电路与电工实验
实验讲义
（电路原理部分）
云大物理系电路与电工实验室
2010年5月
目录
绪论................................................................................................................................. - 1 - 实验一PSpice电路仿真软件的一般操作 ......................................................................... - 3 - 实验二PSpice电路仿真软件的直流分析方法I ............................................................. - 15 - 实验三PSpice电路仿真软件的直流分析方法II ........................................................... - 16 - 实验四PSpice电路仿真软件的交流小信号分析方法I ................................................. - 16 - 实验五PSpice电路仿真软件的交流小信号分析方法II................................................ - 18 - 实验六PSpice电路仿真软件的瞬态分析方法 ............................................................... - 19 -实验七叠加原理、基尔霍夫定律的验证 ....................................................................... - 21 -实验八戴维南定理——有源二端网络等效参数的测定 ............................................... - 23 -实验九双口网络测试 ....................................................................................................... - 27 -实验十RC选频网络特性测试......................................................................................... - 31 -实验十一R、L、C串联谐振电路的研究 ...................................................................... - 34 -实验十二RC一阶电路的响应测试................................................................................. - 37 -实验十三受控源VCVS、VCCS、CCVS、CCCS的实验研究.................................... - 41 -实验十四二阶动态电路响应的研究 ............................................................................... - 49 -附录：安全用电 ................................................................................................................. - 51 -
实验顺序表
绪论
一、电路与电工实验的目的与意义
电路与电工实验课程是高等学校本科电类专业的一门技术基础必修课程，是电子技术和电工技术的实践性很强的后续实验课程。本实验的目的是：使学生通过该门实验课程的训练后，掌握相关的电路与电工学的基本技能，培养学生具有电气工作者的严谨科学作风和基本素质，提高学生的独立实验技能和独立分析问题，独立处理问题的能力，逐步引导和启发学生的创新能力。通过实验训练，学习一定的设计、应用和实际动手能力，并且进一步巩固、加深对电路与电工学原理理论知识的理解，为进一步学习后续课程打下必要的基础。
二、电路与电工实验的要求
为了达到以上目的，在实验中，对学生的实验技能训练的具体要求是：
?初步掌握PSpice电路仿真软件的一般使用方法，能使用该软件进行初步的电路仿真分析与讨论，使学生了解并初步掌握现代电路设计的基本方法。
?能正确选择、使用常见的电工仪表、电工设备及常用的电子测量设备。
?能独立按照电路图正确的接线与查线。
?学习查阅手册、工具书、说明书等必要的参考资料，进一步提高自学与独立实验的能力。
?能准确地读取实验数据，观察实验现象，测绘波形曲线；学习查找和排除简单的故障。
?能准确地分析实验数据，讨论实验中存在的问题，独立写出内容完整、条理清楚和简洁的实验报告。
三、电路与电工实验的主要步骤
为了培养学生独立分析与独立解决问题的能力，充分发挥他们的主动性，提高实验课程质量与效率，对学生在实验课前预习、实验进行和课后总结三个阶段提出以下具体要求。
1．课前预习阶段
A.实验前认真预习，仔细阅读实验讲义和参考书，复习相关的理论，思考预习中要求
的思考题，明确实验的具体实验目的和要求，理解实验的原理和方法，熟悉实验电
路和内容，看懂实验线路图。
B.初步掌握所用仪器设备的使用方法，列出相关仪器设备、仪表和元器件。
