概论课件.pptx

概概论论1什么是什么是ComputerCircuitsAidedAnalysisBrains概概论论1什么是什么是概概论论1uCAAC简介简介uCAAC分析软件的发展历程分析软件的发展历程u新型电路分析手段新型电路分析手段u器件模型器件模型u课程内容与要求课程内容与要求u基于基于MATLAB的仿真平台介绍的仿真平台介绍第一章概论概概论论1u利用计算机软件分析、设计和优化电路，利用计算机软件分析、设计和优化电路，实现电路分析的自动化、规模化实现电路分析的自动化、规模化u主要涉及电路基本分析方法、计算机算法主要涉及电路基本分析方法、计算机算法和编程思想、常用电路分析软件的使用和编程思想、常用电路分析软件的使用ComputerAidedAnalysisofCircuits概概论论1在计算机出现以前，电路的设计、分析方法。在计算机出现以前，电路的设计、分析方法。随着电子元器件、集成电路飞速发展，常规的随着电子元器件、集成电路飞速发展，常规的电路分析方法的局限性。电路分析方法的局限性。电气专业开设电气专业开设CAAC课程的必要性。课程的必要性。CAAC的重要性的重要性电路分析方法是将实际电路抽象为电路模电路模型型，用电路理论基本原理对电路模型进行分析计算，得出电路工作时的电压、电流和功率等结果。电气工程师根据结果分析电路设计是否合理，分析电路故障，分析电路稳定性和可靠性，改进电路等。概概论论1例：求图示电路的节点电压例：求图示电路的节点电压 概概论论1方法方法1：人工列出节点方程，采用：人工列出节点方程，采用Matlab求解求解 (1)(2)(3)方法方法2：在：在Multisim编辑窗口画出电路，仿真得到编辑窗口画出电路，仿真得到结果结果概概论论1数字电路数字电路：可抽象为逻辑门、触发器、寄存器、加法器、减法器等逻辑单元，数字电路易于抽象化、规则化模拟电路模拟电路：要复杂得多影响模拟电路性能的因素多，例如，器件参数的离散性、工作频率、工艺条件、工作环境、输入信号变化、电磁干扰、负载变化、噪声等。模拟电路结构变化多。混合电路：混合电路：随着电子技术的不断发展,大多数电路都同时包含数字和模拟两种信号.电路分类（电路分类（CAACCAAC的研究对象）的研究对象）概概论论1计算机处理输入电路图和器件参数识别图形，器件模型化形成电路方程电路方程的数值计算输出图形和数值解数据后处理计算机分析电路流程计算机分析电路流程 概概论论1电路分析基本问题电路分析基本问题 电路类型电路类型要分析的问题要分析的问题线性电阻线性电阻电路和线电路和线性动态电性动态电路路(1)DC分析（求线性电阻电路的直流解）分析（求线性电阻电路的直流解）(2)AC分析（求电路的频率特性）分析（求电路的频率特性）(3)暂态分析（求线性动态电路的暂态特性）暂态分析（求线性动态电路的暂态特性）(4)噪声分析噪声分析(输入噪声源，进行输入噪声源，进行AC分析或求暂态解分析或求暂态解)(5)容差分析（灵敏度、最坏情况分析）容差分析（灵敏度、最坏情况分析）非线性电非线性电阻电路阻电路非线性动非线性动态电路态电路(1)初初始始条条件件、偏偏置置或或平平衡衡状状态态分分析析（电电容容开开路路、电电感感短路后求工作点）短路后求工作点）(2)暂态分析暂态分析(3)稳态分析稳态分析(4)非线性失真分析非线性失真分析(1)工作点分析（求非线性电阻电路的直流解）工作点分析（求非线性电阻电路的直流解）(2)驱动点特性分析（求驱动点电流和电压间的关系）驱动点特性分析（求驱动点电流和电压间的关系）(3)(3)传输特性分析（求输出电压、电流与输入电压、电传输特性分析（求输出电压、电流与输入电压、电流间的函数关系）流间的函数关系）概概论论1直流工作点分析直流工作点分析是用于分析电路的直流工作点。