电路仿真实验报告(1) - 副本

实验一 直流电路工作点分析和直流扫描分析

一、 实验目的

（1）学习使用Pspice软件，熟悉它的工作流程，即绘制电路图、元件类别的选择及其参数的赋值、分析类型的建立及其参数的设置、Probe窗口的设置和分析的运行过程等。

（2）学习使用Pspice进行直流工作点的分析和直流扫描的操作步骤。

二、 原理与说明

对于电阻电路，可以用直观法列些电路方程，求解电路中各个电压和电流。Pspice软件是采用节点电压法对电路进行分析的。

使用Pspice软件进行电路的计算机辅助分析时，首先编辑电路，用Pspice的元件符号库绘制电路图并进行编辑。存盘。然后调用分析模块、选择分析类型，就可以“自动”进行电路分析了。

三、 实验示例

1、利用Pspice绘制电路图如下

2、仿真

（1）点击Psipce/New Simulation Profile,输入名称；

（2）在弹出的窗口中Basic Point是默认选中，必须进行分析的。点击确定。

（3）点击Pspice/Run或工具栏相应按钮。

（4）如原理图无错误，则显示Pspice A/D窗口。

（5）在原理图窗口中点击V,I工具栏按钮，图形显示各节点电压和各元件电流值如下。

四、 选做实验

1、直流工作点分析，即求各节点电压和各元件电压和电流。

2、直流扫描分析，即当电压源的电压在0-12V之间变化时，求负载电阻Rl中电流虽电压源的变化曲线。

曲线如图：

直流扫描分析的输出波形

3、数据输出为：

从图中可得到IRL与US1的函数关系为：

IRL=1.4+（1.2/12）US1=1.4+0.1US1

五、 思考与讨论

1、 根据仿真结果验证基尔霍夫定律

根据图1-1，R1节点：2A+2A=4A,R1,R2,R3构成的闭合回路：1*2+1*4-3*2=0，满足基尔霍夫定律。

2、由图1-3可知，负载电流与呈线性关系，=1.4+(1.2/12) =1.4+0.1，式中1.4A表示将置零时其它激励在负载支路产生的响应，0.1表示仅保留，将其它电源置零（电压源短路，电流源开路）时，负载支路的电流响应。

3、 若想确定节点电压Un1随Us1变化的函数关系，应如何操作？

应进行直流扫描，扫描电源Vs1，观察Un1的电压波形随Us1的变化，即可确认其函数关系！

4、 若想确定电流Irl随负载电阻RL的变化的波形，如何进行仿真？

将RL的阻值设为全局变量var，进行直流扫描，观察电流波形即可。

六、 实验心得

1、由实验图形和数据可知实验中的到的曲线满足数据变化规律，得到的函数关系式是正确的。

2、通过仿真软件可以很方便的求解电路中的电流电压及其变化规律。

实验二 戴维南定理和诺顿定理的仿真

一、 实验目的

（1）进一步熟悉仿真软件中绘制电路图，初步掌握符号参数、分析类型的设置。学习Probe窗口的简单设置。

（2）加深对戴维南定理与诺顿定理的理解。

二、 原理与说明

戴维南定理指出，任一线性有源一端口网络，对外电路来说，可以用一个电压源与电阻的串联的支路来代替，该电路的电压等于原网络的开路电压，电阻等于原网络的全部独立电压源置零后的输入电阻。诺顿定理指出，任一线性有源一端口网络，对外电路来说，可以用一个电流源与电导的并联的支路来代替，该电路的电流等于原网络的短路电流，电导等于原网络的全部独立电源置零后的输入电导。。

