第3章 计算机辅助分析实验说明Word格式文档下载.docx

1、V2 0 4 8R5 3 0 10I2 3 0 6 .END图3-6 仿真实验例1电路图在这个电路文件中，第一行叫做标题行，标明所分析的电路。最后一行是.END行，前面必须加一点。中间各行定义电路，一个元件一行。每一行都用一个唯一元件名开始，名字的第一个字母定义了元件类型。跟着名字后面的是元件接入其间的两个节点的编号，跟在节点编号后面的是元件的电气值。标题行可以是空白的，但电路描述（元件行）不能从第一行开始。在标题行和.END行之间是器件或元件行，其顺序随意，每行包含三个字段：名称字段、节点字段、值字段。在字段之间必须有空格，而且节点字段的节点数值之间也要有空格，空格数量没有严格要求。名称字段

2、的第一个字母表示元件的类型：R表示电阻、V表示独立电压源、I表示独立电流源。字母不一定要大写，每个R、V或I表示符后面跟着一些标记来识别特定的元件，名称可以由字母或数字组成。每个节点字段含有两个非负整数，用来识别连接特定元件的节点。对于电阻，节点符号先后没有关系；对于电压源，第一个节点符号必须是标着电压源正极的节点；对于电流源，第一个节点必须是电流流入电流源的节点。至于节点号，必须有个0节点，这个节点是PSPICE当做接地的节点。其他节点最好是用正整数作为识别，但这些整数不要求是连续的。值字段就是所用元件的欧姆、伏特、安培的正、负值。电阻值一定不能为零，元件行可以插入注释，方法是在值字段后面加

3、一分号，在分号后面加注释。例2 作为另一个示例，考虑图3-7所示电路。适用的电路文件是： CIRCUIT FILE FOR THE CIRCUIT OF FIG.3-7 V1 4 0 2E3 R1 4 9 30K R2 0 9 40MEG I1 0 9 70M .END图3-7 仿真实验例2电路图在这个电路文件中，可以看到值字段中用后缀字母来表示10的幂。V1语句中的2E3也就是2K。下面是PSPICE后缀字母和对应比例系数的全部列表： F 10-15 U 10-6 MEG 106 P 10-12 M 10-3 G 109 N 10-9 K 103 T 1012这些后缀字母不一定要大写，PSP

4、ICE不区分字母的大小写。在PSPICE中，四个非独立源都是可用的。它们的标识符是：E表示电压控制的电压源，F表示电流控制的电流源，G表示电压控制的电流源，H表示电流控制的电压源。例3 作为非独立源语句的例子，考虑图3-8所示电路和下面相应的电路文件。图3-8 仿真实验例3电路图图3-8中，值字段为0的两个“虚设”电压源VD1和VD2是必需的，因为PSPICE要求作为控制量的电流必须流过一个独立电压源。如果这样的电源不存在，那么就必须插入一个0V的“虚设”电压源。 CIRCUIT FILE FOR THE CIRCUIT OF FIG. 3-8 G1 0 1 4 0 8M R1 1 0 6K

5、VD1 2 1 0 R2 3 2 12K H1 3 4 VD2 2K R3 4 5 17K R4 5 0 12K F1 4 0 VD1 3 R5 4 6 13K E1 6 7 5 0 3 R6 8 7 15K VD2 0 8 0 R7 7 9 14K VS 9 0 30在每个非独立源语句中，说明的头两个节点是连接非独立源的节点，而且，这些节点关于电压极性或电流方向的安排与独立源的相同。对于电压控制的非独立源，有第二对指定节点，这两点是控制电压产生的两个端点，第一节点是控制电压参考正极点。对于电流控制的非独立源，用一个独立电压源说明符代替第二对节点。这就是通过控制电流的独立电压源的名称，控制电流

