郭旭凱

摘 要本文利用OrCAD/Pspice電路設(shè)計(jì)軟件研究RLC串、并聯(lián)電路中由于參數(shù)的改變對(duì)電路的頻率特性造成的影響。通過(guò)軟件仿真得到結(jié)果：當(dāng)中心頻率f0=1.59kHz時(shí)與通過(guò)理論計(jì)算的值相近。在R LC電路中，電阻R的值越小，則通頻帶就越窄；而且中心頻率f0的值和電路參數(shù)R無(wú)關(guān)，但當(dāng)LC的乘積減小時(shí)，中心頻率f0的值增大。

【關(guān)鍵詞】OrCAD電路仿真RLC串 并聯(lián)電路電路參數(shù)

1 引言

伴隨著大規(guī)模集成電路以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是互聯(lián)網(wǎng)+提出之后，利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)電子電路進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)的方法越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前OrCAD/Pspice電路設(shè)計(jì)軟件是一個(gè)應(yīng)用廣泛的對(duì)電子線(xiàn)路進(jìn)行分析設(shè)計(jì)的軟件，它有強(qiáng)大的電路設(shè)計(jì)與仿真能力的能力，對(duì)電子線(xiàn)路進(jìn)行直流、交流和瞬態(tài)分析，以及更為復(fù)雜的傅里葉分析、諧波失真分析操作簡(jiǎn)單，易于得到仿真結(jié)果。本文借助OrCAD/Pspice電路設(shè)計(jì)軟件，通過(guò)分析RLC串、并聯(lián)電路的頻率響應(yīng)對(duì)電路的頻率特性的影響，調(diào)整RLC電路的元器件參量，進(jìn)而對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化。

2 OrCAD/Pspice在RLC電子線(xiàn)路仿真中的優(yōu)勢(shì)作用

因?yàn)樵赗LC電路中有電容元件和電感元件，所以當(dāng)給定得激勵(lì)源的頻率f發(fā)生改變時(shí)，RLC電路中的感抗和容抗相應(yīng)的也會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而影響電路的工作狀態(tài)。嚴(yán)重的時(shí)候，RLC電路將不能正常工作，并對(duì)其他電路模塊造成影響。例如當(dāng)激勵(lì)源的頻率f的改變超過(guò)正常工作的范圍時(shí)，RLC電路將會(huì)偏離其應(yīng)該正常的工作范圍，從而出現(xiàn)電路失效的狀況，甚至電路被損壞。因此通過(guò)對(duì)電路的頻率特性進(jìn)行分析從而保證電路能正常工作就很重要。通過(guò)對(duì)OrCAD電路進(jìn)行仿真，觀(guān)察仿真圖，對(duì)電路中的的重要功能和特性指標(biāo)進(jìn)行分析，這樣就能找到合適的L、C的值，進(jìn)而保證電路能正常工作。

3 RLC串聯(lián)電路分析

3.1 RLC串聯(lián)電路的交流掃描分析

交流掃描分析的輸出波形圖橫縱軸分別表示的是激勵(lì)源的頻率和對(duì)應(yīng)的電流大小。當(dāng)電阻R=1Ω，感抗L=40mH，容抗C=0.25uF，交流電壓源Ui=1V時(shí)，首先通過(guò)理論分析，當(dāng)電路的頻率f=f 0 =1.59 kHz時(shí)，RLC電路將會(huì)串聯(lián)諧振。利用Pspice軟件對(duì)電路進(jìn)行交流分析，L、C值不變，改變電阻值R，得到電路在不同參數(shù)下的電流響應(yīng)曲線(xiàn)。圖1、2分別是RLC串聯(lián)電路圖和它在不同的電阻值R下電流隨頻率變化的曲線(xiàn)圖，分析仿真圖可知，當(dāng)改變電阻的阻值時(shí)，RLC電路中的電流I將會(huì)發(fā)生變化，但諧振頻率f不受影響。通過(guò)查閱資料知，RLC串聯(lián)電路的品質(zhì)因數(shù)為Q=ωR0L，由公式知，當(dāng)電阻的阻值越小，質(zhì)因數(shù)Q值越大，通頻帶則變得越窄，電路選擇性越好，抑非能力越強(qiáng)。當(dāng)RLC電路諧振時(shí)電感L和電容C上將會(huì)出現(xiàn)超過(guò)外加電壓Q倍的高電壓，它會(huì)對(duì)RLC串聯(lián)電路造成嚴(yán)重破壞，因此需要避免RLC串聯(lián)電路發(fā)生諧振。

