电路CAA 课程设计报告.docx
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电路CAA课程设计报告
1Pspice的简介
1.1PSPICE的起源与发展
用于模拟电路仿真的SPICE软件于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。
SPICE的正式版SPICE2G在1975年正式推出，但是该程序的运行环境至少为小型机。
1985年，加州大学伯克利分校用C语言对SPICE软件进行了改写，并由MICROSIM公司推出。
1988年SPICE被定为美国国家工业标准。
与此同时，各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件，在SPICE的基础上做了大量实用化工作，从而使SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件。
PSPICE是较早出现的EDA软件之一，在电路仿真方它的功能可以说是最为强大，在国内被普遍使用。
1.2PSPICE的组成
（1）电路原理图编辑程序Schematics
PSPICE的输入有两种形式，一种是网单文件形式，一种是电路原理图形式，相对而言后者比前者较简单直观，它既可以生成新的电路原理图文件，又可以打开已有的原理图文件。
电路元器件符号库中备有各种原器件符号，除了电阻，电容，电感，晶体管，电源等基本器件及符号外，还有运算放大器，比较器等宏观模型级符号，组成电路图，原理图文件后缀为.sch。
图形文字编辑器自动将原理图转化为电路网单文件以提供给模拟计算程序运行仿真。
（2）激励源编辑程序StimulusEditor
PSPICE中有很丰富的信号源，如正弦源，脉冲源，指数源，分段线性源，单频调频源等等。
该程序可用来快速完成各种模拟信号和数字信号的建立与修改，并且可以直观而方便的显示这些信号源的波形。
（3）电路仿真程序PSPICEA/D
模拟计算程序是PSPICEA/D也叫做电路仿真程序，它是软件核心部分。
在PSPICE4.1版本以上，该仿真程序具有数字电路和模拟电路的混合仿真能力。
它接收电路输入程序确定的电路拓扑结构和原器件参数信息，经过原器件模型处理形成电路方程，然后求解电路方程的数值解并给出计算结果，最后产生扩展名为.dat的数据文件和扩展名为.out的电路输出文本文件。
模拟计算程序只能打开扩展名为.cir的电路输入文件，而不能打开扩展名为.sch的电路输入文件。
因此在Schemayics环境下，运行模拟计算程序时，系统首先将原理图.sch文件转换为.cir文件，而后再启动PSPICEA/D进行模拟分析。
（4）输出结果绘图程序Probe
Probe程序是PSPICE的输出图形后处理软件包。
该程序的输入文件为用户作业文本文件或图形文件仿真运行后形成的后缀为.dat的数据文件。
它可以起到万用表，示波器和扫描仪的作用，在屏幕上绘出仿真结果的波形和曲线。
随着计算机图形功能的不断增强，PC机上windows95,98,2000/XP的出现，Probe的绘图能力也越来越强。
（5）模型参数提取程序ModelEditor
电路仿真分析的精度和可靠性主要取决于元器件模型参数的精度。
尽管PSPICE的模型参数库中包含了上万种元器件模型，但有时用户还是根据自己的需要而采用自己确定的元器件的模型及参数。
这时可以调用模型参数提取程序ModelED从器件特性中提取该器件的模型参数。
3.6元件模型参数库LIB
1.3PSPICE的模拟功能
（1）直流分析
直流工作点是电路正常工作的基础。
通过对电路进行直流工作点的分析，可以知道电路中各元件的电压和电流，从而知道电路是否正常工作以及工作的状态。
一般在对电路进行仿真的过程中，首先要对电路的静态工作点进行分析和计算。
直流扫描分析主要是将电路中的直流电源、工作温度、元件参数作为扫描变量，让这些参量以特定的规律进行扫描，从而获取这些参量变化对电路各种性能参数的影响。
直流扫描分析主要是为了获得直流大信号暂态特性。
（2）暂态分析
非线性暂态分析简称为暂态分析。
暂态分析计。
算电路中电压和电流随时间的变化，即电路的时域分析。
这种分析在输入信号为时变信号时显得尤为重要。
时域分析是指在某一函数激励下电路的时域响应特性。
通过时域分析，设计者可以清楚地了解到电路中各点的电压和电流波形以及它们的相位关系，从而知道电路在交流信号作用下的工作状况，检查它们是否满足电路设计的要求。
（3）交流分析
线性小信号交流分析简称为交流分析。
它是SPICE程序的主要分析功能。
它是在交流小信号的条件下，对电路的非线性元件选择合适的线性模型将电路在直流工作点附近线性化，然后在用户指定的范围内对电路输入一个扫频信号，从而计算出电路的幅频特性、相频特性、输入电阻、输出电阻等。
这种分析等效于电路的正弦稳态分析即频域分析。
频域分析用于分析电路的频域响应即频率响应特性。
这种分析主要用于分析电路的幅频特性和相频特性。
（4）灵敏度分析
灵敏度分析包括直流灵敏度分析和蒙特卡罗分析两种。
直流灵敏度分析业称为灵敏度分析。
