電路課設(shè)報告

目錄1. 仿真軟件PSpice概述11.1 PSpice簡介11.2 Pspice的仿真軟件結(jié)構(gòu)11.3 PSpice的基本操作22 RLC串聯(lián)電路的諧振分析32.1 創(chuàng)建電路圖32.2 理論分析42.3 模擬過程及參數(shù)設(shè)置82.4 模擬結(jié)果和比較分析93單管放大電路的分析153.1 原理電路圖153.2 電路理論分析163.3 電路仿真174 課程設(shè)計的心得體會245 參考文獻(xiàn)251. 仿真軟件PSpice概述1.1 PSpice簡介用于模擬電路仿真的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）軟件于1972年由美國加州大學(xué)伯克利分校的計算機(jī)輔助設(shè)計小組利用FORTR AN語言開發(fā)而成，主要用于大規(guī)模集成電路的計算機(jī)輔助設(shè)計。SPICE的正式版SPICE 2G在1975年正式推出，但是該程序的運行環(huán)境至少為小型機(jī)。1985年，加州大學(xué)伯克利分校用C語言對SPICE軟件進(jìn)行了改寫， 并由MICROSIM公司推出。1988年SPICE被定為美國國家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。與此同時，各種以SPICE為核心的商用模擬電路仿真軟件，在SPICE的基礎(chǔ)上做了大量實用化工作，從而使SPICE成為最為流行的電子電路仿真軟件。PSpice是一個電路通用分析程序，它主要是實現(xiàn)對電路進(jìn)行模擬和仿真。在電子設(shè)計自動化發(fā)展的過程中，PSpice起到了重要的作用。該程序通過對電路進(jìn)行模擬計算，達(dá)到輔助電路設(shè)計的目的。PSpice可以用兩種方式輸入：網(wǎng)單輸入文件（即程序的輸入）和電路圖輸入。由于電路圖輸入更為方便快捷，因此我們常常利用電路圖編輯工具來編輯電路圖以及設(shè)置和分析各種過程參數(shù)。OrCAD/PSpice9程序有龐大的元件庫，可以模擬6類常用的電路元器件：基本無源元件，如電阻，電容，電感，傳輸線等；常用的半導(dǎo)體器件，如二極管，雙極晶體管，結(jié)型場效應(yīng)管，MOS管等；獨立電壓源和獨立電流源；各種受控電壓源，受控電流源和受控開關(guān)；基本數(shù)字電路單元，如門電路，傳輸門，觸發(fā)器，可編程邏輯陣列等；常用單元電路，如運算放大器，555定時器等。OrCAD/PSpice9中采用的是實用工程單位制，如電壓用伏（V），電流用安（A），功率用瓦（）等。在運行中，PSpice會根據(jù)具體對象自動確定其單位。用戶在輸入數(shù)據(jù)時，代表單位的字母可以省去。例如給電壓源賦值時，鍵入12和12V意思一樣。PSpice中的數(shù)字采用科學(xué)表示方式，即可以使用整數(shù)，小數(shù)和以10為底的指數(shù)。用指數(shù)表示時，底數(shù)10用E來表示。1.2 Pspice的仿真軟件結(jié)構(gòu) OrCAD/Pspice9是一個軟件包，它共有六大功能模塊，分別是PspiceA/D，Capture，Probe，Stimulus Editor，Model Editor和Optimizer。各模塊的功能簡述如下：（1）電路模擬分析的核心模塊PspiceA/D。它實現(xiàn)電路的仿真與分析，可分析的電路特性有6類15種：第一類直流分析，包括靜態(tài)工作點，直流靈敏度，直流傳輸特性，直流特性掃描分析。第二類交流分析，包括頻率特性，噪聲特性分析。第三類瞬態(tài)分析，包括瞬態(tài)響應(yīng)分析，傅立葉分析。第四類參數(shù)掃描，包括溫度特性分析，參數(shù)掃描分析。第五類統(tǒng)計分析，包括蒙托卡諾分析，最壞情況分析。第六類邏輯模擬，包括邏輯模擬，數(shù)/?；旌夏M，最壞情況時序分析。在使用的過程中，它接受網(wǎng)單文件的輸入，并列方程進(jìn)行計算求解，最后輸出結(jié)果。仿真的結(jié)果一般由圖形文件（*.DAT）和數(shù)據(jù)文件（*.OUT）兩部分組成。（2）電路圖編輯模塊。