C.写好预习报告（包括实验名称、目的、原理、方法、电路图、数据表格等。实验的
时间、地点、仪器设备规格型号和实验数据结果、图线、讨论等留出空格在实验操
作完成后写上）。
2．实验进行阶段
A.进入实验室后请自觉遵守实验室规则，听从实验教师的指导。
B.实验前，首先对实验仪器设备进行检查，是否齐全和完好，对照实物搞清它们的性
能和使用方法，然后按实验内容合理布置实验现场，并按预先制定的实验方案连接
实验电路。接线完毕后，要认真复查，确信无误后，经教师检查同意，方可接通电
源进行实验（不经教师检查就通电造成事故者，由学生自己承担事故责任）。
C.在仪器设备通电并正常工作时，就可认真进行操作，仔细观察和读数，详细作好实
验数据、波形和现象的记录，并分析是否正确。如若发生故障，应尽量独立分析和
排除，并记录排除故障的方法。
D.实验完毕，原始记录应交指导教师审阅签字，经教师同意后方能拆除线路，讲仪器
整理复原。
E.实验过程中如果发生事故或出现任何异常情况：如，异声、异味、冒烟、设备过热，
仪表超量程等情况应立即切断电源，保持现场，报告指导教师。
3．课后总结阶段
做完实验后，应及时处理实验数据，在预习报告的基础上，将实验的原始数据和现象以及实验结果写在实验报告的有关表格上，并对实验结果进行分析讨论，还要写上实验的时间、地点，所用主要仪器设备的型号规格和你的心得体会、建议和意见。报告一律采用统一的实验报告纸撰写，要求书写整齐，文字通顺、简练，数据、图表一应俱全、规范正确。
四、实验室安全用电规则
由于电工实验包含强电部分，不可避免要接触工业用电。因此为了做好实验，确保人身和设备的安全，在做实验时，必须严格遵守下列安全用电规则。
1．接线、改接、拆线都必须在切断电源的情况下进行，即先接线后通电，先断电后拆线。
2．接线完毕后，要认真反复检查，确定无误后，再经过指导教师检查同意后方可接通电源。
3．在电路通电情况下，人体严禁接触电路中不绝缘的金属导线或连接点等裸露的带电部位。接触高于30－40伏左右的电压就可能引起触电事故，万一遇到触电事故，
应立即切断电源，并做及时处理。
4．室内仪器设备不能任意搬动调换，非本次实验所用的仪器设备，未经指导教师允许不得动用。没有弄懂仪表、仪器、设备及元器件的使用方法前，不要贸然使用。若
损坏设备，必须立即报告教师，作书面检查，如为责任事故要酌情赔偿。
5．注意测量仪表允许的安全电压（或电流），切勿超过。当被测量的大小未知时，应从仪表的最大量程开始测试，然后逐步减小量程。
实验PSpice电路仿真软件应用（I，II，III, IV）
一、实验目的
1、学习掌握PSpice仿真软件的使用方法；
2、初步掌握PSpice仿真软件的图形界面和文本输入方式的电路分析基本方法；
3、使用PSpice对惠斯登电桥电路进行分析，初步掌握电路直流特性的分析方法。
4、使用PSpice对文氏电桥电路进行分析，初步掌握电路交流特性的分析方法。
二、PSpice的功能和应用
1．PSpice简介
随着电子计算机技术的发展，以电子计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）为基础的电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）技术已经逐渐渗透到电子系统和专用集成电路设计的各个环节。模拟电路中的电路分析、数字电路中的逻辑模拟，甚至是印制电路板、集成电路版图等等都开始采用计算机辅助工具来加快设计效率，提高设计成功率。而大规模集成电路的发展，使得原始的设计方法无论是从效率上还是从设计精度上已经无法适应当前电子工业的要求，所以采用计算机辅助设计来完成电路的设计已经势在必行。同时，微机以及适合于微机系统的电子设计自动化软件的迅速发展使得计算机辅助设计技术逐渐成为提高电子线路设计的速度和质量的不可缺少的重要工具。
PSpice是较早出现的EDA软件之一，也是当今世界上著名的电路仿真标准工具之一。该软件最早是1984年1月由美国Microsim公司首次推出。它是由Spice发展而来的面向PC 机的通用电路模拟分析软件。Spice（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）是由美国加州大学伯克利分校开发的电路仿真程序，它在众多的计算机辅助设计工具软件中，是精度最高、最受欢迎的软件工具。随后，版本不断更新，功能不断完善。基于DOS操作系统的PSpice5.0以下版本自80年代以来在我国得到广泛应用。目前广泛使用的PSpice5.1以后版本是Microsim公司于1996年开发的基于Windows环境的仿真程序，并且从6.0版本开始引入图形界面。1998年著名的EDA商业软件开发商OrCAD公司与Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSpice产品正式并入OrCAD公司的商业EDA系统中，成为OrCAD/PSpice。由于现在OrCAD公司已并入Cadence公司，所以PSpice目前主要作为Cadence公司的设计软件，如OrCAD、Allegro SPB等的一部分存在。目前最高版本为PSpice 10.5。
由于PSpice软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作等功能。支持以图形方式输入，自动进行电路检查，生成网表，模拟和计算电路。如果与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。它的用途非常广泛，不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件之一，具有广阔的应用前景。这些特点使得PSpice受到广大电子设计工作者、科研人员和高校师生的热烈欢迎，国内许多高校已将其列入电子类本科生和硕士生的辅修课程。
