理说明………………………………………………………………4
3程序电路图设计……………………………………………………………4
3.1实验电路图的绘制……………………………………………………4
3.2仿真及其产生曲线……………………………………………………5
3.3电路理论分析……………………………………………………………5
4仿真结果分析………………………………………………………………6
4.1支路电流仿真曲线……………………………………………………6
4.2节点电压仿真曲线……………………………………………………8
4.3支路功率仿真曲线……………………………………………………8
4.4影响因素分析…………………………………………………………9
5总结………………………………………………………………………………9
6心得体会………………………………………………………………………10
7参考文献………………………………………………………………………11
8本科生课程设计成绩评定表…………………………………………12
1Pspice的简介
1.1PSPICE的背景介绍
用于模拟电路仿真的SPICE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FORTRAN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SPICE2G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。
1.2PSPICE的程序组件
1.2.1电路原理图编辑程序Schematics
PSPICE的输入有两种形式，一种是网单文件形式，一种是电路原理图形式，相对而言后者比前者较简单直观，它既可以生成新的电路原理图文件，又可以打开已有的原理图文件。
电路元器件符号库中备有各种原器件符号，除了电阻，电容，电感，晶体管，电源等基本器件及符号外，还有运算放大器，比较器等宏观模型级符号，组成电路图，原理图文件后缀为.sch。
图形文字编辑器自动将原理图转化为电路网单文件以提供给模拟计算程序运行仿真。
1.2.2激励源编辑程序StimulusEditor
PSPICE中有很丰富的信号源，如正弦源，脉冲源，指数源，分段线性源，单频调频源等等。
该程序可用来快速完成各种模拟信号和数字信号的建立与修改，并且可以直观而方便的显示这些信号源的波形。
1.2.3电路仿真程序PSPICEA/D
模拟计算程序是PSPICEA/D也叫做电路仿真程序，它是软件核心部分。
在PSPICE4.1版本以上，该仿真程序具有数字电路和模拟电路的混合仿真能力。
它接收电路输入程序确定的电路拓扑结构和原器件参数信息，经过原器件模型处理形成电路方程，然后求解电路方程的数值解并给出计算结果，最后产生扩展名为.dat的数据文件和扩展名为.out的电路输出文本文件。
模拟计算程序只能打开扩展名为.cir的电路输入文件，而不能打开扩展
名为.sch的电路输入文件。
因此在Schemayics环境下，运行模拟计算程序时，系统首先将原理图.sch文件转换为.cir文件，而后再启动PSPICEA/D进行模拟分析。
1.2.4输出结果绘图程序Probe
Probe程序是PSPICE的输出图形后处理软件包。
该程序的输入文件为用户作业文本文件或图形文件仿真运行后形成的后缀为.dat的数据文件。
它可以起到万用表，示波器和扫描仪的作用，在屏幕上绘出仿真结果的波形和曲线。
随着计算机图形功能的不断增强，PC机上windows95,98,2000/XP的出现，Probe的绘图能力也越来越强。
1.2.5模型参数提取程序ModelEditor
电路仿真分析的精度和可靠性主要取决于元器件模型参数的精度。
尽管PSPICE的模型参数库中包含了上万种元器件模型，但有时用户还是根据自己的需要而采用自己确定的元器件的模型及参数。
这时可以调用模型参数提取程序ModelED从器件特性中提取该器件的模型参数。
3.6元件模型参数库LIB
1.3PSPICE的模拟功能
1.3.1直流分析
直流工作点是电路正常工作的基础。
通过对电路进行直流工作点的分析，可以知道电路中各元件的电压和电流，从而知道电路是否正常工作以及工作的状态。
一般在对电路进行仿真的过程中，首先要对电路的静态工作点进行分析和计算。
直流扫描分析主要是将电路中的直流电源、工作温度、元件参数作为扫描变量，让这些参量以特定的规律进行扫描，从而获取这些参量变化对电路各种性能参数的影响。
直流扫描分析主要是为了获得直流大信号暂态特性。
1.3.2暂态分析
非线性暂态分析简称为暂态分析。
暂态分析计。
算电路中电压和电流随时间的变化，即电路的时域分析。
这种分析在输入信号为时变信号时显得尤为重要。
时域分析是指在某一函数激励下电路的时域响应特性。
通过时域分析，设计者可以清楚地了解到电路中各点的电压和电流波形以及它们的相位关系，从而知道电路在交流信号作用下的工作状况，检查它们是否满足电路设计的要求。
1.3.3交流分析
线性小信号交流分析简称为交流分析。
它是SPICE程序的主要分析功能。
它是在交流小信号的条件下，对电路的非线性元件选择合适的线性模型将电路在直流工作点附近线性化，然后
在用户指定的范围内对电路输入一个扫频信号，从而计算出电路的幅频特性、相频特性、输入电阻、输出电阻等。
这种分析等效于电路的正弦稳态分析即频域分析。
频域分析用于分析电路的频域响应即频率响应特性。
这种分析主要用于分析电路的幅频特性和相频特性。