三、 实验内容

（1）测量有源一端口网络等效入端电阻和对外电路的伏安特性。其中U1=5V,R1=100Ω,U2=4V,R2=50Ω,R3=150Ω。

（2）根据任务1中测出的开路电压，输入电阻组成等效有源一端口网络，测量其对外电路的伏安特性。

（3）根据任务1中测出的短路电流，输入电阻组成等效有源一端口网络，测量其对外电路的伏安特性。

四、 实验步骤

（1）在Capture环境下绘制编辑电路，包括原件、连线、输入参数和设置节点等。分别编辑原电路、戴维南等效电路和诺顿等效电路。

（2）为测量原网络的伏安特性，Rl是可变电阻。为此，Rl的阻值要在“PARAM”中定义一个全局变量var同时把Rl的阻值野设为该变量{var}。

（3）设定分析类型为“DC Sweep“，扫描变量为全局变量var，并具体设置线性扫描的起点为IP,终点为IG,步长为IMEG。

(4) 系统启动分析后，自动进入Probe窗口。

重新设定扫描参数，扫描变量仍为全局变量var，线性扫描的起点为1，终点为10k，步长为100。重新启动分析，进入Probe窗口。选择Plot=＞Add Plot增加两个坐标轴，选择Plot=＞X Axis Settings=＞Axis Variable，设置横轴为V（RL:2）,选择Trace=＞Add 分别在三个轴上加I(RL)、I(RLd)和I(RLn)变量。显示结果如图。

五、 思考与讨

1、 戴维南定理和诺顿定理的使用条件是什么？

戴维南定理和诺顿定理只适用于线性元件。

六、 实验结果

1、经过计算出等效参数，将原电路等效成戴维南电路和诺顿电路，进行实观察。

2、由曲线可分析得知戴维南等效电路和诺顿等效电路的试验曲线与原电路基本相同，由此可以说明戴维南定理和诺顿定理的正确性。

实验三 正弦稳态电路分析和交流扫描分析

一． 实验目的

（1）学习用Pspice进行正弦稳态电路的分析。

（2）学习用Pspice进行稳态电路的交流扫描分析。

（3）熟悉含受控源电路的联接方法。

二．原理与说明

在电路中已经学过，对于正弦稳态电路，可以用向量法列写电路方程（之路电流法.节点电压法，回路电流法。），求解电路中各个电压和电流的振幅（有效值）和初相位（初相角）。Pspice软件是用向量形式的节点电压法对正弦稳态电路进行分析的。

三．实验示例

（1）正弦稳态分析。以图示电路为例，其中正弦电源的角频率为10Krad/s，要求计算两个回路中的电流。

a．在capture环境下编辑电路，互感用符号“XFRM-LINER表示。参数设置如下：L1-VALUE

,L2-VALUE为感抗，COUPLE为耦合系数。

b．设置仿真，打开分析类型对话框，对于正弦电路分析要选择ACSweep。单击该按钮后，可以打开下一级对话框交流扫描分析参数表，设置具体的分析参数。对于图示的电路，设置为：ACSweep Type选择为Linear，Sweep Parameters设置为----Start Freq（起始频率）输入1592，End Freq（终止频率）也输入1592，Total Pts（扫描点数）输入1.

c．运行软件仿真计算程序，在Probe窗口显示交流扫描分析的结果。

d．为了得到数值的结果，可以在两个回路中分别设置电流打印机标识符。如图所示，其中电流打印机标识符的属性设置分别为I(R1)和I(C1),设置项有（AC,MAG,REAL,PHASE,IMAG）.即得到仿真的结果输出。

四．选做实验

（1）以给出的实验例题和实验步骤，用Pspice独立的做一遍，给出仿真结果。

（2）对正弦稳态电路进行计算机辅助分析，求出各元件的电流，电路如图所示，其中电压源Us=100cos（1000t）V，电流控制电压源的转移电阻是20欧姆。

实验方法：进行交流扫描，扫描频率为1000/(2*3.14)=159.2Hz，得到几个电流值的点。

（4）电路如图，Us=220cos（314t）V。电容是可调的，其作用是为了提高电路的功率因数。试分析电容为多大值时，电路的功率因数为1.

