电路原理电路的计算机辅助分析.docx
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电路原理电路的计算机辅助分析
附录电路的计算机辅助分析
对电路进行计算机辅助分析的软件很多，如OrCAD、MultiSim、ElectronicWorkbench（EWB）等。
就“电路原理”这门课所涉及到的内容而言，比较简单且实用的软件是EWB。
本章主要介绍在EWB环境下完成的几种典型的电路分析。
1.EWB基本功能介绍
双击执行文件ewb32.exe，弹出EWB的工作界面如图1所示。
图1
（1）菜单条：
包含file、edit、circuit、analysis、window和help6个下拉式菜单，每个菜单的主要功能如下：
file：
创建新文件，打开文件，保存文件，导入/导出文件，打印设置与打印等。
edit：
对图中的元件进行剪切、拷贝、粘贴、删除，并可将整个电路图拷贝为bmp图形
输出；
circuit：
对图中各元件的摆放位置进行各种旋转，对元件参数的显示方式进行调整；
analysis：
EWB的所有电路分析功能都集中在此菜单下，下文将对主要功能进行介绍；
window：
对界面的显示方式进行调整；
help：
EWB的联机帮助。
（2）工具栏：
提供一些常用功能的快捷键，每个快捷键都和菜单条中的某一项相对应，它们的功能是完全一样的。
（3）元件库：
包含了EWB软件所能提供的所有元件，用以进行分析的电路图就是从这些元件库中选出合适的元件连接而成的。
最左端的一个元件库是用户定制的，可以将一些常用元件放置其中，再次使用时就不必到其它元件库中去逐个寻找。
方法是在EWB提供的元件库中找出你想要的元件，鼠标放置其上按右键，选中“AddtoFavorites”，此元件就被加入到了最左端的“Favorites”元件库中了。
（4）图形显示区域：
用户在此区域内编辑用以进行分析的电路图。
编辑电路图的一般步骤是：
A.打开元件库，移动鼠标到需要的元件图形上，按住鼠标左键，将其拖拽到图形显示区域；利用鼠标可以移动该元件；利用菜单circuit提供的功能可以对元件进行各种翻转，也可以在图形显示区域直接选中要进行调整的元件（此时该元件红色显示），然后按鼠标右键，从弹出的菜单中选中某一项进行操作；双击元件，弹出元件属性对话框，如图2所示（以交流电压源为例），在此对话框中可以设置元件的各种参数。
图2
B.将元件位置调整好后，对其进行连接，形成正确的电路图。
接线方法是：
选中某一元件的一端作为起始端（此时该元件端有一小黑点），按住鼠标左键，移动鼠标到另一元件的某一端（此时该元件端同样有一小黑点），松开鼠标左键，这两个元件就连接上了；若有两个以上的元件连到同一节点，则先按照上述方法连接其中两个，然后选中第3个元件的某一端，按住鼠标左键，移动鼠标至前两个元件的连线上，当连线上出现一个小黑点时松开鼠标左键，此时就自动形成一个节点，把三个元件都连接上了。
一个节点最多可以连接来自四个方向的导线。
在复杂的电路中，可以改变导线的颜色使元件之间的连接关系更直观。
方法是将鼠标移动到要进行修改的导线上，单击鼠标左键选中它（此时该导线加黑显示），双击弹出对话框如图3所示，点击“SetWireColor”按钮，弹出颜色选择框，如图4所示，选择想要的颜色，然后逐级返回。
图3
图4
C.需要特别注意的是，EWB的所有电路图中都必须有明确的接地端，因此，元件ground（在电源sources元件库中）是必不可少的。
D.为便于后面的分析，一般要显示电路中的节点编号。
具体操作是在circuit菜单下选中schematicoptions，弹出图5所示对话框：
图5
