了得網研究生_電工電子及電氣控制實驗教程

編輯推薦

作者依據多年電工電子技術課程的教學經驗，結合*頒布的“高等工業學校電子技術基礎課程教學基本要求”，以適合電子類專業“電工電子及電氣控制實驗”為目的，以適應當前人纔的需要，強化工程實踐訓練，培養學生創新意識，提高學生綜合素質。

內容簡介

本書是綜合性電工電子及電氣控制實驗教材，以工程實際應用為出發點，以培養和提高學生工程設計、實驗調試及綜合分析能力為目標，優化設計了電工電子類相關基礎課程實驗。全書共分為3篇，即電工電子技術實驗、電氣控制實驗、PSpice 16仿真軟件簡介和相關電路設計分析實例等。全書著重介紹電工電子技術實驗和電氣控制實驗的基本任務、基本方法和基本規程，同時介紹PSpice 16仿真軟件和相關電路仿真分析方法，強調培養電工電氣專業卓越工程師所應具備的工程意識、工程素質、工程實踐能力和工程創新能力。
本書實驗內容豐富，可作為高等院校電子類、電氣類、通信類、自動控制類以及計算機類專業的基礎實驗教材，同時也可供參加各類電子競賽和進行畢業設計的本科生參考。

目錄
第1篇電工電子技術實驗

實驗1.1基本電工儀表的使用及測量誤差的計算

實驗1.2減小儀表測量誤差的方法

實驗1.件伏安特性的測繪

實驗1.4電位、電壓的測定及電路電位圖的繪制

實驗1.5基爾霍夫定律的驗證

實驗1.6疊加原理的驗證

第1篇電工電子技術實驗

實驗1.1基本電工儀表的使用及測量誤差的計算

實驗1.2減小儀表測量誤差的方法

實驗1.3

實驗1.4電位、電壓的測定及電路電位圖的繪制

實驗1.5基爾霍夫定律的驗證

實驗1.6疊加原理的驗證

實驗1.7電壓源與電流源的等效變換

實驗1.8戴維南定理和諾頓定理的驗證——有源二端網絡等效參數的測定

實驗1.9功率傳輸條件測定

實驗1.10受控源VCVS、VCCS、CCVS、CCCS的實驗研究

實驗1.11典型電信號的觀察與測量

實驗1.12RC一階電路的響應測試

實驗1.13二階動態電路響應的研究

實驗1.14R、L、C實驗1.15用三表法測量電路等效參數

實驗1.16正弦穩態交流電路相量的研究

實驗1.17RC選頻網絡特性測試

實驗1.18RLC串聯諧振電路的研究

實驗1.19雙口網絡測試

實驗1.20負阻抗變換器

實驗1.21回轉器

實驗1.22互感電路測量

實驗1.23單相鐵心變壓器特性的測試

實驗1.24三相交流電路電壓、電流的測量

實驗1.25三相電路功率的測量

實驗1.26單相電度表的校驗

實驗1.27功率因數及相序的測量

第2篇電氣控制實驗

實驗2.1三相鼠籠式異步電動機

實驗2.2三相異步電動機的直接啟動控制

實驗2.3三相異步電動機接觸器點動控制線路

實驗2.4單向啟動停止控制線路/異步電動機自鎖控制線路

實驗2.5異步電動機單向點動、啟動控制電路

實驗2.6按鈕聯鎖的三相異步電動機正反轉控制線路

實驗2.7接觸器聯鎖的三相異步電動機正反轉控制線路

實驗2.8雙重聯鎖的三相異步電動機正反轉控制線路

實驗2.9正反轉點動、啟動控制線路

實驗2.10異步電動機反接制動控制線路

實驗2.11異步電動機星形、三角形控制線路

實驗2.12異步電動機手動順序啟動控制線路

實驗2.13異步電動機自動順序控制線路

實驗2.14異步電動機兩地控制線路

實驗2.15三相異步電動機串電阻降壓啟動手動控制

實驗2.16三相異步電動機串電阻降壓啟動自動控制

實驗2.17單相降壓啟動及反接制動控制線路

實驗2.18三相異步電動機能耗制動控制線路

實驗2.19自動往返控制線路

實驗2.20帶點動的自動往返控制線路

實驗2.21接觸器控制雙速電動機的控制線路

實驗2.22時間繼電器控制雙速電動機的控制線路

實驗2.23C6201型車床電氣的控制線路

實驗2.24電動葫蘆電氣控制線路

第3篇PSpice 16仿真軟件

3.1PSpice 16軟件概述

3.1.1PSpice 16軟件綜述

3.1.2PSpice 16軟件設計環境

