基于PSPICE的节点电压分析和谐振分析

1 Pspice的简介1.1 PSPICE的起源与发展用于模拟电路仿真的SPICE软件于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTR AN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。

SPICE 的正式版SPICE 2G在1975年正式推出，但是该程序的运行环境至少为小型机。

1985年，加州大学伯克利分校用C语言对SPICE软件进行了改写，并由MICROSIM公司推出。

1988年SPICE被定为美国国家工业标准。

与此同时，各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件，在SPICE的基础上做了大量实用化工作，从而使SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件。

PSPICE是较早出现的EDA软件之一，在电路仿真方它的功能可以说是最为强大，在国内被普遍使用。

1.2 PSPICE的组成1.2.1 电路原理图编辑程序SchematicsPSPICE的输入有两种形式，一种是网单文件形式，一种是电路原理图形式，相对而言后者比前者较简单直观，它既可以生成新的电路原理图文件，又可以打开已有的原理图文件。

电路元器件符号库中备有各种原器件符号，除了电阻，电容，电感，晶体管，电源等基本器件及符号外，还有运算放大器，比较器等宏观模型级符号，组成电路图，原理图文件后缀为.sch。

图形文字编辑器自动将原理图转化为电路网单文件以提供给模拟计算程序运行仿真。

1.2.2 激励源编辑程序 Stimulus EditorPSPICE中有很丰富的信号源，如正弦源，脉冲源，指数源，分段线性源，单频调频源等等。

该程序可用来快速完成各种模拟信号和数字信号的建立与修改，并且可以直观而方便的显示这些信号源的波形。

1.2.3 电路仿真程序 PSPICE A/D模拟计算程序是PSPICE A/D也叫做电路仿真程序，它是软件核心部分。

在PSPICE 4.1版本以上，该仿真程序具有数字电路和模拟电路的混合仿真能力。

它接收电路输入程序确定的电路拓扑结构和原器件参数信息，经过原器件模型处理形成电路方程，然后求解电路方程的数值解并给出计算结果，最后产生扩展名为.dat的数据文件和扩展名为.out的电路输出文本文件。