选中“shownodes”前面的复选框就可以显示节点编号；若还想显示元件编号，选中“showreferenceID”前面的复选框即可。
E.至此，就可以将编辑好的电路图存盘了。
选择file菜单下的save或saveas选项或直接点击工具栏上的快捷键，在弹出的对话框中选择想要保存的路径和文件名就行了。
2.直流工作点分析
纯电阻电路的直流工作点分析是EWB的基本功能之一。
打开已经编辑好的电路图，方法是选择file菜单下的open选项或直接点击工具栏上的快捷键，选择正确的路径和文件名，则电路图就会在图形显示区域中显示出来。
例1.电路如图6所示。
图6
如果现在想得到节点2和节点3的电压，可以进行如下的分析：
选择analysis菜单下的“DCoperatingpoint”选项，弹出对话框如图7所示。
图7
结果显示了三个节点的电压以及电压源支路上的电流（V1#branch），所有支路的电压电流均取关联参考方向。
遗憾的是，在直流工作点分析中，EWB不能直接显示非电源元件支路上的电流。
若要显示此类电流，可以有两种解决方法：
一是在元件支路中串联一块电流表，点击图形显示区域右上方的“启动/停止”开关
，表中就可以显示流经该元件的电流值。
电流表在“指示器（indicators）”元件库中，如图8所示；二是在元件支路中串联一个转移电阻为1的流控电压源，则受控端电压在数值上就等于控制端电流，如图9所示。
图8
图9
对此电路再次进行直流工作点分析，节点5的电压在数值上就等于50电阻支路的电流，如图10所示。
图10
与图8相对比，可以看出，两种方法求得的结果完全相同。
在分析结果中，流控电压源（V2）有两个值，前者是受控支路的电流（近似为0），后者是控制支路的电流。
受控源是一个四端元件，在连接时一定要注意：
如果控制端是电流，则必须将其串联在对应支路中（如图9）；如果控制端是电压，一定要将其并联在控制量的两端。
而受控端则根据它在电路图中原来的位置来连接。
3.频率扫描
EWB的频率扫描功能可用来分析正弦稳态电路的频率特性（幅频特性和相频特性）。
非常遗憾的是，EWB不能直接求解在某一确定频率下电路中的电压和电流，而必须首先确定以各频率分析范围，然后通过在图形中移动游标来获得某一频率下电路中对应的各电量的值。
例2.电路如图11所示，分析电阻两端电压的频率特性。
图11
这是一个最简单的RLC串联电路。
很显然，它在某一频率下会发生串联谐振。
该电路的谐振频率为：
为了清楚地反映电阻电压在谐振点附近的频率特性，选择扫描频率范围是500~3000Hz。
选择analysis菜单下的“ACFrequency”选项，弹出对话框如图12所示。
图12
图中startfrequency为扫描起始频率，endfrequency为扫描截止频率，sweeptype选择的是扫描方式，有10倍程（decade，即对数）/线性（linear）/2倍程（octave）三种形式，不同的扫描方式体现在横坐标的显示方式不同。
Numberofpoint指的是在所确定的扫描频率范围内EWB进行分析的点数，图中设置的是1000点，则每两点之间的频率间隔为（3000-500）/1000=2.5Hz。
Verticalscale设置的是纵坐标的显示方式，同样有对数（decade）/线性（linear）/8进制（octave）三种形式。
最后要选定要分析的节点编号。
如果完成了全部设置，就可以按“Simulate”按钮进行仿真；如果暂时还不想进行仿真，则按“Accept”按钮保存设置即可。
按“Simulate”按钮，弹出分析结果如图13所示。
图13
结果为节点3电压（电阻电压）的幅频特性和相频特性。
为了看到确切的谐振频率，点击图形上方工具栏中的按钮
，则弹出一个小的数据显示界面，如图14所示。
