电路的计算机辅助分析
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附录电路的计算机辅助分析
对电路进行计算机辅助分析的软件很多，如OrCAD、MultiSim、Electronic Workbench (EWB)等。就“电路原理”这门课所涉及到的内容而言，比较简单且实用的软件是EWB。本章主要介绍在EWB环境下完成的几种典型的电路分析。
1.EWB基本功能介绍
双击执行文件ewb32.exe，弹出EWB的工作界面如图1所示。
3.频率扫描
EWB的频率扫描功能可用来分析正弦稳态电路的频率特性（幅频特性和相频特性）。非常遗憾的是，EWB不能直接求解在某一确定频率下电路中的电压和电流，而必须首先确定以各频率分析范围，然后通过在图形中移动游标来获得某一频率下电路中对应的各电量的值。
例2.电路如图11所示，分析电阻两端电压的频率特性。
图3
图4
C.需要特别注意的是，EWB的所有电路图中都必须有明确的接地端，因此，元件ground（在电源sources元件库中）是必不可少的。
D.为便于后面的分析，一般要显示电路中的节点编号。具体操作是在circuit菜单下选中schematicoptions，弹出图5所示对话框：
图5
选中“show nodes”前面的复选框就可以显示节点编号；若还想显示元件编号，选中“show reference ID”前面的复选框即可。
图23
三个端钮可以分别接到不同的支路，2、3两个端钮也可以有一个悬空。延时开关的设置界面如图24所示。
图24
延时开关两个最重要的参数是它的导通时间(Time On)和关断时间(Time Off)。导通时间实际指的是端钮1、3相连的时间，而关断时间实际指的是端钮1、2相连的时间，这两个时间不能相等且都必须大于0。延时开关的初始状态缺省是端钮1、2相连，因此在绘制电路图时，应根据接入电路的端钮和电路发生换路的时间来合理设置延时开关的这两个参数。在一次仿真中最多可实现两次换路。
图8
图9
对此电路再次进行直流工作点分析，节点5的电压在数值上就等于50电阻支路的电流，如图10所示。
图10
与图8相对比，可以看出，两种方法求得的结果完全相同。在分析结果中，流控电压源(V2)有两个值，前者是受控支路的电流（近似为0），后者是控制支路的电流。
受控源是一个四端元件，在连接时一定要注意：如果控制端是电流，则必须将其串联在对应支路中（如图9）；如果控制端是电压，一定要将其并联在控制量的两端。而受控端则根据它在电路图中原来Fra Baidu bibliotek位置来连接。
图2
B.将元件位置调整好后，对其进行连接，形成正确的电路图。接线方法是：选中某一元件的一端作为起始端（此时该元件端有一小黑点），按住鼠标左键，移动鼠标到另一元件的某一端（此时该元件端同样有一小黑点），松开鼠标左键，这两个元件就连接上了；若有两个以上的元件连到同一节点，则先按照上述方法连接其中两个，然后选中第3个元件的某一端，按住鼠标左键，移动鼠标至前两个元件的连线上，当连线上出现一个小黑点时松开鼠标左键，此时就自动形成一个节点，把三个元件都连接上了。一个节点最多可以连接来自四个方向的导线。在复杂的电路中，可以改变导线的颜色使元件之间的连接关系更直观。方法是将鼠标移动到要进行修改的导线上，单击鼠标左键选中它（此时该导线加黑显示），双击弹出对话框如图3所示，点击“Set Wire Color”按钮，弹出颜色选择框，如图4所示，选择想要的颜色，然后逐级返回。
图14
图15
移动其中一根游标至谐振频率点处(y1 = maxy)，则对应的横坐标的值就是谐振频率，x1=1.5911kHz，与理论计算值吻合得非常好。
在此，有两点需要注意一下：
一是在谐振频率点处电压的最大值并不是理论计算的120V，而是1V，改变原电路图中电压源的幅值对此也没有任何影响。原因在于EWB在进行交流频率分析时，缺省设置是不管实际电压源的幅值、相位如何，都采用1V、0o进行分析。要修改此设置，在原电路图中选中电压源元件，按鼠标右键，点击“ComponentProperties”，弹出对话框如图16所示。
