電子電路計算機仿真

1、 繪制好電路圖后，即可調用OrCAD軟件包中的Pspice軟件對電路進行模擬。本章有介紹OrCAD/Pspice軟件結構和功能特點的基礎上，重點介紹應用OrCAD/Pspice軟件對模擬電路進行計算機模擬的方法。對優(yōu)化、邏輯模擬和數(shù)模混合模擬放在其它章節(jié)介紹。 4 .1 OrCAD/Pspice軟件 Pspice軟件可以完成電路模擬分析。 一、 OrCAD五個模塊之間的關系為： 第四章 OrCAD/Pspice軟件與電路特性模擬 OrCAD軟件包中5個配套軟件之間的相互關系輸入電路圖；實現(xiàn)設計項目統(tǒng)一管理交互方式生成電路模擬中需要的各激勵信號波形A.瞬態(tài)分析中需要的脈沖、分段線性、調幅正弦、調

2、頻和指數(shù)信號等5種波形；B.邏輯模擬中需要的時鐘信號、各種形狀的脈沖及總線信號?；局绷鞴ぷ鼽c計算、直流DC掃描、交流小信號AC分析和瞬態(tài)TRAN分析生成電路模擬時需要的模型參數(shù)顯示電壓、電流波形；對模擬結果再分析處理；數(shù)字電路中邏輯錯誤問題的檢測根據(jù)約束條件，自動調整電路元器件參數(shù)，滿足電路指標要求。 二、PSpiceA/D支持的元器件類型 (1)基本無源元件，如電阻、電容、電感、傳輸線等。 (2)常用的半導體器件，如二極管、雙極晶體管、結型場效應管、MOS管等。 (3)獨立電壓源和獨立電流源。 (4)各種受控電壓源、受控電流源和受控開關。 (5)基本數(shù)字電路單元，如門電路、傳輸門、觸發(fā)器、

3、可編程邏輯陣列等。 (6)常用單元電路，如運算放大器、555定時器等。在這里集成電路可作為一個單元電路整體出現(xiàn)在電路中，而不必考慮該單元電路的內部結構。 PspiceA/D可支持的元器件類別及其字母代號 字母代號 元器件類型 字母代號 元器件類型BCaAs場效應管N數(shù)字輸入C電容O數(shù)字輸出D二極管Q雙極晶體管E壓控電壓源R電阻F流控電流源S電壓控制開關G壓控電流源T傳輸線H流控電壓源U數(shù)字電路單元I獨立電流源USTIM數(shù)字電路信號源JJFET結型場效應管V獨立電壓源K互感、傳輸線耦合W電流控制開關L電感X單元子電路調用MMOS場效應管 ZIGBT管 三、PSpiceA/D分析的電路特性 可分析

4、的電路特性有6類15種。 類別電路物性直流特性（1）直流工作點（Bias Point Detail）（2）直流靈敏度（DC Sensitivity）（3）直流傳輸特性（TF:Transfer Function）（4）直流特性掃描（DC Sweep）交流特性（1）交流小信號頻率特性（AC Sweep）（2）噪聲特性（Noise）瞬態(tài)特性（1）瞬態(tài)響應（Transient Analysis）（2）付里葉分析（Fourier Analysis）參數(shù)掃描（1）溫度特性（Temperature Analysis）（2）參數(shù)掃描（Parametric Analysis）統(tǒng)計分析（1）蒙特卡諾分析（MC：M

5、onte Carlo）（2）最壞情況分析（WC：Worst Case邏輯模擬（1）邏輯模擬（Digital Simulaion）（2）數(shù)/模混合模擬（Mixed A/D Simulation）（3）最壞情況時序分析（Worst-case timing Analysis） 四 . 電路模擬的基本過程 采用OrCAD/PSpice軟件對電路設計方案進行電路模擬的基本過程分8個階段； 新建設計項目（Project）電路圖生成（OrCAD/Capture）電路特性分析要求設計（Profile）電路模擬（PSpiceA/D）模擬結果分析（PSpice/Probe）優(yōu)化設計（PSpice/Optimixe

