基于protel DXP 2004的RLC电路仿真

朱盼盼，娄晓燕

（东北大学，辽宁 沈阳 110819）

RLC串联电路是由电阻、电容和电感串联形成的电路，电路中电容和电感是储能元件，电容上的电压不会瞬间突变，电感上的电流也不会瞬间突变，RLC电路的暂态过程［1－3］就是电路在接通或者断开的瞬间，电路中的电流或者电压非稳定性的变化，即形成电路充电或放电的瞬间变化过程。

Pr otel软件［4－9］是目前国内最为流行的电子线路设计工具。它不仅具有完备的电子线路设计功能，更有强大的仿真功能，能够在原理图输入阶段进行信号完整性分析，可极大地提高设计效率。采用pr otel DXP 2004软件对RLC电路暂态工作过程进行仿真分析，用仿真信号源产生所需的方波信号模拟电源接通或断开，设置好仿真参数然后运行仿真，在波形窗口中显示输入信号、输出信号的波形，可直观描述电路的暂态工作过程。

1 仿真电路的创建

在pr otel DXP 2004中利用原理图编辑器绘制仿真电路原理图如图1所示，仿真电路原理图中的元器件必须采用带有仿真模型的元器件。用脉冲电压源作为信号源产生方波信号，方波信号的占空比为0.5，在方波电压为U的半个周期内，电源对电容器充电，在方波电压为零的半个周期内，电容器放电，电压U值设为5 V。在需要观察信号波形的电路节点处放置网络标签Vin1和Vout1，以便观察信号源产生的方波电压波形和电容两端的电压波形。

RLC暂态电路是由电阻、电容和电感串联而成，各个元件的参数为：电感0.01 H，电容0.1μF，电阻的参数根据实验需要确定。RLC电路中电阻会对电路产生影响，电阻的主要作用就是把阻尼项引入方程的解中，见图1。

图1 RLC仿真电路图

RLC暂态电路的信号源产生的是方波电压，只要方波信号的重复周期T远大于电路的时间常数τ，在这样的方波脉冲信号的激励下，电路的响应就和直流电接通和断开的过程是基本一样的，选取T＝2 ms。在方波电压为U的半个周期内，电源对电容器C充电，电路的响应为零状态响应，电容上的电压随时间变化。选取整个电路的电流作为响应变量，回路方程为

在方波电压为零的半个周期内，电容放电，电路的响应为零输入响应，回路方程为

2 三种阻尼状态及protel仿真结果

充电时的零状态响应为

放电时的零输入响应为

衰减震动的圆频率为

由式（5）（6）可见，电路的充放电过程VC均呈现振荡特性，为振幅衰减的振荡过程，衰减的快慢由时间常数决定。

图2 欠阻尼状态的protel仿真波形

放电时零输入响应为

由式（7）（8）可见，当电阻值达到一定的临界值，使得λ＝1，此时电容器两端的电压VC刚刚不再具有振荡特性，这便是临界阻尼状态，它是从过阻尼到阻尼振动之间的过渡分界。

图3 临界阻尼状态的protel仿真波形

放电时零输入响应为

图4 过阻尼状态的protel仿真波形

3 结 论

传统的RLC暂态电路实验是信号发生器产生方波信号，用示波器显示电容的电压波形，实验过程中，信号发生器和示波器的调整较为繁琐。用protel DXP 2004软件进行仿真可以很好的解决这一问题，protel软件提供了强大的电路仿真功能。仿真电路原理图绘制完成以后，在需要观察信号电压波形的电路节点处放置网络标签，即可得到仿真波形。仿真过程中可以根据实验需要设置仿真参数，操作简单方便。

Pr otel软件不仅在电子线路设计方面功能强大，在仿真方向也有着广泛的应用范围。由于物质条件的限制，使传统实验无法自由开展，把仿真软件和传统实验相结合，可以很好的弥补传统实验的不足。用pr otel软件仿真RLC电路响应过程就是一个简单的把仿真实验和传统实验相结合的例子，有利于培养综合利用，综合分析问题的能力。

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