其主要功能是以人機(jī)交互方式在屏幕上繪制電路圖，設(shè)置電路中元器件的參數(shù)，生成多種格式要求的電連接網(wǎng)表。在改程序中可直接運行Pspice及其他配套功能模塊。（3）激勵信號編輯模塊。其主要功能是以人機(jī)交互方式生成電路模擬中需要的各激勵信號源，包括瞬態(tài)分析中需要的脈沖，分段線性，調(diào)幅正弦，調(diào)頻，指數(shù)等5種信號波，形和邏輯模擬中需要的時鐘，脈沖，總線等各種信號。（4）模擬參數(shù)編輯模塊。其主要功能是編輯來自廠家的器件的數(shù)據(jù)信息，生成Pspice模擬時所需要的模擬參數(shù)。因為盡管PspiceA/D的模擬庫中提供了1萬多種元器件和單元集成電路的模擬參數(shù)，但在實際應(yīng)用中仍有用戶需采用未包括在模擬參數(shù)庫中的元器件，這是Model Editor軟件就顯得至關(guān)重要。（5）波形顯示和分析模塊。其主要功能是將PSpice的分析結(jié)果用圖形顯示出來。（6）電路設(shè)計優(yōu)化模塊。其主要功能是自動調(diào)整元器件的參數(shù)設(shè)計值，使電路的特性得以改善，實現(xiàn)電路的優(yōu)化設(shè)計。1.3 PSpice的基本操作1.3.1 使用Capture模塊編輯電路圖（1）新建仿真設(shè)計項目（2）放置元器件：用鼠標(biāo)單擊原理圖繪制窗口，選擇Place/Part，或點擊窗口右側(cè)對應(yīng)的繪圖工具快捷鍵，出現(xiàn)Place Part對話框。在Part窗口鍵入元器件名稱，點擊Part Search，查找相應(yīng)的元件。（3）連線與設(shè)置節(jié)點：電路圖連線。Place/Wire(shift+w)，單擊右鍵，單擊End Wire結(jié)束連線。設(shè)置節(jié)點名。Place/Net Alias，在Alias中輸入節(jié)點名，單擊OK，將出現(xiàn)的小方框移到節(jié)點名的位置，單擊左鍵即可，單擊右鍵，選中End Mode，結(jié)束節(jié)點名設(shè)置。（4）編輯元件屬性：雙擊元器件，在Property Editor對話框中設(shè)置參數(shù)?；蛘唠p擊參數(shù)，在Value欄下設(shè)置參數(shù)。單擊OK即可。1.3.2 電路仿真電路仿真包括靜態(tài)工作點分析（將電路中的電容開路，電感短路，針對電流的直流電平值，計算電路的直流偏置電壓）、瞬態(tài)分析（求電路的時域響應(yīng)）、傅里葉分析（在瞬態(tài)分析完成后，計算輸出波形的直流、基波和各次諧波分量）、直流分析（當(dāng)電路中某一參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時求電路的直流偏置特性）、直流傳輸特性分析(計算電路的直流小信號增益，輸入電阻和輸出電阻)、交流分析（、參數(shù)掃描分析和溫度分析等?，F(xiàn)在就以直流分析為例講述電路仿真的步驟：（1）用Capture軟件畫好電路圖。（2）創(chuàng)建仿真簡要表，設(shè)置分析功能：單擊Pspice/New Simulation Profile命令創(chuàng)建一個仿真分析簡要表，設(shè)置分析類型和參數(shù)。（3）運行Pspice：選擇菜單命令Pspice/ Simulation Selected Profile(s)。（4）在Probe窗口中，執(zhí)行Trace/Add Traces，選擇要顯示的變量名。單擊OK即可看到電路電壓傳輸特性曲線。2 RLC串聯(lián)電路的諧振分析2.1 創(chuàng)建電路圖 圖2.1 RLC串聯(lián)諧振電路圖2.2 理論分析2.2.1 基本原理圖2.2所示為RLC串聯(lián)電路，在可變頻的正弦電壓源Us激勵下，由于感抗、容抗隨頻率變動，所以電路中的電壓、電流響應(yīng)亦隨頻率變動。圖2.2 RLC串聯(lián)諧振示意圖電路的輸入阻抗Z（jw）可表示為：頻率特性表示為： 在輸入電壓Ui為定值時，電路中的電流的的表達(dá)式為： 可以看出，由于串聯(lián)電路中同時存在著電感L和電容C，兩者的頻率特性不僅相反，（感抗與w成正比，而容抗與w成反比），而且直接相減（電抗角差180）?？