電子電氣電路仿真

前言

為貫徹落實教育部《關(guān)于進一步加強高等學(xué)校本科教學(xué)工作的若干意見》和《教育部關(guān)于以就業(yè)為導(dǎo)向深化高等職業(yè)教育改革的若干意見》的精神，加強教材建設(shè)，確保教材質(zhì)量，中國電力教育協(xié)會組織制訂了普通高等教育“十一五”教材規(guī)劃。該規(guī)劃強調(diào)適應(yīng)不同層次、不同類型院校、滿足學(xué)科發(fā)展和人才培養(yǎng)的需求，堅持專業(yè)基礎(chǔ)課教材與教學(xué)急需的專業(yè)教材并重、新編與修訂相結(jié)合。本書為新編教材。隨著計算機電腦科技的發(fā)展，電路模擬仿真已成為電路設(shè)計、電路性能分析以及故障探測不可缺少的工具。過去那種手工計算繪圖設(shè)計，單純依賴用面包板搭建樣機、單純依賴硬件測試電子電氣電路技術(shù)已經(jīng)一去不復(fù)返了。電子電氣工程師們都在學(xué)習(xí)使用計算機輔助設(shè)計，使用模擬仿真來設(shè)計電路、分析電路性能，并進行故障探測。與此同時，電路模擬仿真也為電子電氣工程教學(xué)開創(chuàng)了新的教學(xué)模式。教師們用電路模擬仿真示教，學(xué)生們用計算機電腦仿真學(xué)習(xí)電路的理論和實際。模擬仿真是很強大的工具，大大減少了工程技術(shù)人員的工作量，少走彎路，解決了有限的實驗難以發(fā)現(xiàn)的客觀規(guī)律，但最后結(jié)果還是要靠系統(tǒng)現(xiàn)場實測、實際的電子電路來核實。近年來電子工程軟件已有長足的發(fā)展。特別是在電子設(shè)計自動化（EDA）領(lǐng)域，電路設(shè)計、電路模擬仿真和電路性能分析相結(jié)合，為電子電氣工程人員提供了有力的技術(shù)支持。然而目前電子電氣電路的模擬仿真領(lǐng)域中存在兩個障礙。一方面仿真軟件變得越來越龐大復(fù)雜，不易為一般電氣工程人員掌握，需要專門的“仿真工程師”才能知其奧秘。這就妨礙了模擬仿真的應(yīng)用。另一方面，那些貌似方便易用的模擬仿真軟件又很不透明，即一點擊就出來結(jié)果，但不知此結(jié)果從何而來、是否可靠，亦不明如何應(yīng)用。盲目機械地套用電子工程軟件，對解決工程實際問題幫助不大，在許多情況下，并不能得到所需的計算結(jié)果，或者得到的是不正確、不精確的結(jié)果。甚至可能引起誤解，誤用計算結(jié)果。對于學(xué)生和初學(xué)者，不正確地使用模擬仿真也可能導(dǎo)致誤解電子電氣電路的理論和實際工程問題。因此，在進行模擬仿真時對下列概念必須有明確的認識：（1）所有模擬仿真都必須得到實際電路的證實，才能投入實際應(yīng)用。（2）模擬仿真并非真實電路，其正確性和準確性取決于其模擬方法的正確性和準確性。（3）不同的應(yīng)用目的需要不同的電路元件模型、不同的模擬仿真方法。要弄清模擬仿真的原理和實現(xiàn)的方式，不能機械地套用。（4）電路模擬仿真技術(shù)本身是一門專門的學(xué)問，有許多領(lǐng)域存在各種問題，尚待研究開發(fā)。電子電氣模擬仿真軟件EESIM致力于解決上述模擬仿真的障礙，實現(xiàn)簡明易用和模擬仿真透明化的目標(biāo)，使一般電氣工程人員都能很快上手應(yīng)用，同時又明了模擬仿真全過程。在電子電氣模擬仿真領(lǐng)域，SPICE類軟件是主流。EESIM與SPICE完全兼容且其功能大幅度擴展改進。因此本書以EESIM作為主要模擬仿真手段，深入淺出地介紹電路模擬的原理和各種分析方法、模擬仿真的應(yīng)用，以及達到成功的模擬仿真的竅門和方法等。