6、r）設計滿足要求否？設計結果輸出 否 是 五 . PSpice中的數(shù)字、單位和運算式Pspice 中采用的是實用工程單位制，如電壓用伏（V）、電流用安培（A）、電阻用歐姆（）、功率用瓦特（W）等。在運行中，Pspice會根據(jù)具體對象自動確定其單位。用戶在輸入數(shù)據(jù)時，代表單位的字母可以省去。例如給電壓源賦值時，鍵入12和12V意思一樣。 Pspice 中的數(shù)字采用科學表示方式，即可以使用整數(shù)、小數(shù)和以10為底的指數(shù)。用指數(shù)表示時，底數(shù)10用字母E來表示。對于比較大或比較小的數(shù)字，還可采用10種比例因子，如下表所示。 例如1000、1E3和1K都表示同一個數(shù)。 特別注意：（1）比例因子可用大寫也可

7、用小寫，如m和M都表示10-3。而國標規(guī)定，m表示10-3，M表示10+6，我們通常的習慣也是這樣。為了防止混淆，在該軟件中用MEG表示10+6。這一點在使用時應特別小心。（2）比例因子只能用英文字母，如10-6用U或u表示，而國標規(guī)定10-6用m表示。這一點在使用時也應注意，如電容容量C=110-6F，應寫成C=1u（或1U）。OrCAD/PSpice 10中采用的比例因子 符號 比例因子 符號 比例因子F10-15M10-3P10-12K10+3N10-9MEG10+6U10-6G10+9MIL25.4 10-6T10+12 六. 電路圖中的節(jié)點編號和輸出變量表達式 1.電路圖中的節(jié)點編號

8、 由元器件的引出端作為節(jié)點號名稱，一般形式為： 元器件編號：引出端名 由數(shù)字編排的節(jié)點序號。 2.輸出變量的基本格式 （1）電路變量的基本格式 V（節(jié)點號1，節(jié)點號2） （2）電流變量的基本格式 I（元器件編號：引出端名） 3.輸出變量的別名表示（Alias） （1）交流小信號AC分析中的輸出變量名。 （2）用元器件引出端名表示的輸出變量。 4.2 模擬電路分析計算的基本過程 一、繪制電路圖 二、特性分析類型確定和參數(shù)設置 （1）調出PSpice命令菜單 在Capture中執(zhí)行PSpice出現(xiàn)PSpice菜單。 （2）建立模擬類型分組 執(zhí)行PSpice/New Simulation Profi

9、le子命令 （3）設置模擬類型和參數(shù) 完成上述設置后，點擊Create按鈕，出現(xiàn)設置框。 Analysis標簽頁中需設置3方面的內容： 1、基本分析類型的設定； （2）模擬類型組中其他分析類型的選定； （3）分析參數(shù)的設置。 三、模擬分析計算 執(zhí)行RUN命令，進行分析計算。并分別生成.dat和.out為擴展名的兩種結果數(shù)據(jù)文件。 四、電路模擬結果分析 （1）模擬結果信號波形分析 模擬結果正確，則會調用Probe，顯示信號的分析波形。 （2）出錯信息顯示分析 對于顯示的出錯信息，應進行分析，然后確定是否修改電路圖、改變分析參數(shù)設置或采取措施解決不收斂問題。 （3）模擬結果輸出文件查閱。 一 .

10、靜態(tài)工作點分析 靜態(tài)工作點分析就是將電路中的電容開路，電感短路，對各個信號源取其直流電平值，計算電路的直流偏置量。4.3 直流工作點分析（Bias Point Detail） 例：求基本放大電路的靜態(tài)工作點。步驟如下： （1）用Capture軟件畫好電路圖。 （2） 建立模擬類型分組。 建立模擬類型分組的目的是為了便于管理。OrCAD/PSpice 10將基本直流分析、直流掃描分析、交流分析和瞬態(tài)分析規(guī)定為4種基本分析類型。每一個模擬類型分組中只能包含其中的一種，但可以同時包括溫度分析、參數(shù)掃描和蒙托卡諾分析等。 在電路圖編輯窗口（Page Editor）下，點擊PSpice/New Simu

11、lation Profile命令，屏幕上出現(xiàn)模擬類型分組對話框。 在Name欄鍵入模擬 類型組的名稱，本例取名為DC。 （3）設置分析類型和參數(shù)。 在Analysis type欄中選“Bias Point”。 在Option欄中選“General Settings”。 在Output File Options欄中選“Include detailed bias point information for nonlinear controlled sources and semiconductors”如果選擇此部分，則進行直流靈敏度分析 （4）運行Pspice。 啟動Pspice/Run命令，軟件

