第21講項目13電路仿真分析

1、復(fù)習(xí)：復(fù)習(xí)：.1多路濾波器的原理圖設(shè)計多路濾波器的原理圖設(shè)計（1）啟動Altium Designer，創(chuàng)建名稱為“多路濾波器.PrjPCB”的工程。（2）在“多路濾波器.PrjPCB”的工程中新建一個空白原理圖文檔。（3）在新建的空白原理圖中繪制單路濾波器.SchDoc。（4）保存原理圖文件。（5）選擇Projects工作面板，在工程中再次新建一個空白原理圖文檔。（6）在空白原理圖文檔窗口內(nèi)，在主菜單中選擇DesignCreate Sheet Symbol From Sheet or HDL命令。（7）在Choose Document to Place對話框中選擇“單路濾波

2、器.SchDoc”文件名，單擊OK按鈕。（8）將Designator編輯框內(nèi)的內(nèi)容修改為“Repeat（單路濾波器，1，6）”。（9）將端口的名稱改為“Repeat（Vin ）”。（10）將端口的名稱改為“Repeat（Vout ）”。（11）在原理圖中添加其他元件，繪制如圖12-45所示的電路圖。.2多路濾波器的多路濾波器的PCBPCB設(shè)計設(shè)計1.檢查電路正確否，執(zhí)行ProjectCompile PCB Project 多通道設(shè)計.PrjPcb命令。2.執(zhí)行Design Update PCB Document 多路濾波器.PcbDoc命令。3.從圖12-46看出，元件的標(biāo)

3、號是亂的，所以重新標(biāo)注PCB板上元件的標(biāo)號。4.設(shè)計 PCB板5.把PCB板上重新標(biāo)注的元件的標(biāo)號信息更新到原理圖上。項目項目13 電路仿真分析電路仿真分析任務(wù)描述任務(wù)描述 本項目主要介紹了Altium Designer軟件的仿真功能。通過本項目的學(xué)習(xí)，讀者應(yīng)該掌握電路仿真的一般步驟，能夠應(yīng)用軟件的仿真功能分析原理圖，從而縮短電路板設(shè)計的周期，提高設(shè)計效率。在本項目中需要完成有源低通濾波電路的繪制、參數(shù)設(shè)置、瞬態(tài)分析、交流小信號分析及參數(shù)掃描分析等。它將涵蓋以下主題:電路仿真的基本知識介紹電路仿真的基本知識介紹電路仿真的步驟電路仿真的步驟多諧振蕩電路的仿真多諧振蕩電路的仿真項目項目13 電路仿

4、真分析電路仿真分析 教學(xué)目的及要求：教學(xué)目的及要求： 1. 了解電路仿真的基本知識介紹 2. 熟悉電路仿真的步驟 3. 熟練掌握多諧振蕩器電路的仿真教學(xué)重點、難點：教學(xué)重點、難點：多諧振蕩器電路的仿真13.1仿真元件庫仿真元件庫 Altium Designer 2013為用戶提供了大部分常用的仿真元件，這些仿真元件庫在安裝目錄下的：Documents and SettingsAll UsersDocumentsAltiumAD13Library/Simulation中，其中包含了仿真數(shù)學(xué)功能元件庫Simulation Math Function.IntLib、仿真Pspice功能元件庫Simu

5、lation Pspice Function.IntLib、仿真信號源庫Simulation Sources.IntLib、仿真特殊功能元件庫Simulation Special Function.IntLib和信號仿真?zhèn)鬏斁€元件庫Simulation Transmission Line.IntLib，其元件庫圖標(biāo)如圖13-1所示。圖13-1 仿真元件庫圖標(biāo) 將上圖中任一仿真元件庫復(fù)制到任意文件夾(以避免破壞原仿真庫)下并打開它，Altium Designer 2013軟件啟動，并彈出Extract Sources or Install對話框，選擇Extract Sources按鈕，釋放的庫文

6、件如圖13-2所示的對話框，在此可查看仿真庫內(nèi)有哪些仿真元器件，以供讀者調(diào)用。圖13-2 提取資源或安裝庫文件提示框 注意在仿真電路以前，繪制仿真原理圖時，添加的元件一定要有仿真模型，否則就要在仿真庫中查找元器件，添加仿真庫文件的方法同前面添加元件庫的方法一樣，在原理圖編輯環(huán)境下，打開library面板，點擊面板上的“Library.”按鈕，彈出如圖13-3所示對話框，方便的將仿真元件庫添加到列表中。 在介紹仿真案例以前，先了解各仿真庫內(nèi)的仿真元器件。圖13-3 添加仿真庫對話框13.1.1仿真信號源元件庫（Simulation Sources.IntLib） 仿真信號源元件庫中共有23個仿真

