利用OrCAD電路設(shè)計軟件分析RLC電路頻率特性

郭旭凱

摘 要本文利用OrCAD/Pspice電路設(shè)計軟件研究RLC串、并聯(lián)電路中由于參數(shù)的改變對電路的頻率特性造成的影響。通過軟件仿真得到結(jié)果：當中心頻率f0=1.59kHz時與通過理論計算的值相近。在R LC電路中，電阻R的值越小，則通頻帶就越窄；而且中心頻率f0的值和電路參數(shù)R無關(guān)，但當LC的乘積減小時，中心頻率f0的值增大。

【關(guān)鍵詞】OrCAD電路仿真RLC串 并聯(lián)電路電路參數(shù)

1 引言

伴隨著大規(guī)模集成電路以及計算機技術(shù)的快速發(fā)展，特別是互聯(lián)網(wǎng)+提出之后，利用計算機軟件對電子電路進行分析與設(shè)計的方法越來越廣泛的應(yīng)用。目前OrCAD/Pspice電路設(shè)計軟件是一個應(yīng)用廣泛的對電子線路進行分析設(shè)計的軟件，它有強大的電路設(shè)計與仿真能力的能力，對電子線路進行直流、交流和瞬態(tài)分析，以及更為復雜的傅里葉分析、諧波失真分析操作簡單，易于得到仿真結(jié)果。本文借助OrCAD/Pspice電路設(shè)計軟件，通過分析RLC串、并聯(lián)電路的頻率響應(yīng)對電路的頻率特性的影響，調(diào)整RLC電路的元器件參量，進而對電路進行優(yōu)化。

2 OrCAD/Pspice在RLC電子線路仿真中的優(yōu)勢作用

因為在RLC電路中有電容元件和電感元件，所以當給定得激勵源的頻率f發(fā)生改變時，RLC電路中的感抗和容抗相應(yīng)的也會發(fā)生改變，進而影響電路的工作狀態(tài)。嚴重的時候，RLC電路將不能正常工作，并對其他電路模塊造成影響。例如當激勵源的頻率f的改變超過正常工作的范圍時，RLC電路將會偏離其應(yīng)該正常的工作范圍，從而出現(xiàn)電路失效的狀況，甚至電路被損壞。因此通過對電路的頻率特性進行分析從而保證電路能正常工作就很重要。通過對OrCAD電路進行仿真，觀察仿真圖，對電路中的的重要功能和特性指標進行分析，這樣就能找到合適的L、C的值，進而保證電路能正常工作。

3 RLC串聯(lián)電路分析

3.1 RLC串聯(lián)電路的交流掃描分析

交流掃描分析的輸出波形圖橫縱軸分別表示的是激勵源的頻率和對應(yīng)的電流大小。當電阻R=1Ω，感抗L=40mH，容抗C=0.25uF，交流電壓源Ui=1V時，首先通過理論分析，當電路的頻率f=f 0 =1.59 kHz時，RLC電路將會串聯(lián)諧振。利用Pspice軟件對電路進行交流分析，L、C值不變，改變電阻值R，得到電路在不同參數(shù)下的電流響應(yīng)曲線。圖1、2分別是RLC串聯(lián)電路圖和它在不同的電阻值R下電流隨頻率變化的曲線圖，分析仿真圖可知，當改變電阻的阻值時，RLC電路中的電流I將會發(fā)生變化，但諧振頻率f不受影響。通過查閱資料知，RLC串聯(lián)電路的品質(zhì)因數(shù)為Q=ωR0L，由公式知，當電阻的阻值越小，質(zhì)因數(shù)Q值越大，通頻帶則變得越窄，電路選擇性越好，抑非能力越強。當RLC電路諧振時電感L和電容C上將會出現(xiàn)超過外加電壓Q倍的高電壓，它會對RLC串聯(lián)電路造成嚴重破壞，因此需要避免RLC串聯(lián)電路發(fā)生諧振。

3.2 RLC串聯(lián)電路的瞬態(tài)分析

在不同信號的影響下，對RLC串聯(lián)電路進行瞬態(tài)分析，圖3是RLC串聯(lián)電路，R1=2kΩ，L1=40mH ，C1=0.25uF，正弦電壓源的電壓為U=10V，電源頻率f1=1.59kHz。

通過對RLC串聯(lián)電路進行瞬態(tài)分析，觀察到電阻的電流與電源的電壓相位相同，如圖4所示。圖5為輸出電壓波形，當電路處于諧振狀態(tài)，電阻上的電壓等于電源的電壓，而且電容電壓與電感電壓在相同的時刻對應(yīng)的數(shù)值相等、極性相反，說明當RLC電路發(fā)生諧振時電容C和電感L沒有從電源獲取能量，而是兩者之間發(fā)生了能量的相互傳遞。

4 RLC并聯(lián)電路分析

4.1 RLC并聯(lián)電路的交流掃描分析

RLC并聯(lián)電路如圖6所示，其中電阻R2=20kΩ，感抗L2=140mH，容抗C2=0.25uF，電流源I2=1A。當電路的頻率

f==f 0=1.59kHz時，

U（N1）=1×20×103=20kV ，電路發(fā)生并聯(lián)諧振。

圖7時RLC并聯(lián)電路發(fā)生諧振時電阻電流隨頻率變化的曲線，分析仿真圖可以看出，電感的電流和電容的電流在相同時刻數(shù)值大小相等，相位相反，兩者的和始終為0，電阻中流過的電流的最大值為I=1A。電流源的電壓的最大值為20kV，如圖8所示。

4.2 RLC并聯(lián)電路的參數(shù)分析

在其他元件的參數(shù)不變，通過改變電路中某個元件值或某個模型參數(shù)使得電路的效應(yīng)發(fā)生改變，通過分析比較，選取最優(yōu)的方案進行電路設(shè)計。PSpice有參數(shù)分析的功能，通過設(shè)置好想要改變的元件值或模型參數(shù)，然后進行仿真，就可得到結(jié)果然后與原始結(jié)果進行分析比較優(yōu)劣。對RLC并聯(lián)電路的電阻值進行參數(shù)掃描分析容抗，選定感抗L2=1mH，C2=1000pF，恒流源的輸出電流I2=1mA，對電阻值R2分別為 20kΩ，50kΩ和100kΩ時進行仿真分析，電路圖如圖9所示。

利用OrCAD/Pspice電路設(shè)計軟件進行參數(shù)掃描分析，當電路的頻f=1.59 kHz時，RLC并聯(lián)電路發(fā)生并聯(lián)諧振，如圖 10所示。從圖10中可看出，RLC并聯(lián)電路的電阻值越大，品質(zhì)因數(shù)Q（并聯(lián)電路的品質(zhì)因數(shù) Q =ω0CR）R值越大，通頻帶越窄，電路的選擇性越好。

5 結(jié)語

通過OrCAD/Pspice軟件對RLC串、并聯(lián)電路的頻率特性的分析可知，針對不僅的信號源，當信號源的內(nèi)阻很小時選取RLC串聯(lián)諧振電路，這是選用的電阻的阻值越小，質(zhì)因數(shù)Q值越大，電路選擇性越好，而當信號源的內(nèi)阻較大時，選取RLC并聯(lián)電路，發(fā)生諧振時，選取的電阻阻值值越大，品質(zhì)因數(shù)Q越大，通頻帶越窄，電路的選擇性越好。

參考文獻

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作者單位

河南大學物理與電子學院 河南省開封市 475000