3.2 RLC串聯(lián)電路的瞬態(tài)分析

在不同信號(hào)的影響下，對(duì)RLC串聯(lián)電路進(jìn)行瞬態(tài)分析，圖3是RLC串聯(lián)電路，R1=2kΩ，L1=40mH ，C1=0.25uF，正弦電壓源的電壓為U=10V，電源頻率f1=1.59kHz。

通過(guò)對(duì)RLC串聯(lián)電路進(jìn)行瞬態(tài)分析，觀(guān)察到電阻的電流與電源的電壓相位相同，如圖4所示。圖5為輸出電壓波形，當(dāng)電路處于諧振狀態(tài)，電阻上的電壓等于電源的電壓，而且電容電壓與電感電壓在相同的時(shí)刻對(duì)應(yīng)的數(shù)值相等、極性相反，說(shuō)明當(dāng)RLC電路發(fā)生諧振時(shí)電容C和電感L沒(méi)有從電源獲取能量，而是兩者之間發(fā)生了能量的相互傳遞。

4 RLC并聯(lián)電路分析

4.1 RLC并聯(lián)電路的交流掃描分析

RLC并聯(lián)電路如圖6所示，其中電阻R2=20kΩ，感抗L2=140mH，容抗C2=0.25uF，電流源I2=1A。當(dāng)電路的頻率

f==f 0=1.59kHz時(shí)，

U（N1）=1×20×103=20kV ，電路發(fā)生并聯(lián)諧振。

圖7時(shí)RLC并聯(lián)電路發(fā)生諧振時(shí)電阻電流隨頻率變化的曲線(xiàn)，分析仿真圖可以看出，電感的電流和電容的電流在相同時(shí)刻數(shù)值大小相等，相位相反，兩者的和始終為0，電阻中流過(guò)的電流的最大值為I=1A。電流源的電壓的最大值為20kV，如圖8所示。

4.2 RLC并聯(lián)電路的參數(shù)分析

在其他元件的參數(shù)不變，通過(guò)改變電路中某個(gè)元件值或某個(gè)模型參數(shù)使得電路的效應(yīng)發(fā)生改變，通過(guò)分析比較，選取最優(yōu)的方案進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。PSpice有參數(shù)分析的功能，通過(guò)設(shè)置好想要改變的元件值或模型參數(shù)，然后進(jìn)行仿真，就可得到結(jié)果然后與原始結(jié)果進(jìn)行分析比較優(yōu)劣。對(duì)RLC并聯(lián)電路的電阻值進(jìn)行參數(shù)掃描分析容抗，選定感抗L2=1mH，C2=1000pF，恒流源的輸出電流I2=1mA，對(duì)電阻值R2分別為 20kΩ，50kΩ和100kΩ時(shí)進(jìn)行仿真分析，電路圖如圖9所示。

利用OrCAD/Pspice電路設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行參數(shù)掃描分析，當(dāng)電路的頻f=1.59 kHz時(shí)，RLC并聯(lián)電路發(fā)生并聯(lián)諧振，如圖 10所示。從圖10中可看出，RLC并聯(lián)電路的電阻值越大，品質(zhì)因數(shù)Q（并聯(lián)電路的品質(zhì)因數(shù) Q =ω0CR）R值越大，通頻帶越窄，電路的選擇性越好。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)OrCAD/Pspice軟件對(duì)RLC串、并聯(lián)電路的頻率特性的分析可知，針對(duì)不僅的信號(hào)源，當(dāng)信號(hào)源的內(nèi)阻很小時(shí)選取RLC串聯(lián)諧振電路，這是選用的電阻的阻值越小，質(zhì)因數(shù)Q值越大，電路選擇性越好，而當(dāng)信號(hào)源的內(nèi)阻較大時(shí)，選取RLC并聯(lián)電路，發(fā)生諧振時(shí)，選取的電阻阻值值越大，品質(zhì)因數(shù)Q越大，通頻帶越窄，電路的選擇性越好。

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作者單位

河南大學(xué)物理與電子學(xué)院 河南省開(kāi)封市 475000