在国外，PSpice软件的使用非常流行。在大学里，它是工科类学生必会的分析与设计电路工具；在公司里，它是产品从设计、实验到定型过程中不可缺少的设计工具。世界各国的半导体元件公司为它提供了上万种模拟和数字元件组成的元件库，使PSpice软件的仿真更可靠，更真实。
使用PSpice软件几乎完全取代了电路和电子电路实验中的元件、面包板、信号源、示波器和万用表。有了此软件就相当有了电路和电子学实验室。
2．PSpice的组成和应用
2.1 PSpice的组成
本文是基于目前最新的OrCAD 10.5 with PSpice，这是一个Cadence公司目前最新的PCB 设计软件包。该软件包主要由Capture CIS、Layout、PSpice AD等软件组成。其中：（1）Capture CIS是目前公认的最好的电路原理图绘制工具。它可以直接绘制电路原理图，自动生成电路描述文件，或打开已有的文件，修改电路原理图；可以对元件进行修改和编辑；可以调用电路分析程序进行分析，并可调用图形后处理程序（Probe）观察分析结果。即它是集PSpice、Probe和PSpice Optimizer于一体的一个功能强大的集成环境。本来PSpice 还可以使用Schematic工具进行电路原理图的绘制工作，但是从OrCAD 10.3开始Cadence 就不再支持Schematic工具的开发，所以现在我们的绘制工作将在Capture CIS中进行。
（2）PSpice是一个数据处理器。它可以对在Capture CIS中所绘制的电路进行模拟分析，运算出结果并自动生成输出文件和数据文件。
（3）PSpice Optimizer是优化设置工具。它可根据用户指定的参数、性能指标和全局函数，对电路进行优化设计。
2.2 PSpice的应用范围
2.2.1 PSpice用于模拟电路、数字电路及数模混合电路的分析及电路优化设计。
（1）制作实际电路之前，仿真该电路的电性能，如计算直流工作点（Bias Point Detail），进行直流扫描（DC Sweep）与交流扫描（AC Sweep），显示检测点的电压电流波形等。
（2）估计元器件变化（Parametric）对电路造成的影响。
（3）分析一些较难测量的电路特性，如进行噪声（Noise）、频谱（Fourier）、器件灵敏度（Sensitivity）、温度（Temperature）分析等。
（4）优化设计。
2.2.2 PSpice的分析功能主要体现在以下几方面：
（1）直流分析：
包括电路的直流工作点分析（Bias Point Detail）；直流小信号传递函数值分析(Transfer Function)；直流扫描分析(DC Sweep)；直流小信号灵敏度分析(Sensitivity)。在进行直流工作点分析时，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）交流扫描分析(AC Sweep)：
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，可以得到电压增益、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。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。
（3）瞬态分析(Transient)：
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）蒙特卡罗分析（Monte Carlo）和最坏情况分析（Worst Case）：
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。
（5）温度特性分析（Temperature）和数字电路分析（Digital Setup）
3．PSpice输入输出方式概述
PSpice的输入基本上是以电路原理图和网格表文件两种形式。以电原理图形式输入比较简单、直观。电路元器件符号库中备有绘制电原理图所需的元器件符号，除了电阻、电容、电感、晶体管、电源等基本的器件级符号外，还有运放、比较器等宏模型级符号，以及数字电路的寄存器和各种门等单元符号。用户从符号图形库中调出所需的电路元器件符号，组成电路图，由原理图编辑器自动将原理图转化为电路网格表文件，并标上节点号，提供给仿真工具进行仿真。
用户还可以直接使用仿真程序输入语言，以文本形式直接输入网格表文件。尽管这种输入方式相比图形界面较为繁琐和复杂，也比较难以掌握，但是这种输入方式仍然是电路仿真中不可替代的一种输入形式。这是由以下几点决定的：
文本形式作为输入方式是所有仿真软件的最基本的输入形式。电路原理图形式输入的电路最终也是要被转换为文本形式才能被仿真程序所接受的。了解并掌握文本输入形式后，更容易理解原理图的输入方式和绘图的输出方式。
虽然这些年来计算机辅助设计技术的不断发展，应用软件的界面和图形处理的能力也越来越强，因此软件版本更新时，一般界面都会有较大变化。仿真程序的界面也是如此。
为了避免软件界面变化而影响操作，在很多时候也需采用文本形式做为输入方式，无论仿真程序的界面和输入原理图如何更新升级，这种文本形式都是可以接受的。
某些商用或免费仿真软件并不支持图形输入界面也迫使我们学习并掌握电路的文本输入形式。
某些特殊场合下，如超大规模集成电路的设计过程中，可能需要使用编程的方式进行电路的输入，这种情况下也只能使用电路的文本形式进行输入。
3.1分析电路的流程