3.1.3執行仿真程序

3.1.4如件

3.1.5連線

3.2二極管、三極管、場效應管的模型參數

3.2.1二極管

3.2.2三極管

3.2.3場效應管

3.3電阻、電容、電感和磁心的模型參數

3.3.1電阻

3.3.2電容

3.3.3電感

3.3.4磁心

3.4壓控開關和流控開關的模型參數

3.4.1壓控開關

3.4.2流控開關

3.5PSpice中常用的電壓源的設置

3.6PSpice中常用的電流源的設置

3.7PSpice A/D的基本分析：直流分析

3.7.1直流分析簡述

3.7.2參數說明

3.7.3直流分析實例

3.8PSpice A/D的基本分析：交流分析

3.8.1交流分析簡述

3.8.2參數說明

3.8.3交流分析實例

3.9PSpice A/D的基本分析：瞬態分析

3.9.1瞬態分析簡述

3.9.2參數說明

3.9.3瞬態分析實例

3.10PSpice A/D的基本分析：靜態工作點分析

3.10.1靜態工作點分析簡述

3.10.2參數說明

3.10.3靜態工作點分析實例

3.11PSpice A/D的進階分析：噪聲分析

3.12PSpice A/D的進階分析：傅裡葉分析

3.13PSpice A/D的進階分析:參數分析

3.14PSpice A/D的進階分析：溫度分析

3.15PSpice A/D的高級分析：蒙特卡羅分析

3.16PSpice A/D的高級分析：壞情況分析

3.17數字電路的基本分析方法

3.18數字信號源的設置

3.19數字仿真的壞情況分析

3.20PSpice提供的測量函數和自定義測量函數

附錄A常件功能介紹

A.1保護件

A.2

A.3件

A.4驅動器及PLC繫統

A.5

附錄B常件符號

參考文獻

前言

前言

前言

為培養創新實踐能力強、適應經濟社會發展需要的高質量的各類型工程技術人纔，*啟動了“卓越工程師教育培養計劃”。電氣工程專業卓越工程師培養要將素質教育和創新教育相結合，以“寬口徑、高素質、強能力、重應用”為教學實踐目標，加強學生的工程意識、工程素質、工程實踐能力和工程創新能力，培養具有求是創新精神和國際視野的創新型工程科技人纔。電工電子技術及電氣控制課程和實驗在電氣工程專業卓越工程師培養中起著至關重要的基礎性作用，有助於提高學生的實踐能力和職業技能，幫助學生形成良好的工程意識，為未來職業發展打好基礎。因此，本書注重實踐，突出基礎訓練，著重培養學生的實踐應用能力和計算機仿真應用能力。在實驗內容的選擇上，既有基礎性實驗、實踐應用性實驗，又有PSpice 16仿真軟件使用指導以及設計實驗，較好地實現了基礎訓練與應用實踐訓練相結合，硬件設計調試與PSpice軟件仿真設計相結合。因此，本書符合不同層次的教學要求，為學生學習後續課程、參加各類電子設計競賽、進行畢業設計等打下了良好的基礎。同時，本書也可供相關專業院校師生參考。本書作為綜合性電工電子及電氣控制實驗教材，參照了*“高等工業學校電工電子技術基礎課程教學基本要求”，並結合了編者多年的教學實踐經驗與教學研究成果。全書共分為3篇。第1篇為電工電子技術實驗，包含27個實驗。第2篇為電氣控制實驗，包含24個實驗。第3篇為PSpice 16仿真軟件，包含PSpice 16仿真軟件簡介、儀器儀表介紹及設置方法、電路原理圖繪制、電路分析方法以及實驗設計等內容。本書由擺玉龍統稿審定，其中趙興龍編寫了第1篇，範滿紅編寫了第2篇，擺玉龍編寫了第3篇和附錄部分。馬真東、陳雪雷、王娟、郭鵬飛、王一朝、陳春梅、段濟開、常明恆、魏強和蘇坤繪制了本書的全部插圖，並做了大量的打印和校對工作。在編寫本書的過程中，編者參考了很多優秀教材和著作。編者向參考文獻的各位作者表示真誠的謝意。本書的出版得到西北師範大學教學研究重大項目“西北師範大學‘卓越工程師班’培養機制研究——以電子信息工程專業為例”的大力支持，同時獲得蘭州市科技計劃項目(編號： 2015334)的資助。由於編者水平有限，加之時間倉促，錯誤與不妥之處在所難免，懇請讀者批評指正。