对电容的值设置全局变量，进行扫描，观测流过电源的电流，当电流最小时所得的电容就是使功率因数为1时的电容。仿真结果如下：

根据仿真结果可以得出，当电容为14.34uf时，电流最小为1.6733A。

五、思考与讨论

1.为了提高功率因数，常在感性负载上并联电容器，此时增加了一条电流之路，但电路的总电流却减小了，此时感性元件上的电流和功率却不变。

2.提高线路的功率因数只采用并联电容的方法，而不采用串联法是因为串联会改变感性负载上的电流，增加了电路的总功率。并联的电容不是越大越好，电容过大反而会使功率因数减小。

实验四 一阶动态电路的研究

一． 实验目的

（1）掌握Pspice编辑动态电路、设置动态元件的初始条件、掌握周期激励的属性及对动态电路仿真的方法。

（2）理解一阶RC电路在方波激励下逐步实现稳态充放电的过程。

（3） 理解一阶RL电路在正弦激励下，全响应与激励接入角的的关系。

二．原理与说明

电路在一点条件下有一定的稳定状态，当条件改变，就要过渡到新的稳定状态。从一种稳定状态转到另一种新的状态往往不能跃变，而是需要一定的过渡过程的，这个物理的过程就称为电路的过渡过程。电路的过渡过程往往是短暂的，所以电路的过渡过程中的工作状态成为暂态，因而过渡过程又称为暂态过程。

三．实验示例

（1）分析图示RC串联电路在方波激励下的全响应。其中方波激励图如图所示，电容的初始电压为2V（电容Ic设为2V）。

a）编辑电路。其中方波电源是SOURCE库中的VPULSE电源。并且修改方波激励的属性。为分辨电容属性，电容选取Analog库中的C-elect（电容Ic设为2V）。b）设置分析的类型为Transient。其中Print Step设为2ms，Final Time设为40ms。

c)设置输出方式。为了观察电容电压的充放电过程与方波的激励关系，设置两个节点电压标识符以获得激励和电容电压的波形，设置打印电压标识符VPRINT1以获取电容电压数值输出。

d）仿真计算及结果分析。经计算得到输出图形。

四．选做实验

（1）. 参照示例实验，改变R和C的元件参数，观察改变时间常数对电容电压波形的影响。

（2）.仿真计算R=1K，C=100uf的RC串联电路，接入峰---峰值为3V周期为2s的方波激励的零状态响应。

（3）仿真计算R=1K，C=100uf的RC串联电路，接入峰---峰值为5V、周期为2s的方波激励时的全响应，其中电容电压的初始值为1V.

R=1K, C=100uF时接入峰峰值为3V，周期为2s的方波激励的零状态相应。

当接入峰---峰值为3V周期为2s的方波激励的零状态响应时得到的波形与数据如下： TIME

R=1K,C=100uF时，接入峰峰值为5V，周期为2s的方波激励时的全响应。其中电容的电压的初始值为1V。

比较这两个实验的波形可以发现，全响应与零状态响应的不同之处就在于充电的起点不同，后续的波形都是相同的。

五、思考与讨论

在RC串联电路中，电容充电上升到稳定值遇电容衰减到初始值所需要的时间相同，时间常数=R*C，RC串联电路中，电容电压上升到稳态值的63.2%所需要的时间为一个时间常数，RC串联电路中，电容电压衰减到初始电压的36.8％所需要的时间为一个时间常数。通常认为电路从暂态到达稳定状态所需要的时间为无穷大，但实际计算时通常取时间常数的5倍，即5。

实验五 二阶动态电路的仿真分析

一、 实验目的

（1）研究R、L、C串联电路的电路参数与暂态过程的关系。

（2）观察二阶电路在过阻尼、临界阻尼和欠阻尼三种情况下的响应波形。利用响应波形，计算二阶电路暂态过程有关的参数。

（3）掌握利用计算机仿真与示波器观察电路响应波形的方法。

二、 实验原理

（1）用二阶微分方程描述的动态电路，为二阶电路。图5-1所示R、L、C串联电路是典型的二阶电路。其电路方程为:

LCd²u_c/dt²+RCdu_c/dt+u_c=u_s

u_c (0₊)= u_c (0_-)=U₀

du_c(0₊)/dt=i_L(0₊)/C=i_L(0_-)/C=I₀/C

图5-1电路的零输入响应只与电路的参数有关，对应不同的电路参数，其响应有不同的特点：

当R>2时，零输入响应中的电压、电流具有非周期的特点，成为过阻尼状态。

当R<2时，零输入响应中的电压、电流具有衰减振荡的特点，称为欠阻尼状态。

此时衰减系数δ=R/2L，ω₀=1/是在R=0情况下的振荡角频率，成为无阻尼振荡电流的固有角频率。在R≠0时，R、L、C串联电路的固有振荡频率ω’将随δ=R/2L的增加而下降。

当R=2时，有δ=ω₀，ω’=0暂态过程介于非周期与振荡之间，称为临界状态，其电压、电流波形如图5-3（C）所示。其本质属于非周期暂态过程。

(2) 除了在以上各图所表示的u-t或i-t坐标研究动态电流的暂态过程以外，还可以在相平面作同样的研究工作。相平面也是直角坐标系，其横轴表示被研究的物理量度x，纵轴表示被研究的物理量对时间的变化率dx/dt。由电路理论可知，对于R、L、C串联电路，两个状态变量分别为电容电压u_c、电感电流i_L。因为i_L=i_C=Cdu_c/dt，所以取u_c为横坐标，i_L为纵坐标，构成研究该电流的状态平面。每一个时刻的u_c、i_L，可用向平面上的某一点表示，这个点称为相迹点。u_c、i_L随时间变化的每一个状态可用相平面上一系列相迹点表示。一系列相迹点相连得到的曲线，称为状态轨迹（或相轨迹）。

图5-2 R、L、C串联电路

利用PSpice仿真可以很方便地得到状态轨迹。图5-3各图的左边即为几种不同暂态过程的状态轨迹。

三、 示例实验

1、研究R、L、C串联电路零输入响应波形。

(1) 利用PSpice分析图5-2所示电路。其中电容元件C1的IC（初始状态uc（0+））设为10V，电感元件IC（初始状态iL（0+））设为0，电阻R1元件Value设为{val}，设置PARAN的val参数为1Ω。在设置仿真参数元件的全局变量时，设置Parameter name：为val。在Sweep type栏内，选Value list（参数列表）为0.00001，，20，40，100，即分别计算以上参数下的个变量波形。

R=0.00001

(2) 再用PSpice在一个坐标下观察uc、iL、uL1波形，并在屏幕上得到如图5-4所示的结果。

R=20Ω 欠阻尼情况

R=40Ω 临界阻尼情况

（c）R=100Ω 过阻尼情况

图5-4 3种情况下的uc，iL，uL波形

四、 选做实验

2、研究方波信号作用下的R、L、C串联电路。

图5-5 方波信号作用下的RLC串联电路

（1）利用PSpice分析电路图5-5，元件设置如图所示，这里C1与L1的初始状态均为0，设置暂态仿真时间范围是0—8ms（即方波脉冲的两个周期），参数设置为列表方式，分别选取Val=-0.5Ω，0.1Ω，1，10Ω，40Ω，200Ω，观察uc在这些参数下的波形。

Val=-0.5

Val=0.1

Val=1

Val=10

Val=40

R=200Ω的图形

五、思考与讨论

RLC串联电路的暂态过程中，电感和电容之间存在能量转换，在能量传递过程中，由于电阻会消耗能量，所以随着R的大小的不同，电路会出现不同的工作状态。当R较小（）时，电路处于振荡状态，电感和电容通过电流来实现能量交换，由于电阻总是消耗能量（此时消耗能量较小），使整个系统的能量不断减少，从而使电容电压的振幅值衰减。当当时，电路处于非振荡状态，由于电阻较大，消耗的能量较多，从而“阻碍”了电容和电感之间能量的传递，故称之为“过阻尼”。当时，电路处于临界状态，由于此时能量没有消耗，故此时电容电压幅值不会衰减，而是等幅振荡。