PSpice是一个通用电路分析程序，在给定电路结构和元器件参数的条件下，它可以模拟和计算电路的各种性能。分析电路的流程简单的说就是电路仿真程序接受电路原理图输入程序的电路拓扑和元器件参数信息，经过元器件模型处理形成电路方程，求电路方程的数值解，最后给出计算结果。使用PSpice分析一个电路，首先要做到以下三点：
（1）给定电路的结构和元器件参数；
（2）确定分析电路特性所需的分析内容和分析类型；
（3）定义电路的输出信息和变量。
3.1.1分析电路的过程可以用以下的流程来描述：
（1）绘制电路图。
（2）输入元器件及模型参数，可以使图形或者是文本。
（3）定义分析类型和输出变量。
（4）保存电路图文件。
（5）运行电路分析程序。
（6）检查分析是否出错。
（7）如果出错，检查电路输出文件，查明出错原因修改电路图文件后再运行电路分析程序；若没有出错，查看电路分析结果（包括输出波形和输出文件）。
（8）分析判断电路性能是否满足设计要求，确定电路是否需要进一步修改，如果需要，可以修改电路图文件后再运行电路分析程序，直到认为分析结果满意为止。
3.1.2 整个电路分析过程大致可以分为两个阶段：
第一阶段：从绘制电路图到保存电路图文件。
第二阶段：运行电路分析程序。
3.2 电路的输入语句和格式
PSpice规定了一系列输入、输出语句，用这些语句对电路仿真的标题，电路连接方式，组成电路元器件的名称、参数、模型，以及分析类型、输出变量等进行描述。下面对基本输入、输出方式的有关问题加以简单的介绍。
在建立电路的文本文件之前，首先要对电路的节点进行编号。PSpice规定节点0为地节点，其他节点的编号可以是任意数字或字符串。PSpice不允许有悬浮节点，即每个节点对地均要有直流通路。另外，每个节点至少应该连接两个元件，不能有悬空节点的存在。
PSpice的文本输入任务是构造一个文本输入文件，文件名后缀为.CIR。它有如下六种类型的语句。
3.2.1电路的标题语句
电路的标题语句是输入文件的第一行，也称为标题行，必须设置。它是由任意字母和字符串组成的说明语句，其内容作为输出文件的最先一部分被打印出来。
例如：
THE TEST CIRCUIT 10/31/2006
3.2.2电路描述语句
电路描述语句由定义电路拓扑结构和元器件参数的元器件描述语句、模型描述语句和电源语句等组成，其位置可以在标题语句和结束语句之间的任何地方。
例如：
RLOAD 5 8 10K
（1）电路元器件
PSpice要求电路元器件名称必须以规定的字母开头，其后可以是任意数字或字母，整个名称长度一般不超过8个字符，如RXXXXXXX和CYYYYYYY。除了名称以外，还应指定给元器件所接节点编号和元件值。表1中列出了PSpice中元器件名称的首字母。
元器件值可以用整数（11，-44）或标准浮点数（3.14159）表示，或用整数、浮点数加幂指数的形式，如1e-14，2.65e3，还可以用整数、浮点数加比例因子的形式表示，比例因
子有10种，其表示字符及意义如下：
T = 1012G = 109Meg = 106K = 103MIL = 25.4×10-6
M = 10-3U = 10-6N = 10-9P = 10-12 F = 10-15
比例因子的字符可以是大写，也可以小写。跟在比例因子后面度量单位的字符串是忽略不计的，因此在网格表中1000，1000.0，1K，1E3，1000Hz，1KHz都代表同一个数；M，MV，MVOLT都代表同一个比例因子。在没有比例因子和度量单位的情况下，电阻、电容、电感、频率、电压、电流、和角度的隐含量纲分别为Ω，F，H，Hz，V，A，（°）。
表1 电路元器件名称的首字母
许多元器件都需用模型语句来定义其参数值。模型语句不同于元器件描述语句，它是以“．”开头的点语句，由关键字.MODEL、模型名称、模型类型和一组参数组成。例如两个二极管，它们具有相同的模型，可用如下语句描述。
D1 3 2 DMOD
D2 7 10 DMOD
.MODEL DMOD D IS=3E-14 RS=60 N=1
+ CJO=1.4P M=0.35 VJ=0.75 TT=1E-7
可以用模型语句定义参数的元器件有电阻、电容、电感、磁芯、二极管、双极型晶体管、节型场效应晶体管、MOS场效应晶体管、砷化镓场效应晶体管和控制开关等。
（3）电源和信号源
电压源、电流源可以是独立源，也可以是受控源。代表源的首字母已在表1中列出。一个独立源可以是直流源、交流小信号源或瞬态源，其中瞬态源又有正弦、脉冲、指数、分段线性和单频调频源等几种形式。源描述语句由源名称、连接关系和源数值组成。源语句的格式是：〈源名称〉〈正节点〉〈负节点〉〈源值和参数〉。通常正节点电位高于负节点，电流从正节点流向负节点。
例如：
VI 1 5 DC 1.5 AC 1
IB 0 2 10MA
VI1 6 0 SIN (0 2 10KHZ)
3.2.3分析类型描述语句
分析类型描述语句由定义电路分析类型的描述语句和一些控制语句组成，如直流分析（.OP）、交流小信号分析（.AC）、瞬态分析（.TRAN）等分析语句，以及初始状态设置（.IC）、选择项设置（.OPTION）等控制语句。这类语句以一个“．”开头，故也称为点语句。其位置可以在标题语句和结束语句之间的任何地方，习惯上写在电路描述语句之后。
例如：
.DC VCE 0 10 0.01
.AC DEC 10 1HZ 100KHZ
.TRAN 1E-15 2E-12
.OPTION N OPAGE I TL=80 ITL=50
电路分析类型的关键字及意义如下：
.OP 直流工作点分析
.DC 直流扫描分析
.TF 直流传输函数分析
.SENS 直流灵敏度分析
.AC 交流小信号分析
.NOSISE 噪声分析
.TRAN 瞬态分析
.FOUR 傅里叶分析