6、由电压源的第一说明的节点流向第二节点。每个非独立源语句的最后一个字段是比例系数或倍数。PSPICE对含理想运算放大器元件电路的分析，从运算放大器模型显然可知，可将其等效成一个高增益（例如50 000或更高）的电压控制电压源来分析。以上电路文件，得到的电压和电流仅仅是节点电压和独立电压源电流，要得到其他的，要求在源文件中加入.DC控制语句和.PRINT语句。如果电路中有一个名叫V1的30V直流电压源，适用的.DC控制语句是.DC V1 30 30 1（V1是用来举例说明的，任何独立电压源或电流源都可以用.DC控制语句）注意指定两个值是必需的，在此两值都是30，用两个值的原因是允许电压变化。例如，

7、如果要得到三个分析：第一个V1=30V，第二个V1=35V，第三个V1=40V，则语句将是.DC V1 30 40 5在此30是第一个电压变量，40是最后一个电压变量，5是变量间的电压增量。 现在，假设希望得到节点4的对地电压、节点2为参考正极的节点2、3之间的电压、电阻器R6两端的电压，其参考正极是已说明的R6电阻器的第一个节点、通过电阻器R2的电流，电流参考方向为流向此电阻器已说明的第一个节点。所要求的.PRINT语句是.PRINT DC V（4） v（2,3） V（R6） I（R2）当用.PRINT语句时，只有语句中说明了的电压和电流才会在输出中出现。.PRINT语句必须含有DC以说明分

8、析的类型。另外，虽非必要，通常在每个直流独立源语句的节点字段和值字段之间加入DC说明，例如，V1 3 4 DC 10.PSPICE要求从每个节点到地有直流通路，对直流电路这几乎不成为问题，但对某些其他的、今后要遇到的电路，则必须考虑。电阻器和电压源（还有电感器）能提供直流通路，但电流源（和电容器）则不能。但总是可以在节点和地之间加入一个阻值巨大的电阻器来提供直流通路，电阻应足够大，使此电阻器的存在不至于显著地影响电路工作。每个节点至少连接两个电路元件。在开路电路中这个限制会引起一个小问题，简单的解决方案是在开路电路中加入一个电阻巨大的电阻器。最后，PSPICE不允许有电压源回路（或电感回路），

9、加入一个与其中某个电压源串联的电阻可以解决此问题，但电阻应足够小，使电阻器的存在不至于显著地影响电路工作。3、仿真实验内容（1）仿真计算例题（图3-8），理解CIR文件中各语句的含义，并求节点电压V（4）和流过R1的电流I（R1）。（2）直流电路如图3-9所示，试求节点电压V（2）。（3）求图3-10中电路的等效电阻Rab，其中各电阻的阻值均为2。（4）求图3-11所示电路的非独立源吸收的功率。（5）求图3-12所示电路的电压V10和V20。（6）图3-13所示直流电路中RL可变，试问RL为何值时它吸收的功率为最大，此最大功率为多少？（选做）图3-9 仿真实验直流电路图图3-10 仿真实验求等

10、效电阻Rab电路图图3-11 仿真实验求非独立源吸收功率电路图图3-12 仿真实验含运算放大器的电路图图3-13 仿真实验直流电路图4、实验报告要求 （1）总结实验体会及仿真步骤，写出含受控源、运放电路列写CIR文件的注意事项，并打印存盘。（2）建立实验四文件夹，将各仿真实验CIR文件及仿真结果存盘。5、预习与思考 （1）阅读PSPICE直流分析简介、电路教材（邱关源主编第四版）附录B-2以及其它PSPICE资料。（2）编写仿真实验内容中各电路的CIR文件。3.5 动态电路的计算机仿真分析（1）掌握应用PSPICE编辑动态电路文件，进行电路的仿真分析。（2）理解一阶RC电路在方波激励下逐步实现

11、稳态充放电的过程。（3）观察二阶电路取不同的参数，有三种不同的暂态过程。（4）掌握开关动态电路的分析方法。2、PSPICE动态分析简介电感器和电容器的PSPICE语句与电阻器的相似，但不是以R开始，而是电感器和电容器分别以L和C开始。此外，必须在这些语句中给出非零的初始电感器电流和电容器电压，例如语句 L1 3 4 5M IC = 6M说明了电感器L1接在节点3和4之间，它的电感是5mH，它的初始电流6mA流进节点3（第一个说明的节点）。语句 C2 7 2 8U IC = 9说明电容器C2接在节点7和2之间，它的电容为8F，它的初始电压为9V，正极在节点7（第一个说明的节点）。用PSPICE执