图1
(1)菜单条：包含file、edit、circuit、analysis、window和help 6个下拉式菜单，每个菜单的主要功能如下：
file：创建新文件，打开文件，保存文件，导入/导出文件，打印设置与打印等。
edit：对图中的元件进行剪切、拷贝、粘贴、删除，并可将整个电路图拷贝为bmp图形
输出；
按“Simulate”按钮，弹出分析结果如图13所示。
图13
结果为节点3电压（电阻电压）的幅频特性和相频特性。为了看到确切的谐振频率，点击图形上方工具栏中的按钮 ，则弹出一个小的数据显示界面，如图14所示。同时，在原来的图形中会出现两根游标，如图15所示，这两根游标与曲线的交点其坐标值分别为数据显示界面中的(x1,y1)和(x2,y2)。
(3)元件库：包含了EWB软件所能提供的所有元件，用以进行分析的电路图就是从这些元件库中选出合适的元件连接而成的。最左端的一个元件库是用户定制的，可以将一些常用元件放置其中，再次使用时就不必到其它元件库中去逐个寻找。方法是在EWB提供的元件库中找出你想要的元件，鼠标放置其上按右键，选中“Add toFavorites”，此元件就被加入到了最左端的“Favorites”元件库中了。
图18
图19
这些设置既可以仿照前面的交流分析逐项设置（可以与交流分析时的设置不同），也可以直接点击“Load from AC Analysis”，就采用交流分析时的设置进行分析。设置完后，点击“Accept”按钮，回到图15所示界面，点击“Simulate”按钮，得到分析结果如图20所示。
从图中可以看出，改变R1的值，谐振频率没有发生变化，曲线形状与理论分析结果相吻合。如果想看每条曲线所对应的R1的值，点击图形上方工具栏中的按钮 ，弹出一个标识栏，如图21所示，每条曲线对应的电阻值一目了然。
首先选定要进行参数扫描的元件(component)，本例中是R1；
其次要选择参数扫面的起始值、终止值和扫描步长，本例中设定R1的起始值为5，终止值为55，扫描步长为10，则最终的分析结果会给出R1分别为5、15、25、35、45、556种情况下对电路性能的影响；
第三要选择节点，即确定观察改变电阻R1的值对哪个节点电压特性的影响，本例中选择节点3；
例1.电路如图6所示。
图6
如果现在想得到节点2和节点3的电压，可以进行如下的分析：选择analysis菜单下的“DC operating point”选项，弹出对话框如图7所示。
图7
结果显示了三个节点的电压以及电压源支路上的电流（V1#branch），所有支路的电压电流均取关联参考方向。遗憾的是，在直流工作点分析中，EWB不能直接显示非电源元件支路上的电流。若要显示此类电流，可以有两种解决方法：一是在元件支路中串联一块电流表，用以显示流经该元件的电流值。电流表在“指示器（indicators）”元件库中，如图8所示；二是在元件支路中串联一个转移电阻为1的流控电压源，则受控端电压在数值上就等于控制端电流，如图9所示。
(4)图形显示区域：用户在此区域内编辑用以进行分析的电路图。编辑电路图的一般步骤是：
A.打开元件库，移动鼠标到需要的元件图形上，按住鼠标左键，将其拖拽到图形显示区域；利用鼠标可以移动该元件；利用菜单circuit提供的功能可以对元件进行各种翻转，也可以在图形显示区域直接选中要进行调整的元件（此时该元件红色显示），然后按鼠标右键，从弹出的菜单中选中某一项进行操作；双击元件，弹出元件属性对话框，如图2所示（以交流电压源为例），在此对话框中可以设置元件的各种参数。
图20
图21
5.暂态分析
利用EWB进行暂态过程分析，可以非常直观地看到电路中指定变量的动态变化过程。
例4.电路如图22所示。电感L1无初始储能，开关在t= 1ms时打开，仿真得出电阻R1上的电流随时间变化的关系曲线。
图22
图中出现了一个新的元件——延时开关，它的接线对于正确实现电路的暂态分析非常重要。延时开关是一个三端元件，相当与一个单刀双掷开关。它的端钮编号如图23所示。