实验六 频率特性和谐振的仿真

一、 实验目的

（1）学习使用PSpice软件仿真分析电路的频率特性。

（2）掌握用PSpice软件进行电路的谐振研究。

（3）了解耦合谐振的特点。

二、 原理与说明

(1) 在正弦稳态电路中，可以用相量发对电路进行分析。电路元件的作业是用复阻抗（有时也简称阻抗）Z表示，复阻抗Z不仅与元件参数有关，还与电源的频率有关。因此，电路的输出（电压、电流）不仅与电源的大小（有效值或振幅）有关，还与电源的频率有关，输出（电压、电流）傅氏变换与输入（电压源、电流源—）傅氏变换之比称为电路的频率特性。

(2) 在正弦稳态电路中，对于含有电感L和电容C的无源一端口网络，若端口电压和端口电流同相位，则称该一端口网络为谐振网络。谐振既可以通过调节电源的频率产生，也可以通过调节电容元件或电感元件的参数产生。电路处于谐振时，局部会得到高于电源电压（或电流）数倍的局部电压（或电流）。

(3) 进行频率特性和谐振电路的仿真时，采用“交流扫描分析”，在Probe中观测波形，测量所需数值。还可以改变电路或元件参数，通过计算机辅助分析，设计出满足性能要求的电路。

(4) 对滤波器输入正弦波，令其频率从零逐渐变大，则输出的幅度也将不断变化。把输出降为其最大值的（1/2）多对应的频率称为截止频率，用ω_c表示。输出大于最大值的（1/2）的频率范围就称为滤波器的通频带（简称通带），也就是滤波器能保留的信号的频率范围。各类滤波器的通频带定义如图6-1所示。

(5) 对滤波器电路的分析可以用PSpice软件采用“交流扫描分析”，并在Probe中观测波形，测量滤波器的通频带，调节电路参数，以使滤波器满足设计要求。

三、示例实验

（1）双T型网络如图6-2所示。分析该网络的频率特性。

分析网络的频率特性，须在AC Sweep的分析类型下进行。编辑电路，输入端为1V的正弦电压源，从输入端获取电压波形。

图6-2 双T型网络实验电路

仿真设置：

图6-4 双T型网络的幅频特性

从图6-4可以看出，这是一个带阻滤波器，低频截止频率近似为182Hz，高频截止频率近似为3393Hz，带阻宽度3211Hz。

四、选做实验

（1）图6-5（a）所示为RLC串联电路，测试气幅频特性，确定去通带宽Δf。若Δf小于40KHz，试采用耦合谐振的方式改进电路，使其通带宽满足设计要求。

（a）仿真图6-5（a），观察其谐振频率和通带宽是否满足设计要求。

（a） RLC串联电路

由实验结果发现，通频带过窄，小于40KHZ。

（b）改进电路如图6-5（b）所示，其耦合电感参数设置如下L1=L2=100uH，耦合系数COUPLE=0.022.观察其谐振频率和通带宽是否满足设计要求。

（b）耦合谐振电路

图6-5谐振电路的实验电路

改进的实验电路明显改变了通频带的宽度，电路的选频特性更好。

五、 思考与讨论

（1）同一电阻、电感、电容原件做串联和并联时，电路的性质不同。因为当串联电路呈感性时，并联电路可能呈容性；串联电路呈容性时，并联电路可能呈感性。当串联电路发生串联谐振时，电容和电感相当于短路，而此时对于并联电路来说可能发生并联谐振，并联支路相当于开路。

（2）频率对电路的性质有影响。频率不同时，容抗和感抗都会随之而改变，从而可能使原来呈感性的电路转而呈容性，也可能使原来呈容性的电路变为感性。当发生谐振时，还会使电路呈阻性。