模拟计算程序只能打开扩展名为.cir的电路输入文件，而不能打开扩展名为.sch的电路输入文件。

因此在Schemayics环境下，运行模拟计算程序时，系统首先将原理图.sch文件转换为.cir文件，而后再启动PSPICE A/D进行模拟分析。

1.2.4 输出结果绘图程序 ProbeProbe程序是PSPICE的输出图形后处理软件包。

该程序的输入文件为用户作业文本文件或图形文件仿真运行后形成的后缀为.dat的数据文件。

它可以起到万用表，示波器和扫描仪的作用，在屏幕上绘出仿真结果的波形和曲线。

随着计算机图形功能的不断增强，PC机上windows95,98,2000/XP的出现，Probe的绘图能力也越来越强。

1.2.5模型参数提取程序 Model Editor电路仿真分析的精度和可靠性主要取决于元器件模型参数的精度。

尽管PSPICE的模型参数库中包含了上万种元器件模型，但有时用户还是根据自己的需要而采用自己确定的元器件的模型及参数。

这时可以调用模型参数提取程序Model ED从器件特性中提取该器件的模型参数。

3.6 元件模型参数库 LIB1.3 PSPICE的模拟功能1.3.1直流分析直流工作点是电路正常工作的基础。

通过对电路进行直流工作点的分析，可以知道电路中各元件的电压和电流，从而知道电路是否正常工作以及工作的状态。

一般在对电路进行仿真的过程中，首先要对电路的静态工作点进行分析和计算。

直流扫描分析主要是将电路中的直流电源、工作温度、元件参数作为扫描变量，让这些参量以特定的规律进行扫描，从而获取这些参量变化对电路各种性能参数的影响。

直流扫描分析主要是为了获得直流大信号暂态特性。

1.3.2暂态分析非线性暂态分析简称为暂态分析。

暂态分析计。

算电路中电压和电流随时间的变化，即电路的时域分析。

这种分析在输入信号为时变信号时显得尤为重要。

时域分析是指在某一函数激励下电路的时域响应特性。

通过时域分析，设计者可以清楚地了解到电路中各点的电压和电流波形以及它们的相位关系，从而知道电路在交流信号作用下的工作状况，检查它们是否满足电路设计的要求。

1.3.3 交流分析线性小信号交流分析简称为交流分析。

它是SPICE程序的主要分析功能。

它是在交流小信号的条件下，对电路的非线性元件选择合适的线性模型将电路在直流工作点附近线性化，然后在用户指定的范围内对电路输入一个扫频信号，从而计算出电路的幅频特性、相频特性、输入电阻、输出电阻等。

这种分析等效于电路的正弦稳态分析即频域分析。

频域分析用于分析电路的频域响应即频率响应特性。

这种分析主要用于分析电路的幅频特性和相频特性。

1.3.4 灵敏度分析灵敏度分析包括直流灵敏度分析和蒙特卡罗分析两种。

直流灵敏度分析业称为灵敏度分析。

它是在工作点附近将所有的元件线性化后，计算各元器件参数值变化时对电路性能影响的敏感程度。

通过对电路进行灵敏度分析，可以预先知道电路中的各个元件对电路的性能影响的重要程度。

对于那些对电路性能有重要影响的元件，要在电路的生产或元件的选择时给予特别的关注。

1.3.5统计分析统计分析主要包括蒙特卡罗分析和最坏情况分析。

蒙特卡罗分析是在考虑到器件参数存在容差的情况下，分析电路在直流分析、交流分析或暂态分析时电路特性随器件容差变化的情况。

另一种统计分析是最坏情况分析，它不仅对各器件参数的变化逐一进行分析，得到单一器件对电路性能的灵敏度分析，同时分析各器件容差对电路性能的最大影响量(最坏情况分析)，从而达到优化电路的目的。

2. 基于PSpice节点、支路分析分析2.1节点、支路分析电路原理在电路中任意选择某一节点为参考节点，其他节点为独立节点，这些节点与参考节点之间的电压成为节点电压，节点电压的参考极性是以参考节点为负，其余独立节点为正。

由于任一支路都连接在两个节点上，根据KVL，不难断定支路电压就是两个节点电压之差。

如果每一个支路电流都可由支路电压来表示，那么它也一定也可以用节点电压来表示。

在具有n个节点的电路中写出其中（n-1）个独立节点的KCL方程，就得到变量为（n-1）个节点电压的共（n-1）个独立方程，称为节点电压方程，最后由这些方程解出节点电压，从而求出所需的电压、电流。

这就是节点电压法。

对一个具有b条支路和n个节点的电路，当以支路电压和支路电流为电路变量列方程时，总共有2b个未知量。

为了减少求解的方程数，可以利用元件的VCR将各之路电压以支路电流表示，然后代入KVL方程，就得到以b个支路电流为未知量的b个KVL和KCL 方程。

这种方法称为支路电流法。

2.2 节点、支路分析电路图2.2.1设计原理图运行Orcad Family Release 9.2 Lite Edition中的Capture CIS Lite Edition，新建空白项目Project，命名为jiedianzhilufenxi文件，如果找不到相应的原件通过add library键来添加元件库。

本次课程设计中要用到的是SOURCE及ANALOG_P元件库。

然后按表2-1选择相应的元器件，放到合适的位置，连线，然后修改各个元件的参数，绘制原理图结束。

图2-1 节点、支路分析电路图此电路为简单的串并联电路，其中1V 为直流电压源，输出20V 的电压，4R 与5R 并联后在串联2R 所得到的等效电阻再与3R 相并联后，再与1R 串联接在直流稳压源的两端。