circuit：对图中各元件的摆放位置进行各种旋转，对元件参数的显示方式进行调整；
analysis：EWB的所有电路分析功能都集中在此菜单下，下文将对主要功能进行介绍；
window：对界面的显示方式进行调整；
help：EWB的联机帮助。
(2)工具栏：提供一些常用功能的快捷键，每个快捷键都和菜单条中的某一项相对应，它们的功能是完全一样的。
理论分析可以得出，因为节点3测得的是电阻上的电压，因此其特性应与电路中的电流特性相似，只差一个比例系数R；而改变R就会改变电路的品质因数，显然R越小，电路的品质因数越大，电流谐振曲线的通频带越窄，节点3电压的幅频特性曲线也应该越尖。
选择analysis菜单下的“Parameter Sweep”选项，弹出对话框如图18所示。
图11
这是一个最简单的RLC串联电路。很显然，它在某一频率下会发生串联谐振。该电路的谐振频率为：
为了清楚地反映电阻电压在谐振点附近的频率特性，选择扫描频率范围是500~3000Hz。选择analysis菜单下的“AC Frequency”选项，弹出对话框如图12所示。
图12
图中start frequency为扫描起始频率，end frequency为扫描截止频率，sweep type选择的是扫描方式，有10倍程(decade，即对数)/线性(linear)/2倍程(octave)三种形式，不同的扫描方式体现在横坐标的显示方式不同。Number of point指的是在所确定的扫描频率范围内EWB进行分析的点数，图中设置的是1000点，则每两点之间的频率间隔为(3000-500)/1000 = 2.5Hz。Verticalscale设置的是纵坐标的显示方式，同样有对数(decade)/线性(linear)/8进制(octave)三种形式。最后要选定要分析的节点编号。如果完成了全部设置，就可以按“Simulate”按钮进行仿真；如果暂时还不想进行仿真，则按“Accept”按钮保存设置即可。
最后要确定分析类型，有直流工作点分析/过渡过程分析/交流频率分析三种，不同的分析可以获得电路在不同方面的特性，当然参数的变化对这些性质的影响也是不同的。本例中仍选择“AC Frequency Analysis”。注意此时仍要设置一下“AC Frequency Analysis”的有关参数，点击“Set AC Options”按钮，弹出对话框如图19所示。
图17
可以看出，此时谐振频率为1.5714kHz，谐振时节点3的电压幅值为969.1158mV，与理论值的差距都要比采用1000点分析时要大得多。
4.参数扫描
利用参数扫描功能可以清楚地看出电路中各个元件对电路某一性能的影响。
例3.仍以图8所示RLC串联电路为例，对电阻进行参数扫描，看看改变电阻值的大小会对节点3的电压产生什么影响。
E.至此，就可以将编辑好的电路图存盘了。选择file菜单下的save或save as选项或直接点击工具栏上的快捷键，在弹出的对话框中选择想要保存的路径和文件名就行了。
2.直流工作点分析
纯电阻电路的支流工作点分析是EWB的基本功能之一。
打开已经编辑好的电路图，方法是选择file菜单下的open选项或直接点击工具栏上的快捷键，选择正确的路径和文件名，则电路图就会在图形显示区域中显示出来。
图16
在“Analysis Setup”选项卡中可以看到，用于交流频率分析的电压源幅值为1V，相位为0o；若想按电压源的实际电压源的幅值和相位进行分析，只需修改上图中的幅值和相位与实际电压源一致即可。再次重复前面的分析过程，就可得到所期望的结果。
二是扫描精度，也就是在图12中设置的频率分析点数。点数太少时，两点键的频率间隔太大，就有可能漏掉谐振频率点，从而使分析结果出现很大偏差。如果将图12中的分析点数改为50，分析结果如图17所示。
若Ton> Toff，0tToff时，1、3接通；TofftTon时，1、2接通；tTon时，1、3接通；
