汪圣杰，顧涓涓，胡國華

（合肥學(xué)院，安徽 合肥 230000）

電路原理中兩個關(guān)鍵問題及OrCAD/PSpice16.5仿真軟件的應(yīng)用

汪圣杰，顧涓涓，胡國華

（合肥學(xué)院，安徽 合肥 230000）

本文第一塊闡明了電路原理中兩個重要的基本問題——電流電壓方向定義以及等效的概念，這兩個概念對電路原理課程的學(xué)習(xí)有著至關(guān)重要的作用，對這兩個概念的清楚掌握將對電路原理的分析起到事半功倍的效果.第二塊介紹了OrCAD/PSpice16.5仿真軟件在電路原理課程中的應(yīng)用，闡明了軟件中電壓電流方向與電壓電流方向定義的一致性，并引入OrCAD/PSpice16.5仿真求解電路的戴維寧等效電路，仿真結(jié)果直觀清晰，與理論分析十分吻合.實踐表明OrCAD/PSpice16.5仿真軟件在電路原理課程中的應(yīng)用能夠取得良好的教學(xué)效果.

電路原理；電壓電流方向定義；等效；OrCAD/PSpice16.5；戴維寧定理

1 引言

本文首先闡明電路原理課程中兩個重要的概念，分別是電流電壓方向定義和等效的概念，然后介紹電路仿真軟件OrCAD/PSpice16.5在電路原理課程教學(xué)中的使用，使用軟件對驗證了電路原理中一些重要的定理如戴維寧定理以及疊加定理.實踐表明在電路原理教學(xué)中引入Or-CAD/PSpice16.5電路仿真軟件，不僅讓學(xué)生掌握理論同時也學(xué)會了軟件的使用，而且也激發(fā)了學(xué)生對電路原理課程的學(xué)習(xí)興趣.

2 電路原理中兩個重要的概念

2.1 電壓電流方向定義

電路原理這門課程有一定的難度，其實這在一定程度上和這兩個概念有很大聯(lián)系.如果不能夠?qū)@兩個概念清晰掌握，那么在拿到一張電路圖之后就不知道如何列寫方程或者可以說電路方程列寫錯誤，這里面往往是表達式前面有無“+”號或“-”號問題.若需準確無誤的列寫電路方程則需要準確深刻掌握電流電壓方向的定義.在電路的課本中電路電壓方向定義如下[1]：在電路分析中，當(dāng)涉及某個元件或部分電路的電流或電壓時，有必要指定電壓和電流的參考方向，這種指定參考方向電壓和電流是獨立的，即電壓的參考方向可以任意指定，電流參考方向可以任意指定，當(dāng)電壓參考方向與電壓實際方向不同時則參考電壓取負，同理參考電流方向與實際電流方向相反則參考電流取負，而在電路分析中使用參考電壓和參考電流解題，解題過程中如果參考電壓與參考電流關(guān)聯(lián)則列寫的方程加正號，如果電壓參考方向與電流參考方向非關(guān)聯(lián)則公式前取負號，因此電路原理中有個結(jié)論：公式和參考方向必須配套使用.

這種參考方向的指定雖然能夠正確的列寫電路方程，但是卻不容易應(yīng)用于電路求解中，電壓電流參考方向各自獨立的任意指定，方程的列寫容易出錯，往往表達式前的“+”“-”號出錯.實際上電壓電流方向只有一種定義[2]：電流從“+”端流入，從“-”端流出，電壓為“+”端電位減去“-”端電位，“+”端與“-”電位沒有絕對關(guān)系，即“+”端電位可以大于“-”端電位也可以“+”電位小于“-”端電位.按照電壓電流方向定義列寫電路方程思路清晰，概念清楚，方程列寫不容易出錯，使用電壓電流方向定義的列寫方程，當(dāng)設(shè)定電流方向時，則該電流流過處的電壓就確定了，即電壓的“+”和“-”確定了.使用符合電流電壓方向定義下的電壓U和電流I，計算出的電阻R始終為正值，這也論證了此定義的正確性.

2.2 等效的概念

電路原理中在很多地方都使用到等效電路，例如串聯(lián)電路等效、并聯(lián)電路等效、電源等效、戴維寧等效定理等等，這些概念中都包含有等效的概念，所以有必要談?wù)労螢椤暗刃А保凇峨娐贰返谖灏媲耜P(guān)源著中給等效下了一個定義：兩個二端電路，端口具有相同的電壓、電流關(guān)系，則稱它們是等效的電路.筆者認為這種定義不是特別準確，它不能很好的指導(dǎo)等效電路的求解.“等效”的基本定義為[3]：對于任意的負載，等效電路給負載提供的電壓、電流以及功率與原電路所提供的是相等的.這個“等效”的定義非常清楚，對于求原電路的等效電路有指導(dǎo)意義.電壓源等效、電流源等效，電阻等效，戴維寧等效等等都可運用該等效定義來求解等效電路.下面運用“等效”定義說明戴維寧定理中Vth和Rth的求解：

對于任意一個含源二端口電路如圖(1)所示，二端口電路向外引出兩個端子A和B，求該二端口電路的戴維寧等效電路.首先給出戴維寧等效電路的形式，如圖(2)所示.由圖(2)可知，等效戴維寧電路有個量Vth和Rth，如何根據(jù)圖(1)求出Vth和Rth，這就需要用到“等效”的定義.