同时，在原来的图形中会出现两根游标，如图15所示，这两根游标与曲线的交点其坐标值分别为数据显示界面中的（x1,y1）和（x2,y2）。
图14
图15
移动其中一根游标至谐振频率点处（y1=maxy），则对应的横坐标的值就是谐振频率，x1=1.5911kHz，与理论计算值吻合得非常好。
在此，有两点需要注意一下：
一是在谐振频率点处电压的最大值并不是理论计算的120V，而是1V，改变原电路图中电压源的幅值对此也没有任何影响。
原因在于EWB在进行交流频率分析时，缺省设置是不管实际电压源的幅值、相位如何，都采用1V、0o进行分析。
要修改此设置，在原电路图中选中电压源元件，按鼠标右键，点击“ComponentProperties”，弹出对话框如图16所示。
图16
在“AnalysisSetup”选项卡中可以看到，用于交流频率分析的电压源幅值为1V，相位为0o；若想按电压源的实际电压源的幅值和相位进行分析，只需修改上图中的幅值和相位与实际电压源一致即可。
再次重复前面的分析过程，就可得到所期望的结果。
二是扫描精度，也就是在图12中设置的频率分析点数。
点数太少时，两点键的频率间隔太大，就有可能漏掉谐振频率点，从而使分析结果出现很大偏差。
如果将图12中的分析点数改为50，分析结果如图17所示。
图17
可以看出，此时谐振频率为1.5714kHz，谐振时节点3的电压幅值为969.1158mV，与理论值的差距都要比采用1000点分析时要大得多。
4.参数扫描
利用参数扫描功能可以清楚地看出电路中各个元件对电路某一性能的影响。
例3.仍以图8所示RLC串联电路为例，对电阻进行参数扫描，看看改变电阻值的大小会对节点3的电压产生什么影响。
理论分析可以得出，因为节点3测得的是电阻上的电压，因此其特性应与电路中的电流特性相似，只差一个比例系数R；而改变R就会改变电路的品质因数，显然R越小，电路的品质因数越大，电流谐振曲线的通频带越窄，节点3电压的幅频特性曲线也应该越尖。
选择analysis菜单下的“ParameterSweep”选项，弹出对话框如图18所示。
首先选定要进行参数扫描的元件（component），本例中是R1；
其次要选择参数扫面的起始值、终止值和扫描步长，本例中设定R1的起始值为5，终止值为55，扫描步长为10，则最终的分析结果会给出R1分别为5、15、25、35、45、556种情况下对电路性能的影响；
第三要选择节点，即确定观察改变电阻R1的值对哪个节点电压特性的影响，本例中选择节点3；
最后要确定分析类型，有直流工作点分析/过渡过程分析/交流频率分析三种，不同的分析可以获得电路在不同方面的特性，当然参数的变化对这些性质的影响也是不同的。
本例中仍选择“ACFrequencyAnalysis”。
注意此时仍要设置一下“ACFrequencyAnalysis”的有关参数，点击“SetACOptions”按钮，弹出对话框如图19所示。
图18
图19
这些设置既可以仿照前面的交流分析逐项设置（可以与交流分析时的设置不同），也可以直接点击“LoadfromACAnalysis”，就采用交流分析时的设置进行分析。
设置完后，点击“Accept”按钮，回到图15所示界面，点击“Simulate”按钮，得到分析结果如图20所示。
从图中可以看出，改变R1的值，谐振频率没有发生变化，曲线形状与理论分析结果相吻合。
如果想看每条曲线所对应的R1的值，点击图形上方工具栏中的按钮
，弹出一个标识栏，如图21所示，每条曲线对应的电阻值一目了然。
图20
图21
5.暂态分析
利用EWB进行暂态过程分析，可以非常直观地看到电路中指定变量的动态变化过程。
例4.电路如图22所示。
电感L1无初始储能，开关在t=1ms时导通，仿真得出电感L1上的电流随时间变化的关系曲线。
图22
图中出现了一个新的元件——延时开关，它的接线对于正确实现电路的暂态分析非常重要。