若Ton< Toff，0tTon时，1、2接通；TontToff时，1、3接通；tToff时，1、2接通。
对电路进行计算机辅助分析的软件很多，如OrCAD、MultiSim、Electronic Workbench (EWB)等。就“电路原理”这门课所涉及到的内容而言，比较简单且实用的软件是EWB。本章主要介绍在EWB环境下完成的几种典型的电路分析。
1.EWB基本功能介绍
双击执行文件ewb32.exe，弹出EWB的工作界面如图1所示。
3.频率扫描
EWB的频率扫描功能可用来分析正弦稳态电路的频率特性（幅频特性和相频特性）。非常遗憾的是，EWB不能直接求解在某一确定频率下电路中的电压和电流，而必须首先确定以各频率分析范围，然后通过在图形中移动游标来获得某一频率下电路中对应的各电量的值。
例2.电路如图11所示，分析电阻两端电压的频率特性。
图3
图4
C.需要特别注意的是，EWB的所有电路图中都必须有明确的接地端，因此，元件ground（在电源sources元件库中）是必不可少的。
D.为便于后面的分析，一般要显示电路中的节点编号。具体操作是在circuit菜单下选中schematicoptions，弹出图5所示对话框：
图5
选中“show nodes”前面的复选框就可以显示节点编号；若还想显示元件编号，选中“show reference ID”前面的复选框即可。
图23
三个端钮可以分别接到不同的支路，2、3两个端钮也可以有一个悬空。延时开关的设置界面如图24所示。
图24
延时开关两个最重要的参数是它的导通时间(Time On)和关断时间(Time Off)。导通时间实际指的是端钮1、3相连的时间，而关断时间实际指的是端钮1、2相连的时间，这两个时间不能相等且都必须大于0。延时开关的初始状态缺省是端钮1、2相连，因此在绘制电路图时，应根据接入电路的端钮和电路发生换路的时间来合理设置延时开关的这两个参数。在一次仿真中最多可实现两次换路。
图8
图9
对此电路再次进行直流工作点分析，节点5的电压在数值上就等于50电阻支路的电流，如图10所示。
图10
与图8相对比，可以看出，两种方法求得的结果完全相同。在分析结果中，流控电压源(V2)有两个值，前者是受控支路的电流（近似为0），后者是控制支路的电流。
受控源是一个四端元件，在连接时一定要注意：如果控制端是电流，则必须将其串联在对应支路中（如图9）；如果控制端是电压，一定要将其并联在控制量的两端。而受控端则根据它在电路图中原来Fra Baidu bibliotek位置来连接。
图2
B.将元件位置调整好后，对其进行连接，形成正确的电路图。接线方法是：选中某一元件的一端作为起始端（此时该元件端有一小黑点），按住鼠标左键，移动鼠标到另一元件的某一端（此时该元件端同样有一小黑点），松开鼠标左键，这两个元件就连接上了；若有两个以上的元件连到同一节点，则先按照上述方法连接其中两个，然后选中第3个元件的某一端，按住鼠标左键，移动鼠标至前两个元件的连线上，当连线上出现一个小黑点时松开鼠标左键，此时就自动形成一个节点，把三个元件都连接上了。一个节点最多可以连接来自四个方向的导线。在复杂的电路中，可以改变导线的颜色使元件之间的连接关系更直观。方法是将鼠标移动到要进行修改的导线上，单击鼠标左键选中它（此时该导线加黑显示），双击弹出对话框如图3所示，点击“Set Wire Color”按钮，弹出颜色选择框，如图4所示，选择想要的颜色，然后逐级返回。
图14
图15
移动其中一根游标至谐振频率点处(y1 = maxy)，则对应的横坐标的值就是谐振频率，x1=1.5911kHz，与理论计算值吻合得非常好。
在此，有两点需要注意一下：
一是在谐振频率点处电压的最大值并不是理论计算的120V，而是1V，改变原电路图中电压源的幅值对此也没有任何影响。原因在于EWB在进行交流频率分析时，缺省设置是不管实际电压源的幅值、相位如何，都采用1V、0o进行分析。要修改此设置，在原电路图中选中电压源元件，按鼠标右键，点击“ComponentProperties”，弹出对话框如图16所示。
