PSPICE仿真分析與二階動態電路教學法研究

任兆香, 谷海青, 張　倩, 李曉飛

(天津理工大學 自動化學院 天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室,天津　300384)

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PSPICE仿真分析與二階動態電路教學法研究

任兆香, 谷海青, 張倩, 李曉飛

(天津理工大學 自動化學院 天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室,天津300384)

通過對二階動態電路教學過程的分析,提出了將仿真分析與多媒體課件及板書相結合的教學方法。給出PSPICE軟件的常用功能及進行電路仿真分析的基本步驟。以PSPICE仿真在二階動態電路時域分析輔助教學實例,展示了RLC串聯二階電路在欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼情況下零輸入、零狀態和全響應曲線。實踐證明,在課堂教學中引入仿真分析,能夠促進學生理解電路及元件特性,全面掌握知識,提高教學效果。

仿真分析； 二階動態電路； 教學方法； PSPICE

二階動態電路的時域分析是“電路”課程理論教學的基本內容,描述二階動態電路的方程是二階微分方程,是該課程理論教學的難點之一[1]。傳統的教學法離不開公式的推導。二階微分方程有兩個特征根,這兩個特征根的特點決定了二階電路響應中自由分量的變化規律。由于在教學過程中數學推導過多,反而令許多學生不能真正理解所學知識。

筆者在“電路”課程二階動態電路的時域仿真分析教學中,首先引導學生分析電路工作原理；然后根據電路圖建立微分方程,期間用多媒體課件展示推導過程;最后將分析結果以圖形方式輸出,使學生加深理解所學的知識。使用PSPICE軟件仿真分析和多媒體課件相互配合輔助教學是大有益處的[2]。

1　PSPICE仿真軟件的常用功能及其分析電路的基本步驟

在眾多的計算機輔助設計工具軟件中,PSPICE是精度最高、最受歡迎的軟件工具之一[3]。PSPICE具有強大的電路圖繪制功能、電路模擬仿真功能、圖形后處理功能和元器件符號制作功能,其元件庫有世界眾多半導體元件公司為它提供的上萬種模擬和數字元件器。它以圖形方式輸入,自動進行電路檢查,生成網表,模擬和計算電路。

PSPICE的電路分析功能體現在:直流分析,包括直流工作點分析、直流小信號傳輸函數分析、直流掃描分析和直流小信號靈敏度分析；交流小信號分析,包括交流頻響特性分析和交流噪聲分析；瞬態分析,包括時域響應和傅里葉分析;溫度特性分析；蒙特卡羅分析(最壞情況分析)；參數掃描分析[4]。

利用PSPICE的電路分析功能,可以測試電路的各項性能指標,例如電路在高溫、高壓等極端條件下的承受能力。PSPICE中提供了多種觀測標識符,可以觀測電路圖中任意點、任何變量以及多種函數表達式的波形和數據,可以對電路進行優化設計,將多個設計方案進行比較。

用PSPICE仿真分析電路的基本步驟[5]是:

(1) 運行Capture CIS,新建工程文件夾,繪制電路圖,輸入元器件及模型參數值；

(2) 點選PSpice/New Simulation Profile選單或相應的快捷按鈕,創建仿真設置文件,定義分析類型和輸出變量；

(3) 運行分析程序,檢查分析是否出錯,如果出錯,檢查輸出文件,查明原因并修改電路圖；如未出錯，查看電路分析結果；

(4) 在屏幕上輸出仿真結果,對輸出結果進行觀察、運算和標注；

(5) 保存或打印輸出結果。

2　PSPICE在二階動態電路教學中的應用

2.1二階動態電路的響應特征根討論

教學課件和PSPICE輔助分析軟件一同安裝在電腦里,教師備課時預先選好電路或例題、錄入電路圖形、設置符號參數和分析類型,調試Probe窗口曲線輸出。講課時配合理論教學內容適時切換到仿真軟件[6]。

根據電路理論,動態電路的響應可以看作自由分量和強制分量的疊加。強制分量與激勵源的變化規律相同；自由分量的變化規律是由特征根(即電路的結構參數)決定的。一階電路只有一個特征根且為負值,所以一階電路的自由分量總是單調衰減的[7]。描述二階電路的方程為二階微分方程,其特征根有兩個,即

這兩個特征根的特點決定了二階電路自由分量uc=A1ep1t+A2ep1t的變化規律。

當R=0時,特征根為一對共軛純虛數,響應是等幅振蕩,稱為無阻尼狀態[8]。

2.2仿真實例一

RLC串聯電路如圖1所示,C1=1 μF，L1=1 H,電容兩端電壓初始值為100 V,t=0時開關閉合,求二階電路的零輸入響應uC1、iL1、uL1。

圖1　零輸入二階動態仿真電路

在OrCAD/Capture CIS中錄入電路圖并賦值,其中電容兩端電壓初值由IC屬性表示,當uC1(0-)=100 V時,設置為IC=100 V。

運行仿真程序后,得到 uC1、iL1、uL1隨時間變化的曲線如圖2所示。

圖2　R1=2.1 kΩ時,零輸入響應uC1、iL1、uL1變化曲線

圖2中,當t=0時,iL1(0+)=0；且t=時,iL1()=0,所以在放電過程中必然經歷從小到大再趨于零的變化,其間電流達到最大值的時刻tm由t

還可以看到:當t=tm時電流的極值點也恰好是電感電壓的過零點,表明電感電壓總是阻礙電流變化的。uC1、iL1最終為零,電路中沒有反方向的電容電壓和電感電流,這是因為經過電阻,能量全部被電阻吸收了,所以也稱為過阻尼放電[9]。