編者2017年4月

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第3篇PSpice16仿真軟件

3.1PSpice 16軟件概述
3.1.1PSpice 16軟件綜述
第3篇PSpice16仿真軟件

3.1PSpice 16軟件概述
3.1.1PSpice 16軟件綜述
隨著電子計算機技術的發展，計算機輔助設計已經逐漸進入電子設計的領域。模擬電路中的電路分析、數字電路中的邏輯模擬，甚至是印刷電路板、集成電路版圖等都開始采用計算機輔助工具來提高效率和設計成功率。PSpice軟件是較早出現的EDA軟件之一，也是當今世界上著名的電路仿真標準工具之一。PSpice是由SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）發展而來的面向PC機的通用電路模擬分析軟件。它是由美國加州大學伯克利分校的計算機輔助設計小組於1972年利用FORTRAN語言開發而成的，主要用於大規模集成電路的計算機輔助設計。目前微機上廣泛使用的PSpice是由美國MicroSim開發並於1984年1月首次推出的。1988年SPICE被定為美國國家工業標準。PSpice采用自由格式語言的5.0版本自20世紀80年代以來在我國得到廣泛應用。MicroSim公司於1996年開發了基於Windows環境的仿真程序，之後從6.0版本開始引入圖形界面。1998年，著名的EDA商業軟件開發商ORCAD公司與MicroSim公司正式合並，自此MicroSim公司的PSpice產品正式並入ORCAD公司的商業EDA繫統中。目前為止，PSpice的版本已經發展到16.6，包含在ORCAD 16.6 release當中。PSpice軟件初主要是用在大規模電子計算機上進行仿真分析，後來推出了可以在PC上運行的PSpice軟件，主要用於集成電路分析。在實際制作電路之前，先進行計算機模擬，可根據模擬運行結果修改和優化電路設計，測試各種性能，不必涉器件及測試設備。同時，通過仿真可以對故障狀態進行評估，這類故障也許對人身有危險的。PSpice的組成部分主要包括Schematics(圖形編輯程序)、PSpice A/D(仿真分析程序)、Probe(圖形後處理程序)、Stimulus Editor(信號源編輯程序)、Par器件模型參數提取程序)、Optimizer(電路優化程序)等。PSpice軟件具有強大的電路圖繪制功能、電路模擬仿真功能、圖形後處理器件符號制作功能，以圖形方式輸入，自動進行電路檢查，生成圖表，對電路進行模擬和計算。它的用途非常廣泛，不僅可以用於電路分析和優化設計，還可用於電子線路、電路和信號與繫統等課程的計算機輔助教學。PSpice軟件擁有豐富件庫是仿真的精髓，PSpice軟件提供的模型庫中包括20多類共3萬多個商品化的器件模型參數，存放在100多個模型參數庫中，供用戶選用器件以符號、模型和封裝3種形式分別存放在擴展名為olb、lib和llb的3類庫文件中。*.olb器件符號用於繪制電路圖，*.lib器件模型用於電路仿真分析，*.llb器件封裝形式用於繪制印刷電路板的版圖。PSpice具有以下優越性： (1) 圖形界面友好，易學易用，操作簡單實用性強，仿真效果好。(2) 功能強大，集成度高。(3) 可對仿真窗口進行相關編輯。PSpice主要用於模擬電路、數字電路及數模混合電路的分析及電路優化。PSpice基本的分析功能包括直流分析、交流小信號分析、瞬態分析、蒙特卡洛分析。3.1.2PSpice 16軟件設計環境1. 基本界面
打開PSpice軟件，其基本界面如圖3.1.1所示，包括菜單欄、工具欄、仿真工具欄、繪圖工具欄等。

