电路原理中两个关键问题及OrCAD/PSpice16.5仿真软件的应用

汪圣杰，顾涓涓，胡国华

（合肥学院，安徽 合肥 230000）

电路原理中两个关键问题及OrCAD/PSpice16.5仿真软件的应用

汪圣杰，顾涓涓，胡国华

（合肥学院，安徽 合肥 230000）

本文第一块阐明了电路原理中两个重要的基本问题——电流电压方向定义以及等效的概念，这两个概念对电路原理课程的学习有着至关重要的作用，对这两个概念的清楚掌握将对电路原理的分析起到事半功倍的效果.第二块介绍了OrCAD/PSpice16.5仿真软件在电路原理课程中的应用，阐明了软件中电压电流方向与电压电流方向定义的一致性，并引入OrCAD/PSpice16.5仿真求解电路的戴维宁等效电路，仿真结果直观清晰，与理论分析十分吻合.实践表明OrCAD/PSpice16.5仿真软件在电路原理课程中的应用能够取得良好的教学效果.

电路原理；电压电流方向定义；等效；OrCAD/PSpice16.5；戴维宁定理

1 引言

本文首先阐明电路原理课程中两个重要的概念，分别是电流电压方向定义和等效的概念，然后介绍电路仿真软件OrCAD/PSpice16.5在电路原理课程教学中的使用，使用软件对验证了电路原理中一些重要的定理如戴维宁定理以及叠加定理.实践表明在电路原理教学中引入Or-CAD/PSpice16.5电路仿真软件，不仅让学生掌握理论同时也学会了软件的使用，而且也激发了学生对电路原理课程的学习兴趣.

2 电路原理中两个重要的概念

2.1 电压电流方向定义

电路原理这门课程有一定的难度，其实这在一定程度上和这两个概念有很大联系.如果不能够对这两个概念清晰掌握，那么在拿到一张电路图之后就不知道如何列写方程或者可以说电路方程列写错误，这里面往往是表达式前面有无“+”号或“-”号问题.若需准确无误的列写电路方程则需要准确深刻掌握电流电压方向的定义.在电路的课本中电路电压方向定义如下[1]：在电路分析中，当涉及某个元件或部分电路的电流或电压时，有必要指定电压和电流的参考方向，这种指定参考方向电压和电流是独立的，即电压的参考方向可以任意指定，电流参考方向可以任意指定，当电压参考方向与电压实际方向不同时则参考电压取负，同理参考电流方向与实际电流方向相反则参考电流取负，而在电路分析中使用参考电压和参考电流解题，解题过程中如果参考电压与参考电流关联则列写的方程加正号，如果电压参考方向与电流参考方向非关联则公式前取负号，因此电路原理中有个结论：公式和参考方向必须配套使用.

这种参考方向的指定虽然能够正确的列写电路方程，但是却不容易应用于电路求解中，电压电流参考方向各自独立的任意指定，方程的列写容易出错，往往表达式前的“+”“-”号出错.实际上电压电流方向只有一种定义[2]：电流从“+”端流入，从“-”端流出，电压为“+”端电位减去“-”端电位，“+”端与“-”电位没有绝对关系，即“+”端电位可以大于“-”端电位也可以“+”电位小于“-”端电位.按照电压电流方向定义列写电路方程思路清晰，概念清楚，方程列写不容易出错，使用电压电流方向定义的列写方程，当设定电流方向时，则该电流流过处的电压就确定了，即电压的“+”和“-”确定了.使用符合电流电压方向定义下的电压U和电流I，计算出的电阻R始终为正值，这也论证了此定义的正确性.

2.2 等效的概念

电路原理中在很多地方都使用到等效电路，例如串联电路等效、并联电路等效、电源等效、戴维宁等效定理等等，这些概念中都包含有等效的概念，所以有必要谈谈何为“等效”，在《电路》第五版邱关源著中给等效下了一个定义：两个二端电路，端口具有相同的电压、电流关系，则称它们是等效的电路.笔者认为这种定义不是特别准确，它不能很好的指导等效电路的求解.“等效”的基本定义为[3]：对于任意的负载，等效电路给负载提供的电压、电流以及功率与原电路所提供的是相等的.这个“等效”的定义非常清楚，对于求原电路的等效电路有指导意义.电压源等效、电流源等效，电阻等效，戴维宁等效等等都可运用该等效定义来求解等效电路.下面运用“等效”定义说明戴维宁定理中Vth和Rth的求解：

对于任意一个含源二端口电路如图(1)所示，二端口电路向外引出两个端子A和B，求该二端口电路的戴维宁等效电路.首先给出戴维宁等效电路的形式，如图(2)所示.由图(2)可知，等效戴维宁电路有个量Vth和Rth，如何根据图(1)求出Vth和Rth，这就需要用到“等效”的定义.

