RLC串联谐振电路课程设计.doc

1、武汉理工大学电路 CAA课程设计说明书 - 1 - 课程设计任务书 学生姓名 : 王辉 专业班级 : 电信 0904 班 指导教师 : 黄晓放 工作单位 : 信息工程学院 题 目 : 电路 CAA 课程设计 基于 PSpice 的 RLC 串联电路的谐振分析 初始条件 : 1. 提供实验室机房及其 PSpice 软件； 2. 选 RLC 串联电路。 要求完成的主要任务： (包括课程设计工作量及其技术要求 ,以及说明书撰写等具体要求 ): 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 RLC 串联电路的阻抗、电流频率特性分析（分三种 Q 值情况讨论）

2、； 3、独立完成课程设计说明书， 课程设计说明书按学校统一规范来撰写， 具体包括： 目录； 理论分析； 程序设计； 程序运行结果及图表分析和总结； 课程设计的心得体会（至少 800 字，必须手写。）； 参考文献（不少于 5 篇）。 时间安排 : (1) 布置课程设计任务，查阅资料， 学习 Pspice 软件 两天； (2) 用 Pspice 软件进行电路分析 一天半； (3) 完成课程设计报告书及答辩 一天半； 参考文献： (1)邱关源，罗先觉 .电路 .北京：高等教育出版社， 2006 (2)吴友宇，伍时和，凌玲 .模拟电子技术基础 .北京：清华大学出版社， 2009 (3)赵世强 .电子电

3、路 EAD 技术 .西安：西安电子科技大学出版社， 2000 指导教师签名 : 年 月 日 系主任 (或责任教师 )签名 : 年 月 日 武汉理工大学电路 CAA课程设计说明书 - 2 - 目 录 1 .课程设计报告总述 3 2 .概述 4 2.1 PSpice 简介 4 2.2 PSpice 的仿真软件结构 4 2.3 PSpice 的基本操作 5 2.3.1 使用 Capture 模拟编辑电路图 5 2.3.2 电路仿真 6 3. RLC 串联电路的谐振分析 6 3.1 创建电路图 6 3.2 理论分析 7 3.2.1 基本原理 7 3.2.2 理论计算结果 9 3.3 模拟过程及参数设置

4、 11 3.4 模拟结果和比较分析 12 5 .课程设计的心得体会 21 6 .参考文献 22 7. 成绩评定表 23 武汉理工大学电路 CAA课程设计说明书 - 3 - 1 课程设计报告总述 1 课程设计的题目 电路 CAA 课程设计 基于 PSPICE 的节点电压、支路电流分析及 RLC 串联电路的谐振分析 2 课程设计的时间 查阅资料，学习 PSPICE 软件 两天； 用 PSPICE 软件进行电路分析 一天半； 完成课程设计报告书及答辩 一天半。 3 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

5、正确的测量方法，能够熟练的使用虚拟仪器和仪表。 4 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，课程设计说明书按学校统一规范来撰写，具体包括： 目录； 理论分析； 程序运行结果及图表分析和总结； 课程设计的心得体会（至少 800 字，必须手写）； 参考文献（不少于 5 篇，要有外 文材料）。 武汉理工大学电路 CAA课程设计说明书 - 4 - 2.概述 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

6、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

7、；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。 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，Probe， Sti

8、mulus 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，并列方程进武汉理工大

9、学电路 CAA课程设计说明书 - 5 - 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

10、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。 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

11、 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 Alias，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

12、 Value 栏下设置参数。单击 OK 即可。 武汉理工大学电路 CAA课程设计说明书 - 6 - 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。

13、 （ 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。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+

14、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(a)电阻为 200 欧姆时 RLC 串联谐振电路图 武汉理工大学电路 CAA课程设计说明书 - 7 - 图 3.1(b)电阻为 400 欧姆时 RLC 串联谐振电路图 图 3.1(c)电阻为 1000 欧姆时 RLC 串联谐振电路图 3.2 理论分析 3.2.1 基本原理 RLC 串联电路，在可变频的正弦电

15、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。 电路的输入阻抗 Z（ jw）可表示为： 武汉理工大学电路 CAA课程设计说明书 - 8 - wCwLjRjwZ 1)( 频率特性表示为： R wCwLjw1a r c ta n)( )(c o s |)(| jwRjwZ 在输入电压 Ui 为定值时，电路中的电流的的表达式为： wCwLjRjwUjwI1)()( 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）。可以肯定，一定存在一个角频率 w0，

16、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） 0)( 0 jw ，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： 01)()(I m 0000 CwLwjwXjwZ 由上式可知电路发生谐振的角频率 w0 和频率 f0 为： LCw 10 LCf 2 10 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。

17、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： 武汉理工大学电路 CAA课程设计说明书 - 9 - 在 LCff 2 1 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

18、，此时 Ui=UR=U0,UL=UC=QUi,式中的 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 )1()( wCwLjRjwZ ，阻抗模为 22 1|)(| wCwLRjwZ，因此可得在 ww0 时 ,X（ jw） 0, (jw)0,工作在感性区， R|Z(jw)|，且 |)(|lim jwZw。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 0w ，如图 3.2所示。 而阻抗角的表达式为 R wCwLjw1a r c ta n)( ， RwCwL1 的值先从无穷大减小到

19、 0，又从 0 增加到无穷大。因此阻抗角 (jw)先从 2 减小到 0，再从 0 增加到 2 。如图 3.3所示。 图 3.2 阻抗的幅频响应 武汉理工大学电路 CAA课程设计说明书 - 10 - 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 3.4所示。 根据原理，我们知道 22222 1111 QQUwCwLRw L Uw L IUL， 222222 111 QQUwCwLRwCUwLU C其中0ww ，理论曲线如图 3.5 所示。 UC和 UL曲线的交点所对应 的值就是0ww 。 对于 Q 值，由公式 Q=wL/R 可以得出， Q 随电阻增大而减小。 图 3.3 阻抗的相频响应 图 3.4 电流谐振曲线