实验七 三相电路的研究

一实验目的

通过基本的星形三相交流电的供电系统实验，着重研究三相四线制和三相三线制，并对某一相开路、短路或者负载不平衡进行研究，从而熟悉三相交流电的特性。

二原理与说明

1．利用三个频率50Hz、有效值220V、相位各相差120度的正弦信号源代替三相交流电。

2．星形三相三线制负载不同时的电压波形变化及相应的理论。

3．星形三相四线制：三相交流源的公共端N与三相负载的公共端相连。

4．当三相电路出现若干故障时，对应电压和电流会发生什么现象去验证理论。

三示例实验

1、电路图如下所示，其中电源为三相对称电源，负载分为两种情况：一种情况是三相对称负载，另一种情况是不对称三相负载。（注：图中R4=1M，为Pspice提供一个虚拟零电位）。

(a) 在capture中绘制如上所示电路图，V1,V2,V3设置为Vac=220V,Vampl=311V，freq=50Hz，Voff=0，phase分别为0，-120，120.三相负载阻值均为100K。

(b) 设置Transient分析的run time 为40ms。

(d) 改变其中一相负载的阻值R1=50K，重新运行仿真，得到结果如下：

（e）分别将R1的阻值减小为10K,5K,1K,得到不同的电压波形如下：

R1=10K:

R1=5K:

R1=1K:

(f)将R1,R2,R3设置成不同的阻值，形成三相不平衡电路，观察不同状态下的电压波形。

R1=100K，R2=60K，R3=20K

2、增加一条中线如下图所示，重复上面的实验过程，得到不同的电压波形图。

（100k,100k,100k）

（50k,100k,100k）

（10k,100k,100k）

（5k,100k,100k）

（1k,100k,100k）

四 选做实验

无中线R1短路

无中线R1=开路

有中线R1短路

有中线R1开路

五、思考与讨论

（1）三相三线制电路中，负载电压随相应的负载变化而变化，而且变化规律相反，即一路负载变大，这路电压减小，反之增大。

（2）三相三线制电路接不对称负载时，中性点发生偏移，负载电压也不对称。三相四线制电路，无论负载对称与否，负载电压均对称。

实验八 受控电源的电路设计

一实验目的

（1）学习使用Pspice进行电路的辅助设计。

（2）用Pspice测试受控电源的控制系数和负载特性。

（3）加深对受控电源的理解。

二原理与说明

受控电源是一种二端口元件，按控制量和被控制量的不同，受控电源可分为：电压控制电压源（VCVS)、电压控制电流源(VCCS)、电流控制电压源(CCVS)和电流控制电流源(CCCS)四种。控制系数为常数的受控电源为线性受控电源,它们的控制系数分别用μ、g、r和β。

本实验是用运算放大器和固定的电阻组成上述四种受控电源。

三实验任务

3、电压控制电压源和电压控制电流源的仿真设计。

a.用Pspice绘制电路和设置符号参数。

b.设置分析类型，对电路进行分析，得到控制量和被控制量，间接测量控制系数μ和g。并通过公式μ=（1+R1/R2), g=1/R分别计算控制系数μ和g。

c.对结果进行分析。

d.改变电阻值，再用Pspice进行仿真分析，分别确定控制系数μ和g与电阻的函数关系。

电压控制电压源的设计电路

对电路的电源V1进行直流扫描，研究受控源的线性工作区，由输出电压曲线可以发现，只有V1电压在0至2V时，输出电压关系才满足受控源关系，即U2=(1+R1/R2)U1=6*U1.

电压控制电流源的设计电路

对电路的电源V1进行直流扫描，研究受控源的线性工作区，由输出电流曲线可看到，只有在电压为0至1V的范围内，输出电流满足电压控制电流源关系，即I2=（1/R）U1=0.01*U1.

