PSPICE仿真分析與二階動(dòng)態(tài)電路教學(xué)法研究

任兆香, 谷海青, 張　倩, 李曉飛

(天津理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津　300384)

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PSPICE仿真分析與二階動(dòng)態(tài)電路教學(xué)法研究

任兆香, 谷海青, 張倩, 李曉飛

(天津理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300384)

通過(guò)對(duì)二階動(dòng)態(tài)電路教學(xué)過(guò)程的分析,提出了將仿真分析與多媒體課件及板書相結(jié)合的教學(xué)方法。給出PSPICE軟件的常用功能及進(jìn)行電路仿真分析的基本步驟。以PSPICE仿真在二階動(dòng)態(tài)電路時(shí)域分析輔助教學(xué)實(shí)例,展示了RLC串聯(lián)二階電路在欠阻尼、臨界阻尼和過(guò)阻尼情況下零輸入、零狀態(tài)和全響應(yīng)曲線。實(shí)踐證明,在課堂教學(xué)中引入仿真分析,能夠促進(jìn)學(xué)生理解電路及元件特性,全面掌握知識(shí),提高教學(xué)效果。

仿真分析； 二階動(dòng)態(tài)電路； 教學(xué)方法； PSPICE

二階動(dòng)態(tài)電路的時(shí)域分析是“電路”課程理論教學(xué)的基本內(nèi)容,描述二階動(dòng)態(tài)電路的方程是二階微分方程,是該課程理論教學(xué)的難點(diǎn)之一[1]。傳統(tǒng)的教學(xué)法離不開(kāi)公式的推導(dǎo)。二階微分方程有兩個(gè)特征根,這兩個(gè)特征根的特點(diǎn)決定了二階電路響應(yīng)中自由分量的變化規(guī)律。由于在教學(xué)過(guò)程中數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)多,反而令許多學(xué)生不能真正理解所學(xué)知識(shí)。

筆者在“電路”課程二階動(dòng)態(tài)電路的時(shí)域仿真分析教學(xué)中,首先引導(dǎo)學(xué)生分析電路工作原理；然后根據(jù)電路圖建立微分方程,期間用多媒體課件展示推導(dǎo)過(guò)程;最后將分析結(jié)果以圖形方式輸出,使學(xué)生加深理解所學(xué)的知識(shí)。使用PSPICE軟件仿真分析和多媒體課件相互配合輔助教學(xué)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(qiáng)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(hào)制作功能,其元件庫(kù)有世界眾多半導(dǎo)體元件公司為它提供的上萬(wàn)種模擬和數(shù)字元件器。它以圖形方式輸入,自動(dòng)進(jìn)行電路檢查,生成網(wǎng)表,模擬和計(jì)算電路。

PSPICE的電路分析功能體現(xiàn)在:直流分析,包括直流工作點(diǎn)分析、直流小信號(hào)傳輸函數(shù)分析、直流掃描分析和直流小信號(hào)靈敏度分析；交流小信號(hào)分析,包括交流頻響特性分析和交流噪聲分析；瞬態(tài)分析,包括時(shí)域響應(yīng)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(shù)掃描分析[4]。

利用PSPICE的電路分析功能,可以測(cè)試電路的各項(xiàng)性能指標(biāo),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(cè)標(biāo)識(shí)符,可以觀測(cè)電路圖中任意點(diǎn)、任何變量以及多種函數(shù)表達(dá)式的波形和數(shù)據(jù),可以對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),將多個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較。

用PSPICE仿真分析電路的基本步驟[5]是:

(1) 運(yùn)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(shù)值；

(2) 點(diǎn)選PSpice/New Simulation Profile選單或相應(yīng)的快捷按鈕,創(chuàng)建仿真設(shè)置文件,定義分析類型和輸出變量；

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

(4) 在屏幕上輸出仿真結(jié)果,對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行觀察、運(yùn)算和標(biāo)注；

(5) 保存或打印輸出結(jié)果。

2　PSPICE在二階動(dòng)態(tài)電路教學(xué)中的應(yīng)用

2.1二階動(dòng)態(tài)電路的響應(yīng)特征根討論

教學(xué)課件和PSPICE輔助分析軟件一同安裝在電腦里,教師備課時(shí)預(yù)先選好電路或例題、錄入電路圖形、設(shè)置符號(hào)參數(shù)和分析類型,調(diào)試Probe窗口曲線輸出。講課時(shí)配合理論教學(xué)內(nèi)容適時(shí)切換到仿真軟件[6]。

根據(jù)電路理論,動(dòng)態(tài)電路的響應(yīng)可以看作自由分量和強(qiáng)制分量的疊加。強(qiáng)制分量與激勵(lì)源的變化規(guī)律相同；自由分量的變化規(guī)律是由特征根(即電路的結(jié)構(gòu)參數(shù))決定的。一階電路只有一個(gè)特征根且為負(fù)值,所以一階電路的自由分量總是單調(diào)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(gè),即

這兩個(gè)特征根的特點(diǎn)決定了二階電路自由分量uc=A1ep1t+A2ep1t的變化規(guī)律。

當(dāng)R=0時(shí),特征根為一對(duì)共軛純虛數(shù),響應(yīng)是等幅振蕩,稱為無(wú)阻尼狀態(tài)[8]。

2.2仿真實(shí)例一

RLC串聯(lián)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(shí)開(kāi)關(guān)閉合,求二階電路的零輸入響應(yīng)uC1、iL1、uL1。