內(nèi)容概要

本書為普通高等教育“十一五”規(guī)劃教材。    全書共分13章，主要內(nèi)容包括電路模擬仿真原理、EESIM電路模擬仿真軟件的使用、濾波器的設(shè)計及模擬仿真、電力電子電路模擬仿真、電子負荷電路的模擬仿真、儀表電路模擬仿真實例、電磁元件有關(guān)電路的模擬仿真、功能模塊的模擬仿真、數(shù)字電路及混合信號電路的模擬仿真、諧振電路仿真實例、傳輸線的模擬仿真、倍壓電路的模擬仿真、模擬計算收斂性分析和仿真的竅門與技巧。本書輯錄了大量各種類型電路的模擬仿真實例，目的是通過這些實例手把手地教會讀者掌握模擬仿真技術(shù)，同時引導(dǎo)讀者掌握電氣元件的建模技術(shù)。    本書可作為普通高等院校電氣信息類專業(yè)的教學(xué)用書，也可作為相關(guān)專業(yè)工程技術(shù)人員、進修工人及業(yè)余愛好者的參考用書。

書籍目錄

前言第1章  電路模擬仿真原理  1.1  改進節(jié)點法  1.2  改進節(jié)點矩陣和向量的形成  1.3  電路模擬的基本分析法  1.4  電路模擬仿真的其他分析法第2章  EESIM電路模擬仿真軟件的使用  2.1  選取電氣元件  2.2  電路圖的連接繪制  2.3  設(shè)定模擬仿真模式  2.4  審視模擬仿真結(jié)果  2.5  EESIM工具箱及支持程序第3章  濾波器的設(shè)計及模擬仿真  3.1  濾波器的設(shè)計  3.2  EESIM濾波器設(shè)計工具箱的使用  3.3  濾波器模擬仿真的電路實例  3.4  濾波器模擬仿真問題討論第4章  電力電子電路模擬仿真  4.1  平均狀態(tài)空間模型（State Space Averaged model）    4.2  PWM開關(guān)組模型及其在平均模型建模中的應(yīng)用  4.3  用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)建立DC—DC變換器平均模型的方法及電路模擬仿真實例  4.4  電壓模式變換器平均模型與電流模式變換器平均模型第5章  電子負荷電路的模擬仿真  5.1  電子負荷功率級電路的模擬仿真  5.2  正電源產(chǎn)生負電源的轉(zhuǎn)換電路  5.3  電子負荷的電流調(diào)節(jié)和脈沖負荷  5.4  功率限幅電路第6章  儀表電路模擬仿真實例  6.1  555計時器電路的模擬仿真  6.2  運算放大器組成的模擬計算器電路  6.3  窗口探測器  6.4  晶體管放大電路  6.5  反相增益電路第7章  電磁元件有關(guān)電路的模擬仿真  7.1  變壓器模擬仿真  7.2  磁芯線圈的模擬仿真  7.3  直流電機模擬仿真  7.4  三相感應(yīng)電機的模擬仿真第8章  功能模塊的模擬仿真  8.1  運算模塊的模擬仿真  8.2  限幅器功能塊的模擬仿真  8.3  波形發(fā)生器的模擬仿真第9章  數(shù)字電路及混合信號電路的模擬仿真  9.1  數(shù)字電路模擬及A／D與D／A轉(zhuǎn)換  9.2  混合信號電路模擬仿真  9.3  二進位計數(shù)器  9.4  二進位解碼器  9.5  階梯波電路第10章  諧振電路仿真實例  10.1  石英晶體振蕩器的模擬仿真  10.2  四階低通巴特沃思型振蕩器  10.3  反相方波發(fā)生器  10.4  無直流偏移的四階低通巴特沃思型振蕩器  10.5  利用比較器LM111構(gòu)成的振蕩電路第11章  傳輸線的模擬仿真  11.1  傳輸線的工作原理和計算原理  11.2  EESIM傳輸線模型  11.3  幾種常見的傳輸線參數(shù)的計算  11.4  多導(dǎo)體耦合傳輸線及PcB串?dāng)_問題  11.5  傳輸線模擬仿真實例第12章  倍壓電路的模擬仿真  12.1  傳統(tǒng)交流-直流倍壓電路  