圖3.1.1基本界面
2. 菜單欄在Capture各窗口中，各命令繫統都不相同，下面介紹繪制電路圖時使用的窗口的命令繫統，菜單欄共包含11條主命令，如圖3.1.2所示。

圖3.1.2菜單欄
(1) File(文件)菜單：主要用於管理創建的電路文件，如打開、保存和打印等，如圖3.1.3所示。(2) Edit(編輯)菜單：主要用於在繪制電路過程件和電路進行各種技術性處理，如圖3.1.4所示。

圖3.1.3File菜單

圖3.1.4Edit菜單

(3) View(視圖)菜單：主要用於仿真界面上顯示內容的操作，不同層次電路圖的顯示等，如圖3.1.5所示。(4) Tools(工具)菜單：通過其中的子命令可以定制工具欄選項和按鈕選項，如圖3.1.6所示。(5) PSpice(仿真)菜單：其作用是在電路圖繪制好後，在Page Editor的環境中調用模擬仿真軟件PSpice A/D，對繪制的電路進行模擬分析，並顯示、分析得到的結果，如圖3.1.7所示。(6) Place(放置)菜單：其作用是通過各條子命令完成電路圖的繪制，如圖3.1.8所示。

圖3.1.5View菜單

圖3.1.6Tools菜單

圖3.1.7PSpice菜單

圖3.1.8Place菜單

(7) Macro(宏)菜單：通過宏功能可以提高繪圖效率，如圖3.1.9所示。(8) Accessories(附件)菜單： OrCAD軟件還開發了一些擴展Capture功能的配套軟件，如生成特定的電連接網絡表等，如果配置了這些軟件，那麼調用這些軟件的指令將以子命令形式出現在Accessories命令菜單中，如圖3.1.10所示。(9) Options(選項)菜單：其中的子命令用於配置Capture運行中的有關參數，如圖3.1.11所示。(10) Window(窗口)菜單：實現對顯示窗口的調節、打開和關閉等，如圖3.1.12所示。(11) Help(幫助)菜單：為用戶提供在線的技術支持和使用指導，如圖3.1.13所示。

圖3.1.9Macro菜單

圖3.1.10Accessories菜單

圖3.1.11Options菜單

圖3.1.12Window菜單

圖3.1.13Help菜單

3.1.3執行仿真程序執行仿真程序的步驟如下： (1) 啟動軟件。打開OrCAD Capture CIS，顯示如圖3.1.14所示的界面。

圖3.1.14基本界面
(2) 創建一個新項目。執行File→New→Project菜單命令建立一個新的工程。在圖3.1.15所示的對話框中輸入文件名，如AC。在下面的單選按鈕中選擇Analog or Mixed A/D，要注意這是由Capture直接調用PSpice的按鈕。後在Location中指定文件存放的文件夾，單擊OK按鈕。

圖3.1.15New Project對話框
在Create based upon an existing project下可以看到許多已有的工程和電路圖。這裡選擇Create a blank project，進入仿真電路圖繪制窗口，開始繪制電路圖，如圖3.1.16所示。

(3) 繪制電路圖。(4) 選擇仿真類型。繪制好電路圖後，選擇PSpice菜單下的New Simulation Profile命令，創建新的仿真文件，在彈出的New Simulation對話框中，將該仿真文件命名為AS，如圖3.1.17所示，單擊Create按鈕，在彈出的Simulation SettingsAS對話框中設置仿真類型。