它是在工作点附近将所有的元件线性化后，计算各元器件参数值变化时对电路性能影响的敏感程度。
通过对电路进行灵敏度分析，可以预先知道电路中的各个元件对电路的性能影响的重要程度。
对于那些对电路性能有重要影响的元件，要在电路的生产或元件的选择时给予特别的关注。
（5）统计分析
统计分析主要包括蒙特卡罗分析和最坏情况分析。
蒙特卡罗分析是在考虑到器件参数存在容差的情况下，分析电路在直流分析、交流分析或暂态分析时电路特性随器件容差变化的情况。
另一种统计分析是最坏情况分析，它不仅对各器件参数的变化逐一进行分析，得到单一器件对电路性能的灵敏度分析，同时分析各器件容差对电路性能的最大影响量（最坏情况分析），从而达到优化电路的目的。
1.4PSpice的基本操作
（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PlacePart对话框。
在Part窗口键入元器件名称，点击PartSearch，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EndWire结束连线。
设置节点名。
Place/NetAlias，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EndMode，结束节点名设置。
（4）编辑元件属性：
双击元器件，在PropertyEditor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）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/NewSimulationProfile，在Name栏键入模拟类型组的名称，单击Create。
在Analysistype栏中选DCSweep；在Options栏中选PrimarySweep。
在Sweepvariable栏中选Voltagesource，在Name栏中填入V1，意思是以电压源V1为变量。
在Sweeptype栏中选Linear。
在Start栏中填入0V，在End栏中填入24V，在Increment栏中填入2V，意思是V1从0~24VV作线性变化，步长为2V。
设置完单击OK。
（3）运行Pspice。
（4）在Probe窗口中，执行Trace/AddTraces，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。
2原理分析
２．１基尔霍夫定律：
基尔霍夫电流定律（KCL）：
在集总电路中，任何时刻对任一结点，所有流出结点的支路电流的代数和恒等于零。
即
基尔霍夫电压定律（KVL）：
在集总电路中，任何时刻，沿任一回路所有之路电压的代数和恒等于零。
即
２．２节点电压法分析：
在电路中任意选择某一节点为参考节点，其他节点为独立节点，这些节点与参考节点之间的电压成为节点电压，节点电压的参考极性是以参考节点为负，其余独立节点为正。
由于任一支路都连接在两个节点上，根据KVL，不难断定支路电压就是两个节点电压之差。
如果每一个支路电流都可由支路电压来表示，那么它也一定也可以用节点电压来表示。
在具有n个节点的电路中写出其中（n-1）个独立节点的KCL方程，就得到变量为（n-1）个节点电压的共（n-1）个独立方程，称为节点电压方程，最后由这些方程解出节点电压，从而求出所需的电压、电流。
这就是节点电压法。
２．３支路电流法分析：
对一个具有b条支路和n个节点的电路，当以支路电压和支路电流为电路变量列方程时，总共有2b个未知量。
为了减少求解的方程数，可以利用元件的VCR将各之路电压以支路电流表示，然后代入KVL方程，就得到以b个支路电流为未知量的b个KVL和KCL方程。
这种方法称为支路电流法。
3具体设计
3.1设计电路图
图3-1-1电路实验电路分析图
3.2原件清单
器件
模型
模型库
Value
电阻1
R1
R/Analog_p
10欧
电阻2
R2
R/Analog_p
6欧
电阻3
R3
R/Analog_p
5欧
电阻4
R4
R/Analog_p
12欧
电阻5
R5
R/Analog_p
24欧
电阻6
R6
R/Analog_p
10欧
直流电压源
V1
VDC/Source
12V
地
0
0/Source
3.2理论分析
（1） 选择参考节点1、2、3，设定参考方向，并以接地点为参考点；
（2） 将参数值代入可列出节点电压方程组如下：
（1/10+1/10++1/24）*U1-1/10*U2-1/24*U3=0
（1/10+1/6+1/5）*U2-1/10*U1-1/5*U3=12/6
（1/24+1/5+1/12）*U3-1/5*U2-1/24*U1=0
经计算得到：
节点一电压U1=3.84V；
节点二电压U2=7.23V；
节点三电压U3=4.94V
（3）回路分析法：
由电路图的三个回路（顺时针方向）可得如下回路方程：
（R1+R3+R5）*Il1-R3*Il3-R1*Il2=0
（R2+R3+R4）*Il2-R3*Il1-R2*Il3=-V1=-12V
