袁 韬，易 斌，毛龙波，冯 平

(中国人民解放军后勤工程学院，重庆 401131)



SPICE在电路原理教学中的应用

袁 韬，易 斌，毛龙波，冯 平

(中国人民解放军后勤工程学院，重庆 401131)

将内核软件SPICE引入电路原理课程教学，通过编写SPICE文件对电路的结构进行描述和分析，并运用AIM-SPICE对电路原理教学中几种常见的电路问题进行分析，以提高学生对电路的理解和分析能力。

SPICE；电路仿真；独立电源；节点电压

1 电路原理在专业体系中的地位[1]

电路原理是高等院校电力工程及其自动化专业的核心课程，同时也是所有电子与电气信息相关专业的重要专业基础课。根据课程体系结构的设计，它在整个课程体系中起着非常重要的作用，课程的主要内容包括电路理论的基本概念、定理、方法，是学习后续课程的重要基础，是整个电气类专业的理论知识支撑。该课程的特点是既有抽象的理论分析，又有具体的实际应用，只要涉及电能的产生、传输和使用的地方，就会用到电路理论。该课程理论严密、物理概念多、逻辑性强，与工程技术及生活实际联系紧密，常常需要就宏观现象进行微观解释[2]。它不但要求学生掌握电路的基本原理和计算方法，具备电力工程技术相关的设计和应用能力，还要求学生具有一定的创新能力，能运用所学理论解决实际问题，为今后的实际工作奠定基础。

2 SPICE电路仿真软件简介

SPICE是simulation program for integrated circuits emphasis 的缩写，即针对IC(集成电路)设计的仿真程序，是美国伯克利大学从20世纪70年代初开始研发的电路仿真软件内核[3]。经过不断的发展及应用，SPICE已经成为功能强大的通用模拟电路仿真器，可以用来验证电路设计，预测电路行为。SPICE 能够对电路进行下列分析：直流工作点分析(.OP)、直流扫描分析(.DC)、传输函数分析(.TF)、瞬态分析(.TRAN)、交流分析(.AC)、傅里叶分析(.FOURIER)、灵敏度分析(.SENS)、失真分析(.DISTO)、极点零点分析(.PZ)、噪声分析(.NOISE)。我们一般把前6种分析用在电路原理的教学中。

SPICE的最新版本是SPICE 3F5，只能进行模拟电路仿真。其扩充版本XSPICE/SPICE 3F5可以进行数模混合仿真。几乎所有的电路仿真软件都是以XSPICE/SPICE 3F5为基础扩充，包括Multisim，PSPICE，TINA，PROTEL等应用软件。

SPICE是电路仿真软件内核，而Multisim，PSPICE，TINA，PROTEL等几乎所有的电路仿真软件都是以XSPICE/SPICE为基础进行扩充然后进行重新编写所得到的，这些都叫应用软件。内核和应用软件的不同在于，应用软件界面比较友好，例如在输入电路的时候，应用软件可以用图形化输入，而内核必须用行编辑的方式去输入。所以，对初学者来说，这些应用软件比SPICE更加直观和方便。但是，SPICE以文本的形式描述电路的元件和结构，更有助于学生学好电路原理这门课程，且AM-SPICE，SPICE OPUS等内核更加小巧，大小仅数兆字节，都可以免费下载[4]。

利用SPICE对电路进行仿真首先要编写一个电路文件，叫做SPICE电路文件。一个标准的SPICE电路文件(Standard Spice File)，由6个部分组成。(1)Title (first line)：标题，文件的第一行。(2)Element Statements(元件语句)：描写元件和互联关系。(3)Control Statements(分析语句)：指明要做何种分析。(4)Output Statements(输出语句)：指明如何输出。(5)End (the last line)：结束语句。(6)Comments (prefix with *)：以注释*开头是注释

SPICE文件的具体结构如下：

Title Statement<标题>

* ------

Element Statements<元件语句>

… …

… …

Command (Control) Statements<分析语句>

… …

* ----

Output Statements<输出语句>

.End <结束>

3 SPICE在电路原理教学中的应用

下面介绍SPICE在教学中的应用，使学生能更好地掌握SPICE的应用方法，更加深入地了解电路的结构并提高学生分析电路的能力[8]。本文采用的AIM-SPICE V5.6学生版软件，可以免费使用，具有SPICE电路文件编辑窗口，可以运行标准的SPICE文件。

3.1 分析直流电路中支路的电压和电流[3]

电路中最常见的题型就是计算某元件的电压或电流，而电路的分析方法很多，选择用什么方法进行分析是最关键的一点。在教学中教师往往告诉学生先观察电路的结构和特点，选择一个最简单、最合适的方法进行分析，而大多数情况下，我们都会选择最普通、最简单的节点电压法来进行分析。所以，SPICE也是以节点电压法为基础进行编写的。我们在编写SPICE文件时，应以节点电压法为基础，首先选择一个参考电位点(零电位点)，通过SPICE文件语句准确地把电路图描述出来。图1是例1的电路图，要求求出R5的电流i5，运用AIM-SPICE V5.6学生版软件进行分析。

图1 例1的电路图

打开AIM-SPICE V5.6学生版软件，在应用SPICE分析电路时应首先在文件编写窗口准确编写出各个元件的SPICE语句。本例的电路中包含两个直流电压源和6个电阻。