圖3.1.16創建項目對話框

圖3.1.17新建仿真文件

(5) 執行PSpice仿真程序。選擇PSpice菜單下的Run命令或者單擊Capture工具欄的圖標，開始運行仿真分析。程序運行結束後，出現如圖3.1.18所示的波形輸出顯示窗口。

圖3.1.18波形輸出顯示窗口
Probe的工具欄按鈕功能如下：：設定X軸為線性或對數軸。：設定Y軸為線性或對數軸。：傅裡葉分析顯示。：性能指標分析。：添加新波形。：輸出變量求值。：添加文本說明。：標記曲線。：遊標定位。：將遊標定於下一個波峰、下一個波谷、下一個斜率點。：將遊標定於點、點、下一個數據點。：遊標搜索。：為遊標的定位點添加坐標。：將遊標定位於下(上)一個數字轉折點(存在數字分析時纔顯亮，即變為可用)。3.1.4如件放件有3種方法： (1) 單擊繪圖工具欄中的件對應的Libraries，在Part List菜單下件就可以將其放置到繪圖窗口中了(注意件庫必須存儲在路徑為Capture＼Library＼pspice下，此路徑中件都提供PSpice模型，可以直接調用)。(2) 選擇Place→Part菜單命令。

圖3.1件旋轉菜單
(3) 按快捷鍵P，快件。
件，件，彈出如圖3.1.19所示的菜單，在圖中選擇Mirror Horizontally項，或者直接按H鍵件左右翻轉；選擇Mirror Horizontally項，或者按V鍵件上下翻轉；選擇Rotate項，或者按R鍵件逆時針方向旋轉90°。也可以依次選擇主菜單中的Edit→Mirror→Horizontally、Edit→Mirror→Vertically及Edit→Rotate完成上述操作。選擇Edit→Mirror→Both菜單件旋轉180°。

3.1.5連線當所有器件和接地符號放置好後，就可以開始連線了。選擇Edit→Place→Wire菜單命令，或單擊工具欄的按鈕，或直接按W鍵，將編輯模型轉化為連線模式，鼠標的形狀變為十字線。在欲連線終點的始端單擊，即出現一條隨光標移動的連線，每到連線的拐彎處單擊，到連線終點處雙擊，終止本次連線，此時可以開始另一次連線操作。如果要終止連線模式，可按Esc鍵，或右擊，在彈出的快捷菜單中選擇End Wire選項即可。當電氣對像沒有連接在一起時，它們的端點為空心小矩形；而當它們連接在一起時，它們的連接點即變成實心小矩形。當某連線終端與其他連線的轉角點或連線終端相連，形成T形連接時，其交叉點視為連接在一起，繫統會自動在此位置放置一個“·”。當某連線與其他連線形成交叉線時，兩條連線並未連接在一起。如果要將此線變成連接線，可在交叉點位置稍作停留，或者在此人工放置一個連接點，方法是：選擇Place→Junction菜單命令，或單擊工具欄的按鈕，或直接按J鍵，在此十字位置處單擊即可。放置完所有的節點後，右擊，選擇End Mode結束節點的設置。
3.2二極管、三極管、場效應管的模型參數
在編輯模型或創建模型時，經常會遇到一些不甚了解的基本半導體，如二極管、三極管和場效應管等，不知道其PSpice模型中的各參數是什麼含義，應該如何設置和修改。下面就詳細介紹件。3.2.1二極管二極管模型適用於PN結和肖特基結。由於在模型中考慮了二極管的正向特性和反向擊穿特性，故也可以模擬穩壓管特性。1. 輸入文件語句在輸入文件語句中，二極管的關鍵字為D：
D N 、N- DNAME ［(area) value］
MODEL DNAME D(模型參數及其值)

語句中N 、N-分別是二極管的正、負極的節點，DNAME是二極管的型號名稱，方括號中為可選參數，area為面積因子。MODEL語句中，根據分析的需要給定模型參數(全部或部分)，未給定的參數則在程序運行時自動取默認值。2. 二極管的模型參數二極管的模型參數如表3.2.1所示。