12.2  串接倍壓電路和橋式整流倍壓電路  12.3  四倍壓及八倍壓電路第13章  模擬計算收斂性分析和仿真的竅門與技巧  13.1  模擬計算的收斂性  13.2  直流工作點分析中的收斂性問題  13.3  暫態(tài)分析中的收斂性問題  13.4  模擬仿真環(huán)境參數(shù)的設(shè)定  13.5  收斂性問題的解決途徑和竅門參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：電路模擬仿真是指用計算機輸入和表達電路的有關(guān)信息，并對電路進行分析計算的過程。通過分析計算得到電路在各種工作條件下的行為，并求得相應(yīng)的電氣變量及參數(shù)。整個過程如同建立和測試真實電路一樣。計算機的電路模擬仿真軟件一般包含兩個主要的部分：電路的繪制表達（Captuare）工具；電路分析計算軟件，即模擬器（SimlJlator）。前者主要處理圖形及其代表的數(shù)據(jù)，這不在本書的討論范圍之內(nèi)。而后者，電路分析計算軟件則是本章的主要課題。與人工的電路計算一樣，計算機的電路計算也是基于解算電路的方程式。由電路理論可知，電路的方程表達有兩種主要的形式，即回路法和節(jié)點法。回路法按電路的封閉回路列出方程求解。它一般可用于平面電路。此時每個網(wǎng)眼聯(lián)系一個回路方程，全部網(wǎng)眼可以聯(lián)合求解。當(dāng)電路拓撲為非平面時，回路有多種不同的組合，因而并不適合計算機模擬的操作。在計算機模擬仿真中，由于節(jié)點法可以得到唯一的方程表達，便于操作，因此計算機模擬仿真使用最多的是節(jié)點法。在技術(shù)發(fā)展過程中，節(jié)點法又進一步發(fā)展成改進節(jié)點法（ModifledNodal Analysis，MNA）。EESIM以及大多數(shù)SPICE類的模擬器都使用改進節(jié)點法。模擬仿真的第一步是建立一個自動構(gòu)成節(jié)點矩陣的機制。此機制用于形成節(jié)點方程的矩陣，然后使用各種矩陣計算的技術(shù)來解節(jié)點方程。在頻域分析（即交流掃描）及與之相關(guān)的各種其他的分析計算中，儲能元件即電感、電容的參數(shù)都是復(fù)數(shù)變量，因此整個解算過程是在復(fù)數(shù)域進行的。對于線性電路來說，所有的電路元件都是線性元件。但電子電氣電路中存在許多非線性元件，大部分的半導(dǎo)體元件及磁性元件都是非線性的，即它們的電阻、電感、電容并非定值，而是其他電路變量（如電流、電壓等）的函數(shù)。在人工計算中，可以用解析的方法來解算這些非線性方程組。解析法主要依靠求解人的知識和技能，是不適宜直接作計算機模擬計算的。適合計算機計算的方式是數(shù)值計算。所謂數(shù)值計算，就是將非線性方程圍繞一個工作點線性化，在計算中采用迭代法，使之收斂到一個解上，使用最為普遍的是牛頓一拉弗遜法。隨之而來的問題是，計算是否能收斂和收斂的速度有多大。因此，許多模擬仿真的技術(shù)圍繞著收斂問題展開。本章以。EESIM實現(xiàn)的模擬仿真方法為基礎(chǔ)，簡明扼要地說明電路分析的典型方法。從介紹改進節(jié)點法開始，了解各種電氣元件輸入的規(guī)律形式，了解自動生成導(dǎo)納矩陣的方法。在此基礎(chǔ)上，本章詳細介紹主要的三種電路分析方法，即直流分析、交流分析和暫態(tài)分析的計算原理；然后簡要說明其他幾種分析方法，即直流傳遞函數(shù)分析、噪聲分析、零極點分析和傅立葉分析（即畸變分析）；最后就各種主要的電子器件的模擬模型構(gòu)成、等值電路的結(jié)構(gòu)以及元件的建模方法作詳細的介紹。

編輯推薦

《電子電氣電路仿真》是關(guān)于介紹“電子電氣電路仿真”的教學(xué)用書。

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