電路課設(shè)報告

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1、目錄 1. 仿真軟件PSpice概述 1 1.1 PSpice簡介 1 1.2 Pspice的仿真軟件結(jié)構(gòu) 1 1.3 PSpice的基本操作 2 2 RLC串聯(lián)電路的諧振分析 3 2.1 創(chuàng)建電路圖 3 2.2 理論分析 4 2.3 模擬過程及參數(shù)設(shè)置 8 2.4 模擬結(jié)果和比較分析 9 3單管放大電路的分析 15 3.1 原理電路圖 15 3.2 電路理論分析 16 3.3 電路仿真 17 4 課程設(shè)計的心得體會 24 5 參考文獻 25 1. 仿真軟件PSpice概述 1.1 PSpice簡介 用于模擬電路仿真的SPICE（Simula

2、tion 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。1985年，加州大學(xué)伯克利分校用C語言對SPICE軟件進行了改寫， 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

3、。 PSpice是一個電路通用分析程序，它主要是實現(xiàn)對電路進行模擬和仿真。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行模擬計算，達到輔助電路設(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

4、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（Ｗ）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

5、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，

6、它接受網(wǎng)單文件的輸入，并列方程進行計算求解，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Pspic

7、e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

8、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)。或者雙擊參數(shù)，在Value欄下設(shè)置參數(shù)。單擊OK即可。 1.3.2 電路

9、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。 現(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

10、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

11、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?，一定存在一個角頻率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)

12、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

13、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,φ(jw)<0,工作在容性區(qū)，R<|Z(jw)|,且；在w=w0時,X（jw）=0,φ(jw)=0,工作呈電阻性，R=Z(jw0)；在w

14、>w0時,X（jw）>0,φ(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φ(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

15、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=200Ω時， R=400Ω時， R=800Ω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，分別進行仿真，觀察模擬結(jié)果波形。設(shè)置好參數(shù)后，單擊

16、Analysis中的Setup進行仿真設(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

17、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到最大值再相交，電感先相交后達到最大值再減小。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

18、)=UL(jw0)減小。這是由于： 當(dāng)R=200Ω時，, 當(dāng)R=400Ω時，, 當(dāng)R=800Ω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

19、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

20、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

21、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，

22、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

23、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

24、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)

25、會了使用PSpice軟件進行仿真，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)進行分析，對理論知識進行驗證，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)進行總結(jié)，對自己的出現(xiàn)問題進行詳細(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

26、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。 總體上來說，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 [1] 邱關(guān)源，羅先覺.電路.北京：高等教育出版社，2006 [2] 吳友宇，伍

27、時和，凌玲.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：清華大學(xué)出版社，2009 [3] 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，2000 [4] 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，2004 [5] 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，2006 [6] 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