.MC 蒙特卡罗分析
.WCASE 最坏情况分析
.TEMP 温度分析
.STEP 参数扫描分析
控制命令的关键字及意义如下：
.NODESET 节点电压设置
.IC 初始条件设置
.DISTRIBUTION 分布参数定义
.FUNC 函数定义
.PARAM 参数及表达式定义
.INC 包括文件调用
.PROBE 绘图包调用
.MODEL 模型参数设置
.END 输入文件结束
.SUBCKT 子电路定义
.ENDS 子电路结束
.LIB 库调用
.OPTIONS 可选项设置
.PRINT 文本打印
.PLOT 文本绘图
3.2.4输出描述语句
PSpice的模拟结果以两种文件形式存放：一是文本输出文件，它是文件名后缀为OUT （*.OUT）的ASCII码文件；另一个是绘图文件，它是以DA T为后缀（*.DA T）的二进制码文件。PSpice通过三个输出控制语句来控制文本文件中或绘图显示中的输出结果类型和数量等信息，这三个输出控制语句是：文本打印输出语句.PRINT，文本绘图语句.PLOT和绘图软件包调用语句.PROBE。
（1）输出语句
A、文本打印语句.PRINT
文本打印语句.PRINT是用来控制文本输出文件（*.OUT）中的输出形式，需要在输入文件（*.CIR）中设置。语句格式为：
.PRINT TYPE OV1
其中TYPE为指定的输出分析类型，如DC，AC，TRAN，NOISE等，OV1……OV8是规定1至8个输出变量名。
例如：
.PRINT DC V(5) IC(Q2) VBE(Q17) I(R2) I(VI)
.PRINT AC VM(4,1) VP(4,1) IR(6) II(6)
.PRINT TRAN V(1) V(2,7) I(VIN) IB(Q4)
所有打印结果存储在文本输出文件（*.OUT）中。
B、文本绘图语句.PLOT
文本绘图语句.PLOT是用来控制文本输出文件（*.OUT）中的文本绘图形式，应在输入文件（*.CIR）中设置。语句格式为：
.PLOT TYPE OV1<(PLO1, PHI1)>
其中TYPE和OV1的形式都同.PRINT语句。（PLO, PHI）可选项是对输出变量规定作图的上下限制。如果没有规定此可选项，PSpice将自动确定绘图输出变量的最小值和最大值，并换算为适当的作图比例。
例如：
.PLOT DC V(2) V(6,3) V(R1) I(VI)
.PLOT AC VM(5) VP(5) VDB(5) IR(VI)
.PLOT TRAN IC(Q1) IB(Q1) VCE(Q2) V(5,1)
应该指出，用.PLOT语句实现的在文本输出文件（*.OUT）中的输出图形、曲线等是比较粗糙的，不适于用来观察图形、曲线的局部细节。
C、绘图软件包调用语句.PROBE
Probe是PSpice的一个图形处理程序，有较强的图形处理与显示功能。调用这个图形后处理程序的语句格式为
.PROBE
.PROBE O V1 O V2 ……
上述第1条语句没有输出变量说明，.PROBE语句将全部输出信息（包括所有节点电压和元器件电流等）都存到*.DAT文件中去，供Probe绘图时选用。第2条语句规定了输出变量的种类和数量，此时只存储这些指定变量和相应数据到*.DA T文件中。对于规模较大的电路，这种有限制的输出方式可以减小*.DAT文件的容量，便于调用。
例如：
.PROBE
.PROBE V(3) V(1,2) V(RL) I(R4) IB(Q1) VBE(Q1)
（2）输出变量
如上所述，.PRINT，.PLOT，.PROBE等语句需要或可以指定输出变量。PSpice的输出变量种类繁多，表2表示的是直流扫描和瞬态分析的输出变量，表3表示的是交流小信号分析中的一些特殊表达方式。
3.2.5注释语句
注释语句是对分析和运算加以说明的语句，它以“*”为首字符，位置是任意的。注释语句为非执行语句，既不参与模拟分析。所以，当用户想从输入文件中去掉一个语句时，可在该描述语句的句首加一个“*”号，表示该语句已被“注释掉”，程序将不再执行该语句例如：
*C3 WITH AN INITIAL VOLTAGE OF 5V
*.TRAN 20US 3MS U IC
RL 7 0 10K *LOAD RESISTOR
表2 直流扫描和瞬态分析的输出变量
表3交流小信号分析输出电压、电流的附加项
3.2.6
结束语句是输入文件的最后一行，用.END描述，必须设置。
关于输入文件的形式还须说明以下两点：
第一，所有语句都既可以大写，也可以小写。
第二，某些语句较长，如果一行写不下，可在第二行的第一列上输入一个“＋”表示该行事前一行的继续行，如前面电路描述语句举例中的模型语句(.MODEL)。继续行数量多少不限。
三、实验仪器和软件
1．台式计算机，要求如下：
●Intel Pentium 300 MHz或等同处理器
●Windows XP Professional? (32-bit)，Windows 2000 (with Service Pack 2)或者Windows NT
4.0 (Service Pack 6a或更高).
●64 MB RAM
●256 MB交换空间
●150 MB空闲磁盘空间(除Capture或Capture CIS的要求外)
2．软件：OrCAD 10.5 with PSpice或任意版本的PSpice软件。
四、实验内容与步骤：
内容一：学习OrCAD PSpice 仿真软件的一般操作
通过本次实验，将简单学习如何运用OrCAD PSpice 软件绘制电路图，初步掌握符号参数、分析类型的设置，并会观察输出结果。下面介绍实验步骤：
1． 启动OrCAD Capture 。选择“开始”→“程序”→“OrCAD 10.5”→“Capture CIS”，以进入
