利用OrCAD电路设计软件分析RLC电路频率特性

郭旭凯

摘 要本文利用OrCAD/Pspice電路设计软件研究RLC串、并联电路中由于参数的改变对电路的频率特性造成的影响。通过软件仿真得到结果：当中心频率f0=1.59kHz时与通过理论计算的值相近。在R LC电路中，电阻R的值越小，则通频带就越窄；而且中心频率f0的值和电路参数R无关，但当LC的乘积减小时，中心频率f0的值增大。

【关键词】OrCAD电路仿真RLC串 并联电路电路参数

1 引言

伴随着大规模集成电路以及计算机技术的快速发展，特别是互联网+提出之后，利用计算机软件对电子电路进行分析与设计的方法越来越广泛的应用。目前OrCAD/Pspice电路设计软件是一个应用广泛的对电子线路进行分析设计的软件，它有强大的电路设计与仿真能力的能力，对电子线路进行直流、交流和瞬态分析，以及更为复杂的傅里叶分析、谐波失真分析操作简单，易于得到仿真结果。本文借助OrCAD/Pspice电路设计软件，通过分析RLC串、并联电路的频率响应对电路的频率特性的影响，调整RLC电路的元器件参量，进而对电路进行优化。

2 OrCAD/Pspice在RLC电子线路仿真中的优势作用

因为在RLC电路中有电容元件和电感元件，所以当给定得激励源的频率f发生改变时，RLC电路中的感抗和容抗相应的也会发生改变，进而影响电路的工作状态。严重的时候，RLC电路将不能正常工作，并对其他电路模块造成影响。例如当激励源的频率f的改变超过正常工作的范围时，RLC电路将会偏离其应该正常的工作范围，从而出现电路失效的状况，甚至电路被损坏。因此通过对电路的频率特性进行分析从而保证电路能正常工作就很重要。通过对OrCAD电路进行仿真，观察仿真图，对电路中的的重要功能和特性指标进行分析，这样就能找到合适的L、C的值，进而保证电路能正常工作。

3 RLC串联电路分析

3.1 RLC串联电路的交流扫描分析

交流扫描分析的输出波形图横纵轴分别表示的是激励源的频率和对应的电流大小。当电阻R=1Ω，感抗L=40mH，容抗C=0.25uF，交流电压源Ui=1V时，首先通过理论分析，当电路的频率f=f 0 =1.59 kHz时，RLC电路将会串联谐振。利用Pspice软件对电路进行交流分析，L、C值不变，改变电阻值R，得到电路在不同参数下的电流响应曲线。图1、2分别是RLC串联电路图和它在不同的电阻值R下电流随频率变化的曲线图，分析仿真图可知，当改变电阻的阻值时，RLC电路中的电流I将会发生变化，但谐振频率f不受影响。通过查阅资料知，RLC串联电路的品质因数为Q=ωR0L，由公式知，当电阻的阻值越小，质因数Q值越大，通频带则变得越窄，电路选择性越好，抑非能力越强。当RLC电路谐振时电感L和电容C上将会出现超过外加电压Q倍的高电压，它会对RLC串联电路造成严重破坏，因此需要避免RLC串联电路发生谐振。

3.2 RLC串联电路的瞬态分析

在不同信号的影响下，对RLC串联电路进行瞬态分析，图3是RLC串联电路，R1=2kΩ，L1=40mH ，C1=0.25uF，正弦电压源的电压为U=10V，电源频率f1=1.59kHz。

通过对RLC串联电路进行瞬态分析，观察到电阻的电流与电源的电压相位相同，如图4所示。图5为输出电压波形，当电路处于谐振状态，电阻上的电压等于电源的电压，而且电容电压与电感电压在相同的时刻对应的数值相等、极性相反，说明当RLC电路发生谐振时电容C和电感L没有从电源获取能量，而是两者之间发生了能量的相互传递。

4 RLC并联电路分析

4.1 RLC并联电路的交流扫描分析

RLC并联电路如图6所示，其中电阻R2=20kΩ，感抗L2=140mH，容抗C2=0.25uF，电流源I2=1A。当电路的频率

f==f 0=1.59kHz时，

U（N1）=1×20×103=20kV ，电路发生并联谐振。

图7时RLC并联电路发生谐振时电阻电流随频率变化的曲线，分析仿真图可以看出，电感的电流和电容的电流在相同时刻数值大小相等，相位相反，两者的和始终为0，电阻中流过的电流的最大值为I=1A。电流源的电压的最大值为20kV，如图8所示。

4.2 RLC并联电路的参数分析

在其他元件的参数不变，通过改变电路中某个元件值或某个模型参数使得电路的效应发生改变，通过分析比较，选取最优的方案进行电路设计。PSpice有参数分析的功能，通过设置好想要改变的元件值或模型参数，然后进行仿真，就可得到结果然后与原始结果进行分析比较优劣。对RLC并联电路的电阻值进行参数扫描分析容抗，选定感抗L2=1mH，C2=1000pF，恒流源的输出电流I2=1mA，对电阻值R2分别为 20kΩ，50kΩ和100kΩ时进行仿真分析，电路图如图9所示。

利用OrCAD/Pspice电路设计软件进行参数扫描分析，当电路的频f=1.59 kHz时，RLC并联电路发生并联谐振，如图 10所示。从图10中可看出，RLC并联电路的电阻值越大，品质因数Q（并联电路的品质因数 Q =ω0CR）R值越大，通频带越窄，电路的选择性越好。

5 结语

通过OrCAD/Pspice软件对RLC串、并联电路的频率特性的分析可知，针对不仅的信号源，当信号源的内阻很小时选取RLC串联谐振电路，这是选用的电阻的阻值越小，质因数Q值越大，电路选择性越好，而当信号源的内阻较大时，选取RLC并联电路，发生谐振时，选取的电阻阻值值越大，品质因数Q越大，通频带越窄，电路的选择性越好。

参考文献

[1]奕雄，吴浚浩，洪正滨.通信电子线路PSpice仿真的研究与实现[J].现代电子技术，2010（11）：94-96.

[2]陶瑞莲.OrCADPSpice在电子线路实验仿真研究[J].通信电源技术，2010，27（02）：27-29.

[3]闫颖良，王平，徐香.基于OrCADPSpice的电路故障建模方法研究[J].计算机测量与控制，2009（17）.

[4]刘岚，叶庆云.电路分析基础[M].北京：高等教育出版社，2010.

作者单位

河南大学物理与电子学院 河南省开封市 475000