基于PSpiceRLC串聯(lián)電路的諧振分析.

1、基于PSpiceRLC串聯(lián)電路的諧振分析姓名：XXX指導老師：XXX摘要本課程設計主要目的是為了對基于 PSpiceRLC串聯(lián)電路的諧振分析進行仿真，在課 程設計中系統(tǒng)的開發(fā)平臺為 PSpice，程序運行平臺為 Windows XP。通過對運行結果的觀 察分析RLC串聯(lián)電路的諧振。關鍵詞PSpice； RLC諧振1引 言1.1課程設計的題目電路理論課程設計基于PSPICE RLC串聯(lián)電路的諧振分析1.2課程設計的目的及意義（1）通過設計、調試、仿真、驗證，加強學生對電路課程的理解，提高學生的分析應 用能力。（2）通過訓練使學生掌握正確的測量方法，能夠熟練的使用虛擬儀器和儀表1.3要求完成的主要

2、任務（1）熟練運用PSPICE軟件創(chuàng)建電路、模擬電路、顯示或繪制結果;（2）使用該軟件進行電路分析并與理論結果進行比較；（3）獨立完成課程設計說明書。2概述2.1 PSpice 簡介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

3、 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；常用的半導體器件，如二極管，雙極晶體管，結型 場效應管，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；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)字采用科學表示方式，即可

4、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。2.2 Pspice的仿真軟件結構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/Do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)響應分析，傅立葉分析。

5、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 行計算求解，最后輸出結果。仿真的結果一般由圖形文件（*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

6、，分段線性，調幅正弦，調頻，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軟件就顯得至關重要。（5） 波形顯示和分析模塊。其主要功能是將PSpice的分析結果用圖形顯示出來。（6）電路設計優(yōu)化模塊。其主要功能是自動調整元器件的參數(shù)設計值，使電路的特 性得以改善，實現(xiàn)電路的優(yōu)化設計。2.3 PSpice

7、 的基本操作2.3.1使用Capture模塊編輯電路圖（1）新建設計項目（2） 放置元器件：用鼠標單擊原理圖繪制窗口，選擇Place/Par，或點擊窗口右側 對應的繪圖工具快捷鍵，出現(xiàn) Place Part對話框。在Part窗口鍵入元器件名稱，點擊 Part Search,查找相應的元件。（3）連線與設置節(jié)點：電路圖連線。Place/Wire（shift+w），單擊右鍵，單擊 End Wire結束連線。設置節(jié)點名。Place/Net Alias，在Alias中輸入節(jié)點名，單擊 0K，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，結束節(jié)點名設置。（4） 編輯元件

8、屬性：雙擊元器件，在 Property Editor對話框中設置參數(shù)。或者雙 擊參數(shù)，在Value欄下設置參數(shù)。單擊0K即可。2.3.2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）、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（當電路中某一參數(shù)在一定范圍內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

9、電路圖。（2）設置分析類型和參數(shù)：單擊 Pspice/New Simulation Profile，在Name欄鍵入模擬 類型組的名稱，單擊Create在Analysis type欄中選DC Sweep；在Options欄中選Primary Sweepo在Sweep variable欄中選Voltage source,在Name欄中填入 Vs，意思是以電壓源 Vs為變量。在Sweep type欄中選Lin ear。在Start欄中填入-0.3V，在End欄中填入+0.3V， 在In creme nt欄中填入0.03V，意思是Vs從-0.3V+0.3V作線性變化，步長為0.03V。設置 完單擊O

10、K。（3）運行 Pspice（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。3 RLC串聯(lián)電路的諧振分析3.1創(chuàng)建電路圖3.2理論分析321 基本原理圖3.2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、電流響應亦隨頻率變動。圖3.2 RLC串聯(lián)諧振示意圖-14 -電路的輸入阻抗Z （jw）可表示為:Z(jw) = R + j wL1iwC頻率特性表示為:(jw) =arcta nwL -wCRR|Z（jw）卜 cos （jw）在輸入電壓Ui為定值時，電路中的

11、電流的的表達式為:打 、U（jw）I（ jw） =7R + j wL -j wC丿可以看出，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）。可以肯定, 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) (jwo) =0，就是I (jw0)與Us(jwO)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：1Im Z

12、(jwo) = X (jwo) = wo L0w0C由上式可知電路發(fā)生諧振的角頻率 w0和頻率f0為:1W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，與電阻R無關。W0(或f0 )稱為電路的固有頻率。因此只有當輸入信號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，當輸入電壓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，以U0/Ui為縱坐標，會出光滑的曲線，此 即為幅頻特性曲線，如圖:XL=Xc,1.處，即幅頻特性曲線尖峰所在的頻率點產生諧振，此時,2 二 LC電路呈純阻性，電路阻抗的的模為