延时开关是一个三端元件，相当与一个单刀双掷开关。
它的端钮编号如图23所示。
图23
三个端钮可以分别接到不同的支路，2、3两个端钮也可以有一个悬空。
延时开关的设置界面如图24所示。
图24
延时开关两个最重要的参数是它的导通时间（TimeOn）和关断时间（TimeOff）。
导通时间实际指的是端钮1、3相连的时间，而关断时间实际指的是端钮1、2相连的时间，这两个时间不能相等且都必须大于0。
延时开关的初始状态缺省是端钮1、2相连，因此在绘制电路图时，应根据接入电路的端钮和电路发生换路的时间来合理设置延时开关的这两个参数。
在一次仿真中最多可实现两次换路。
若Ton>Toff，0tToff时，1、3接通；TofftTon时，1、2接通；tTon时，1、3接通；
若Ton 在图22所示电路中，延时开关接入电路的是1、3端钮，因此它的导通时间设置为1ms，而关断时间设置为0；若将延时开关的1、2端钮接入电路，则其导通时间应设置为0，而关断时间设置为1ms。
两种设置其作用是完全一样的。
对电路进行暂态分析，选择analysis菜单下的“Transient”选项，弹出对话框如图25所示。
首先设置电路中储能元件的初始值，有0/用户自定义/计算直流工作点3种选择。
在本例中，由于电感无初始储能，因此电感初始值应设为0；
其次设置进行暂态分析的时间段，应保证换路时间点在此时间段内，而且在换路后的分析时间应稍微长些，以便看到比较全面的变化过程；
第三要设置进行暂态分析的时间步长，其作用类似与前面例2中做交流频率分析时的分析点数。
步长太大，分析的精度就比较低，最终画出来的过渡过程曲线就有可能不平滑；而
图25
步长太小，则需要的计算时间就会变长，而且有可能使仿真无法完成。
一般可让EWB软件自动选择步长；
第四可以设置图形输出时的步长，此步长不能小于计算步长；
最后选择欲进行分析的节点编号。
所有设置完成后，点击“Simulate”，弹出一图形界面，可以非常直观地看到节点7电压的变化过程（即电感电流的变化过程）。
最终的结果如图26所示。
图26
可以看到，电感上的电流从0开始逐渐增加，一段时间后到达稳态为10mA。
如果电感电流的初值不为0（本例中设为5mA），就必须对电感设置初值。
电感初值的设置可以通过直流电流源和延时开关来实现，如图27所示。
图27
图中延时开关S1、S2、S3的设置都一样，如图28所示。
图28
根据上面的设置，0t1ms时，开关S1、S3打开，S2的1、2端钮导通，电流源对电感置初值；t=1ms时，开关S1、S3导通，S2的1、3端钮导通，电流源与主电路断开，并与续流电阻R3组成回路（电流源不能开路），已经被置好初值的电感接入到主电路中，此时主电路与图22完全相同，电路开始进入暂态过程。
图25所示界面中暂态分析起始时间设置为0.001s，其余各项不做任何修改，再进行一次暂态分析，得到节点7的电压变化曲线（即电感电流的变化曲线）如图29所示。
图29
从图中可以看出，电感初值为0.005A，经过一段时间后同样到达稳态，稳态时电感电流为10mA。
（想一想，如果初值设置为10mA，电感电流会如何变化？
）
当对电容置初值时，方法与对电感置初值类似，所不同的是必须利用直流电压源和延时开关来对电容设置初值。
如图30所示。
图30
图中电容右端由延时开关S2和直流电压源V2组成的电路就是初值设置电路。
延时开关S1、S2的设置相同，如图28所示。
电容的初值设置为5V，在t=1ms时，初值设置电路被断开，电源V1与R1、C1组成回路。
节点3的电压随时间变化曲线如图31所示。
图31
图30所示电路比较特殊，电路中只有一个电容且该电容的一端与地相连（只有同时满足这两个条件，才能用下述方法设置初值），此时设置该电容的初值可以用一种更简便的方法，即通过设置节点电压的初值来设置电容的初值。