12、行暂态分析，电路文件必须含有下列形式的语句： .TRAN TSTEP TSTOP UIC其中TSTEP和TSTOP说明时间，单位为秒。例如，这个语句可能为 .TRAN 0.02 4 UIC其中0.02对应于TSTEP，4为TSTOP，UIC为UIC，它的意思是“用初始条件”。TSTEP为0.02是打印机输出的打印或绘图的增量，TSTOP为4是此分析的停止时间。TSTOP的优选值为4或5个时间常量，对于说明的TSTEP和TSTOP时间，第一个打印输出是在t = 0s，第二个在t = 0.02s，第三个在t = 0.04s，依此递增，直到最后时间t = 4s。除了用TRAN代替DC外，暂态分析的.

13、PRINT语句与直流电路分析的相同，打印输出结果由列表组成。第一列是指定的输出时间，按照.TRAN语句的说明进行，第二列是由.PRINT语句中的第一个说明的输出量组成，其值与第一列的时间相对应，第三列是由第二个说明的输出量组成，依此类推。用绘图语句，可以得到输出量与时间的关系曲线图，绘图语句与打印语句相似，只是它以.PLOT开始，而不是.PRINT。运行图形后处理程序PROBE可以提高绘图质量，PROBE是一个可由PSPICE获得的独立可执行程序，它是控制外壳的一个菜单条目，如果没有用控制外壳，要用PROBE必须在电路文件中引入.PROBE语句，于是运行PSPICE程序后可以自动进入PROBE

14、模式。对于暂态分析，PSPICE有五个与时间相关的专用电源，在此考虑其中的三个：周期脉冲电源、逐段线性电源和正弦源。图3-14脉冲电源波形图图3-14所示是周期脉冲电源的通用脉冲形式。这个脉冲可以是周期的，但也可以不是，在当前的讨论中不是。参数U1表示初始值，U2为脉冲值，TD为延迟时间，TR为上升时间，TF为下降时间，PW为脉冲宽度，PER为周期。对于连接在节点2和3之间的脉冲电压源US，其参考正极在节点2，相应的PSPICE语句形式为 VS 2 3 PULSE （U1, U2, TD, TR, TF, PW, PER）逗号不一定非要有，而且，如果脉冲不是周期的，不必说明PER参数，PSPI

15、CE将赋予一个默认值，也就是.TRAN语句中的TSTOP值。如果指定一个零上升或下降时间，则PSPICE将用一个默认值等于.TRAN语句中的TSTEP值。因为这个值通常太大了，所以应当说明一个非零但很小的上升和下降时间，例如时间常量的百万分之一。用逐段线性电源能够得到一个只含有直线波形的电压或电流。例如，应用到图26-14所示脉冲，它的相应PSPICE语句是 VS 2 3 PWL （0, U1, T1, U1, T2, U2, T3, U2, T4, U1）再说一次，逗号是可选的，括号中的各项是成对的，指定波形的拐角，其中第一个说明的是时间（0, T1, T2等），第二个是该时刻的电压（U1,

16、 U2, U3等）。时间必须连续增加，即使增加量非常小不能有两个时间完全一致，如果PWL指定的最后时间小于.TRAN语句中的TSTOP，则脉冲将保持最后指定值直到TSTOP时间。PWL语句可以用来获得各种电压源和电流源波形，比用PULSE语句得到的多得多。然而，PULSE语句可以用于周期波形，PWL语句则不行。正弦源的描述语句为：SIN（VO VP FREQ TD DF PHASE）SIN为正弦源关键词，VO为偏置值，VP为峰值，FREQ为频率，TD为延迟时间，DF为阻尼系数，PHASE为相位。正弦源的波形图如图3-15所示。图3-15 正弦电源波形图图3-16 压控开关和流控开关图图3-16