7、元件，這些仿真源為仿真電路提供激勵源和初始條件設(shè)置等功能。 1. 在原理圖中添加如圖13-4所示的兩個元件符號，即可實現(xiàn)整個仿真電路的節(jié)點電壓和初始條件設(shè)置。 .NS：NODE SET （節(jié)點設(shè)置） .IC：Initial Condition （初始條件）圖13-4 節(jié)點設(shè)置和初始條件狀態(tài)定義符 2. BISRC非線性受控電流源和BVSRC非線性受控電壓源，如圖13-5所示。圖13-5 非線性受控源符號 3ESRC線性電壓控制電壓源、FSRC線性電流控制電流源、GSRC線性電壓控制電流源和HSRC線性電流控制電壓源，如圖13-6所示。每個線性受控源都有兩個輸入節(jié)點和兩個輸出節(jié)點，輸出節(jié)點間的電

8、壓或電流時輸入節(jié)點間的電壓或電流的線性函數(shù)，一般由源的增益、跨導(dǎo)等決定。圖13-6 線性受控源符號 4VEXP指數(shù)激勵電壓源和IEXP指數(shù)激勵電流源，如圖13-7所示。通過這些激勵源可創(chuàng)建帶有指數(shù)上升沿和下降沿的脈沖波形。圖13-8 單頻調(diào)頻源符號圖13-7 指數(shù)激勵源符號5ISFFM單頻調(diào)頻電流源和VSFFM單頻調(diào)頻電壓源，如圖13-8所示，通過單頻調(diào)頻可創(chuàng)建單頻調(diào)頻波。 6VPULSE電壓周期脈沖源和IPULSE電流周期脈沖源，如圖13-9所示，利用其可以創(chuàng)建周期性的連續(xù)脈沖。圖13-10 分段線性源符號圖13-9 周期脈沖源的符號 7VPWL分段線性電壓源和IPWL分段線性電流源，如圖1

9、3-10所示，可以創(chuàng)建任意形狀的波形。 8VSRC電壓源和ISRC電流源，用來激勵電路的一個恒定的電壓或電流輸出，如圖13-11所示。圖13-12 正弦電壓/電流源符號13-11 電壓/電流源符號 9VSIN正弦電壓源和ISI正弦電流源，通過這些仿真源可創(chuàng)建正弦電壓和正弦電流，如圖13-12所示。 10DSEQ數(shù)據(jù)序列（帶有時鐘輸出）和DSEQ數(shù)據(jù)序列，如圖13-13所示。圖13-13 數(shù)據(jù)序列13.1.2仿真數(shù)學(xué)函數(shù)元件庫（Simulation Math Function. IntLib） 仿真數(shù)學(xué)函數(shù)元件庫中的元件主要是一些仿真數(shù)學(xué)函數(shù)元件，比如求正弦、余弦、絕對值、反正弦、反余弦、開方等

10、數(shù)學(xué)計算的函數(shù)，通過使用這些函數(shù)可以對仿真信號進(jìn)行相關(guān)的數(shù)學(xué)計算，從而得到自己需要的信號。13.1.3仿真特殊功能元件庫（Simulation Special Function. IntLib） 仿真特殊功能元件庫的元件主要是常用的運算函數(shù)，比如增益、加、減、乘、除、求和和壓控振蕩源等專用的元件。13.1.4信號仿真?zhèn)鬏斁€元件庫（Simulation Transmission Line. IntLib） 信號仿真?zhèn)鬏斁€元件庫包括三個信號仿真?zhèn)鬏斁€元件，分別是URC均勻分布傳輸線、LTRA有損耗傳輸線和LLTRA無損耗傳輸線，如圖13-14所示。圖13-14傳輸線元件13.1.5仿真Pspice