图1
(1)菜单条：包含file、edit、circuit、analysis、window和help 6个下拉式菜单，每个菜单的主要功能如下：
file：创建新文件，打开文件，保存文件，导入/导出文件，打印设置与打印等。
edit：对图中的元件进行剪切、拷贝、粘贴、删除，并可将整个电路图拷贝为bmp图形
输出；
按“Simulate”按钮，弹出分析结果如图13所示。
图13
结果为节点3电压（电阻电压）的幅频特性和相频特性。为了看到确切的谐振频率，点击图形上方工具栏中的按钮 ，则弹出一个小的数据显示界面，如图14所示。同时，在原来的图形中会出现两根游标，如图15所示，这两根游标与曲线的交点其坐标值分别为数据显示界面中的(x1,y1)和(x2,y2)。
(3)元件库：包含了EWB软件所能提供的所有元件，用以进行分析的电路图就是从这些元件库中选出合适的元件连接而成的。最左端的一个元件库是用户定制的，可以将一些常用元件放置其中，再次使用时就不必到其它元件库中去逐个寻找。方法是在EWB提供的元件库中找出你想要的元件，鼠标放置其上按右键，选中“Add toFavorites”，此元件就被加入到了最左端的“Favorites”元件库中了。
图18
图19
这些设置既可以仿照前面的交流分析逐项设置（可以与交流分析时的设置不同），也可以直接点击“Load from AC Analysis”，就采用交流分析时的设置进行分析。设置完后，点击“Accept”按钮，回到图15所示界面，点击“Simulate”按钮，得到分析结果如图20所示。
从图中可以看出，改变R1的值，谐振频率没有发生变化，曲线形状与理论分析结果相吻合。如果想看每条曲线所对应的R1的值，点击图形上方工具栏中的按钮 ，弹出一个标识栏，如图21所示，每条曲线对应的电阻值一目了然。
首先选定要进行参数扫描的元件(component)，本例中是R1；
其次要选择参数扫面的起始值、终止值和扫描步长，本例中设定R1的起始值为5，终止值为55，扫描步长为10，则最终的分析结果会给出R1分别为5、15、25、35、45、556种情况下对电路性能的影响；
第三要选择节点，即确定观察改变电阻R1的值对哪个节点电压特性的影响，本例中选择节点3；
例1.电路如图6所示。
图6
如果现在想得到节点2和节点3的电压，可以进行如下的分析：选择analysis菜单下的“DC operating point”选项，弹出对话框如图7所示。
图7
结果显示了三个节点的电压以及电压源支路上的电流（V1#branch），所有支路的电压电流均取关联参考方向。遗憾的是，在直流工作点分析中，EWB不能直接显示非电源元件支路上的电流。若要显示此类电流，可以有两种解决方法：一是在元件支路中串联一块电流表，用以显示流经该元件的电流值。电流表在“指示器（indicators）”元件库中，如图8所示；二是在元件支路中串联一个转移电阻为1的流控电压源，则受控端电压在数值上就等于控制端电流，如图9所示。
(4)图形显示区域：用户在此区域内编辑用以进行分析的电路图。编辑电路图的一般步骤是：
A.打开元件库，移动鼠标到需要的元件图形上，按住鼠标左键，将其拖拽到图形显示区域；利用鼠标可以移动该元件；利用菜单circuit提供的功能可以对元件进行各种翻转，也可以在图形显示区域直接选中要进行调整的元件（此时该元件红色显示），然后按鼠标右键，从弹出的菜单中选中某一项进行操作；双击元件，弹出元件属性对话框，如图2所示（以交流电压源为例），在此对话框中可以设置元件的各种参数。
图20
图21
5.暂态分析
利用EWB进行暂态过程分析，可以非常直观地看到电路中指定变量的动态变化过程。
例4.电路如图22所示。电感L1无初始储能，开关在t= 1ms时打开，仿真得出电阻R1上的电流随时间变化的关系曲线。
图22
图中出现了一个新的元件——延时开关，它的接线对于正确实现电路的暂态分析非常重要。延时开关是一个三端元件，相当与一个单刀双掷开关。它的端钮编号如图23所示。