梢钥隙ǎ欢ù嬖谝粋€角頻率w0，是感抗和容抗相互完全抵消，即X（jw0）=0。當(dāng)w=w0時，X（jw0）=0,電路的工作狀況將出現(xiàn)一些重要的特征，現(xiàn)分述如下：（1），就是I（jw0）與Us(jw0)同相，工程上將電路的這一特殊狀態(tài)定義為諧振，由于是在RLC串聯(lián)電路中發(fā)生的諧振，又常稱為串聯(lián)諧振。有上述分析可知，諧振發(fā)生的條件為： 由上式可知電路發(fā)生諧振的角頻率w0和頻率f0為： 可以看書，RLC串聯(lián)電路的諧振頻率只有一個，而且僅與電路中的L、C有關(guān)，與電阻R無關(guān)。W0（或f0）稱為電路的固有頻率。因此只有當(dāng)輸入信號Us的頻率與電路的固有頻率f0相同時，才能在電路中激起諧振。取電阻R上的電壓U0作為響應(yīng)，當(dāng)輸入電壓Ui的幅值維持不變時，在不同頻率的信號激勵下，測出U0之值，然后以f為橫坐標(biāo)，以U0/Ui為縱坐標(biāo)，會出光滑的曲線，此即為幅頻特性曲線，如圖：在處，即幅頻特性曲線尖峰所在的頻率點產(chǎn)生諧振，此時，XL=Xc,電路呈純阻性，電路阻抗的的模為最小。在輸入電壓Ui為定值時，電路中的電流達(dá)到最到最大值，且與輸入電壓Ui同相位。從理論上講，此時Ui=UR=U0,UL=UC=QUi,式中的Q稱為電路得品質(zhì)因數(shù)。2.2.2 理論計算結(jié)果根據(jù)原理和公式，串聯(lián)諧振電路的阻抗隨頻率變化為，阻抗模為，因此可得在w<時,X（jw）<0,(jw)<0,工作在容性區(qū)，R<|Z(jw)|,且；在w=w0時,X（jw）=0,(jw)=0,工作呈電阻性，R=Z(jw0)；在w>w0時,X（jw）>0,(jw)>0,工作在感性區(qū)，R<|Z(jw)|，且。因此可以看出|Z（jw）|是隨著頻率的變化先從無窮大減小，再又增加到無窮大的，最小值所對應(yīng)的w是諧振頻率，如圖2.3所示。圖2.3 阻抗的幅頻響應(yīng)而阻抗角的表達(dá)式為，的值先從無窮大減小到0，又從0增加到無窮大。因此阻抗角(jw)先從減小到0，再從0增加到。如圖2.4所示。圖2.4 阻抗的相頻響應(yīng) 由于電壓值保持恒定，故電流的幅頻響應(yīng)曲線應(yīng)和電阻的相反，為先從0增加到某一最大值（U/R），再從這一最大值減小至0而相同的，對于電阻R上的電壓，由于電阻不變，由U=IR知，電阻上的電壓的幅頻曲線與電流曲線相一致。電流的幅頻曲線如圖2.5所示。 圖2.5 電流諧振曲線根據(jù)原理，我們知道，其中，理論曲線如圖2.6所示。UC和UL曲線的交點所對應(yīng)的值就是。對于Q值，由公式Q=wL/R可以得出，Q隨電阻增大而減小。 我們可計算出，圖2.6 UL、UC的幅頻特性曲線 R=200時，R=400時，R=800時，2.3 模擬過程及參數(shù)設(shè)置 在PSpice的Schematics程序中畫好電路圖后，按照圖設(shè)置好參數(shù)，分別將電阻的阻值設(shè)置為200、400、800歐姆，分別進(jìn)行仿真，觀察模擬結(jié)果波形。設(shè)置好參數(shù)后，單擊Analysis中的Setup進(jìn)行仿真設(shè)置。圖2.7仿真參數(shù)設(shè)置 2.4 模擬結(jié)果和比較分析（a） 電阻為200歐姆（b） 電阻為400歐姆 （c） 電阻為800歐姆圖 2.8電阻上電壓的幅頻曲線（a） 電阻值為200歐姆（b） 電阻值為400歐姆（c） 電阻值為800歐姆圖2.9 電路中電流的幅頻曲線（a） 電阻值為200歐姆（b）電阻值為400歐姆（c） 電阻值為800歐姆圖2.10電感上電壓和電容上電壓的幅頻曲線（a） 電阻值為200歐姆（b） 電阻值為400歐姆（c） 電阻值為800歐姆圖2.11 阻抗的幅頻響應(yīng)曲線（a） 電阻值為200歐姆（b） 電阻值為400歐姆（c） 電阻值為800歐姆圖2.12 阻抗的相頻響應(yīng)曲線（這個電路圖有三個模擬，要改變電阻的值來觀察在不同的電阻情況下的電流、各電壓以及諧振點、Q值的變化，模擬的結(jié)果可以從Probe窗口中的波形圖看出來。如圖2.7-2.12所示。