是其它各种仿真分析的基础，一般而言，在进行各种分析之前，应首先分析其静态工作点。又称静态工作点分析。直流工作点也叫静态工作点或偏置点。在进行直流分析时，交流源被视为是零输出，固定状态保持不变，电容被视为是开路，电感被视为是短路，电路中的数字器件将被视为高阻接地。直流分析的结果是为以后的分析做准备。例如，直流分析所得的直流工作点给出了交流频率分析时一些非线性小信号器件如二极管和晶体管的线性工作区。直流工作点是暂态初始条件。直流工作点分析直流工作点分析概概论论1交流分析：作用是计算电路的交流分析：作用是计算电路的交流小信号交流小信号频率响应特性。频率响应特性。交流小信号分析是在一定的工作频率范围内分交流小信号分析是在一定的工作频率范围内分析电路的频率响应，析电路的频率响应，被分析的变量是频率被分析的变量是频率的函数，的函数，计算电路的计算电路的幅频特性和相频特性幅频特性和相频特性，是一种，是一种线性线性分分析方法析方法。在交流分析中，电路中必须有一个。在交流分析中，电路中必须有一个交交流电源流电源交流分析交流分析概概论论1在给定输入激励信号作用下，计算电路输在给定输入激励信号作用下，计算电路输出端的瞬态响应。出端的瞬态响应。瞬态瞬态分析，也称为分析，也称为时域时域的的暂态分析暂态分析，是指对动态电路，是指对动态电路的时域响应进行分析。的时域响应进行分析。变量为时间变量为时间。瞬态分析瞬态分析概概论论1噪声分析：计算电路中各个器件对噪声分析：计算电路中各个器件对选定的输出点选定的输出点产产生的噪声等效到生的噪声等效到选定的输入源选定的输入源（独立的电压或电流（独立的电压或电流源）上。即计算输入源上的等效输入噪声。源）上。即计算输入源上的等效输入噪声。任何电路都会产生内部噪声，电路中每个产生噪任何电路都会产生内部噪声，电路中每个产生噪声的元件都视为一个声的元件都视为一个噪声源噪声源。在噪声分析中，电容、。在噪声分析中，电容、电感和受控源视为无噪声元件。输出节点的总噪声用电感和受控源视为无噪声元件。输出节点的总噪声用每个噪声源的噪声电压的均方根值相加得到。利用噪每个噪声源的噪声电压的均方根值相加得到。利用噪声分析可以计算出噪声增益及输入等效噪声电平。特声分析可以计算出噪声增益及输入等效噪声电平。特别是对于设计微弱模拟信号放大器，噪声分析是很有别是对于设计微弱模拟信号放大器，噪声分析是很有意义的。意义的。噪声分析噪声分析概概论论1使用电路容差分析技术来保证电路特性获得稳定使用电路容差分析技术来保证电路特性获得稳定而可靠的输出而可靠的输出,对于稳定性和可靠性要求高的系统对于稳定性和可靠性要求高的系统进行容差分析尤其必要。进行容差分析尤其必要。电路容差分析电路容差分析容差分析有两种方法:一种是统计统计的方法，通过已知的元器件参数的随机分布规律去计算电路特性的分布规律。（蒙特卡罗分析）第二种方法是以灵敏度灵敏度为基础的分析方法，利用灵敏度信息解决多个元器件参数变化偏离标称值对电路性能的总影响（最坏情况分析）概概论论1对非线性方程是很难用解析的方法求出最终结果的。这就是分析非线性电路要比分析线性电路复杂得多的原因。分析非线性电路通常采用的有三种方法：图解法，分段线性化图解法，分段线性化，数值解法，数值解法对于非线性电路的分析求解就复杂得多。我们知道非线性元件的电特性往往是以曲线曲线的形式给出的，有时也可以用解析式近似描述，但因它们都是非线性函数，所以对电路建立的电路方程也是非线性的。