图1 任意含源二端口电路

图2 任意含源二端口电路的等效戴维宁电路

2.2.1 戴维宁等效电压Vth的求法

由“等效”的定义可得“等效”是对于任意负载而言的，等效电路提供给负载的电压与原电路所提供的是一样的，则在求取Vth的时候，可以将任意负载取为阻抗为无穷大的负载，按照“等效”定义：接在含源二端口电路AB端的无穷大负载上的电压等于戴维宁等效电路的AB端接同样的无穷大负载时的电压，这两者是相等的.因而Vth=VAB=含源二端口开路时端口电压.

3 OrCAD/PSpice16.5仿真软件在电路原理教学中的应用

电路课程是一门重要的技术基础课，具有较高的理论要求.OrCAD/PSpice16.5作为专业的电路仿真软件，在电路课堂教学中能够起到重要的辅助作用：第一，可以使教师从复杂的电路计算中解脱出来，当一个电路变量较多或者涉及动态电路，所列写的方程个数将会很多甚至涉及到求解微分方程.如果将这些工作交给计算机完成，教师就可以将主要精力放在对基本原理、定律和基本方法的讲解上，然后使用软件验证定理定律并借助软件求解比较复杂的电路，这样不但可以使课堂生动、活跃并且提高了学生学习电路理论的兴趣，带来良好的教学效果[4].第二，OrCAD/PSpice16.5具有强大的作图功能，可通过设置公式显示各种曲线，在电路理论的某些章节中常常需要通过推导表示式并绘制相应的曲线，如果教师手动推导并画图，将使得课堂教学非常枯燥也浪费了课堂宝贵时间，但如果利用OrCAD/PSpice16.5软件，这些曲线将能够快速鲜明的得出，不仅节省了时间同时也极大提高了课堂效率，使得学生对抽象问题理解更加形象生动.

下面首先在OrCAD/PSpice16.5软件中验证电压电流方向定义，然后说明该软件在电路原理中的应用.

3.1 OrCAD/PSpice16.5验证电压电流方向定义

在本文2.1节谈到电路中的电压电流方向定义：电流从“+”端流入，从“-”端流出，电压为“+”端电位减去“-”端电位.在OrCAD/PSpice16.5软件中即是按照这定义给定电压和电流的.在软件中将鼠标放置在各个器件的引脚上可看到每个器件的引脚上都有一个编号，编号分别为“1”和“2”，这个编号即为电压电流方向定义中的“+”端和“-”端，“1”对应“+”端，“2”对应“-”端，下面可以通过软件验证电压电流方向定义.图3为一个简单的电源电阻串联电路，在该电路中，电阻R1和R2的1号和2号引脚位置如图所示.现对电源V1进行参数扫描，分析流过电阻R1和R2的电流与直流电压源V1的关系.

图3 电源电阻串联电路

在OrCAD/PSpice16.5中绘图电路图如图3所示，然后进行如下设置：

(1)点击“new simulation file”快捷按钮，在出现的simulation settings对话框中设置analysis type为DC sweep，即直流扫描分析.

(2)设置sweep variable为voltage source，并把在电路图中电压源的编号V1填写到name栏中，选择变量扫描的类型（sweep type）为linear，然后设置扫描变量的起始值和终止值分别为0V和10V，步长为1V.

(3)执行Pspice分析程序，可以看出流过R1的电流为正，流过R2的电流为负，其中的原因即电压电流方向定义的问题.

3 结论

本文阐述了三个主要的问题：《电路》中的电压电流方向问题，等效的概念以及OrCAD/PSpice16.5在《电路》教学中的应用，电压电流方向以及等效的概念是学习电路学的两个关键的知识点，希望本文能够为学习电路学提供有用的思路.通过将书本中一些示例用OrCAD/PSpice16.5仿真软件得出结果，结果直观清晰，同时又验证了理论推导，提升了学生学习该门课程的兴趣和积极性.

〔1〕邱关源.电路（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,邵仙鹤.OrCAD PSpice在电路课程教学中的应用[J].东北电力大学学报，2006,26(3):88-93.

〔5〕吴霞.OrCAD PSpice 9.2在电路仿真试验中的参考方向的选择[J].现代电子技术,2006(04):100-103.

O441

A

1673-260X（2016）11-0006-02

2016-08-12

合肥学院拨2016院自然科学科研发展基金项目（0395841698）；安徽省高等学校省级质量工程项目（2015sxzx018；2015ckjh062）；安徽省教育厅自然科学基金重点项目（KJ2015A164）