表3.2.1二極管參數

參數意義單位默認值

IS飽和電流A1×10-14RS歐姆電阻Ω0N發射繫數-1TT渡越時間S0CJO零偏置電容F0VJ結電壓V1MPN結梯度因子-0.5EG禁帶寬度eV1.11
續表

參數意義單位默認值

XTIIS溫度繫數-3FC正偏耗盡層電容繫數-0.5BV反向擊穿電壓(膝點電壓)V∞IBV反向擊穿帶電流(膝點電流)A1×10-10KF閃爍噪聲(Flicker)繫數-0AF閃爍噪聲(Flicker)指數-1
3.2.2三極管雙極晶體管由兩個PN結組成，有兩種類型： NPN型和PNP型。這兩類晶體管都分為基區、發射區和集電區3個區。每個區分別引出了電極，稱為基極(B)、發射極(E)和集電極(C)。1. 輸入文件語句在輸入文件中三極管的關鍵字為Q：
Q NC NB NE NS QNAME ［(area)value］
MODE QNAME NPN(或PNP)(模型參數及其值)
其中NC、NB、NE、NS分別是集電極、基極、發射極和襯底節點，襯底節點是選擇項，若未指定，則接地。2. 模型參數雙極晶體管的模型參數如表3.2.2所示。

表3.2.2雙極晶體管模型參數

參數意義單位默認值

IS傳輸飽和電流A1×10-16EG禁帶寬度eV1.11XTI(PT)IS的溫度效應指數-3BF正向電流放大繫數-100NF正向電流發射繫數-1VAF(VA)正向歐拉電壓V∞IKF(IK)正向膝點電流A∞ISE(C2)BE漏飽和電流A0NEBE漏發射繫數-1.5BR反向電流放大繫數-1NR反向電流發射繫數-1VAR(VB)反向歐拉電壓V∞IKR反向膝點電流A∞ISC(C4)BC漏飽和電流A0NCBC漏發射繫數-2.0
續表

參數意義單位默認值

RB零偏壓基極電阻Ω0IRB基極電阻降至RBM/2時的電流A0RBM小基極電阻ΩRBRE發射區串聯電阻Ω0RC集電極電阻Ω0CJE零偏發射結PN結電容F0VJE(PE)發射結內建電勢V0.75MJE(ME)發射結梯度因-0.33CJC零偏集電結PN結電容F0VJC(PC)電結內建電勢V0.75MJC(MC)集電結梯度因子-0.33XCJCCbc接至內部Rb的部分-1CJS(CCS)零偏襯底結PN結電容F0VJS(PS)襯底結內建電勢V0.75MJS(MS)襯底結梯度因子-0FC正偏勢壘電容繫數-0.5TF正向渡越時間s0XTFTF隨偏置變化的繫數-0PTF在f=1/(2πTF)Hz時超前相移(°)0TR反向渡越時間s0XTBBF和BR的溫度繫數-0KF1/f噪聲繫數-0AF1/f噪聲指數-1ITF影響TF的大電流參數A0VTFTF隨VBC變化的繫數V∞
3.2.3場效應管場效應晶體三極管也是一種半導體三極管，簡稱場效應管(FET)。它的功能和雙極型晶體管相同，可用件件，其外形與雙極型晶體管相似，但是其工作原理卻與雙極型晶體管不同，在雙極型晶體管中是電子與空穴兩種極性的載流子同時導電，而場效應管僅靠一種極性的載流子參與導電，故場效應管稱為單極型場效應管。兩種晶體管的控制特性也有很大的區別。雙極型晶體管是電件，通過控制基極電流從而控制集電極電流或發射極電流；而場效應管是電壓件，利用輸入回路的電場效應來控制輸出電路的電流，因而得名場效應管。場效應管從結構上可分為絕緣柵和結型兩大類。且每大類按其導電溝道分還分為N溝道和P溝道。1. 輸入文件語句MOS場效應管的輸入描述格式如下：

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