节点电压分析

1．概述

Pspice 是一个电路通用分析程序，它主要是实现对电路进行模拟和仿真。该软件的前身是SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit emphasis）,由美国加州大学伯克莱分校于1972年研制。1984年Microsim公司与Microsim公司推出了基于SPICE的微机版本Pspice(Personal-SPICE).1998年11月，著名的OrCAD公司与Microsim 公司联合推出了最新软件OrCAD/Pspice9.它共有六大功能模块，分别是PspiceA/D,Capture,Probe,Stimulus Editor,Model Editor和Optimizer。

Pspice程序可进行以下分析：

(1) 直流分析：

包括对电路的静态工作点分析；直流小信号传递函数值分析；直流扫描分直流小信号灵敏度分析。在进行静态工作点分析时，电路中的电感全部短路，电容全部开路，分析结果包括电路每一节点的电压值和在此工作点下的有源器件模型参数值。这些结果以文本文件方式输出。

直流小信号传递函数值是电路在直流小信号下的输出变量与输入变量的比值，输入电阻和输出电阻也作为直流解析的一部分被计算出来。进行此项分析时电路中不能有隔直电容。分析结果以文本方式输出。

直流扫描分析可作出各种直流转移特性曲线。输出变量可以是某节点电压或某节点电流，输入变量可以是独立电压源、独立电流源、温度、元器件模型参数和通用（Global）参数（在电路中用户可以自定义的参数）。

直流小信号灵敏度分析是分析电路各元器件参数变化时，对电路特性的影响程度。灵敏度分析结果以归一化的灵敏度值和相对灵敏度形式给出，并以文本方式输出。

(2) 交流小信号分析：

包括频率响应分析和噪声分析。PSPICE进行交流分析前，先计算电路的静态工作点，决定电路中所有非线性器件的交流小信号模型参数，然后在用户所指定的频率范围内对电路进行仿真分析。

频率响应分析能够分析传递函数的幅频响应和相频响应，亦即，可以得电压增益压增益、电流增益、互阻增益、互导增益、输入阻抗、输出阻抗的频率响应。分析结果均以曲线方式输出。

PSPICE用于噪声分析时，可计算出每个频率点上的输出噪声电平以及等效的输入噪声电平。噪声电平都以噪声带宽的平方根进行归一化。它们的单位是V/Hz1/2。（3）瞬态分析：

即时域分析，包括电路对不同信号的瞬态响应，时域波形经过快速傅里叶变换（FFT）后，可得到频谱图。通过瞬态分析，也可以得到数字电路时序波形。

另外，PSPICE可以对电路的输出进行傅里叶分析，得到时域响应的傅里叶分量（直流分量、各次谐波分量、非线性谐波失真系数等）。这些结果以文本方式输出。（4）蒙特卡罗（Monte Carlo）分析和最坏情况（Worst Case）分析：蒙特卡罗分析是分析电路元器件参数在它们各自的容差（容许误差）范围内，以某种分布规律随机变化时电路特性的变化情况，这些特性包括直流、交流或瞬态特性。

最坏情况分析与蒙特卡罗分析都属于统计分析，所不同的是，蒙特卡罗分析是在同一次仿真分析中，参数按指定的统计规律同时发生随机变化；而最坏情况分析则是在最后一次分析时，使各个参数同时按容差范围内各自的最大变化量改变，以得到最坏情况下的电路特性。

本实验研究的内容是基于PSpice的节点电压、支路电流分析。要求熟练运用PSpice软件创建电路、模拟电路、显示或绘制结果；使用该软件进行电路的节点电压、支路电流分析。

2 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零点，其余独立节点为正。显然一个具有n个节点的电路有（n-1）个节点电压，它们用符号unk表示，k=1,2,...,(n-1)。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。

3 电路设计

3.1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zuoye ，通过右侧工具栏中的键来选择元器件，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3—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。

N0

R17

N2

N1

V1

15

R410

R39

R28

图3—1

此电路为简单的串并联电路，其中U1为直流电压源，输出15V 的电压，R3与R4并联后在串联R2所得到的等效电阻再与R1相并联接在直流稳压源的两端。图中还插入了三个节点分别是N0，N1，N2。其中N0为参考地点，N1为此处电压，设为节点1，N2另一个节点，即所设的节点2.

3.2 所用到的器件

器件 模型 模型库 电阻

R1

R/Analog_p