將圖1中的R1修改為900 Ω,仍采用時域掃描,參數設置不變。運行結果如圖3所示。

圖3　R1=900 Ω時零輸入響應uC1、iL1、uL1變化曲線

2.3仿真實例二

與實例一的元件參數相同,電容電壓初始值為100 V,t=0時開關閉合。分析R1分別為200 Ω、2 000 Ω、3 800 Ω時二階電路的零輸入響應uC1。

錄入圖形(見圖4),將電阻R1的數值設置為{R},添加PARAM元件,雙擊PARAMETERS元件,在“Add New Colurrm”對話框的Name欄輸入“R”,Volue欄輸入“100 Ω”。

圖4　不同阻值時零輸入二階動態仿真電路

仿真類型仍為時域掃描。為觀察完整,總的分析時間可設置稍長一些,例如35 ms。在Analysis頁的Option選項里,除選擇General Settings外,再選擇Parametric Sweep,在掃描變量一欄里選擇Global Parameter,在Parameter欄鍵入“R”,Sweep type欄里選擇Linear,Start鍵入“200 Ω”,End鍵入“3800Ω”,Increment鍵入“1800Ω”,這樣分別對R1為200 Ω、2 000 Ω、3 800 Ω三種情況進行時域掃描分析[10]。

運行仿真程序后可以清楚地看到RLC串聯二階電路在欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼情況下的零輸入響應曲線,且零輸入響應的變化規律與自由分量的變化規律是相同的(見圖5)。

圖5　不同阻值時零輸入響應電容電壓變化曲線

2.4仿真實例三

電路如圖6所示,求直流電壓V1=100 V時,該二階電路在R1分別為200 Ω、2 000 Ω、3 800 Ω時的零狀態響應。

圖6　零狀態二階動態仿真電路

本電路與圖1類似,區別在于電容電壓初值為0,且換路后電路中有直流激勵V1,時域掃描和參數掃描設置與前面類似。運行仿真程序,結果如圖7,其中的3條曲線分別是RLC電路在欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼情況下電容電壓的零狀態響應。

圖7　不同阻值時零狀態響應電容電壓變化曲線

2.5仿真實例四

在實例三電路中,已知uC1(0-)=200V,換路后有直流電壓V1=100 V作用,求R1分別為200 Ω、2 000 Ω、3 800 Ω時二階電路的全響應。

仿真換路后有直流激勵V1,區別在于電容電壓初值為200 V,時域掃描和參數掃描設置均與實例三類似。運行仿真程序結果如圖8,圖中3條曲線分別是RLC二階電路在欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼情況下,電容電壓由初值200 V到穩態值100 V的變化過程。

2.6仿真實例五

若實例四電路中各參數及設置不變,僅將對于電阻R進行的線性掃描設置中,Start鍵入“1 μΩ”,End鍵入“400 Ω”,Increment鍵入“200 Ω”,這樣分別對R1為1 μΩ, 、200 Ω、400 Ω三種情況進行時域掃描。仿真運行結果如圖9所示。

圖8　不同阻值時全響應電容電壓變化曲線

圖9　欠阻尼情況下電容電壓變化曲線

3　結語

在二階動態電路的教學過程中,借助PSPICE的時域分析和參數掃描分析功能,可以清楚地看到欠阻

尼、臨界阻尼和過阻尼情況下的過渡過程曲線,易于掌握二階電路零輸入和直流激勵下零狀態、全響應動態過程的特點和規律,也便于與一階電路的變化規律進行對比。學生可以更好地抓住重點、化解難點,深入理解元件及電路的性能特點,提高電路分析、設計和實際應用能力。利用計算機的人機交互、高速運算、海量存儲以及智能化功能,修改數據方便快捷、輸出結果迅速,教師和學生很容易互動,學生的學習積極性更高,更容易理解所學知識,提高教學效果[12]。

References)

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Research on teaching method of second order dynamic circuit based on PSPICE simulation analysis

Ren Zhaoxiang, Gu Haiqing, Zhang Qian, Li Xiaofei

(Tianjin Key Laboratory of Control Theory & Applications in Complicated Systems,School of Automation, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384,China)

By analysis the teaching procedure of the second-order dynamic circuits, this paper brought out a teaching method combined simulation analysis with multimedia courseware and blackboard-writing. and discussed briefly the common functions of the software PSPICE and the basic steps of circuit simulation. Took the time domain analysis of the second-order dynamic circuits by using PSPICE as an example to demonstrate the zero input, zero state and full-response curve of the immediate output of the second-order series RLC circuit under the the damped, critically damped and over damped circumstances. Practice has proved that application of simulation in class can promote students to understand the circuit and components characteristics, fully grasp the knowledge, and improve teaching effectiveness.

simulation analysis; second-order dynamic circuit; teaching method; PSPICE

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.030

2016-01-11

天津市普通高等學校本科質量與教學改革研究計劃基金項目(C04)；天津理工大學教學改革基金項目(YB10-61)

任兆香(1964—),女,天津,本科,副教授,主要研究方向為電工理論與新技術.

E-mail：rzx11@163.com

TN710;TP391.9

A

1002-4956(2016)6-0117-04