非线性电路的分析非线性电路的分析直流稳态分析、动态小信号分析，还需要进行纹波分析、大信号分析和稳定性分析概概论论1概概论论1概概论论1VILIoIshRshRsI概概论论1概概论论1第一阶段：TAP、NET、ECAP、CONNAP，60年代第二阶段：ASTAP、AOP、Spice，70年代（非线性方程、微分方程和稀疏矩阵求解）（改进节点法形成了Spice2）第三阶段：Tango、ProtelforDOS，70年代后期（求解线性方程组的松弛迭代算法）第四阶段：OrCAD、ProtelDXP、MultiSIM、Saber、TinaPro（模拟电路、数字电路和混合信号系统仿真，多种仿真软件协同仿真，实时仿真）、MATLAB/Simulink1-2：CAAC分析软件的发展历程分析软件的发展历程CAD，CAE，CAA，CAT，EDA概概论论1分布式计算技术分布式计算技术典型的分布式计算技术有典型的分布式计算技术有网格网格、移动、移动Agent、P2P、Web服务、公用计算、中间件等服务、公用计算、中间件等技术技术计算智能计算智能适用处理不确定信息的适用处理不确定信息的模糊数学和粗糙集理模糊数学和粗糙集理论论；再现人类某些智能行为的再现人类某些智能行为的神经网络神经网络；以模拟生物进化规律为特征的以模拟生物进化规律为特征的进化算法进化算法；以免疫操作为基本特征的以免疫操作为基本特征的免疫算法免疫算法；以以DNA复制为基本特征的复制为基本特征的DNA计算计算。1-3：新型电路分析手段：新型电路分析手段概概论论1该人种头后部有辫子一样的被称为感受器的器官，通过它获得了以生体电流为媒介进行信息交换的能力。人类为了获取潘多拉星球的资源，启动了阿凡达计划，并通过人类与潘多拉星球土著纳威人的DNA混血，培养出身高近3米的阿凡达。并不是任何人都可以操纵这个克隆Navi人，只有DNA与他身上人类DNA配型相符的人才有这样的能力。DNA计算计算概概论论1实时仿真技术实时仿真技术(半实物仿真）半实物仿真）一个复杂的动力学系统通常由许多具有不同功能和运动特性的子系统组成，当对它们进行实时仿真时，常常一部分子系统由实物组成，另一部分子系统则由数学模型来代替，并通过在计算机上建立实时数字仿真模型来实现，由它们组成一个完整的实时数字仿真模型并模拟实际系统运行，这就是实时仿真技术（Real-TimeSimulationTechnology）。概概论论11-4 1-4 1-4 1-4 器件模型器件模型器件模型器件模型 任何实际电路器件，根据其中所发生的物理过程，往往可以用理想电路元件的组合来等效地表示，这种方法称为实际电路器件的模型化模型化。概概论论11.电阻器器件：2.电容器器件：3.电感线圈：4.独立源（1）电压源：概概论论1（2）电流源：5.晶体三极管：从输入端口看进去，相当于电阻从输入端口看进去，相当于电阻rbe从输出端口看进去为一个从输出端口看进去为一个受受ib 控制的电流源控制的电流源BJT的的H参数模型参数模型 ur很小，一般为很小，一般为10-3 10-4，rce很大，很大，约为约为100k。故一般可忽略它们故一般可忽略它们的影响，得到简化电的影响，得到简化电路路概概论论1NMOS三极管的小信号模型 6.MOS三极管：(NMOS、PMOS、CMOS)输入端口视为开路输入端口视为开路,从输入端口看入，相从输入端口看入，相当于电阻当于电阻rgs()从输出端口看入为受从输出端口看入为受ugs控制的电流源控制的电流源场效应管场效应管也是非线性器件，在输入信号电压很小的条件下，也可将其用小信号模小信号模型型等效当场效应管场效应管工作在高频小信号条件下时，其极间电容的影响不能忽略概概论论1端口伏安关系：实际变压器电路模型，考虑了一定的漏感、铁损、铜损 7.理想变压器：概概论论18.二端口耦合电感元件 端口电压、电流关系：，令概概论论1二端口耦合电感元件电路模型 概概论论1对应于器件的不同型号，由于生产工艺、技术指标的不同，建立的模型也可不同，在电路分析软件中，一般按器件型号、生产厂家建模。