1.3.4灵敏度分析
灵敏度分析包括直流灵敏度分析和蒙特卡罗分析两种。
直流灵敏度分析业称为灵敏度分析。
它是在工作点附近将所有的元件线性化后，计算各元器件参数值变化时对电路性能影响的敏感程度。
通过对电路进行灵敏度分析，可以预先知道电路中的各个元件对电路的性能影响的重要程度。
对于那些对电路性能有重要影响的元件，要在电路的生产或元件的选择时给予特别的关注。
1.3.5统计分析
统计分析主要包括蒙特卡罗分析和最坏情况分析。
蒙特卡罗分析是在考虑到器件参数存在容差的情况下，分析电路在直流分析、交流分析或暂态分析时电路特性随器件容差变化的情况。
另一种统计分析是最坏情况分析，它不仅对各器件参数的变化逐一进行分析，得到单一器件对电路性能的灵敏度分析，同时分析各器件容差对电路性能的最大影响量（最坏情况分析），从而达到优化电路的目的。
1.4PSPICE仿真软件的优越性
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，生成图表，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。
2电路原理说明
电路的一般分析方法思路是：
首先选择一组合适的电路变量，根据电路基本规律列写出改组变量的独立方程组，然后从方程中求解出电路变量。
其中包括支路法、回路分析法、节点分析法等等。
节点电压法的具体内容如下：
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。
支路电流法则是指：
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。
利用此方程可列出回路电流方程。
3程序电路图设计
3.1原理图的绘制
运行OrcadFamilyRelease9.2LiteEdition中的CaptureLiteEdition，新建空白项目Project然后通过右侧工具栏来选择元器件，接着通过addlibrary键来添加元件库。
该课程设计课题中要用到的是SOURCE及ANALOG元件库。
添加各元件到相应位置并连线，然后修改各个元件的参数。
原理图即绘制完毕，如下图所示。
图3—1
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
并联，
与
并联，再串联接在直流稳压源的两端。
三个节点分别是
。
其中
为参考地点。
所用到的器件表
器件
模型
模型库
电阻
R1
R/Analog
R2
R/Analog
R3
R/Analog
R4
R/Analog
直流电压源
V1
VDC/Source
地
0
0/Source
表3—1
3.2仿真曲线
画好原理图后，设置仿真参数。
点击仿真按钮仿真，首先命名，然后设置相应的参数AnalysisType设为DCSweep；Options选PrimarySweep；Sweepvariable选Voltagesource，其name中写V1；Sweep中选Linear，其三个参量设置为0V、15V、0.5V。
设置好后，执行的最右边的三角形按钮，出现Probe窗口。
执行Trace下AddTrace命令，选择要显示的内容，屏幕会显示相应的曲线图形。
3.3对电路图的理论分析
利用支路电流法进行分析：
步骤：
（1）任意标定各支路电流的参考方向和回路绕行方向。
（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）个回路电流方程。
（说明：
L指的是回路数，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
的电流为
流过
的电流为
流过
的电流为
流过的
电流为
流过电压源
的电流为
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
。
利用节点电压法进行分析：
步骤：
（1）选择参考节点，任意标定各节点并设定参考方向。
（2）列出节点电压方程。
（3）有节点电压方程求出各节点电压，由此还可得出各支路电流。
用此方法同样可算得上述结果。
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，所以可以推测仿真出来的图像是线性的关系。
4仿真结果分析
4.1支路电流仿真曲线
图4—1
图4—1中从上到下依次是
的电流随电压源
的变化曲线，从图中可以看出，电流都是随
的增加而增加。
这与理论分析中
，
，
，
，
的结论完全相同。
图线斜率也符合四电阻的关系。
4.2节点电压仿真曲线
图4—2
图4—2中从上到下一次是N1,N2,N0节点电压随
的变化而变化的曲线，其中N0是一条恒为0的直线，节点N1就是电源电压
，通过直线斜率可看出节点N2的电压为14
/23，这些都是与理论分析完全相符合。
4.3支路功率仿真曲线
图4—3
由图4-3可清楚看出各支路吸收及放出能量的功率的关系，各电阻吸收的总功率总是等于电压源的发出的功率，验证了功率平衡以及能量守恒。
4.4影响因素分析
对组件属性设置不恰当；对软件不够熟悉；画图过程中的连线节点误放；SimulationSettings中的时间设置不当等等。
6课程设计心得
7参考文献
8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
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