（2)电流控制电压源的仿真设计。输入电流I1由电压源Us和串联电阻Ri提供。

a.用Pspice绘制电路和设置符号参数。

b.设置分析类型，对电路进行分析，得到控制量和被控制量，间接测量控制系数r。并通过公式r=-R,计算控制系数r。

c.对结果进行分析。

d.改变电阻值，再用Pspice进行仿真分析，分别确定控制系数r与电阻的函数关系。

电流控制电压源的仿真设计

对电路的电源V1进行直流扫描，研究受控源的线性工作区，在仿真实验中将X轴设为电源的电流，研究输入电流与输出电压关系。从关系曲线上可以看出，只有输入电流在0至7mA范围内，输出电压才满足受控源关系，即U2=(-R)I1=-2000*I1.所以该电路的输入电流应小于7mA。

（3）电流控制电流源的仿真设计。输入电流I1由电压源Us和串联电阻Ri提供。

a.用Pspice绘制电路和设置符号参数。

b.设置分析类型，对电路进行分析，得到控制量和被控制量，间接测量控制系数β。并通过公式β=（1+R1/R2)计算控制系数β。

c.对结果进行分析。

d.改变电阻值，再用Pspice进行仿真分析，分别确定控制系数β与电阻的函数关系。

电流控制电流源的仿真设计

电流控制电流源电路

对电路的电源V1进行直流扫描，研究受控源的线性工作区，在仿真实验中将X轴设为电源的电流，研究输入电流与输出电流关系。从关系曲线上可以看出只有输入电流在0至5mA范围内输出电流才满足受控源关系，即I2=(1+R1/R2)I1=2*I1.故想使该受控源电路正常工作，输入电流不应该超过5mA。

五．思考与讨论

受控源不可以作为电路的激励源对电路起作用。如果电路里没有独立电源仅仅有受控源，电路中不会有电流和电压。

受控源并不是电源，它仅仅反映一个电量对另一个电量的控制关系。独立电压（流）源可以独立于外电路产生电压（流），而受控源则不能独立产生电压（流），其电压（流）的大小完全取决于控制量。但当控制量确定并保持不变时，受控源则具有独立电源的特性.

实验九负阻抗变换器电路的设计

一、 实验目的

（1）学习使用Pspice进行电路的计算机辅助设计，培养用仿真软件设计、调试和工程制作电路的能力。

（2）用Pspice进行负阻抗变换器的计算机辅助设计。

（3） “测试”负阻抗变换器的输入阻抗和其负载阻抗的关系，用间接测量的方法测量负阻抗变换器的参数。

（4）加深对负阻抗变换器的理解，熟悉和掌握负阻抗变换器的基本使用。

二、 原理与说明

负阻抗变换器（NIC）是一个有源二端口元件，实际工程中一般用运算放大器组成。它有两种形式，分别为电压反向型和电流反向型。

当负阻抗变换器的负载阻抗为Z_L时，从其输入端看去的输入端阻Z_in为负载阻抗的负值，即Z_in=-Z_L

三、 实验任务

（1）负阻抗变化的电路设计。实验电路如图所示。

① 选择Z_L=R=1kΩ，用Pspice软件进行仿真，求出其输入阻抗Z_in。

由电流和电压曲线关系可计算求得R=-1K

② 选择频率为100Hz正弦电源，其有效值可以自己选定，R=10Ω，Z_L=（5-j5）Ω，用Pspice软件进行仿真分析，求出其输入阻抗Z_in。

设置交流扫描，频率为100HZ，得到

FREQ IM(V_PRINT1) IP(V_PRINT1) IR(V_PRINT1) II(V_PRINT1)

1.000E+02 1.415E+00 -1.350E+02 -1.001E+00 -1.000E+00

计算得输入阻抗为Zin==（5-j5）Ω。

③ 选择正弦电源的频率f=1000Hz，R=100Ω,Z_L=(3+j4)Ω,用Pspice软件仿真分析，求出其输入阻抗Z_in。

设置交流扫描，得出

FREQ IM(V_PRINT1) IP(V_PRINT1) IR(V_PRINT1) II(V_PRINT1)