圖1　零輸入二階動(dòng)態(tài)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(dāng)uC1(0-)=100 V時(shí),設(shè)置為IC=100 V。

運(yùn)行仿真程序后,得到 uC1、iL1、uL1隨時(shí)間變化的曲線如圖2所示。

圖2　R1=2.1 kΩ時(shí),零輸入響應(yīng)uC1、iL1、uL1變化曲線

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

還可以看到:當(dāng)t=tm時(shí)電流的極值點(diǎn)也恰好是電感電壓的過(guò)零點(diǎn),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(méi)有反方向的電容電壓和電感電流,這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)電阻,能量全部被電阻吸收了,所以也稱為過(guò)阻尼放電[9]。

將圖1中的R1修改為900 Ω,仍采用時(shí)域掃描,參數(shù)設(shè)置不變。運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。

圖3　R1=900 Ω時(shí)零輸入響應(yīng)uC1、iL1、uL1變化曲線

2.3仿真實(shí)例二

與實(shí)例一的元件參數(shù)相同,電容電壓初始值為100 V,t=0時(shí)開(kāi)關(guān)閉合。分析R1分別為200 Ω、2 000 Ω、3 800 Ω時(shí)二階電路的零輸入響應(yīng)uC1。

錄入圖形(見(jiàn)圖4),將電阻R1的數(shù)值設(shè)置為{R},添加PARAM元件,雙擊PARAMETERS元件,在“Add New Colurrm”對(duì)話框的Name欄輸入“R”,Volue欄輸入“100 Ω”。

圖4　不同阻值時(shí)零輸入二階動(dòng)態(tài)仿真電路

仿真類型仍為時(shí)域掃描。為觀察完整,總的分析時(shí)間可設(shè)置稍長(zhǎng)一些,例如35 ms。在Analysis頁(yè)的Option選項(xiàng)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(duì)R1為200 Ω、2 000 Ω、3 800 Ω三種情況進(jìn)行時(shí)域掃描分析[10]。

運(yùn)行仿真程序后可以清楚地看到RLC串聯(lián)二階電路在欠阻尼、臨界阻尼和過(guò)阻尼情況下的零輸入響應(yīng)曲線,且零輸入響應(yīng)的變化規(guī)律與自由分量的變化規(guī)律是相同的(見(jiàn)圖5)。

圖5　不同阻值時(shí)零輸入響應(yīng)電容電壓變化曲線

2.4仿真實(shí)例三

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

圖6　零狀態(tài)二階動(dòng)態(tài)仿真電路

本電路與圖1類似,區(qū)別在于電容電壓初值為0,且換路后電路中有直流激勵(lì)V1,時(shí)域掃描和參數(shù)掃描設(shè)置與前面類似。運(yùn)行仿真程序,結(jié)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(guò)阻尼情況下電容電壓的零狀態(tài)響應(yīng)。

圖7　不同阻值時(shí)零狀態(tài)響應(yīng)電容電壓變化曲線

2.5仿真實(shí)例四

在實(shí)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(shí)二階電路的全響應(yīng)。

仿真換路后有直流激勵(lì)V1,區(qū)別在于電容電壓初值為200 V,時(shí)域掃描和參數(shù)掃描設(shè)置均與實(shí)例三類似。運(yùn)行仿真程序結(jié)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(guò)阻尼情況下,電容電壓由初值200 V到穩(wěn)態(tài)值100 V的變化過(guò)程。

2.6仿真實(shí)例五

若實(shí)例四電路中各參數(shù)及設(shè)置不變,僅將對(duì)于電阻R進(jìn)行的線性掃描設(shè)置中,Start鍵入“1 μΩ”,End鍵入“400 Ω”,Increment鍵入“200 Ω”,這樣分別對(duì)R1為1 μΩ, 、200 Ω、400 Ω三種情況進(jìn)行時(shí)域掃描。仿真運(yùn)行結(jié)果如圖9所示。

圖8　不同阻值時(shí)全響應(yīng)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(jié)語(yǔ)

在二階動(dòng)態(tài)電路的教學(xué)過(guò)程中,借助PSPICE的時(shí)域分析和參數(shù)掃描分析功能,可以清楚地看到欠阻

尼、臨界阻尼和過(guò)阻尼情況下的過(guò)渡過(guò)程曲線,易于掌握二階電路零輸入和直流激勵(lì)下零狀態(tài)、全響應(yīng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的特點(diǎn)和規(guī)律,也便于與一階電路的變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比。學(xué)生可以更好地抓住重點(diǎn)、化解難點(diǎn),深入理解元件及電路的性能特點(diǎn),提高電路分析、設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用能力。利用計(jì)算機(jī)的人機(jī)交互、高速運(yùn)算、海量存儲(chǔ)以及智能化功能,修改數(shù)據(jù)方便快捷、輸出結(jié)果迅速,教師和學(xué)生很容易互動(dòng),學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性更高,更容易理解所學(xué)知識(shí),提高教學(xué)效果[12]。

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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(xué)校本科質(zhì)量與教學(xué)改革研究計(jì)劃基金項(xiàng)目(C04)；天津理工大學(xué)教學(xué)改革基金項(xiàng)目(YB10-61)

任兆香(1964—),女,天津,本科,副教授,主要研究方向?yàn)殡姽だ碚撆c新技術(shù).

E-mail：rzx11@163.com

TN710;TP391.9

A

1002-4956(2016)6-0117-04