考虑漏极、源极电阻和极间电荷存储效应后的电路模型 NMOS三极管的小信号模型 概概论论1Flyback变换器电路 电路模型实例电路模型实例Flyback变换器平均小信号交流模型 反激电路中的变压器起着储能元件的作用,可以看作是一对相互耦合的电感.概概论论1实际电路实际电路器器件的模型中所包含的理件的模型中所包含的理想电路元件不外乎下列想电路元件不外乎下列10种：种：（1）、电阻R；（2）、电感L；（3）、电容C；（4）、电压源Ug；（5）、电流源Ig；（6）、电流控制电流源（CCCS）；（7）、电压控制电流源（VCCS）；（8）、电流控制电压源（CCVS）；（9）、电压控制电压源（VCVS）；（10）、互感M。概概论论1忆阻器忆阻器概概论论1荷控时不变忆阻元件荷控时不变忆阻元件忆阻的定义忆阻的定义荷控忆阻元件荷控忆阻元件具有电阻的量纲具有电阻的量纲忆阻元件在时刻t的电荷值决定于从-到t的所有时刻的电流之值，因而M(q)与元件电流的历史情况有关。故把M(q)视为一个有记忆作用的电阻参数，命名为忆阻(memristance)。概概论论1加州大学伯克利分校的美籍华人加州大学伯克利分校的美籍华人蔡少棠蔡少棠教教授，授，37年前就预测有忆阻元件的存在。但年前就预测有忆阻元件的存在。但这么多年来，难以找出某种简单的器件，这么多年来，难以找出某种简单的器件，其模型就是忆阻元件。根据忆阻元件的特其模型就是忆阻元件。根据忆阻元件的特性和电压、电流关系，人们可以用含有源性和电压、电流关系，人们可以用含有源器件的电路来实现它。器件的电路来实现它。1971年，忆阻器：下落不明的电路元件，蔡少棠年，忆阻器：下落不明的电路元件，蔡少棠2008.5，寻获下落不明的忆阻器，寻获下落不明的忆阻器，自然自然，惠普，惠普公司实验室的研究人员，设计出能工作的忆阻器实公司实验室的研究人员，设计出能工作的忆阻器实物模型。这项发现将可能用来制造非易失性存储设物模型。这项发现将可能用来制造非易失性存储设备、即开型备、即开型PC、更高能效的计算机和类似人类大脑、更高能效的计算机和类似人类大脑方式处理与联系信息的模拟式计算机，对电子科学方式处理与联系信息的模拟式计算机，对电子科学的发展历程将产生重大影响。的发展历程将产生重大影响。概概论论1课程要求课程要求 了解电路的了解电路的计算机辅助电路分析的计算机辅助电路分析的基本原理基本原理，分析工具的发展现状，学会，分析工具的发展现状，学会使用使用Matlab/Simulink编程并分析电路，编程并分析电路，初步掌握初步掌握Multisim电路分析软件的使用电路分析软件的使用方法，具备初步的上机实验技能，撰写方法，具备初步的上机实验技能，撰写上机报告，为电路的计算机辅助设计奠上机报告，为电路的计算机辅助设计奠定基础。定基础。1-5：课程内容与要求：课程内容与要求概概论论1课程内容与要求课程内容与要求 1、理论教学：（14学时）（1）CAAC概述；概述；（2）介绍节点方程的矩阵形式，着重介绍改进节点法；）介绍节点方程的矩阵形式，着重介绍改进节点法；（3）介绍电路分析中的数值求解算法；）介绍电路分析中的数值求解算法；（4）简单介绍）简单介绍Matlab、Simulink、Multisim的运行环的运行环境和基本功能。境和基本功能。