電感上和電抗上的電壓，趨勢是電容上電壓先從某一值增加達(dá)到最大值再相交，電感先相交后達(dá)到最大值再減小。同時，我們可以從圖觀察到，隨著電阻值的增大，電抗曲線和電感曲線的交點所對應(yīng)的電壓值減小，即UC(jw0)=UL(jw0)減小。這是由于：當(dāng)R=200時，,當(dāng)R=400時，,當(dāng)R=800時, ，當(dāng)w=w0時，,當(dāng)R增大時，UC(jw0)=UL(jw0)減小。對于阻抗值和阻抗角變化趨勢是一樣的，只是阻抗值的最小值會隨著電阻值的增加而增加。在圖中由于電阻值比較小，所以看不出來。阻抗角的變化更為平緩一些。在這三種情況中，諧振頻率一直沒變，因為由公式：可以看出，諧振頻率只取決于電感和電容的大小，與電阻的大小無關(guān)。因此只要電感和電容沒變，諧振頻率就不會變。而對于Q值，有公式： 由電感上電壓和電容上電壓的幅頻曲線圖可以得出UC(jw0)=UL(jw0)減小，所以Q值也隨著電阻值的增大而減小。3單管放大電路的分析3.1 原理電路圖本電路設(shè)計采用了三極管的射級偏置放大電路的連接方式。具體電路如下圖：圖3.1射級偏置放大電路注：該圖是在OrCAD Capture環(huán)境中構(gòu)造的電路原圖。3.2 電路理論分析3.2.1 靜態(tài)工作點分析如圖所示，本設(shè)計電路是為了實現(xiàn)三極管的單管放大功能，則應(yīng)該保證其中的三極管能夠正常放大。如下圖所示，該圖為其直流通路，工作電壓選取三極管Q2N2222的額定工作電壓12V。然后，為了減小信號源的輸出波動以及一些不可預(yù)知因素，在本設(shè)計中作者加入了由和組成的基級分壓式射級偏置電路來穩(wěn)定該三極管的靜態(tài)工作點，避免三極管受到輸入信號波動和溫度變化的影響（具體見后的交流掃描的溫度分析），而使得三極管工作在非線性區(qū)，從而產(chǎn)生意外的非線性失真。 圖3.2 直流通路電路圖由圖可知，由于電阻對靜態(tài)工作點的自動調(diào)節(jié)（負(fù)反饋）作用，該電路的Q點基本穩(wěn)定。本電路設(shè)計中的=3k , =1k 。則是為了控制電流在三極管線性工作區(qū)域內(nèi)，而不至于太大產(chǎn)生飽和失真。其中估算靜態(tài)工作點理論分析如下式 3.2.2 動態(tài)分析圖3.3 交流等效電路如圖所示，共射級放大電路的小信號等效電路。根據(jù)電壓增益、輸入電阻的定義，由圖3.3可分別得到、的估算表達(dá)式： 電壓增益 輸入電阻 輸出電阻 3.3 電路仿真3.3.1 靜態(tài)分析靜態(tài)工作點分析設(shè)置如下：圖3.4 靜態(tài)工作點分析參數(shù)設(shè)置靜態(tài)工作點仿真分析如圖：圖3.5 靜態(tài)工作點（電壓標(biāo)記）圖3.6 靜態(tài)工作點（電流標(biāo)記）圖3.7 靜態(tài)工作點（功率標(biāo)記）由于靜態(tài)點理論分析時較小故近似認(rèn)為流過的電流等于流過的電流，因此仿真數(shù)據(jù)與理論分析之間存在誤差。3.3.2時域分析（瞬態(tài)分析）在設(shè)置中，可以設(shè)置波形圖中有3個周期，即3ms。信號源采用的是1kHz，則設(shè)置如下圖3.8 瞬態(tài)分析設(shè)置波形圖如下（電壓、電流截取了前三個周期）：圖3.9 電壓輸入波形圖3.10電壓輸出波形圖3.11 電流輸入波形圖3.12 電流輸出波形共射級放大電路是同時對電流電壓放大，由上兩圖可知其電路放大倍數(shù)為: Av=400mv/5mv=80 動態(tài)理論分析時，由于靜態(tài)工部位作點分析時存在近似，本身動態(tài)分析也存在誤差，故仿真放大倍數(shù)與理論分析放大倍數(shù)存在誤差。3.3.3交流分析交流掃描分析電路圖如圖所示圖3.13 交流掃描電路圖交流掃描分析的設(shè)置如下：圖3.14 通頻帶分析設(shè)置幅頻與相頻曲線輸出波形圖：圖3.15 幅頻曲線由上圖可知：Avm=38dB;Av=38-3=35dB。由理論可知通頻帶為減去下限頻率，由幅頻響應(yīng)圖像可大致看出上限頻率和下限頻率即：19.055M-136.45819.055M圖3.16 相頻曲線可以看出，通頻帶中的相位變化不大。故在通頻帶中，相位穩(wěn)定。