11、功能元件庫（Simulation Pspice Function.IntLib）仿真Pspice功能元件庫主要為設(shè)計者提供Pspice功能元件。13.213.2仿真器的設(shè)置仿真器的設(shè)置 完成電路的編輯后，在仿真之前，要選擇對電路進(jìn)行那種分析，設(shè)置收集的變量數(shù)據(jù)，以及設(shè)置顯示哪些變量的波形。常見的仿真分析有靜態(tài)工作點分析（Operating Point Analysis）、瞬態(tài)分析（Transient Analysis）、直流掃描分析（DC Sweep Analysis）、交流小信號分析（AC Small Signal Analysis）、噪聲分析（Noise Analysis）、極點、零點分析

12、（Pole-Zero Analysis）、傳遞函數(shù)分析（Transfer Function Analysis）、溫度掃描分析（Temperature Sweep）、參數(shù)掃描（Parameter Sweep）、蒙特卡洛分析（Monte Carlo Analysis）等分析。本項目主要講解后面例子中用到的靜態(tài)工作點分析、瞬態(tài)分析和交流小信號分析的設(shè)置方法。 執(zhí)行DesignSimulateMixed Sim命令,彈出如圖13-15所示的電路仿真分析設(shè)置對話框。13.2.1一般設(shè)置（一般設(shè)置（General Setup） 在仿真分析設(shè)置對話框的左側(cè)分析選項列表中，列寫出了所有的分析選項，選中每個分析

13、選項，右側(cè)即顯示出相應(yīng)的設(shè)置項。選中General Setup，即可在右側(cè)的選項中進(jìn)行一般設(shè)置。在Available Signals 列表中顯示的是可以進(jìn)行仿真分析的信號，Active Signals列表框中顯示的是激活的信號，將需要進(jìn)行仿真的信號，單擊 和 可完成添加或刪除激活信號，如圖13-15所示。圖13-15 仿真分析設(shè)置對話框可 進(jìn) 行 仿真的信號激 活 的 信號添 加 或 刪除按鈕13.2.2靜態(tài)工作點分析（Operating Point Analysis） 靜態(tài)工作點分析通常用于對放大電路進(jìn)行分析，當(dāng)放大器處于輸入信號為零的狀態(tài)的時候，電路中各點的狀態(tài)就是電路的靜態(tài)工作點。最典型

14、的是放大器的直流偏置參數(shù)。進(jìn)行靜態(tài)工作點分析的時候，不需要設(shè)置參數(shù)。13.2.3瞬態(tài)分析（Transient Analysis） 瞬態(tài)分析用于分析仿真電路中工作點信號隨時間變化的情況。進(jìn)行瞬態(tài)分析之前，設(shè)計者要設(shè)置瞬態(tài)分析的起始和終止時間、仿真時間的步長等參數(shù)。在電路仿真分析設(shè)置對話框中，激活Transient選項，在如圖13-16所示的瞬態(tài)分析參數(shù)設(shè)置對話框中進(jìn)行設(shè)置。圖13-16 瞬態(tài)分析參數(shù)設(shè)置對話框 在Transient Analysis Setup列表中共用11個參數(shù)設(shè)置選項，這些參數(shù)的含義分別是： Transient Start Time參數(shù)用于設(shè)置瞬態(tài)分析的起始時間。瞬態(tài)分析通常

15、從時間零開始，在時間零和開始時間，瞬態(tài)分析照樣進(jìn)行，但并不保存結(jié)果。而開始時間和終止時間的間隔將保存，并用于顯示。 Transient Stop Time參數(shù)用于設(shè)置瞬態(tài)分析的終止時間。 Transient Step Time參數(shù)用于設(shè)置瞬態(tài)分析的時間步長，該步長不是固定不變的。 Transient Max Step Time參數(shù)用于設(shè)置瞬態(tài)分析的最大時間步長。 Use Initial Conditions項用于設(shè)置電路仿真的初始狀態(tài)。當(dāng)勾選該項后，仿真開始時將調(diào)用設(shè)置的電路初始參數(shù)。 Use Transient Default項用于設(shè)置使用默認(rèn)的瞬態(tài)分析設(shè)置，選中該項后，列表中的前四項參數(shù)將

16、處于不可修改狀態(tài)。 Default Cycles Displayed參數(shù)用于設(shè)置默認(rèn)的顯示周期數(shù)。 default Points Per Cycle參數(shù)用于設(shè)置默認(rèn)的每周期仿真點數(shù)。 Enable Fouries項用于設(shè)置進(jìn)行傅立葉分析，勾選該項后，系統(tǒng)將進(jìn)行傅立葉分析，顯示頻域參數(shù)。 Fouries Fundamental Frequency用于設(shè)置進(jìn)行傅立葉分析的基頻。 Fouries Number of Harmonics用于設(shè)置進(jìn)行傅立葉分析的諧波次數(shù)。13.2.4交流小信號分析（AC Small Signal Analysis） 交流小信號分析用于對系統(tǒng)的交流特性進(jìn)行分析，在頻域響應(yīng)