circuit：对图中各元件的摆放位置进行各种旋转，对元件参数的显示方式进行调整；
analysis：EWB的所有电路分析功能都集中在此菜单下，下文将对主要功能进行介绍；
window：对界面的显示方式进行调整；
help：EWB的联机帮助。
(2)工具栏：提供一些常用功能的快捷键，每个快捷键都和菜单条中的某一项相对应，它们的功能是完全一样的。
理论分析可以得出，因为节点3测得的是电阻上的电压，因此其特性应与电路中的电流特性相似，只差一个比例系数R；而改变R就会改变电路的品质因数，显然R越小，电路的品质因数越大，电流谐振曲线的通频带越窄，节点3电压的幅频特性曲线也应该越尖。
选择analysis菜单下的“Parameter Sweep”选项，弹出对话框如图18所示。
图11
这是一个最简单的RLC串联电路。很显然，它在某一频率下会发生串联谐振。该电路的谐振频率为：
为了清楚地反映电阻电压在谐振点附近的频率特性，选择扫描频率范围是500~3000Hz。选择analysis菜单下的“AC Frequency”选项，弹出对话框如图12所示。
图12
图中start frequency为扫描起始频率，end frequency为扫描截止频率，sweep type选择的是扫描方式，有10倍程(decade，即对数)/线性(linear)/2倍程(octave)三种形式，不同的扫描方式体现在横坐标的显示方式不同。Number of point指的是在所确定的扫描频率范围内EWB进行分析的点数，图中设置的是1000点，则每两点之间的频率间隔为(3000-500)/1000 = 2.5Hz。Verticalscale设置的是纵坐标的显示方式，同样有对数(decade)/线性(linear)/8进制(octave)三种形式。最后要选定要分析的节点编号。如果完成了全部设置，就可以按“Simulate”按钮进行仿真；如果暂时还不想进行仿真，则按“Accept”按钮保存设置即可。
最后要确定分析类型，有直流工作点分析/过渡过程分析/交流频率分析三种，不同的分析可以获得电路在不同方面的特性，当然参数的变化对这些性质的影响也是不同的。本例中仍选择“AC Frequency Analysis”。注意此时仍要设置一下“AC Frequency Analysis”的有关参数，点击“Set AC Options”按钮，弹出对话框如图19所示。
图17
可以看出，此时谐振频率为1.5714kHz，谐振时节点3的电压幅值为969.1158mV，与理论值的差距都要比采用1000点分析时要大得多。
4.参数扫描
利用参数扫描功能可以清楚地看出电路中各个元件对电路某一性能的影响。
例3.仍以图8所示RLC串联电路为例，对电阻进行参数扫描，看看改变电阻值的大小会对节点3的电压产生什么影响。
E.至此，就可以将编辑好的电路图存盘了。选择file菜单下的save或save as选项或直接点击工具栏上的快捷键，在弹出的对话框中选择想要保存的路径和文件名就行了。
2.直流工作点分析
纯电阻电路的支流工作点分析是EWB的基本功能之一。
打开已经编辑好的电路图，方法是选择file菜单下的open选项或直接点击工具栏上的快捷键，选择正确的路径和文件名，则电路图就会在图形显示区域中显示出来。
图16
在“Analysis Setup”选项卡中可以看到，用于交流频率分析的电压源幅值为1V，相位为0o；若想按电压源的实际电压源的幅值和相位进行分析，只需修改上图中的幅值和相位与实际电压源一致即可。再次重复前面的分析过程，就可得到所期望的结果。
二是扫描精度，也就是在图12中设置的频率分析点数。点数太少时，两点键的频率间隔太大，就有可能漏掉谐振频率点，从而使分析结果出现很大偏差。如果将图12中的分析点数改为50，分析结果如图17所示。
若Ton> Toff，0tToff时，1、3接通；TofftTon时，1、2接通；tTon时，1、3接通；
若Ton< Toff，0tTon时，1、2接通；TontToff时，1、3接通；tToff时，1、2接通。