12、開始分析計算。 （5）查看分析結果。 分析計算結束后，系統(tǒng)自動調用Probe模塊，屏幕上出現(xiàn)Probe窗口。選擇View/Output File命令，即可看到本例的文本輸出文件DC.out。 4.4 直流傳輸特性分析（Transfer Function） 直流傳輸特性分析又稱TF分析，就是計算電路的直流小信號增益、輸入電阻和輸出電阻。用它來求解放大器的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻是最方便的。但是該功能屬于直流分析范疇，分析時將電路中的電容開路、電感短路。所以只能用于分析直耦電路，不能分析阻容耦合電路。例：求差動放大電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。 （1）設置分析類型和參數(shù)：在Ana

13、lysis type欄中選“Bias Point”； 在Option欄中選“General Settings”。 在Output File Options欄中選“Calculate small-signal DC gail”。 在From Input source欄中填入“Vs”，在To Output欄中填入“V（Vo1，Vo2）”，意思是求傳遞函數(shù)（Vo1-Vo2）/Vs及從Vs 端看進去的輸入電阻和從Vo1、Vo2端看進去的輸出電阻。 （2）運行Pspice。 （3）查看分析結果。從中可以看出：雙端輸出的電壓放大倍數(shù)AV=-121.3輸入電阻Ri=7.33kW雙端輸出的輸出電阻Ro=18.

14、9kW 4.5.直流特性掃描分析（DC Sweep） 直流分析又稱DC分析，就是當電路中某一參數(shù)在一定范圍內變化時求電路的直流特性?？梢岳眠@一分析作出電路的傳輸特性曲線、晶體管的輸入輸出特性曲線等。值得注意的是，DC分析只能用于分析直耦電路，不能分析阻容耦合電路。 例：差動放大電路如圖所示，設三極管Q1、Q2的=50，畫出電路的電壓傳輸特性曲線。 （1）用Capture軟件畫好電路圖。 （2）將三極管設置為=50。 （3）設置分析類型和參數(shù)： 在Analysis type欄中選“DC Sweep”；在Option欄中選“Primary Sweep”。 在Sweep variable欄中選“V

15、oltage source”，在Name欄中填入“Vs”。意思以電壓源Vs作為 變量。 在Sweep type欄中選“Linear”。 在Start欄中填入“-0.3”， 在End欄中填入“+0.3V”， 在Increment欄中填入“0.03V”。 意思是Vs從-0.3V+0.3V作 線性變化，步長為0.03V。 （4）運行Pspice。 （5）查看分析結果：在Probe窗口中，用光標依次點中V（Vo1）和V（Vo2） ，即顯示該電路電壓傳輸特性曲線。 4.6.交流小信號頻率特性分析（AC Sweep） 交流分析又稱AC分析，就是求電路的頻域響應。當輸入信號的頻率變化時，它能夠計算出電路的幅

16、頻響應和相頻響應。 作交流分析時，信號源應用交流源VAC或IAC。也可以用前面介紹的5種激勵源，但必須在設置參數(shù)時為其交流參數(shù)AC項賦值。注意不能用正弦源。 例：分析差動放大電路 的頻率特性。 （1）用Capture軟件畫好電路圖。信號源Vs選交流電壓源VAC，幅值為0.1V。 （2）設置分析類型和參數(shù): 在Analysis type欄中選“AC Sweep/Noise”。 在Option欄中選“General Settings”。 在AC Sweep Type 欄中選“Logarithmi： Decade”。 在Start欄中填入 “1k”。 在End欄中 填入“10MEG”。 在Point

17、s/Decade欄 中填入“4”。意思是每10倍 頻間隔計算4個點。 （4）查看分析結果。在Add Trace 對話框下端的“Trace Expression”文本框中鍵入V（Vo1，Vo2），即顯示雙端輸出的頻率特性曲線。 （5）查看雙端輸出時電壓增益的波特圖。 在Probe窗口中，執(zhí)行Trace/Add Trace命令，在“Trace Expression”文本框中鍵入DB（V（Vo1，Vo2）/V（Vs：+），即顯示出電壓增益的幅頻特性曲線。 點選Trace/Add Y Axis ，增加一個縱軸。 在“Trace Expression”文本框中鍵P（V（Vo1，Vo2）/V（Vs：+），