4 課程設(shè)計的心得體會通過為期一個星期的認(rèn)真學(xué)習(xí)和實際操作，我終于完成了本次電路CAA課程設(shè)計。在本次電路課程設(shè)計的過程中，我學(xué)到了很多，充分理解了電路的基本原理。在實際仿真過程中，也遇到了很多困難，但都在自己的自我學(xué)習(xí)和同學(xué)的幫助下得到很好的解決，通過對電路的仿真我更清晰的看到了隨著某種因素的改變，電路參考量的變化，使理論知識更加直觀生動的展現(xiàn)了出來，加深了我的理解。本次課程設(shè)計中，我首先學(xué)習(xí)怎樣使用PSpice軟件。我通過從圖書館借來的書籍和網(wǎng)上找到的資料 ，充分了解了PSpice的結(jié)構(gòu)組成以及主要功能，并重點學(xué)習(xí)了其中仿真參數(shù)設(shè)置中各個參數(shù)的含義以及使用Capture模塊編輯電路圖的具體步驟和一些細(xì)節(jié)問題。然后通過電腦運行PSpice軟件進(jìn)行一些簡單的仿真，通過實際的操作PSpice軟件，我真切的體會到理論與實際的差距，雖然之前做了充分的準(zhǔn)備，但到實際操作的時候還是遇到很多的問題，通過查找資料和與同學(xué)討論順利了解決了操作問題。學(xué)會了使用PSpice軟件進(jìn)行仿真，我開始完成本次電路課設(shè)中我的任務(wù)。首先根據(jù)電路的理論知識設(shè)計好電路圖，然后進(jìn)行理論分析，使自己的電路圖具有可行性，并將幾個重要的電路參數(shù)值記錄下。然后進(jìn)行仿真，得到所需要的仿真圖像。最后對自己得到的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對理論知識進(jìn)行驗證，并分析誤差產(chǎn)生原因。課設(shè)的最后一部分就是寫實驗報告了，有很多人都認(rèn)為既然是課程設(shè)計最重要的就是操作了，實際上實驗報告也是非常重要的，通過實驗報告我們可以對本次課設(shè)進(jìn)行總結(jié)，對自己的出現(xiàn)問題進(jìn)行詳細(xì)的分析和解決方法，以免自己在以后再犯類似的錯誤。這才是最重要的，這樣自己才能進(jìn)步，才能有所收獲。電路課程設(shè)計實驗報告的嚴(yán)格要求讓我們以后在寫論文或者報告時候更加的規(guī)范，對我們以后有很大的益處?？傮w上來說，由于是第一次做課程設(shè)計，在完成課設(shè)的過程中可謂困難重重，許多東西之前從沒有碰過，但通過本次課設(shè)自己也收獲頗豐。雖然該說PSpice軟件已經(jīng)很老的軟件了，但學(xué)會使用它我們可以方便的對自己學(xué)到的理論知識進(jìn)行仿真，在我們目前的學(xué)習(xí)中用處很大，并且類似的軟件使用都是相通的，學(xué)會使用PSpice軟件，其他就很容易學(xué)會了。而且通過本次課設(shè)讓我更深的了解了電路這門課，使我對電信這個專業(yè)更有興趣，從中我找到了樂趣，獲得了成就感。5 參考文獻(xiàn)1 邱關(guān)源，羅先覺.電路.北京：高等教育出版社，20062 吳友宇，伍時和，凌玲.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：清華大學(xué)出版社，20093 趙世強.電子電路EAD技術(shù).西安：西安電子科技大學(xué)出版社，20004 李永平，董欣主，宋小濤.Pspice電路原理與實現(xiàn).北京：國防工業(yè)出版社，20045 康華光，陳大欽，張林.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.北京：高等教育出版社，20066 劉愛. Pspice電路設(shè)計與實現(xiàn).北京：國防工業(yè)出版社,2005本科生課程設(shè)計成績評定表姓 名性 別專業(yè)、班級課程設(shè)計題目：課程設(shè)計答辯或質(zhì)疑記錄：成績評定依據(jù)：最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定）指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日