17、方面顯示系統(tǒng)的性能，該分析功能對于濾波器的設(shè)計相當(dāng)有用，通過設(shè)置交流信號分析的頻率范圍，系統(tǒng)將顯示該頻率范圍內(nèi)的增益。在電路仿真分析設(shè)置對話框中，激活A(yù)C Small Signal Analysis選項，在如圖13-17所示的交流小信號分析參數(shù)設(shè)置對話框中進(jìn)行設(shè)置。圖13-17 交流小信號分析參數(shù)設(shè)置對話框 其中Start Frequency參數(shù)用于設(shè)置進(jìn)行交流小信號分析的起始頻率。 Stop Frequency參數(shù)用于設(shè)置進(jìn)行交流小信號分析的終止頻率。 Sweep參數(shù)用于設(shè)置交流小信號分析的頻率掃描的方式，系統(tǒng)提供了三種頻率掃描方式“Linear”項表示對頻率進(jìn)行線性掃描，“Decade”項

18、表示采用10的指數(shù)方式進(jìn)行掃描，“Octave”項表示采用8的指數(shù)方式進(jìn)行掃描。 Test Points參數(shù)表示進(jìn)行測試的點數(shù)。 Total Test Points參數(shù)表示中的測試點數(shù)。13.3多諧振蕩器電路仿真實例多諧振蕩器電路仿真實例 在學(xué)習(xí)前面關(guān)于電路仿真的基本知識后，將對項目2的多諧振蕩器電路進(jìn)行仿真。電路仿真的一般步驟如下： 找到仿真原理圖中所有需要的仿真元件。 仿真元件的放置和電路的連接，并且添加激勵源。 在需要繪制仿真數(shù)據(jù)的節(jié)點處添加網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號。 仿真器參數(shù)設(shè)置。 電路仿真并分析仿真結(jié)果。13.3.1繪制仿真原理圖 在項目二中已經(jīng)繪制了多諧振蕩器電路原理圖，如圖2-1所示。檢查每個

19、元件是否具有仿真模型，查看方法，雙擊該元件，彈出Properties for Schmatic Component（元件屬性）對話框如圖13-19所示，在Models欄如果有Simulation類型，就有仿真模型，檢查完所有元件都具有仿真模型后，將接口Y1刪除，添加一個+12V的電壓源V1，方法：單擊Utility工具欄中的工具按鈕，打開如圖13-20所示的仿真電源工具欄，在工具欄中單擊“+12V”電壓源工具按鈕，在工作區(qū)放置一個+12V的電壓源。圖13-20 放置激勵源+12v的電壓源圖13-19 Properties for Schematic Component對話框 放置完畢后，點擊元

20、件，彈出元件屬性對話框，如圖13-21所示，修改其參數(shù)，設(shè)置Designator為“V1”、Comment為“=Value”、Value為“+12”。圖13-21 仿真電壓源屬性設(shè)置對話框圖13-22 多諧振蕩器仿真原理圖 連接電路，并放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號：Q1B、Q1C、Q2B、Q2C，如圖13-22所示。13.3.2仿真器參數(shù)設(shè)置1.單擊 按鈕，彈出13-23所示的對話框，分別雙擊Q1B、Q1C、Q2B、Q2C，把他們添加到Active Signals內(nèi)，見圖13-23。2.在Collect Data For欄，從列表中選擇“Node Voltage，Supply Current，Device Current and Power”。3.為這個分析勾選Operating Point Analysis和Transient Analysis。圖13-23 仿真器一般參數(shù)設(shè)置 4.激活Transient Analysis選項,將Use Transient Defaults選項設(shè)為無效，設(shè)置Transient Stop Time為10ms，指定一個10ms的仿真窗口；設(shè)置Transient Step Time為10us，表示仿真可以每10us顯示一個點；設(shè)置Transient Max Step Time:10us；其他選缺省值，如圖13-24所示。圖13-24 瞬態(tài)特性參數(shù)設(shè)置13.3.3信