圖1 任意含源二端口電路

圖2 任意含源二端口電路的等效戴維寧電路

2.2.1 戴維寧等效電壓Vth的求法

由“等效”的定義可得“等效”是對于任意負載而言的，等效電路提供給負載的電壓與原電路所提供的是一樣的，則在求取Vth的時候，可以將任意負載取為阻抗為無窮大的負載，按照“等效”定義：接在含源二端口電路AB端的無窮大負載上的電壓等于戴維寧等效電路的AB端接同樣的無窮大負載時的電壓，這兩者是相等的.因而Vth=VAB=含源二端口開路時端口電壓.

3 OrCAD/PSpice16.5仿真軟件在電路原理教學(xué)中的應(yīng)用

電路課程是一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，具有較高的理論要求.OrCAD/PSpice16.5作為專業(yè)的電路仿真軟件，在電路課堂教學(xué)中能夠起到重要的輔助作用：第一，可以使教師從復(fù)雜的電路計算中解脫出來，當(dāng)一個電路變量較多或者涉及動態(tài)電路，所列寫的方程個數(shù)將會很多甚至涉及到求解微分方程.如果將這些工作交給計算機完成，教師就可以將主要精力放在對基本原理、定律和基本方法的講解上，然后使用軟件驗證定理定律并借助軟件求解比較復(fù)雜的電路，這樣不但可以使課堂生動、活躍并且提高了學(xué)生學(xué)習(xí)電路理論的興趣，帶來良好的教學(xué)效果[4].第二，OrCAD/PSpice16.5具有強大的作圖功能，可通過設(shè)置公式顯示各種曲線，在電路理論的某些章節(jié)中常常需要通過推導(dǎo)表示式并繪制相應(yīng)的曲線，如果教師手動推導(dǎo)并畫圖，將使得課堂教學(xué)非?？菰镆怖速M了課堂寶貴時間，但如果利用OrCAD/PSpice16.5軟件，這些曲線將能夠快速鮮明的得出，不僅節(jié)省了時間同時也極大提高了課堂效率，使得學(xué)生對抽象問題理解更加形象生動.

下面首先在OrCAD/PSpice16.5軟件中驗證電壓電流方向定義，然后說明該軟件在電路原理中的應(yīng)用.

3.1 OrCAD/PSpice16.5驗證電壓電流方向定義

在本文2.1節(jié)談到電路中的電壓電流方向定義：電流從“+”端流入，從“-”端流出，電壓為“+”端電位減去“-”端電位.在OrCAD/PSpice16.5軟件中即是按照這定義給定電壓和電流的.在軟件中將鼠標(biāo)放置在各個器件的引腳上可看到每個器件的引腳上都有一個編號，編號分別為“1”和“2”，這個編號即為電壓電流方向定義中的“+”端和“-”端，“1”對應(yīng)“+”端，“2”對應(yīng)“-”端，下面可以通過軟件驗證電壓電流方向定義.圖3為一個簡單的電源電阻串聯(lián)電路，在該電路中，電阻R1和R2的1號和2號引腳位置如圖所示.現(xiàn)對電源V1進行參數(shù)掃描，分析流過電阻R1和R2的電流與直流電壓源V1的關(guān)系.

圖3 電源電阻串聯(lián)電路

在OrCAD/PSpice16.5中繪圖電路圖如圖3所示，然后進行如下設(shè)置：

(1)點擊“new simulation file”快捷按鈕，在出現(xiàn)的simulation settings對話框中設(shè)置analysis type為DC sweep，即直流掃描分析.

(2)設(shè)置sweep variable為voltage source，并把在電路圖中電壓源的編號V1填寫到name欄中，選擇變量掃描的類型（sweep type）為linear，然后設(shè)置掃描變量的起始值和終止值分別為0V和10V，步長為1V.

(3)執(zhí)行Pspice分析程序，可以看出流過R1的電流為正，流過R2的電流為負，其中的原因即電壓電流方向定義的問題.

3 結(jié)論

本文闡述了三個主要的問題：《電路》中的電壓電流方向問題，等效的概念以及OrCAD/PSpice16.5在《電路》教學(xué)中的應(yīng)用，電壓電流方向以及等效的概念是學(xué)習(xí)電路學(xué)的兩個關(guān)鍵的知識點，希望本文能夠為學(xué)習(xí)電路學(xué)提供有用的思路.通過將書本中一些示例用OrCAD/PSpice16.5仿真軟件得出結(jié)果，結(jié)果直觀清晰，同時又驗證了理論推導(dǎo)，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)該門課程的興趣和積極性.

〔1〕邱關(guān)源.電路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，9.

〔2〕Allan H.Robbins,Wilhelm C.Miller.Circuit Analysis Theory and Practice(4th edition)[M]:P122-P135.

〔3〕Allan H.Robbins,Wilhelm C.Miller.Circuit Analysis Theory and Practice(4th edition)[M]:P332-P356.

〔4〕胡屏,邵仙鶴.OrCAD PSpice在電路課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].東北電力大學(xué)學(xué)報，2006,26(3):88-93.

〔5〕吳霞.OrCAD PSpice 9.2在電路仿真試驗中的參考方向的選擇[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2006(04):100-103.

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