13、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=U=QUi,式中的Q稱 為電路得品質因數(shù)。3.2.2理論計算結果根據(jù)原理和公式，串聯(lián)諧振電路的阻抗隨頻率變化為 Z(jwH R j(wL -丄)，阻抗模 wC、 2為|Z(jw)戶Jr + wL I ，因此可得在 ww0時,X (jw) 0, (jw)0,工作在容性區(qū)， wC 丿Rw0時,X (jw) 0, (jw)0,工作在感性區(qū)，R0.70711 1 1 1 1 1：!：1*1111 !: 0%可1 _ 12二.LC 2 3.14. 0.03 0.1 10Hz 二

14、2.9KHZ圖3.6 Ul、UC的幅頻特性曲線R=200Q 時,匚=丄匡可“.74R C 200 , 0.1 10-6R=400 Q時,wLR1CR300；=1.37400 0.1 10R=800 Q時,1 L _ 130 10R R C _800 0.1 10-6wL-0.6853.3模擬過程及參數(shù)設置在PSpice的Schematics程序中畫好電路圖后，按照圖 3.1設置好參數(shù)，分別將電阻 的阻值設置為200、400、800歐姆，分別進行仿真，觀察模擬結果波形。設置好參數(shù)后， 單擊Analysis中的Setup進行仿真設置。對此電路圖，我們需要分析的是頻率響應，因 此選擇交流分析(AC

15、Sweep，在彈出的對話框的 AC Sweep type中選擇Decade,意思是以 10倍頻方式掃描。在 SweepParameters欄中的Start Freq中填1K, End Freq中填1MEG 單擊OK即可。再單擊 Analysis中的Simulate即可進行仿真。在彈出的 Probe窗口中， 可執(zhí)行Trace/Add Trace 命令，在Trace Expression 文本框中輸入自己需要觀察的變量 即可看到相應的波形。3.4模擬結果和比較分析1.DKHz3. 0KH2LDKHz30KH2 2)(a)電阻為200歐姆1. SVFrequency(b)電阻為400歐姆(c)電阻為

16、800歐姆圖3.7電阻上電壓的幅頻曲線(a)電阻值為200歐姆4 OmA口 I (VI)F requency(b)電阻值為400歐姆B tTEques 訂 cy(c)電阻值為800歐姆圖3.8電路中電流的幅頻曲線口 V (Cl： 1) - V(C1?2)* V(Ll:r 1) - V (Lis 2)3. OVF requency(b)電阻值為400歐姆1OKHZ2)Ftrftqu*ncy(c)電阻值為800歐姆圖3.9電感上電壓和電容上電壓的幅頻曲線(a)電阻值為200歐姆-18 -Fir.qyjBiWT(b)電阻值為400歐姆Q VI 曬;！ / 11=3；lwnuj*e!(c)電阻值為80

17、0歐姆圖3.10阻抗模的諧振曲線(a)電阻值為200歐姆-25 -(b)電阻值為400歐姆 PIV1CV2I/IER2J I(c)電阻值為800歐姆圖3.11阻抗角的諧振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，模擬的結果可以從Probe窗口中的波形圖看出來。如圖3.7-3.11 所示。由圖，我們可以看出，電路中電阻的阻值不同，則會使電阻電壓和電流都不同，雖然趨勢一樣，但最大值會不同，電阻越大，則電壓和電流都越大，越接近于電源電壓1.5V。電感上和電抗上的電壓，在 200歐姆和400歐姆時，趨勢是電抗上電壓先從某一值增加達到最大值再

18、相交，電感先相交后達到最大值再減小，而在電阻值為800歐姆時，電抗是直接從最大值再減小和電感曲線相交的，電感是相交后就增加達到最大值，電抗少了一 個從某一值增加到最大值的過程，而電感則少了一個從最大值減小的過程。這是因為前兩 種情況Q值大于0.707，而后一種情況Q值就小于0.707。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的電壓值減小，即UCjw 0)=UL(jw 0)減小。這是由于:UL二 wLIwLUQU當 R=200Q 時,R2wLwC1 1 2f 1、眉+2 2.74 1.5,Uc2.74 1.52 +2.74沖2 -1 f當 R=400Q 時,1.37 1.5右十1.37 +0.6852申 2 _1 2 1 -1.37 1.52 +1.37卞2 1；2當 R=800Q 時,0.685 1.5占 +0.6852”1 丄0.685 1.5當 w=w0時，Uc -UwL,當 R 增大時，UC(jw 0)=UL(jw 0)減小。R wCR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:2 二 LC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。因此只要電感 和電容沒變，諧