电压源的编写方式：Vname N1 N2 Type Value(N1是正端，N2是负端)。

电压源必须以V开头，电流源则以I开头。Type是电源的形式：DC(直流)或AC(交流)，默认是DC。Value是具体的值。如图1所示。按照这个规则，本例的两个电压源的SPICE元件语句可编写为Vs3 1 0 DC 20和Vs6 2 5 DC 40。SPICE文件中顺序很重要，比如，V1 a b DC 10 和 V1 b a DC 10是不同的。

电阻文件语句形式：Rname N1 N2 Value(N1是正端，N2是负端)。本例的6个电阻元件的SPICE语句可表述为R1 3 0 10; R2 4 3 10; R3 1 4 4; R4 4 5 8; R5 5 0 8; R6 2 3 1。

要求出R5的电流i5，则需要利用SPICE的直流分析语句.OP进行分析，并以.END作为结束语句，完整的SPICE文件编写如图2所示，最后运行这个SPICE文件，得出结果如图3所示。由于AIM-SPICE只能分析出各节点的电压和电压源的电流，我们须通过节点电压与支路电流之间的关系得到最后的结论，i5=V5/R5=-7.648 9/8=-0.956 A。

图2 例1的SPICE文件编写窗口

图3 例1的SPICE分析结果

3.2 含有受控源的电路分析

含有受控源的电路是电路原理教学中的一大难点。在学习受控源时应重点掌握控制量与受控电源之间的关系。应用SPICE分析含有受控源的电路也是一样，必须准确地编写出受控源的元件语句。电路中的受控源包括以下4种：电压控电压源(VCVS)，即Ename N1 N2 NC1 NC2 Value；电压控电流源(VCCS)，即Gname N1 N2 NC1 NC2 Value；电流控电压源(CCVS)，即Hname N1 N2 Vcontrol Value；电流控电流源(CCCS)，即Fname N1 N2 Vcontrol Value。

图4是例2的电路图，要求应用SPICE分析包含受控源的电路，求出各支路的电流和电压。

图4 例2的电路图

该电路包含4个电阻、4个独立电压源，需要说明的是Vm所在的支路电流正好是电流控电流源F1的控制量，为了能正确写出电流控电流源F1的SPICE语句且不影响电路结构，我们必须在该支路加一个电压为0的独立电流源，用流过该独立源的电流Ix来表示控制量。完整的SPICE分析如图5所示，分析结果如图6所示。

图5 例2的SPICE文件编写窗口

图6 例2的SPICE分析结果

3.3 戴维南等效变换

戴维南定理是电路原理课程的重难点，可以利用戴维南定理将有源二端网络变换为1个电压源和1个电阻的串联电路，而这个过程比较烦琐。如果在教学中把SPICE引入，学生通过编写SPICE文件加深对电路结构的理解，有助于更好地掌握戴维南定理。图7是例3的电路图，要求求出以1，2端为输出端的戴维南等效电路，SPICE文件及结果如图8所示。可以利用直流小信号传输函数分析语句.TF对其进行分析。

图7 例3的电路图口

图8 题4-9SPICE文件及结果

从图8可以看出，左边窗口为SPICE语句，右边窗口为分析结果，结果中第1行transfer function=-0.5，表示输出与输入之比，即OUT/IN(放大倍数，传输增益)。输入为电压源V1，电压为3 V，故输出的电压为3×-0.5=-1.5 V。第3行v1.input impedance=8 Ω为输入电阻，第四行output impedance at v(1)=2 Ω为输出电阻。通过SPICE分析，得出了戴维南等效变换需要的参数。

4 总结

本文首先对电路原理在高等院校电力工程及其自动化专业中的作用进行了定位，并对SPICE电路仿真软件的特点、参数、功能及其文件的编写规则和分析语句的作用进行简要介绍。最后将SPICE运用于电路原理课程教学中的一些重难点问题，通过学习这种以编写电路文件为基础的仿真软件，使学生能更好地理解电路的结构和电路分析的方法，提高教学效果。

[1] 邱关源，罗先觉．电路[M]．北京：高等教育出版社，2006．

[2] 肖冬萍．MAITIAB在计算机辅助电路分析中的应用[J]．电气电子教学学报，2008，30(3)：82-85．

[3] 徐伟，徐钦民，谷海青．电路实践指导教程[M]．北京：清华大学出版社，2008．

[4] 李耀刚．改革实验教学，培养创新能力[J]．实验室研究与探索，2007，26(11)：92-94．

[5] 贺洪斌，程桂芬，胡岩．电工测量基础与电路实验指导[M]．北京：化学工业出版社，2004．

[6] 李永平，董欣．PSpice电路原理与实现[M]．北京：国防工业出版社，2004．

[7] 李世琼，宗伟．基于PSpice的电路计算机辅助设计[M]．北京：中国电力出版社，2007．

[8] 吴建强．电工学新技术实践[M]．北京：机械工业出版社，2009．

A Study on the Application of SPICE in the Teaching of the Course of Circuit Principles

YUAN Tao，YI Bin，MAO Longbo，FENG Ping
(Logistical Engineering University of PLA，Chongqing 401131，P.R.China)

This paper discusses about the introduction of the kernel software SPICE into the teaching of the course of circuit principles．In addition，it introduces the description and analysis of the structure of the circuit by writing SPICE files．Furthermore，it analyzes some common circuit problems in the teaching by means of AIM-SPICE，to improve students’ abilities to understand and analyze circuits．

SPICE；circuit simulation；independent power source；node voltage

2016-09-27

袁 韬(1981-)，讲师，研究方向为微机保护。

TM615

A

1008- 8032(2016)06- 0007- 04