基于pspicerlc串联电路的谐振分析

1、基于PSpiceRLC串联电路的谐振分析姓名：XXX 指导老师：XXX摘 要 本课程设计主要目的是为了对基于PSpiceRLC串联电路的谐振分析进行仿真，在课程设计中系统的开发平台为PSpice，程序运行平台为Windows XP。通过对运行结果的观察分析RLC串联电路的谐振。关键词PSpice；RLC；谐振1 引 言1.1课程设计的题目电路理论课程设计 基于PSPICE RLC串联电路的谐振分析1.2 课程设计的目的及意义（1）通过设计、调试、仿真、验证，加强学生对电路课程的理解，提高学生的分析应用能力。（2）通过训练使学生掌握正确的测量方法，能够熟练的使用虚拟仪器和仪表。 1.3 要求完成的主要任务（1）熟练运用PSPICE软件创建电路、模拟电路、显示或绘制结果； （2）使用该软件进行电路分析并与理论结果进行比较； （3）独立完成课程设计说明书。 2 概 述2.1 PSpice简介PSpice是一个电路通用分析程序，它主要是实现对电路进行模拟和仿真。在电子设计自动化发展的过程中，PSpice起到了重要的作用。该程序通过对电路进行模拟计算，达到辅助电路设计的目的。PSpice可以用两

2、种方式输入：网单输入文件（即程序的输入）和电路图输入。由于电路图输入更为方便快捷，因此我们常常利用电路图编辑工具来编辑电路图以及设置和分析各种过程参数。OrCAD/PSpice9程序有庞大的元件库，可以模拟6类常用的电路元器件：基本无源元件，如电阻，电容，电感，传输线等；常用的半导体器件，如二极管，双极晶体管，结型场效应管，MOS管等；独立电压源和独立电流源；各种受控电压源，受控电流源和受控开关；基本数字电路单元，如门电路，传输门，触发器，可编程逻辑阵列等；常用单元电路，如运算放大器，555定时器等。OrCAD/PSpice9中采用的是实用工程单位制，如电压用伏（V），电流用安（A），功率用瓦（）等。在运行中，PSpice会根据具体对象自动确定其单位。用户在输入数据时，代表单位的字母可以省去。例如给电压源赋值时，键入12和12V意思一样。PSpice中的数字采用科学表示方式，即可以使用整数，小数和以10为底的指数。用指数表示时，底数10用E来表示。2.2 Pspice的仿真软件结构 OrCAD/Pspice9是一个软件包，它共有六大功能模块，分别是PspiceA/D，Capture，P

3、robe，Stimulus Editor，Model Editor和Optimizer。各模块的功能简述如下：（1）电路模拟分析的核心模块PspiceA/D。它实现电路的仿真与分析，可分析的电路特性有6类15种：第一类直流分析，包括静态工作点，直流灵敏度，直流传输特性，直流特性扫描分析。第二类交流分析，包括频率特性，噪声特性分析。第三类瞬态分析，包括瞬态响应分析，傅立叶分析。第四类参数扫描，包括温度特性分析，参数扫描分析。第五类统计分析，包括蒙托卡诺分析，最坏情况分析。第六类逻辑模拟，包括逻辑模拟，数/模混合模拟，最坏情况时序分析。在使用的过程中，它接受网单文件的输入，并列方程进行计算求解，最后输出结果。仿真的结果一般由图形文件（*.DAT）和数据文件（*.OUT）两部分组成。（2）电路图编辑模块。其主要功能是以人机交互方式在屏幕上绘制电路图，设置电路中元器件的参数，生成多种格式要求的电连接网表。在改程序中可直接运行Pspice及其他配套功能模块。（3）激励信号编辑模块。其主要功能是以人机交互方式生成电路模拟中需要的各激励信号源，包括瞬态分析中需要的脉冲，分段线性，调幅正弦，调频，指数

4、等5种信号波，形和逻辑模拟中需要的时钟，脉冲，总线等各种信号。（4）模拟参数编辑模块。其主要功能是编辑来自厂家的器件的数据信息，生成Pspice模拟时所需要的模拟参数。因为尽管PspiceA/D的模拟库中提供了1万多种元器件和单元集成电路的模拟参数，但在实际应用中仍有用户需采用未包括在模拟参数库中的元器件，这是Model Editor软件就显得至关重要。（5）波形显示和分析模块。其主要功能是将PSpice的分析结果用图形显示出来。（6）电路设计优化模块。其主要功能是自动调整元器件的参数设计值，使电路的特性得以改善，实现电路的优化设计。2.3 PSpice的基本操作2.3.1 使用Capture模块编辑电路图 （1）新建设计项目 （2）放置元器件：用鼠标单击原理图绘制窗口，选择Place/Part，或点击窗口右侧对应的绘图工具快捷键，出现Place Part对话框。在Part窗口键入元器件名称，点击Part Search，查找相应的元件。 （3）连线与设置节点：电路图连线。Place/Wire(shift+w)，单击右键，单击End Wire结束连线。设置节点名。Place/Net Al