Capture 的工作环境。
2． 为本次实验创建新项目。执行“File/New/Project”命令。
3． 在弹出的New Project 对话框中，在Name 处键入项目名称，如Wheatstone 。Location
处点 Browse 选择项目名保存的路径，如D:\mydesign\wheatstone 。在Create a New Project Using 复选框中选择Analog or Mixed-Signal Circuit ，以便本工程将进行数/模混合仿真。最后单击“OK”。
4． 出现Create PSpice Project 对话框。使用Create based upon an existing project 中的
simple.obj ，单击“OK”完成操作。
5． 进入原理图编辑窗口，如图1所示。窗口顶部第一行为窗口标题栏，显示当前程序
项名称和所编辑的文件名称，新建电路图必须以某个名称保存以后才有文件名。第二行为主菜单栏，Schematic 窗口的所有操作都可通过选择菜单中相应的栏目来完成。第三行为图标工具栏，每个图标代表菜单中一项最常用的操作，点中图标即可完成相应的操作，提高了操作效率。屏幕中间主要区域为原理图编辑区，也就是原理图页面。它是一块均匀划分的网格区域，用户可以选择Options=>Display Options…显示方式设置，打开或关闭网格开关（Grid On ），也可重新设置网点之间间隔（Grid Size ）。窗口底部是辅助信息提示栏，显示当前光标位置、操作功能提示和操作命令。通过操作功能提示栏，用户可得知每一菜单项的功能。在Schematic 窗口的右侧还会出现如图2所示的工具栏，此为最常用的工具栏。平时使用的多数按钮都可以在该工具栏上
找到。 图1 电路原理绘制窗口
图2 工具面板图
放置阶层引脚
Place junction
Place power
放置阶层
放置端口
放置分页图纸间的接口
Place GND
绘制无电气性质符号
添加文字
指示管脚不连接
放置总线引出管脚
6． 绘制电路原理图，所要绘制的原理图如图3所示。
AC =TRAN =
DC = 5V
图3 惠斯登电桥实验原理图
（1）从符号库中提取元器件符号或端口符号。
点选
Place/Part,或单击工具栏上的取元件图标，即可打开如图
4对话框。该对话框
列出了全局符号库中的所有符号。可以在Part 文本框中键入需要的元件符号，对于不熟悉的元件也可以通过符号名列表的滚动条浏览。
图4安放元件对话框
找到电路符号后，单击该符号，则该符号的图形符号便会显示在右下角的图形框中。单击Place 键取出该元件并关闭对话框；也可双击符号名列表中某一符号将其取出。 在本例中需要取出四个电阻、两个直流电压源和一个接地端。电阻R 位于ANALOG 库中，直流电压源VSRC 位于SOURE 库中。GND 使用Place Ground 工具条放置。
（2）摆放元件
1）摆放前
取出电路符号后，鼠标将自动指向符号的某一个端子，连成电路后，这个端子代表符号的正节点，因此这个端子又称为符号的正端子。水平摆放时，通常使正端子在左侧；垂直时，在上。因此，在摆放符号前通常需将符号旋转一个角度。在执行“Edit/Rotate”菜单命令或“Ctrl+R”可以将符号逆时针旋转90度，执行“Edit/Flip”菜单命令或“Ctrl+F”可将其沿垂直方向对折。
2）摆放符号
取出符号后，单击绘图工作区中的某一点，按一下鼠标左键，符号将沿该点摆放一次。可多次摆放，单击右键结束。
3）摆放后
摆好后，选中相应的符号（为红色）可对其进行各种操作，如拖动、删除、拷贝及旋转等，也可同时选择多个符号（按住Shift键）。
（3）连线
PSpice有两种连线方式：水平和垂直折线连接，斜线连接。采用哪种方式取决于直角连线开关的设置情况。
1）利用连线工具Place Wire画导线。
2）点选画线工具后，即可看到一个铅笔状的指示。将画笔移到起始端，按鼠标左键，开始引线，要转弯时可按以下鼠标左键，画笔移到终点后在按以下鼠标左键，完成接线。继续画线，直到全部完成后，按鼠标右键结束画线。
3）你可和双击如何一段导线，即会出现LABEL的对话框，可以给这条线段一个名称。在模拟后很有用。
4）及时保存电路图。
（4）定义或修改元器件符号及导线属性
下面以R1为例，介绍两种修改符号属性值的方法。
方法一：利用电阻R1的属性表修改其值。
1）双击R1符号，打开R1属性表，如图5所示。
图5 元件属性表图6 显示属性表
2）单击属性项Value，将Value文本框中1K改为100，回车保存新属性。单击[OK]确认退出。
方法二：单独修改R1的各属性值。
1）单击R1的阻值100，打开图6所示符号参考编号对话框。
2）将对话框中的R1的将阻值改为1K，并按[OK]。
3）用同样的方法，双击电阻R1的编号，可以对编号进行修改。
（5）根据电路分析需要，在图中加入特殊用途符号和注释文字。
（6）起名存盘。
7．设定要模拟的内容
首先执行“PSpice/New Simulation Profile”菜单命令，对仿真参数类型进行设置。当弹出New Simulation对话框时，在Name栏输入名字，点击“Create”命令。
其次点选你想要模拟的项目，然后进入个别设定视窗。常用的模拟内容有：
◆AC Sweep/Noise：交流扫描分析（包括噪声分析），要找频率响应用这项。
◆DC Sweep：直流扫描分析，一般的I-V特性用这项。
◆Bias Point：直流工作点分析即节点的偏压分析等，通常一定选，是缺省状态。
◆Transient：瞬态分析（包括傅里叶分析），寻找信号时间的关系。