1.000E+03 1.999E+00 1.269E+02 -1.199E+00 1.600E+00

经过计算可得输入阻抗Zin==(3+j4)Ω。

（2）用负阻抗变换器仿真负电阻。用前面电路所示的负阻抗变换器的电路实现一个等效负阻抗电阻，将其与独立电源和其他电阻组成一个直流电路。实验电路如图所示。

① 选择元件的参数，用“Bias Point Detail”仿真分析该电路，求出该电路的节点电压和元件电流。

② 从结果分析等效负电阻元件伏安特性，看其是否满足“负电阻”特性。

③ 设电源电压为扫描变量，用“DC Sweep…”仿真分析该电路，在Probe中观测用负阻抗变换器仿真的“负电阻”的电压和电流曲线，并确定两者之间的函数关系。

故U=-RI=-1000I

（3）用负阻抗变换器仿真电感。用任务（1）中所示的负阻抗变换器电路实现一个等效电感，将其与R、C元件串联，组成一个RLC串联电路。

① 选择元件参数，用“AC Sweep…”仿真分析该电路，确定其谐振频率。

② 将电阻设为扫描变量，并定义为var，再仿真分析该电路，确定电阻为何值时发生串联谐振。

此电路不可以通过简单的串联就做出RLC串联电路，因为此时会将R、L、C的值先相加，在一起进行复阻抗变换，根本无法实现串联谐振！事实上，复阻抗变换器有两种逆变作用：

1、负阻抗变换器的逆变作用A（与频率有关，图1）。根据Zin= - KZL定义

（1）当ZL为电容时，ZL=1/ jωC，Zin= - 1/ jωC= jωL，

等值电感L= 1/ω2C与频率有关。

（2）当ZL为电感时，ZL= jωL， Zin = - jωL= 1/ jωC，

等值电容C= 1/ω2L与频率有关。

图1 图2

2、负阻抗变换器的逆变作用B（与频率无关，图2）。

当R与负阻元件-(R+1/jωC)相并联时，其结果

（4）自选实验。自行设计电路并用Pspice进行仿真分析和设计。

实验十回转器电路的设计

一、 实验目的

（1）进一步学习使用Pspice进行电路的计算机辅助设计。

（2）用Pspice进行回转器的的计算机辅助设计。

（3）用间接测量的方法测量回转器的回转系数。

（4）加深对回转器的理解，熟悉和掌握回转器的基本应用。

二、 原理与说明

回转器是一个二端口元件，实际工程中一般用运算放大器组成，它的电路符号如图所示。回转器的端口电压和端口电流的伏安关系为

或

式中，r、g分别成为会板起的回转电阻和回转电导，也成为回转器的回转系数。回转器的重要的性质是它可以将一个端口的电流（或电压）“回转”为另一个端口的电压（或电流）。回转器具有“回转”阻抗的功能，如果再回转器的2-2^‘端接上阻抗Z_L(也称为回转器的负载阻抗) 如图所示，那么，回转器的1-1^’端（输入端）的等效阻抗Z_in由其伏案特性推到可得Z_in=r2/Z_L,这里采用的是向量形式。下面讨论Z_L取不同值的几种情况。

（1）当Z_L=R_L时，Z_in=r2/R_L,为纯电阻。

（2）当Z_L为电容元件时，

Z_L=-j1/（ωc） Z_in=jωcr²=jω（cr²）=jωL_eq

为纯电感，等效电感L_eq=r₂c。回转器可以将电容“回转”为电感的这一特性非常有用，因为可以实现用集成电路制作的电感。

（3）当Z_L为电感元件时，回转器同样可以将电感“回转”为电容。

三、 实验任务

（1）回转器的电路设计。回转器的电路时由两个负阻抗变换器组成的。因此可得电路的回转电阻r=R。设计的电路如图所示。

① 取R₀=R=Z_L=1kΩ，用Pspice软件仿真分析，求出其回转电阻。

进行频率扫描，得

FREQ IM(V_PRINT3)IP(V_PRINT3)IR(V_PRINT3)II(V_PRINT3)

1.000E+02 5.000E-03 0.000E+00 5.000E-03 0.000E+00

计算得输入阻抗为Zin==1K,利用关系式可求得r==1K