17、（a）为电压控制开关（简称S1），S1由开路电压U控制，对应的PSPICE语句为：S1 3 4 1 2 SH.MODEL SH VSWITCH （VON = 5 VOFF = 4.99 RON = 1U ROFF = 1MEG）上述S1是压控开关名，第一个字符必须是S。.3、4是开关的节点号，1、2是控制节点号。SH是任意起的S的模型名。VSWITCH表示压控开关模型。VON = 5与VOFF = 4.99表示U为5V时，S1接通，U为4.99V时，S1断开；接通电阻RON = 10-6，断开电阻ROFF = 106。图3-16（b）为电流控制开关（简称W1），W1由短路电流i控制，图中V1表

18、示零值电压源，以便输出i的值，流控开关的PSPICE语句为： W1 3 4 V1 WH .MODEL WH ISWITCH （ION = 2 IOFF = 1.99 RON = 1U ROFF = 1MEG）上述W1是流控开关名，第一个字符必须是W。3、4是开关的节点号，V1是控制支路中的零值电压源，WH是任意起的模型名；ISWITCH表示流控开头模型，ION = 2与IOFF = 1.99表示i为2A，W1接通，i为1.99A时，W1断开； 下面介绍PSPICE傅立叶分析瞬态分析的输出量是用离散形式表示的，这些数据可以用于计算傅立叶级数的系数。一个周期波形可以用如下的傅立叶级数表示：其中：，

19、f是频率，以Hz为单位；C0是直流分量；Cn为n次谐波分量。傅立叶分析是对暂态分析的结果进行谐波分析，即在选定的时域内进行傅立叶积分，计算出直流分量，基波到九次谐波分量。从输出文本文件可以读到傅立叶分析结果，在后图形处理器界面下也可以观察到谐波分布图。傅立叶分析是以暂态分析为基础的，因此傅立叶分析语句必须与暂态分析语句同时存在。傅立叶分析语句格式：.FOUR frequency value output variable.FOUR 为傅立叶分析语句命令，Frequency value 为基波频率，Output variable 为输出变量。傅立叶分析并不是使用了暂态分析的全部结果，而是仅仅使用

20、了暂态分析终止时间前一个周期时段的暂态分析结果，这就意味着若想进行傅立叶分析，暂态分析的时间要大于一个周期的时间。应用举例：.FOUR 100K V（5） I（VSENSE）对节点5的电压和流过电压源VSENSE的电流进行傅立叶分析，基波频率为100KHZ。PSPICE利用瞬态分析结果进行傅立叶分析计算直到九次谐波或十个系数（1）分析图3-17所示RC串联电路在方波激励下的全响应。其方波激励参数为U1=0，U2=7，TD=2ms，TR=0.001s, TF=0.001s, PW=2ms, PER=4ms。电容初始电压为2V。用PROBE同时观察电容电压与激励的波形。观察不同参数的RC串联电路，

21、由不同方波激励的仿真实验。（2）二阶电路如图3-18所示。电容器有初始电压10V，当电阻分别为0.5K、2K和2.5K时，观察电容器上的电压，、电感上的电压和电阻两端的电压的暂态响应。（3）图3-19所示，已知is=10 A, R1=1, R2=2, C=1F，且Uc（0-）=2V, gm=0.25s，求全响应ic（t），uc（t），并观察其波形。（4）电路如图3-20所示，试求该电路的暂态响应。（5）图3-21电路中，U1 = 50V，U2 =10V，R1 = 20k，R2 = 30k，C1 = 10F，当t=0时，S1从位置1到位置2，经0.12s后S2打开，求u c1。（6）求图3-22

22、示波形的傅立叶级数的系数（7）运用PSPICE研究一阶RC电路的冲激响应。图3-17 仿真实验RC串联电路图图3-18 仿真实验二阶电路图图3-19 仿真实验含受控源电路图图3-20 仿真实验电路图图3-21 仿真实验电路图图3-22 仿真实验波形图（1）总结实验体会，写出列写开关动态电路CIR文件的注意事项，并打印存盘。（2）建立实验五文件夹。将各仿真实验电路CIR文件及仿真结果存盘。（1）阅读PSPICE动态分析简介及其它PSPICE资料。3.6 交流电路的计算机仿真分析掌握应用PSPICE分析单相交流电路、三相交流电路、含藕合电感电路、含变压器电路的方法以及电路的频率特性。2、PSPIC