5、ias，在Alias中输入节点名，单击OK，将出现的小方框移到节点名的位置，单击左键即可，单击右键，选中End Mode，结束节点名设置。 （4）编辑元件属性：双击元器件，在Property Editor对话框中设置参数。或者双击参数，在Value栏下设置参数。单击OK即可。2.3.2 电路仿真 电路仿真包括静态工作点分析（将电路中的电容开路，电感短路，针对电流的直流电平值，计算电路的直流偏置电压）、瞬态分析（求电路的时域响应）、傅里叶分析（在瞬态分析完成后，计算输出波形的直流、基波和各次谐波分量）、直流分析（当电路中某一参数在一定范围内变化时求电路的直流偏置特性）、直流传输特性分析(计算电路的直流小信号增益，输入电阻和输出电阻)、交流分析（、参数扫描分析和温度分析等。 现在就以直流分析为例讲述电路仿真的步骤：（1）用Capture软件画好电路图。（2）设置分析类型和参数：单击Pspice/New Simulation Profile，在Name栏键入模拟类型组的名称，单击Create。在Analysis type栏中选DC Sweep；在Options栏中选Primary Sweep

6、。在Sweep variable栏中选Voltage source，在Name栏中填入Vs，意思是以电压源Vs为变量。在Sweep type栏中选Linear。在Start栏中填入-0.3V，在End栏中填入+0.3V，在Increment栏中填入0.03V，意思是Vs从-0.3V+0.3V作线性变化，步长为0.03V。设置完单击OK。（3）运行Pspice。（4）在Probe窗口中，执行Trace/Add Traces，选择要显示的变量名。单击OK即可看到电路电压传输特性曲线。3 RLC串联电路的谐振分析3.1 创建电路图 图3.1 RLC串联谐振电路图3.2 理论分析3.2.1 基本原理图3.2所示为RLC串联电路，在可变频的正弦电压源Us激励下，由于感抗、容抗随频率变动，所以电路中的电压、电流响应亦随频率变动。图3.2 RLC串联谐振示意图电路的输入阻抗Z（jw）可表示为：频率特性表示为： 在输入电压Ui为定值时，电路中的电流的的表达式为： 可以看出，由于串联电路中同时存在着电感L和电容C，两者的频率特性不仅相反，（感抗与w成正比，而容抗与w成反比），而且直接相减（电抗角差180

7、）。可以肯定，一定存在一个角频率w0，是感抗和容抗相互完全抵消，即X（jw0）=0。当w=w0时，X（jw0）=0,电路的工作状况将出现一些重要的特征，现分述如下：（1），就是I（jw0）与Us(jw0)同相，工程上将电路的这一特殊状态定义为谐振，由于是在RLC串联电路中发生的谐振，又常称为串联谐振。有上述分析可知，谐振发生的条件为： 由上式可知电路发生谐振的角频率w0和频率f0为： 可以看书，RLC串联电路的谐振频率只有一个，而且仅与电路中的L、C有关，与电阻R无关。W0（或f0）称为电路的固有频率。因此只有当输入信号Us的频率与电路的固有频率f0相同时，才能在电路中激起谐振。取电阻R上的电压U0作为响应，当输入电压Ui的幅值维持不变时，在不同频率的信号激励下，测出U0之值，然后以f为横坐标，以U0/Ui为纵坐标，会出光滑的曲线，此即为幅频特性曲线，如图：在处，即幅频特性曲线尖峰所在的频率点产生谐振，此时，XL=Xc,电路呈纯阻性，电路阻抗的的模为最小。在输入电压Ui为定值时，电路中的电流达到最到最大值，且与输入电压Ui同相位。从理论上讲，此时Ui=UR=U0,UL=UC=QUi,式

8、中的Q称为电路得品质因数。3.2.2 理论计算结果 根据原理和公式，串联谐振电路的阻抗随频率变化为，阻抗模为，因此可得在ww0时,X（jw）0,(jw)0,工作在容性区，Rw0时,X（jw）0,(jw)0,工作在感性区，R|Z(jw)|，且。因此可以看出|Z（jw）|是随着频率的变化先从无穷大减小，再又增加到无穷大的，最小值所对应的w是谐振频率，如图3.3所示。 图3.3 阻抗的幅频响应而阻抗角的表达式为，的值先从无穷大减小到0，又从0增加到无穷大。因此阻抗角(jw)先从减小到0，再从0增加到。如图3.4所示。 图3.4 阻抗的相频响应 由于电压值保持恒定，故电流的幅频响应曲线应和电阻的相反，为先从0增加到某一最大值（U/R），再从这一最大值减小至0.而相同的，对于电阻R上的电压，由于电阻不变，由U=IR知，电阻上的电压的幅频曲线与电流曲线相一致。电流的幅频曲线如图3.5所示。 图3.5 电流谐振曲线 根据原理，我们知道，其中，理论曲线如图3.6所示。UC和UL曲线的交点所对应的值就是。对于Q值，由公式Q=wL/R可以得出，Q随电阻增大而减小。 我们可计算出， 图3.6 UL、UC的幅频特性曲线 R=200时， R=400时， R=800时，3.3 模拟过程及参数设置 在PSpice的Schematics程序中画好电路图后，按照图3.1设置好参数，分别将电阻的阻值设置为200、400、800欧姆，分别进行仿真，观察模拟结果波形。设置好参数后，单击Analysis中的Setup进行仿真设置。对此电路图，我们需要分析的是频率响应，因此选择交流分析（AC Sweep），在弹出的对话框的AC Sweep type中选择Decade,意思是以10倍频方式扫描。在Sweep Parameters栏中的Start Freq中填1K，End Freq中填1MEG，单击OK即可。再单击Analysis中的Simulate即可进行仿真。在弹出的Probe窗口中，可执行Trace/Add Trace命令，在Trace Expression

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