EWB介绍和使用学习资料.docVIP

第四部分 电子电路仿真实验 4.1 Electronics Workbench简介电子设计自动化（Electronic Design Automation，简称EDA）技术是近代电子信息领域发展起来的杰出成果。EDA包括电子工程设计的全过程，如系统结构模拟、电路特性分析、绘制电路图和制作PCB（印刷电路板），其中结构模拟、电路特性分析称之为EDA仿真。目前著名的仿真软件SPICE（Simulation Program With Integrated Circuit Emphasis）是由美国加州大学伯克利分校于1972年首先推出的，经过多年的完善，已发展成为国际公认的最成熟的电路仿真软件，当今流行的各种EDA软件，如PSPICE、or/CAD、Electronics Workbench等都是基于SPICE开发的。 Electronics Workbench(简称EWB)是加拿大Interactive Image Technologies Led公司于1988年推出的，它以SPICE3F5为模拟软件的核心，并增强了数字及混合信号模拟方面的功能，是一个用于电子电路仿真的“虚拟电子工作台”，是目前高校在电子技术教学中应用最广泛的一种电路仿真软件。EWB软件界面形象直观，操作方便，采用图形方式创建电路和提供交互式仿真过程。创建电路需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕中选取，且元器件和仪器的图形与实物外型非常相似，因此极易学习和操作。 EWB软件提供电路设计和性能仿真所需的数千种元器件和各种元器件的理想参数，同时用户还可以根据需要新建或扩充元器件库。它提供直流、交流、暂态的13种分析功能。另外，它可以对被仿真电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电，以观察不同故障情况下电路的状态。EWB软件输出方式灵活，在仿真的同时它可以储存测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，显示波形和具体数据等。由于它所具有的这些特点，非常适合做电子技术的仿真实验。 4.2 EWB的基本界面要点提示1、EWB的主窗口2、菜单栏3、工具栏内容简介4.2.1 EWB的主窗口启动EWB5.0可以看到如图4.2.1所示的主窗口，它由菜单栏、工具栏、元器件库区、电路设计区、电路描述窗口、状态栏和暂停按钮、启动/停止开关组成。从图中可以看到，EWB模仿了一个实际的电子工作台，其中最大的区域是电路设计区，在这里可进行电路的创建、测试和分析。在电路描述窗口中，可键入文本以描述电路。“O/I”和“Pause”用于控制电路仿真与否。状态栏显示鼠标所指处元件或仪表的名称，在仿真时，显示仿真中的现状以及分析所需的时间，此时间不是实际的CPU运行时间。图4.2.1 Electronics Workbench主窗口 4.2.2菜单栏一、File菜单文件菜单如图4.2.2,它主要用于管理Workbench所创建的电路和文件。New 刷新工作区，准备创建新电路文件。Open 打开已有的电路文件。Save 以现有的文件名保存电路文件 。Save As 换名保存电路文件。Revert to Saved 恢复电路为最后一次保存时的状态。Import 输入其它软件形成的Spice网表文件（文件扩展名为.NET或.CIR）并生成原理图。Export 将当前电路文件以Spice网表文件（扩展名.NET、.SCR、.BMP、.CIR、.PIC）输出，供其它软件调用。Print 打印原理图，元器件列表，仪器测试结果等。Print Setup 打印机设置。Program Options Workbench选项设置。Exit 退出 Workbench。 Install 安装Workbench的附加组件。图4.2.2 文件菜单 二、Edit菜单 编辑菜单如图4.2.3，它主要用于电路绘制过程中，对电路元件的各种处理，其中Cut、Copy、Paste、Delete、 Select All功能与Windows的基本功能相同，不再详述。Copy as Bitmap 将选中的内容以位图形式复制到剪贴板。 Show Clipboard 显示剪贴板的内容 。图4.2.3 编辑菜单 图4.2.4 电路菜单三、Circuit菜单 电路菜单如图4.2.4，它主要用于电路图的创建和仿真。Rotate 将选定的元器件顺时针旋转90度。Flip Horizontal 将选定的元器件水平翻转。Flip Vertical 将选定的元器件垂直翻转。Component Properties 显示选定元件的属性窗口，以便于修改元件参数。Create Subcircuit 创建子电路。