18、即顯示出電壓增益的相頻特性曲線。 2交流分析中的輸出變量名作交流分析時，輸出變量名除了可用基本格式外，還可在基本格式中的關鍵字V或I后面加一標示符，以表示輸出量類型。下表示出了5種標示符及含義。 標示符 含 義示例M輸出變量的振幅VM（Out）：接點Out與地之間交流電壓振幅DB輸出變量的振幅分貝數(shù)VDB（Out）：接點Out與地之間交流電壓振幅分貝數(shù)P輸出變量的相位VDP（Out1， Out2）：接點Out1與Out2之間交流電壓相位R輸出變量的實部VR（Q1：C）：晶體管Q1集電極的交流電壓實部I輸出變量的虛部VI（Q1：C）：晶體管Q1集電極的交流電壓虛部 4.7.噪聲分析（Noice

19、Analysis） 噪聲分析就是計算電路中每個電阻和半導體器件所產(chǎn)生的噪聲。因為噪聲電平與頻率有關，所以噪聲分析是與交流分析一起進行的。分析時要選一個節(jié)點作為輸出節(jié)點，選一個獨立電源作等效噪聲源。Pspice程序在AC分析的每個頻率點上，對指定輸出端計算出等效輸出噪聲，同時對指定輸入端計算出等效輸入噪聲。輸出和輸入噪聲電平都對噪聲帶寬的平方根進行歸一化。 例：對差動放大電路進行噪聲分析。 （1）設置分析類型和參數(shù)：在交流分析參數(shù)設置框中添加如下設置：在Noise Analysis 欄中選中“Enabled”。在Output欄中填入“V（Vo1）”。 在I/V欄中填入“Vs”。在Interv欄中

20、填入“30”。意思是以Vo1作為輸出節(jié)點，以Vs作為等效噪聲源，每隔30個頻率點輸出一份噪聲資料。設置完后按“確定”鍵。 （2）運行Pspice。（3）查看分析結果。在Probe窗口中，執(zhí)行Trace/Add Trace命令，用光標點選V（INOISE）、V（ONOISE），即顯示出指定輸入端、輸出端的等效噪聲電壓與頻率的關系曲線。點選Trace/Add Y Axis ，增加一個縱軸。在“Trace Expression”文本框中鍵DB（V（INOISE）、DB（V（ONOISE）即顯示出噪聲電壓幅頻特性。 4.8 瞬態(tài)特性分析（Transient Analysis） 瞬態(tài)分析又稱TRAN分析

21、，就是求電路的時域響應。它可在給定輸入激勵信號情況下，計算電路輸出端的瞬態(tài)響應，也可在沒有激勵信號但有貯能元件（如C和L）的情況下，求振蕩波形。 1瞬態(tài)分析舉例 例：基本放大電路，輸入端加一正弦信號，求其輸出端的瞬態(tài)響應。步驟如下：（1）用Capture軟件畫好電路圖。 （2）為正弦信號源設置參數(shù)。 （3）建立模擬類型分組。 （4）設置分析類型和參數(shù)： 在Analysis type欄中選“Time Domain（Transient）”。 在Option欄中選“General Settings”。 在Run to欄中填入“2ms”。意思是瞬態(tài)分析的終止時間為2ms。 在Start saving

22、data欄中填入“0”。意思是起始時間為0。 在Maximum Step欄中填入“40us”。意思是時間步長為40ms。 （5）運行Pspice。執(zhí)行Pspice/Run命令。 （6）查看分析結果。 分析計算結束后，系統(tǒng)自動調用Probe模塊，屏幕上出現(xiàn)如圖所示的Probe窗口。 在Probe窗口中，執(zhí)行Trace/Add Trace命令，出現(xiàn)Add Trace 對話框。可用以下兩種方法選擇要顯示的變量名： 在對話框左邊的輸出變量列表中用光標點中要顯示的變量名，該變量名即出現(xiàn)在下端的“Trace Expression”文本框中，允許同時點選多個輸出變量。 在“Trace Expression”