（R1+R2+R6）*Il3-R1*Il1-R2*Il2=V1=12V
同理代人参数可以分别算得：
流过
的电流为IR1=0.338A,
流过
的电流为IR2=0.80A,
流过
的电流为IR3=0.457A,
流过的
电流为IR4=0.412A,
流过的R5电流为IR5=0.045A,流过的R6电流为IR6=0.384A
3.3仿真过程
画好原理图后，设置仿真参数。
点击
仿真按钮中最左边的一个来仿真，首先命名，然后设置相应的参数AnalysisType设为DCSweep；Options选PrimarySweep；Sweepvariable选Voltagesource，其name中写V1；Sweep中选Linear，其三个参量设置为0V、20V、1V。
设置好后，执行
中的最右边的三角形按钮，出现Probe窗口。
执行Trace下AddTrace命令，选择要显示的内容，如（
等）即可查看相应的图表。
3.4运行结果
（1）电压、电流、各电阻功率的运行结果：
图3-3-1电压的运行结果
图3-3-2电流的运行结果
图3-3-3电路各元件的功率
（2）支路电流、节点电压仿真曲线
设置仿真参数如下：
图3-3-4参数设置图
3.4特性仿真结果：
图3-3-5流过各电阻的电流
变换电流纵轴的起始值（由０开始），则得下图：
对曲线的分析：
由上曲线可知。
随着输入直流源V1的0V~24V的逐渐增大，经过各电阻的电流呈线性变化，都是一条直线，而且，取V1=12V时的点，则从图上可读出
IR1＝0.332A．ＩIR2＝0.800A．IR3=0.45A，IR4＝0.410A，IR5＝0.045A，IR6＝0.385A，与理论值相比，十分接近，所以，仿真结果是符合设计预料的结果的。
由理论分析中电压图3-3-5中从上到下依次是
的电流随电压源
的变化曲线，图2.3.1—2从上打下一次是
的电流随电压源
的变化曲线,从图中可以看出，
，
的电流都是随
的增加而增加，并且
的电流变化速度更加快的表达式可以看出，各电压随U的变化都是直线变化的，所以可以推测仿真出来的图像是线性的关系。
。
图3-3-6各节点电压值
因为N0节点地的电压为接地点电压，节点N1就是
两端的电压
，节点N2的电压就是
，这些都是与理论分析完全相符合。
图3-3-6中从上到下一次是
两端的电压随
的变化而变化，由理论值：
电阻
两端的电压值
，电阻
两端的电压值
，可以得到电阻
两端的电压值
是大于电阻
两端的电压值
，因此
的曲线斜率是大于
曲线斜率的，这是与理论分析完全相符合。
４ 仿真结果分析及总结
４．１仿真结果分析
从仿真结果图可以看出节点电压、支路电流仿真结果与理论分析中的结果是一致的。
节点电压随U的变化而变化，都是直线，且曲线斜率都是与理论分析完全相符合的，由此验证了原理的正确性和可行性。
４．２设计小结
在该课程设计中，节点电压和支路电流的仿真结果和理论计算值几乎一致，成功地验证了基尔霍夫定律的正确性和可行性，可以用这种方法分析电路的节点电压和支路电流。
一方面我们通过理论的支路法和节点电压法来求电路中各回路的电流和各节点的电压，而另一方面，我们通过Pspice软件的仿真，通过对两种方法的最后结果比较，并验证仿真曲线，证明了理论分析和实际仿真是比较符合的。
同时，充本设计也充分地说明在线性电路里，节点电压值和支路电流值都是随电源成线性变化的。
在本次课程设计中，电路虽然简单，但在软件操作，仿真分析，学习方法应用等各个方面考察了我的能力，获益颇多，虽然其中有许多不懂，但最后还是弄明白了。
相信经过努力，一切都有希望。
5心得体会
６参考文献
[1]周守昌主编.电路原理（上，下册）.2版.北京高等教育出版社，2004.
[2]汪建民.PSpice电路设计与应用.北京：
国防工业出版社，2004.
[3]邱关源主编.电路（第三版上，下册）.北京：
高等教育出版社，2005
[4]吴友宇主编。
模拟电子技术基础，清华大学出版社，2009
[5]刘岚主编，电路分析基础，高等教育出版社，2010
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目：
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
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课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
1Pspice的简介1
1.1PSPICE的起源与发展1
1.2PSPICE的组成1
1.3PSPICE的模拟功能2
1.4PSpice的基本操作4
2原理分析5
２．１基尔霍夫定律：
5
２．２节点电压法分析：
5
２．３支路电流法分析：
5
3具体设计6
3.1设计电路图6
原件清单6
3.2理论分析7
3.3仿真过程7
3.4运行结果8
3.4特性仿真结果：
10
４ 仿真结果分析及总结13
5心得体会14
６参考文献15
本科生课程设计成绩评定表16
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