23、E交流分析简介介绍利用PSPICE分析交流电路的最好的方法或许就是通过一个实例。考虑图3-23的时域电路，下面是一个适用于求和的PSPICE电路文件：图3-23 仿真实验例电路图CIRCUIT FILE FOR THE CIRCUIT OF FIG.3-23VS 1 0 AC 10 20R1 1 2 2KC1 2 3 1UR2 3 0 3KIS 3 0 AC 3M 42 R3 3 4 4KL1 4 0 5M .AC LIN 1 159.155 159.155.PRINT AC VM（C1） VP（C1） IM（L1） IP（L1）.END注意电阻器、电感器和电容器的语句，基本上和基他类型的分析

24、一样，所差的是在电感器和电容器语句中没说明初始条件。如果电路中含有非独立立源，相应的语句也将是相同的。在独立源语句中，在节点说明后一定要包含AC项，接着AC项后面是正弦电源的峰值，然后是相角。电源频率（所有电源的频率必须相同）用赫兹表示，在.AC控制语句中说明，跟在.AC LIN1后面。这里，频率为1000/2=159.155Hz。（当然，电源频率1000的单位是每秒弧度）。注意这个频率一定要说明二次。.AC控制语句的格式允许改变频率，只是在这个例子中没有利用这个特点。.PRINT语句要求在.PRINT后插入AC。在AC后说明所要求的电压和电流的幅值（M）和相位（P）：用VM（C1）说明电容器

25、C1两端的电压的幅值，而用VP（C1）说明它的相位；用IM（L1）说明流过电感器L1的电流幅值，而用IP（L1）说明它的相位。如果这个电路文件用PSPICE运行，输出文件将含有以下内容：* AC ANALYSISFREQ VM（C1） VP（C1） IM（L1） IP（L1）1.592E+02 3.436E+00 -7.484E+01 6.656E-04 -4.561E+01因此，而，在这里幅值以峰值表示。PSPICE可用于分析平衡或不平衡的三相电路，和任何交流电路一样。然而，有三点特殊的考虑。首先，如果Y负载在每相中有串联的电容器，又如果没有中线。PSPICE将不能完成分析，因为由该Y负载的

26、中节点到0节点之间没有直流通路，这一问题很容易解决，办法是在这两个节点之间接入一个极大的电阻，从而提供直流通路又不显著地影响分析。其次，电路没有一个方便的节点作为0节点，这可能很重要，也可能无关紧要。如果很重要，可以插入一组平衡Y电阻，然后用这组Y的中节点作为0节点。每个电阻器的电阻应当足够大，以避免因为插入Y而影响结果。最后，PSPICE不能含有由电压源、电感、变压器或这些元件混合组成的电路。在这类中插入一个电阻小到可以忽略不计的电阻器，可以消除这方面涉及到求外部电压或电流的问题。但是如果感兴趣的是电压源内部的电流，需要插入另外两个电阻以获得平衡。否则，求得的电源电流甚至近似正确也做不到。P

27、SPICE不提供现成的变压器元件，但可以用非独立源构成一个模型。一个电压控制电压源来获得电压约束，一个电流控制电流源来获得电流约束。另外需要一个虚设电压源，用来感知控制电流。PSPICE提供空芯变压器，两个绕组使用自感语句，方式和普通电感器一样。由节点的顺序来通知PSPICE 点标所在，第一个节点即点标的位置。唯一的另外要求是耦合系数语句，其命名以字母K开始，该名之后是两个耦合电感的名，不拘顺序，最后是耦合系数。例如，下面的语句可以用于图3-24的空芯变压器。L1 1 2 90ML2 4 3 40MK1 L1 L2 0.5其实，耦合系数0.5由求得，式中，电感用毫亨表示。 图3-24 空芯变压器图下面介绍PSPICE分析电路的频率特性。交流分析实际上是属于频域分析。在进行交流分析之前，程序先计算电路的直流偏置点，并在偏置点附近对电路上的非线性器件的参数作线性化处理，然后在编程者所指定的频率范围内，对进行了线性化处理后的电路进行频率扫描分析。交流分析所对应的