2、实践教学：（20学时）（1）Matlab编程方法和基于编程方法和基于Matlab的电路分析；的电路分析；（2）基于）基于Simulink的电路分析；的电路分析；（3）运用）运用Multisim进行电路输入和仿真；进行电路输入和仿真；概概论论1CAAC电路原理电路原理高等数学高等数学线性代数线性代数常微分常微分方程方程数值计算数值计算编程基础编程基础电力系统，电机学，电力电子电力系统，电机学，电力电子概概论论1教材：计算机辅助电路分析计算机辅助电路分析,付志红付志红,高等教育出版社，高等教育出版社，2007参考书：电路的计算机辅助分析电路的计算机辅助分析,叶金官叶金官,高等教育出版社，高等教育出版社，1983；电电子子电电路路的的计计算算机机辅辅助助分分析析与与设设计计方方法法,汪汪惠惠,王王志志华华,清清华华大学出版社大学出版社,1996；Electronics and Circuit Analysis using MATLAB，JOHN O.ATTIA.1999|使用软件 MATLAB 7；Multisim 8.0 概概论论1|要求与考核办法概概论论1公用邮箱：20101029概概论论1补充介绍：补充介绍：实时仿真平台实时仿真平台VHS-ADCDSPACE概概论论1实时仿真技术实时仿真技术实时仿真技术在航空航天、军事、机器人、汽车、工业等领域实时仿真技术在航空航天、军事、机器人、汽车、工业等领域得到广泛应用，例如导弹制导、火箭控制、卫星姿态控制等，在得到广泛应用，例如导弹制导、火箭控制、卫星姿态控制等，在缩短开发周期和降低成本方面起到了重要作用。缩短开发周期和降低成本方面起到了重要作用。实时仿真技术实时仿真技术实时快速控制原型实时快速控制原型（RCP）半实物仿真半实物仿真(HILS)（硬件在回路仿真）（硬件在回路仿真）在开发的初期，快速建立控制对象原型及控制器模型，并对整个控制系统进行多次离线的、在线的试验，来验证控制系统的可行性。概概论论1实时仿真技术实时仿真技术实时仿真平台有实时仿真平台有德国德国dSPACE的的dSPACE、德国德国ETAS的的ASCET-SD、美国、美国iLOGIX的的Rhapsody、美国、美国VisualSolutions的的VisSim、加拿大加拿大Lyrtech的的VHS-ADC、美国美国ADI公司的公司的SIMsystem等。等。在集成开发环境方面，在集成开发环境方面，主要采用主要采用MATLAB、Systemview、LabVIEW等。等。概概论论1dSPACE系统系统概概论论1概概论论1VHS-ADC 概概论论1VHS-ADC是加拿大Lyrtech公司基于MATLAB/Simulink和FPGA的高速数字信号处理平台，其系统结构如图1所示。系统采用Xilinx公司的Virtex-II系列FPGA，内部拥有丰富的门资源与硬件乘法器，工作频率可达420MHz，高速A/D通道采样率可达105MSPS，高速D/A通道采样率可达125MSPS，32位的GPIO和FPDP接口建立了与外界高速并行数据通道。VHS-ADC实现了与MATLAB/simulink的无缝连接，用户既可以在Simulink中建立模型，也可以使用VHDL等硬件描述语言设计模型。概概论论1VHS-ADC系统的功能模块图 概概论论1LSP高速信号处理平台开发流程 概概论论1Boost变换器单周控制的快速控制原型设计与仿真 概概论论1三相电压型SVPWM整流器S域系统仿真模型 概概论论1协同仿真模型 概概论论1概概论论1MatlaMatlaMatlaMatlab b b b通用通用通用通用仿真系仿真系仿真系仿真系统统统统接口接口接口接口1 1计量算法模计量算法模计量算法模计量算法模型库型库型库型库电能表电能表电能表电能表GPSGPS模块模块模块模块实际负荷实际负荷实际负荷实际负荷信号调理信号调理信号调理信号调理传感器传感器传感器传感器接口接口接口接口2 2谐波仿谐波仿谐波仿谐波仿真信号真信号真信号真信号实时计量可视实时计量可视实时计量可视实时计量可视化软件化软件化软件化软件电能计量实时仿真系统电能计量实时仿真系统概概论论1教材第二章教材第二章课后要求：预习下一次课内容