在图32所示电路中，双击R1与C1相连的导线，弹出界面如图33所示。
图32
图33
在图33所示界面的“Node”选项卡中，选中下方的“Useinitialconditions”复选框，然后在“Transientanalysis”后输入用于暂态分析的初始值（本例中5V）。
分析节点2的电压变化，在图34所示界面中，选择初始条件为UserDefined，然后点击“Simulate”按钮，得到的分析结果与图31完全相同。
图34
6.虚拟仪器
在EWB中提供了一些虚拟仪器，他们可以为电路分析提供许多方便，下面介绍几种主要仪器的使用方法。
（1）电压表和电流表（在Indicators元件库中）
这是最常见的也是使用起来最简单的两块表，只需将电流表串联在支路中，电压表并联在待测量的两端即可。
双击元件后弹出属性设置界面如图35所示（以电压表为例）。
图35
在此界面中，可以进行量程及DC/AC选择。
在启动分析过程后，被测量就会以数字形式在表盘上显示出来。
一个仿真电路中可以出现多块电压表或电流表。
（2）数字多用表（在Instruments元件库中）
数字多用表具有直流/交流电压表、直流/交流电流表、欧姆表（交流时测出的是阻抗的模）、分贝表等多种功能。
它的接线图标和设置面板（双击接线图标可以弹出）如图36所示。
图36
在数字多用表的设置面板上依次是数字显示、功能选择、交直流选择和参数设置按钮。
当用作交流测量时，数字显示的是被测量的有效值。
单击参数设置按钮，弹出对话框如图37所示，它用于设置四种表的主要参数，如电压表的内阻、电流表的内阻等，一般无需改变，采用缺省设置即可。
图37
需要说明的是，Instruments元件库中提供的虚拟仪器在一个仿真电路中每种只能使用一次。
（3）信号发生器（在Instruments元件库中）
信号发生器可以用来产生正弦波、三角波和方波，其接线图标和设置面板（双击接线图标可以弹出）如图381所示。
图38
函数发生器的“+”端与“Common”端（公共端）之间输出的信号为正极性信号，而“-”端与“Common”端之间输出的信号为负极性信号。
两个信号极性相反，幅值相等。
电路中使用信号发生器时，信号既可以从“+”端或“-”与“Common”端之间接出，也可以从“+”端与“-”之间接出。
需要说明的是，三个端子中必须有一个与电路的公共地Ground相连。
在仿真过程中，如果要改变信号的波形类型、频率、幅值、占空比等参数，必须先停止仿真再进行修改，单击图形显示区域右上角的“启动/停止”开关
即可。
完成全部修改后，再次启动“启动/停止”开关，信号发生器就会按照新设置的数据输出信号波形。
（4）示波器（在Instruments元件库中）
示波器为双踪模拟式，其接线图标和设置面板如图39所示。
图39
单击设置面板上的“Expand”按钮，设置面板可以进一步展开，如图40所示。
图40
示波器接线图标中有4个端子可与外电路相连。
下方横向排列的两个端子分别为输入通道1和输入通道2，右上方纵向排列的上面那个端子是接地端，下面那个端子是外触发信号输入端。
当同时有2路信号输入时，可以用不同的颜色把它们区别开来，方法是修改输入信号的导线的颜色，则在示波器设置面板中显示的波形颜色与导线颜色相同。
示波器的设置面板比较复杂，下面只介绍几种常用功能设置，具体内容可参考文献[1]。
●时基（TimeBase）设置：
即横轴方向每一格所代表的时间，时基太大，波形显示比较密集，不能清楚地看到它的变化；时基太小，则在一个显示界面种看到的波形时间太短，不能全面地反映它的变化情况。
因此，应该选择合适的时基，以在一个显示界面中看到两个周期的波形为宜。
●触发方式（Trigger）设置：