由于本例中，只需要对电路的直流工作点或偏置点进行分析，所以选择在Analysis Type栏，选Bias Point直流工作点分析，然后点击“确定”按钮。如图7所示。
图7 仿真分析类型选择对话框
执行“PSpice/Run”命令或按快捷键F11，会自动启动PSpice A/D程序（包括自动建立电路网格表，自动进行电路检查）对电路进行分析，如果电路正确无误则无错误提示信息出现，如有错误会有相应的提示信息出现。如果出现错误信息请检查电路并进行修改直到正确无误为止。
从PSpice A/D界面切换回Capture CIS界面，分别点击和按钮，将会在界面中显示出相应的节点电压和电流。改变电阻值并重新仿真可以观察到不同情况下节点电压和电流的变化情况，从而进行电路分析。
1． 惠斯登电桥测量原理
惠斯登电桥可以用来精确测量一定范
围的电阻值，测量的范围从1Ω到1MΩ。商用惠斯登电桥的精确度可以达到±0.1%。电桥电路包含四个电阻，一个直流电压源和一个探测器。四个电阻中一个电阻可以变化，如图8所示，带箭头的R3是可变电阻。直流电压源通常用电池。探测器一般是一个微安范围的d’ Arsonval 机
构，称作检流计。图8给出了电路结构： 图8惠斯登电桥电路 电阻，电池，探测器。其中R1，R2 和R3是已知电阻，Rx 为未知电阻。
为求Rx ，调节可变电阻R3，直到检流计中的电流为零。然后根据简单的表达式：
2
31
X R R R R =
? 上式的推导可以根据基尔霍夫定律进行，这里不再复述。对于惠斯登电桥有几点需要注意。如果21R R 等于1，则未知电阻Rx 等于R3。在这种情况下，电桥电阻R3的变化范围必须覆盖Rx 的值。例如，如果未知电阻是1000Ω，而R3只能从0变化到100Ω的话，那么，电桥永远不会平衡。因此，为了能在很宽的范围内覆盖未知电阻，必须改变21R R 。在商用惠斯登电桥中，R1和R2通常是由开关控制的十进制数的电阻组成。通常十进制数是1Ω，10Ω，100Ω和1000Ω，这样，21R R 按十进制规律从0.001变化到1000。可变电阻R3一般从1Ω到110000Ω按整数调节。
2． 使用PSpice 仿真软件对惠斯登电桥进行分析
（1）首先对惠斯登电桥测量电阻值进行分析，将R1，R2，R3的值设为1KΩ，分别将Rx 的值在0.1 ~ 1KΩ和1KΩ ~ 1.1MΩ附近任意取多个点进行仿真分析，记录流过检流计的电流值，分析并画出电流变化曲线。
上的原因，除了在电桥平衡位置附近的一个极小区域内，电桥的输出电流与传感器电阻的变化量△R 之间却呈现非线性关系。请使用PSpice 仿真软件分析这一现象，要求记录电流随电阻变化的情况，并绘出电流变化曲线图，初步估计线性和非线性区域。 （3）改变R1，R2的比率，如将R1和R2分别设为100Ω和1000Ω，R3的值任选。重复上述实验，记录电流值，分析并画出电流变化曲线。表格自拟。
（4）改变电源电压，仿真并分析每个电阻的功耗变化，若电阻的额定功率是1/4W 的话，当电桥的状态改变时，电桥是否会损坏？分析电桥损坏的情况。
由于惠斯登电桥（单臂电桥）未知臂的内引线、被测电阻的连接导线及端钮的接触电阻等影响，使单臂电桥测量小电阻时准确度难以提高，开尔文电桥（双臂电桥）较好地解决了测量小电阻时线路灵敏度、引线、接触电阻所带来的测量误差，而且属于一次平衡测量，读数直观、方便。
双臂电桥在单臂电桥的基础上，增设了电阻R 1、R 4构成另一臂，被测电阻R x 和标准电阻R N 均采用四端接法，通常接测量用的高电阻回路或电流为零的补偿回路，使这它们的引线电阻和接触电阻对测量的影响大为减少。只要适当调整R 1、R 2、R 3、R 4的阻值，使检流计中无电流通过，称电桥平衡，这时A 、B 两点电位相等。当满足
34
21
R R R R =
时，有N x R R R R ?=23 在本电桥内部，通过特殊结构，使R 3、R 4保持同步，处于任意位置都能保持相等，R 1
和R 2则是10n 可调节电阻，只要调节到R 1=R 2即可。
实验用原理图如下图9所示，请使用PSpice 仿真软件对该电路进行分析，数据表格和测试条件等请参照惠斯登电桥电路实验自拟。
R2R3
图9 开尔文电桥电路
内容四：文氏电桥电路的仿真分析
1．文氏电桥电路实验原理
文氏电桥电路是一个RC 串、并联电路，如下图10所示，该电路结构简单，被广泛用于低频振荡电路中作为选频环节，可以获得很高纯度的正弦波电压。从图中可以看出该电路由一个低通滤波器（R1，C1）和一个高通滤波器（R2，C2）组成。由电路分析可知该电路的传输函数为：
1
3(1)
j RC RC βωω=
+- 当01RC ωω==，即012f f RC π==时，
13β=，且此时0φ=，即Uo 与Ui 同相位。
下面对该电路进行仿真分析。设电路中电阻和电容的取值各为1KΩ和0.1uF ，输入信号为正弦波信号幅度为3V ，无偏移，频率为1K 。实验的内容包括：
（1） 计算分析电路的频响特性，求出电路的固有频率，中心频率或振荡频率。 （2） 调整电容C1，C2的值，可改变f 0，试比较C1，C2分别为0.05U 和0.15U 时，
f 0的变化。
（3） 改变电阻R1，R2的值，也可影响f 0，试比较R1，R2分别为0.5K 和1.5K 时，
f 0的变化。
（4） 用PSpice 中的蒙特卡罗统计分析功能，分析电容C1，C2容差在10%内随机变
化时，对输出频率响应特性的影响。
C2
0.1u
R1C1
图10 文氏电桥电路
本次实验采用网格表形式作为电路输入方式，根据图10写出该电路的网格表文件： * RC Bridge AC Test R1 1 2 RMOD 1K R2 3 0 RMOD 1K C1 3 2 CMOD 1 C2 3 0 CMOD 1