23、 文本框中鍵入要顯示的 變量名。然后點OK按鈕， 選中的變量波形就顯示 在屏幕上。 建立兩個以上的波形顯示區(qū) 本例想同時觀看輸出輸入波形，但兩者電壓幅度相差懸殊，在同一坐標中顯示顯然是不合適的，可采用添加波形顯示區(qū)的方法： 在Add Trace 對話框中，選擇V（Out），點OK按鈕，顯示出輸出端的波形。 執(zhí)行Plot/Add Plot to Window命令，屏幕上添加一個空白的波形顯示區(qū)。 再執(zhí)行Trace/Add Trace命令，在Add Trace 對話框選擇V（Vs:+），點OK按鈕，在新加的波形顯示區(qū)顯示出輸入信號Vs的波形。 2用于瞬態(tài)分析的5種激勵信號源 （1）脈沖源（PULS

24、E）。 選取脈沖源符號VPULSE或（IPULSE）。 例如設定參數(shù)如下：V1=0.3V，V2=3.6V，PER=20us，PW=10us，TD=2us，TF=1us，TR=1us?？傻萌鐖D所示的脈沖波形。 參數(shù) 名稱單位內定值V1起始電壓VV2脈沖電壓VPER脈沖周期sTSTOPPW脈沖寬度sTSTOPTD延遲時間s0TF下降時間sTSTOPTR上升時間sTSTOP （2）正弦源（SIN）。共有6個參數(shù)需要設置。 例如設定參數(shù)如下：VOFF=0，VAMPL=5MV，F(xiàn)REQ=1kHz，TD=0，DF=0，PHASE=0。可得如圖所示的正弦波形。 參數(shù) 名稱單位內定值VOFF直流偏置電壓VVA

25、MPL振幅VFREP頻率Hz1/TSTOPTD延遲時間sDF阻尼系數(shù)1/sPHASE相位延遲度 （3）指數(shù)源（EXP）。 （4）分段線性源（PWL）。 分段線性信號波形由幾條線段組成，所以在參數(shù)設置時，只需給出線段轉折點的坐標值即可。最多允許給出10對坐標值。 這是一個很有實用價值的信號源，它可以把任意的信號用微小的直線段去逼近，從而得到任意信號源。 例如設定參數(shù)如下：T1=0s，V1=0V；T2=1s，V2=5V；T3=2s，V3=0V。可得如圖所示的三角波信號。 4.9.傅里葉分析（Fourier Analysis） 傅里葉分析就是在瞬態(tài)分析完成后，計算輸出波形的直流、基波和各次諧波分量。

26、因此傅里葉分析應在瞬態(tài)分析后進行。例：對基本放大電路進行傅里葉分析。 （1）在分析類型和參數(shù)設置框中設置好瞬態(tài)分析的參數(shù)后，點擊Out File Options按鈕。 在Print values in the output欄中填入“40us”。 選中Perform Fourier Anal（在小方塊中打對號）。 在Center欄中填入“1k”， 意思是基波頻率為1kHz。 在Number of欄中應填入要求計算的諧波次數(shù)，缺省值為9。 在Output欄中填入“V（Out）”。 （2）運行Pspice。 （3）查看分析結果。 在Probe窗口中，點選View/Output File 命令，可看到

27、傅里葉分析結果。 4.10.溫度分析 溫度分析與參數(shù)掃描分析類似，只不過可變化的參數(shù)是溫度。即在溫度變化時，分析電路特性的變化。與溫度分析搭配的可以是AC分析、DC分析、TRAN分析等基本特性分析。 例：在基本放大電路輸入端加一正弦信號，分析當溫度為-50 、 0、27、100時的輸出波形。（1）設置溫度分析參數(shù)：設置好瞬態(tài)分析的參數(shù)后，在Options欄中再點選“Tempereature （Sweep）”，出現(xiàn)溫度分析對話框。 選中“Repeat the simulation for each of the temp”，并在其下方鍵入“-50 0 27 100”，設定溫度。 （2）運行Psp