触发信号可以是通道1或通道2的输入信号，也可以是外接的触发信号，还可以不依赖于外部信号（自动触发），一般情况下就采用自动触发（Auto）方式。
●输入通道（ChannelA/B）设置：
两个输入通道的设置选项完全一样，可以独立设置每个通道的选项。
“V/Div”表明在屏幕的Y轴方向上每一大格对应的电压值，这个值设置得太大，则显示出的波形幅度太小，不利于观察；若设置太小，屏幕上不能完整显示全波形，因此应根据输入信号的大小调整此参数，使得波形差不多在满屏幕的2/3左右。
“YPosition”表示时间轴在屏幕中的上下位置。
“AC/0/DC”按钮有三种用途：
“AC”表示屏幕上只显示输入信号中的交变分量，“DC”表示将输入信号中的交直流分量全部显示，“0”表示将输入信号对地短路。
图34中波形下方的3个显示栏内分别给出了图中2根游标对应的时间（以屏幕最左端为计时起点）及两路输入信号此时的幅度值和它们的差值。
利用这两根游标可以很方便地测量信号的周期。
为了使测量更方便准确，应先单击“Pause”按钮使波形“冻结”，然后再测量。
例5.电路如图41所示。
图41
这是一个由运放组成的反向比例放大器，输入信号的设置如图42所示。
图42
这是一个正弦波信号，频率为100Hz，设置幅值为2V。
由于是将正负极性间的信号作为输入信号，因此实际输入信号的幅值为4V。
理论分析可知：
双击示波器的接线图标，单击
按钮启动仿真，调整时基和两路输入信号的每格电压值，按“Pause”键使波形“冻结”，得到波形如图43。
图43
用鼠标拖动两根游标，并观察图形下方的显示区，使得两组信号幅值完全一样，表明此时两游标间的时间间隔恰好等于一个信号周期。
可以看到，在第3个显示区中，T2-T1等于10ms，与图42中设置的信号频率相吻合。
输出信号（黑色，VB）的幅值是输入信号（红色，VA）幅值的2倍，相位差1800，与理论分析结果完全一致。
运放接线时应注意以下几点：
（1）运放是有源元件，必须接工作电源才能工作（本例中选用的是741五端元件，工作电源必须由用户自己连接，EWB元件库中还有一种三端运放，它的工作电源已经作了缺省设置，用户不必再外接电源）；
（2）运放的输入电压幅值不可太大，以免超出运放的线性放大区，造成波形失真；
（3）由于运放内部参数的限制，输入端的电阻最好在k以上数量级；
（4）为了减少偏置电流对运放性能的影响，同向输入端的总电阻（本例中为3.33k）应尽量与反向输入端所有电阻的并联值（本例中为5k//10k）相等。
7.EWB仿真结果的处理
用EWB进行电路仿真，极大地提高了电路实验的灵活性，可以非常方便、安全地搭制出实验电路，来验证一些想法和理论的正确性。
要形成一份完整的EWB仿真实验报告，还必须将EWB的仿真结果与MicrosoftWord等字处理程序相结合，才能做到图文并茂，丰富翔实。
常用功能如下：
（1）选择菜单“File”，点击Savsas命令，给出路径、文件名，按“保存”，会自动生成*.ewb文件；
（2）选择菜单“Edit”，点击Copyasbitmap（复制位图），光标变成＋，放松鼠标、移动鼠标至某一位置，按鼠标左键拖动鼠标选取要复制的区域，释放鼠标则完成了将选定图片拷贝到剪贴板。
在word文件中可以直接粘贴。
当然图形的输出还可以用HyperCAM、SnagIt等专用抓图软件实现。
（3）对已经存在的ewb文件进行修改，选择菜单“File”，点击Open命令，给出路径、文件名，按“打开”，就完成了文件载入。
8.参考文献
【1】杜普选、高岩、闻跃编著，现代电路分析，北方交通大学出版社，清华大学出版社，
2002。
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