图中还插入了三个节点分别是0N ,1N ,2N 。

其中0N 为参考地点，1N 为其中一个节点，此处电压设为1N U ，2N 为另一个节点，此处电压设为2N U 。

如表2—1为节点、支路分析电路所用到的器件2.2.2节点、支路分析电路仿真过程说明画好原理图后，设置仿真参数。

点击仿真按钮中最左边的一个来仿真，首先命名，然后设置相应的参数Analysis Type 设为DC Sweep ；Options 选Primary Sweep ；Sweep variable 选Voltage source ，其name 中写V1；Sweep 中选Linear ，其三个参量设置为0V 、20V 、1V 。

设置好后，执行中的最右边的三角形按钮，出现Probe 窗口。

执行Trace 下Add Trace命令，选择要显示的内容，如（21,R R I I 等）即可查看相应的图表。

2.2.3 对节点、支路分析电路图的理论分析方法一：利用支路电流法解题的步骤：（1）任意标定各支路电流的参考方向和网孔绕行方向。

（2）用基尔霍夫电流定律列出节点电流方程。

有n 个节点，就可以列出n-1个独立电流方程。

（3）用基尔霍夫电压定律列出L=b-（n-1）个网孔方程。

说明：L 指的是网孔数，b 指是支路数，n 指的是节点数。

（4）代入已知数据求解方程组，确定各支路电流及方向。

利用以上步骤，设电压源V1的电压为U1。

可通过支路电流法列写的全部方程为: 节点N1 ： 0321=++-R R R I I I节点N2 ： 0542=++-R R R I I I 回路1 ： 1331*1*U R I R I R R =+回路2 ：0***442233=++-R I R I R I R R R回路3 ： 0**4455=+-R I R I R R分别算得 流过1R 的电流为1)////(354211R R R R R U I R ++=流过2R 的电流543231354212//*//)//(R R R R R R R R R R U I R ++++=，流过3R 的电流为54325421354213////*//)//(R R R R R R R R R R R R U I R +++++=流过的4R 电流为54554325421354214*////*//)//(R R R R R R R R R R R R R R R U I R ++++++=流过的5R 电流为54454325421354215*////*//)//(R R R R R R R R R R R R R R R U I R ++++++=同样可以推得各个节点电压的大小：其中选取N0的电压为参考地点，其电压值始终为0，从而可以推得节点N1的电压值为35432542135421331*////*//)//(*R R R R R R R R R R R R R U R I UR N +++++==,节点N2的电压值为45455432542135421442**////*//)//(*R R R R R R R R R R R R R R R R U R I UR N ++++++==电阻1R 两端的电压值 111N R UU U -=电阻2R 两端的电压值 212N N R UU U -=电阻3R 两端的电压值 13N R UU = 电阻4R 两端的电压值 24N R U U = 电阻5R 两端的电压值 25N R UU =方法二： 利用节点电压法解题步骤： （1） 选择参考节点，设定参考方向 （2） 求节点电压U （3） 求支路电流通过此方法同样可以列写的全部节点电压方程为:节点N1 11221321*1*)111(R U UR UR R R N N =-++节点N2 0*1*)111(122542=-++N N UR UR R R分别算得： N1的电压值35432542135421331*////*//)//(*R R R R R R R R R R R R R U R I U R N +++++==,N2的电压值45455432542135421442**////*//)//(*R R R R R R R R R R R R R R R R U R I U R N ++++++==同样可以通过节点N1和N2的电压值计算出： 流过1R 的电流为1354211)////(R R R R R U I R ++=流过2R 的电流543231354212//*//)//(R R R R R R R R R R U I R ++++=流过3R 的电流为54325421354213////*//)//(R R R R R R R R R R R R U I R +++++=流过的4R 电流为54554325421354214*////*//)//(R R R R R R R R R R R R R R R U I R ++++++=流过的5R 电流为54454325421354215*////*//)//(R R R R R R R R R R R R R R R U I R ++++++=电阻1R 两端的电压值 111N R UU U -=电阻2R 两端的电压值 212N N R UU U -=电阻3R 两端的电压值 13N R UU = 电阻4R 两端的电压值 24N R U U = 电阻5R 两端的电压值 25N R UU =由这些电流电压的表达式可以看出，各电压电流随U1的变化都是直线变化的，所以可以推测仿真出来的图像是线性的关系。