PSPICE仿真分析与二阶动态电路教学法研究

任兆香, 谷海青, 张　倩, 李晓飞

(天津理工大学 自动化学院 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室,天津　300384)



PSPICE仿真分析与二阶动态电路教学法研究

任兆香, 谷海青, 张倩, 李晓飞

(天津理工大学 自动化学院 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室,天津300384)

通过对二阶动态电路教学过程的分析,提出了将仿真分析与多媒体课件及板书相结合的教学方法。给出PSPICE软件的常用功能及进行电路仿真分析的基本步骤。以PSPICE仿真在二阶动态电路时域分析辅助教学实例,展示了RLC串联二阶电路在欠阻尼、临界阻尼和过阻尼情况下零输入、零状态和全响应曲线。实践证明,在课堂教学中引入仿真分析,能够促进学生理解电路及元件特性,全面掌握知识,提高教学效果。

仿真分析； 二阶动态电路； 教学方法； PSPICE

二阶动态电路的时域分析是“电路”课程理论教学的基本内容,描述二阶动态电路的方程是二阶微分方程,是该课程理论教学的难点之一[1]。传统的教学法离不开公式的推导。二阶微分方程有两个特征根,这两个特征根的特点决定了二阶电路响应中自由分量的变化规律。由于在教学过程中数学推导过多,反而令许多学生不能真正理解所学知识。

笔者在“电路”课程二阶动态电路的时域仿真分析教学中,首先引导学生分析电路工作原理；然后根据电路图建立微分方程,期间用多媒体课件展示推导过程;最后将分析结果以图形方式输出,使学生加深理解所学的知识。使用PSPICE软件仿真分析和多媒体课件相互配合辅助教学是大有益处的[2]。

1　PSPICE仿真软件的常用功能及其分析电路的基本步骤

在众多的计算机辅助设计工具软件中,PSPICE是精度最高、最受欢迎的软件工具之一[3]。PSPICE具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能,其元件库有世界众多半导体元件公司为它提供的上万种模拟和数字元件器。它以图形方式输入,自动进行电路检查,生成网表,模拟和计算电路。

PSPICE的电路分析功能体现在:直流分析,包括直流工作点分析、直流小信号传输函数分析、直流扫描分析和直流小信号灵敏度分析；交流小信号分析,包括交流频响特性分析和交流噪声分析；瞬态分析,包括时域响应和傅里叶分析;温度特性分析；蒙特卡罗分析(最坏情况分析)；参数扫描分析[4]。

利用PSPICE的电路分析功能,可以测试电路的各项性能指标,例如电路在高温、高压等极端条件下的承受能力。PSPICE中提供了多种观测标识符,可以观测电路图中任意点、任何变量以及多种函数表达式的波形和数据,可以对电路进行优化设计,将多个设计方案进行比较。

用PSPICE仿真分析电路的基本步骤[5]是:

(1) 运行Capture CIS,新建工程文件夹,绘制电路图,输入元器件及模型参数值；

(2) 点选PSpice/New Simulation Profile选单或相应的快捷按钮,创建仿真设置文件,定义分析类型和输出变量；

(3) 运行分析程序,检查分析是否出错,如果出错,检查输出文件,查明原因并修改电路图；如未出错，查看电路分析结果；

(4) 在屏幕上输出仿真结果,对输出结果进行观察、运算和标注；

(5) 保存或打印输出结果。

2　PSPICE在二阶动态电路教学中的应用

2.1二阶动态电路的响应特征根讨论

教学课件和PSPICE辅助分析软件一同安装在电脑里,教师备课时预先选好电路或例题、录入电路图形、设置符号参数和分析类型,调试Probe窗口曲线输出。讲课时配合理论教学内容适时切换到仿真软件[6]。

根据电路理论,动态电路的响应可以看作自由分量和强制分量的叠加。强制分量与激励源的变化规律相同；自由分量的变化规律是由特征根(即电路的结构参数)决定的。一阶电路只有一个特征根且为负值,所以一阶电路的自由分量总是单调衰减的[7]。描述二阶电路的方程为二阶微分方程,其特征根有两个,即

这两个特征根的特点决定了二阶电路自由分量uc=A1ep1t+A2ep1t的变化规律。

当R=0时,特征根为一对共轭纯虚数,响应是等幅振荡,称为无阻尼状态[8]。

2.2仿真实例一

RLC串联电路如图1所示,C1=1 μF，L1=1 H,电容两端电压初始值为100 V,t=0时开关闭合,求二阶电路的零输入响应uC1、iL1、uL1。

图1　零输入二阶动态仿真电路

在OrCAD/Capture CIS中录入电路图并赋值,其中电容两端电压初值由IC属性表示,当uC1(0-)=100 V时,设置为IC=100 V。

运行仿真程序后,得到 uC1、iL1、uL1随时间变化的曲线如图2所示。

图2　R1=2.1 kΩ时,零输入响应uC1、iL1、uL1变化曲线

图2中,当t=0时,iL1(0+)=0；且t=时,iL1()=0,所以在放电过程中必然经历从小到大再趋于零的变化,其间电流达到最大值的时刻tm由t

还可以看到:当t=tm时电流的极值点也恰好是电感电压的过零点,表明电感电压总是阻碍电流变化的。uC1、iL1最终为零,电路中没有反方向的电容电压和电感电流,这是因为经过电阻,能量全部被电阻吸收了,所以也称为过阻尼放电[9]。