28、ice。 （3）查看分析結果。（同參數(shù)掃描分析）（1）設置溫度分析參數(shù)：設置好瞬態(tài)分析的參數(shù)后，在Options欄中再點選“Tempereature （Sweep）”，出現(xiàn)溫度分析對話框。 選中“Repeat the simulation for each of the temp”，并在其下方鍵入“-50 0 27 100”。 （2）運行Pspice。（3）查看分析結果。 （同參數(shù)掃描分析） 4.11. 參數(shù)掃描分析 參數(shù)掃描分析就是當電路中某個參數(shù)在一定的范圍變化時，對指定的每個參數(shù)值進行一次基本分析。每一種基本分析如DC分析、AC分析、TRAN分析都可與參數(shù)掃描分析配合使用。它在電路優(yōu)化方

29、面有著重要作用。 例：在基本放大電路輸入端加一正弦信號，分析當基極電阻Rb變化時，對輸出波形的影響。（1）用Capture軟件畫好電路圖。并作如下修改： 將基極電阻Rb設置為參數(shù)。用鼠標左鍵雙擊Rb的阻值360k，在屏上出現(xiàn)的“Display Properties”設置框中，將其值改為Rval。 用參數(shù)符號設置阻值參數(shù)。從元件庫中調出名為PARAM的符號，放在Rb旁。雙擊該符號，幕上出現(xiàn)元器件屬性編輯器。按New按鈕，在新增屬性參數(shù)對話框的Proprety欄中鍵入Rval并按OK按鈕。 在參數(shù)設置框里將新增Rval項設置為360k，表示進行其他分析時，該阻值為360k。這樣設置的參數(shù)稱為全局參

30、數(shù)（Global）。（2）設置分析類型和參數(shù)：在分析類型和參數(shù)設置框中設置好瞬態(tài)分析的參數(shù)后，在Options欄中再點選“Parametric Sweep”，出現(xiàn)參數(shù)分析對話框。 在Sweep variable 欄中選中“Global paramete”。在paramete欄中填入“Rval”。在Sweep type 欄中選中“Linear”。在Start欄中填入“100k”。在End欄中填入“1MEG”。在Increment欄中填入“300k”。意思是名為Rval的電阻從100kW變化到1MW，步長為300kW。注意：Options欄中的兩項“General Settings” 和“Para

31、metric Sweep”必須全都選中。 （3）運行Pspice。 （4）查看分析結果。在出現(xiàn)多批運行結果選擇框中選All并按OK鍵。在Add Trace 對話框中用光標點V（Out），就顯示出在電阻Rb取4個阻值時的4條V（Out）曲線。（3）運行Pspice。（4）查看分析結果。在出現(xiàn)多批運行結果選擇框中選All并按OK鍵。在Add Trace 對話框中用光標點V（Out），就顯示出在電阻Rb取4個阻值時的4條V（Out）曲線。 4.12 蒙托卡諾（Monte Carlo）分析 蒙特卡洛分析（Monte Carlo：MC）是指電路中的元件在其容差域內取隨機組合，多次測試，估計出電路的平均性

32、能。也稱為成品率分析。進行MC分析需要確定的問題: 1.如何描述元器件參數(shù)值的變化規(guī)律； 2.一共要進行多少次“重復”分析； 3.要考慮電路哪種電特性的分散變化； 4.如何比較各次電路分析的結果； 5.如何生成MC分析的總結果。 一、元器件參數(shù)變化規(guī)律的描述 考慮的四個問題：哪些參數(shù)發(fā)生變化？按什么模式變化？參數(shù)變化服從什么分布？變化范圍多大？ 1.用于統(tǒng)計分析的元器件符號和模型參數(shù)：統(tǒng)計分析的元器件庫：BREAKOUT庫。 2.參數(shù)變化模式的設置 LOT：表示幾個元器件值變化值相同。 DEV：表示幾個元器件值各自獨立變化。 3.參數(shù)變化規(guī)律的設置 正態(tài)分布（高斯分布）、均勻分布兩種。 4.參數(shù)變化中幅度的設置 百分號：代表相對變化百分數(shù)；數(shù)字：表示變化的絕對幅度。 5.元器件參數(shù)變化規(guī)律的描述格式 參數(shù)名參數(shù)值DEVLOT#/分布規(guī)律名 +LOT/Lot#/分布規(guī)律名 二、MC分析實例（差分對電路） 計算電阻RC1和RC2發(fā)生隨機變化，對交流小信號AC分析輸出結果VM(OUT2)的影響。 1、電路圖