*Models
.MODEL RMOD RES(R=1)
.MODEL CMOD CAP(C=0.1u DEV=10%) *Source
V1 1 0 AC 1 SIN (0 3 1k 0 0 0) *Analysis Types
.TRAN 0 5m 0 100n .AC DEC 100 1 1meg
*.STEP CAP CMOD(C) LIST 0.05U 0.1U 0.15U *.STEP RES RMOD(R) LIST 0.5K 1K 1.5K *.MC 10 AC V(3) YMAX OUTPUT ALL .PROBE .END
对其中部分语句的说明如下：
（1）.TRAN 0 5m 0 100n 语句表示进行瞬态分析，计算电路的时域响应，即最大时间步长为100ns ，计算到5ms 为止。
（2）.AC DEC 100 1 1meg 语句表示进行交流小信号分析，计算电路的幅频特性，即在1Hz 到1MHz 的范围内，每个数量级计算99个点。
（3）R1 2 1 RMOD 1K ，R2 3 0 RMOD 1K 和.MODEL RMOD RES(R=1)定义电阻及其模型。语句.AC DEC 100 1 1meg 和.STEP RES RMOD(R) LIST 0.5K 1K 1.5K 实现对电阻R 的扫描，观察变化带来的影响。
（4）C1 2 1 CMOD 1，C2 3 0 CMOD 1和.MODEL CMOD CAP(C=0.1u DEV=10%)定义电容及其模型参数。语句.AC DEC 100 1 1meg 和.STEP CAP CMOD(C) LIST 0.05U 0.1U 0.15U 实现对电容C 的取值进行扫描，观察变化带来的影响。
（5）语句.AC DEC 100 1 1meg 和.MC 10 AC V(3) YMAX OUTPUT ALL 是交流小信号情况下进行蒙特卡罗分析的定义形式。为了进行蒙特卡罗分析还需在电容模型中设置容差DEV=10%。进行该分析可以看出电容的精度对于电路设计的影响。
2．仿真分析实验步骤
（1）启动OrCAD PSpice AD 。选择“开始”→“程序”→“OrCAD 10.5”→“PSpice AD”，以进入PSpice AD 的工作环境。
（2）执行“File/New/Text File”命令，为本次实验新建一个网格表文件。
（3）系统自动打开一个空白文档，向其中输入以上网格表信息。并将其保存到指定目录并命名为rc_bridge.cir
（4）执行”Simulation/Run”命令对该电路进行仿真，如出错则弹出一个文本文件显示错误的位置，改正错误直到不再有提示弹出为止。
（5）仿真结束后会弹出一个Analysis Type 对话框，让选择显示的类型。类型有AC ，DC ，和Transient 三种。如果要观察交流小信号仿真结果请选择AC ，如果要观察直流仿真结果则选择DC ，观察瞬态分析结果则选择Transient 。此后也可通过Plot 命令进行切换。 （6）假设这里选择了AC ，系统自动弹出波形显示对话框。执行”Trace/Add Trace”命令，选择V(3)后执行”OK”，V(3)节点的幅频特性曲线将显示出来。
（7）如要观察电路的相频特性，可以先执行”Plot/Add Plot to Window”命令，首先添加一个图形区域。然后点击选中该区域，在执行”Trace/Add Trace”命令，在右侧的下拉对话框中选择P()函数，然后再选择V(3)，也可以Trace Expression 中直接输入P(V(3))，点击”OK”。此时将显示电路的相频特性。
（8）执行”Trace/Cursor/Display”命令，对波形进行测量。按住鼠标左键并拖动便可以在图形上移动十字测量指针，按住右键并拖动可以移动另一个十字测量指针。指针指向的点的信息将在Probe Cursor 对话框中显示出来。注意：在测量一个波形前，先观察左下角的波形标记，用鼠标左键或右键点击相应的波形标记后才可以测量你想测量的波形。
（9）执行Trace/Cursor/Max 命令，测量指针会定位到该波形最大值，此时观察便可得到电路的输出峰值。
（10）先选择电路的幅频特性曲线，增加一个Trace ，在Trace Expression 中输入1/SQRT(2)*MAX(V(3))，点击”OK”。图形中将重新出现一条直线，该直线的值为固有频率的0.707倍，它和幅频特性曲线相交的两点则分别是该带通电路的上频率点f H 和下频率点f L 。
（11）根据上面的测量结果，填写下面表格。以固有频率为中心，两侧各任选5个点填写下表。对相频特性曲线也进行相似的测量，表格自拟。
V(1)和V(3)，观察电路的输入和输出波形并记录。
（13）对文件网格表文件进行修改，依次去掉.STEP C AP……，.STEP RES……和.MC……命令前面的“*”，对电路进行仿真分析，并观察仿真结果。分析并说明，以上这些参数变化时，对电路的影响。（注：每个电路一次只能进行一个.STEP 仿真，并且也不能和.MC 仿真同时进行，提请注意。）记录每种情况下产生的中心频率，计算并判断哪条曲线对应那些电阻、电容值。
内容五：RLC 串联谐振电路的分析研究
在具有电感和电容元件的电路中，电路两端的电压与其中的电流一般是相位不同的。如果调节电路的参数或调节信号源的频率而是两者相位相同，电路就会发生谐振现象。谐振可分为串联谐振和并联谐振两种。在R 、L 、C 串联电路中，当正弦信号源的频率f 改变,电路中的感抗，容抗随之而变，电路中的电流也随f 而变。取电路电流Ⅰ为响应，当输入电压U 维持不变时，在不同信号频率的激励下，测出电阻R 两端电压R U 值，则R U R I =，然后