将图1中的R1修改为900 Ω,仍采用时域扫描,参数设置不变。运行结果如图3所示。

图3　R1=900 Ω时零输入响应uC1、iL1、uL1变化曲线

2.3仿真实例二

与实例一的元件参数相同,电容电压初始值为100 V,t=0时开关闭合。分析R1分别为200 Ω、2 000 Ω、3 800 Ω时二阶电路的零输入响应uC1。

录入图形(见图4),将电阻R1的数值设置为{R},添加PARAM元件,双击PARAMETERS元件,在“Add New Colurrm”对话框的Name栏输入“R”,Volue栏输入“100 Ω”。

图4　不同阻值时零输入二阶动态仿真电路

仿真类型仍为时域扫描。为观察完整,总的分析时间可设置稍长一些,例如35 ms。在Analysis页的Option选项里,除选择General Settings外,再选择Parametric Sweep,在扫描变量一栏里选择Global Parameter,在Parameter栏键入“R”,Sweep type栏里选择Linear,Start键入“200 Ω”,End键入“3800Ω”,Increment键入“1800Ω”,这样分别对R1为200 Ω、2 000 Ω、3 800 Ω三种情况进行时域扫描分析[10]。

运行仿真程序后可以清楚地看到RLC串联二阶电路在欠阻尼、临界阻尼和过阻尼情况下的零输入响应曲线,且零输入响应的变化规律与自由分量的变化规律是相同的(见图5)。

图5　不同阻值时零输入响应电容电压变化曲线

2.4仿真实例三

电路如图6所示,求直流电压V1=100 V时,该二阶电路在R1分别为200 Ω、2 000 Ω、3 800 Ω时的零状态响应。

图6　零状态二阶动态仿真电路

本电路与图1类似,区别在于电容电压初值为0,且换路后电路中有直流激励V1,时域扫描和参数扫描设置与前面类似。运行仿真程序,结果如图7,其中的3条曲线分别是RLC电路在欠阻尼、临界阻尼和过阻尼情况下电容电压的零状态响应。

图7　不同阻值时零状态响应电容电压变化曲线

2.5仿真实例四

在实例三电路中,已知uC1(0-)=200V,换路后有直流电压V1=100 V作用,求R1分别为200 Ω、2 000 Ω、3 800 Ω时二阶电路的全响应。

仿真换路后有直流激励V1,区别在于电容电压初值为200 V,时域扫描和参数扫描设置均与实例三类似。运行仿真程序结果如图8,图中3条曲线分别是RLC二阶电路在欠阻尼、临界阻尼和过阻尼情况下,电容电压由初值200 V到稳态值100 V的变化过程。

2.6仿真实例五

若实例四电路中各参数及设置不变,仅将对于电阻R进行的线性扫描设置中,Start键入“1 μΩ”,End键入“400 Ω”,Increment键入“200 Ω”,这样分别对R1为1 μΩ, 、200 Ω、400 Ω三种情况进行时域扫描。仿真运行结果如图9所示。

图8　不同阻值时全响应电容电压变化曲线

图9　欠阻尼情况下电容电压变化曲线

3　结语

在二阶动态电路的教学过程中,借助PSPICE的时域分析和参数扫描分析功能,可以清楚地看到欠阻

尼、临界阻尼和过阻尼情况下的过渡过程曲线,易于掌握二阶电路零输入和直流激励下零状态、全响应动态过程的特点和规律,也便于与一阶电路的变化规律进行对比。学生可以更好地抓住重点、化解难点,深入理解元件及电路的性能特点,提高电路分析、设计和实际应用能力。利用计算机的人机交互、高速运算、海量存储以及智能化功能,修改数据方便快捷、输出结果迅速,教师和学生很容易互动,学生的学习积极性更高,更容易理解所学知识,提高教学效果[12]。

References)

[1] 邱关源,罗先觉.电路[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2] 周宦银,刘家华,房宗良,等.仿真技术在电工电子辅助教学中的应用[C]//电工电子课程报告论坛组委会.电工电子课程报告论坛论文集.北京:高等教育出版社,2007:132-138.

[3] 李琰,吴建强,齐凤艳.开放与自主学习模式下的实验教学体系[J].实验室研究与探索,2012,31(1):134-137.

[4] 贺洪斌,程桂芬,胡岩.电工测量基础与电路实验指导[M].北京:化学工业出版社,2004.

[5] 李世琼,宗伟.基于PSpice的电路计算机辅助分析[M].北京:中国电力出版社,2007.

[6] 肖冬萍,付志红,张谦.Maltlab在“计算机辅助电路分析”中的应用[J].电气电子教学学报,2008,30(3):83-85.

[7] 姚缨英,孙盾,干于,等.精心规划,耐心启发,全面培养:电路原理实验课程教学内容和方法的改革与实践[J].实验技术与管理,2008,25(4):19-21.

[8] 胡翔骏.电路分析:教学指导书[M].2版.北京:高等教育出版社,2007.

[9] 李耀刚,石国英,王宏志.改革实验教学 培养创新能力[J].实验室研究与探索,2007,26(11):92-94.

[10] 宋凤琴,牛晓平,朱昌平,等.如何在电路实验中贯彻现代实验教学理念[J].实验技术与管理,2007,24(8):104-106.

[11] 吴建强.电工学新技术实践[M].北京:机械工业出版社,2009.

[12] 华成英.如何讲好课:浅谈教学方法[C]//电工电子课程报告论坛组委会.电工电子课程报告论坛论文集.北京:高等教育出版社,2007:27-34.

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

天津市普通高等学校本科质量与教学改革研究计划基金项目(C04)；天津理工大学教学改革基金项目(YB10-61)

任兆香(1964—),女,天津,本科,副教授,主要研究方向为电工理论与新技术.

E-mail：rzx11@163.com

TN710;TP391.9

A

1002-4956(2016)6-0117-04