Zoom In 将工作区内的电路放大显示。Zoom Out 将工作区内的电路缩小显示。Schematic Options 设置电路图选项。在选择设置对话框中，选择栅格、标号等是否显示。Restrictions 有关电路和分析的一些限制。四、Analysis菜单分析菜单如图4.2.5，它主要用于对电路的分析方式和过程进行控制。Activate 激活，开始仿真。Pause 暂停仿真。Stop 停止仿真。Analysis Options 有关电路分析的选项，一般选用默认值。DC Operating Point 直流工作点。分析显示直流工作点结果。AC Frequency 交流频率分析。分析电路的频率特性。Transient 瞬态分析，即时域分析。Fourier 傅立叶分析。分析时域信号的直流、基波、谐波分量。Noise 噪声分析。分析电阻或晶体管的噪声对电路的影响。Distortion 失真分析。分析电子电路中的谐波失真和内部调制失真。Parameter Sweep 参数扫描分析。分析某元件的参数变化对电路的影响。Temperature Sweep 温度扫描分析。分析不同温度条件下的电路特性。Pole-Zero 极零点分析。分析电路中的极点、零点数目及数值。Transfer Function 传递函数。分析源和输出变量之间的直流小信号传递函数。Sensitivity 灵敏度分析。分析节点电压和支路电流对电路元件参数的灵敏度。 Worst Case 最坏情况分析。分析电路特性变坏的最坏可能性。Monte Carlo 蒙特卡罗分析。分析电路中元件参数在误差范围变化时对电路特性的影响。Display Graphs 显示各种分析结果。图4.2.5 分析菜单五、Window菜单窗口 菜单如图4.2.6，它主要用于屏幕上显示窗口的安排。Arrange 重排窗口内容。Circuit 显示电路窗口内容。Description 显示描述窗口内容。图4.2.6 窗口菜单 图4.2.7 帮助菜单 六、Help菜单帮助菜单如图4.2.7。Help 在线帮助。Help Index 帮助目录。Release Notes 注解目录。About Electronics Workbench 版本说明。4.2.3工具栏为方便使用，EWB将一些常用的命令以图标按钮的形式组成常用工具栏，使用者直接单击按钮就可以实现相应的操作。EWB的工具栏各按钮的名称和功能如图4.2.8。图4.2.8 工具栏常用按钮 4.2.4元器件库EWB的元器件库提供了非常丰富的元器件和各种常用测试仪器，设计电路时，只要单击所需元器件库的图标即可打开该库。元器件库如图4.2.9，各库的子库如图4.2.10至图4.2.22。图4.2.9 元器件库图4.2.10 信号源子库图4.2.11 基本器件子库图4.2.12 二级管子库 图4.2.13 三级管子库图4.2.14 模拟集成电路子库 图4.2.15 混合集成电路子库 图4.2.16 数字集成电路子库图4.2.17 逻辑门电路子库 图6.2.18 数字器件子库图4.2.19 指示器件子库图4.2.20 控制器件子库图4.2.21 其它器件子库 图4.2.22 仪器子库4.3 EWB的基本操作 要点提示1、电路的创建2、虚拟仪器的使用内容简介4.3.1电路的创建一、元器件的操作调用：单击元器件所在的库图标，打开该元器件库，从下拉的子库中选中所需元器件拖拽到电路设计区的合适位置。在数字集成电路库、逻辑门电路库和数字功能电路库中，有些集成电路和器件它们的图形被拖拽到电路设计区后将出现一对话框，需进行模型选择。当单击接受按钮后，该模型出现在设计区内。选中：单击某元器件，即可选中该器件。按住“Ctrl”键反复单击要选中的元器件，可选中一组元器件。在设计区的某位置拖拽出一矩形框，可选中矩形区域里的所有元器件。选中的元器件变为红色以示区别。移动：拖拽元器件可移动该元器件。选中一组元器件，拖拽其中任意一个元器件，可移动一组元器件，元器件移动后连线会自动排列。旋转、翻转、复制和删除：选中元器件，单击工具栏的相应按钮或选择相应的菜单命令，实现元器件的旋转 、翻转、复制和删除。此外，直接将元器件拖拽到元器件库也可实现删除操作。二、元器件参数设置选中元器件后，单击工具栏的元器件属性按钮或选择菜单Circuit/Component Properties命令，或双击该元器件会弹出属性设置对话框，在此对话框中有多项设置，包括Label（标识）、 Models（模型）、 Value（数值）、 Fault（故障设置）、 Display （显示）、Analysis Setup （分析设置）等内容。这些选项的含义和设置方法如下：Label 选项用于设置元器件的Label（标识）和Reference ID（编号），编号通常由系统自动分配，用户也可以修改，但必须保证其唯一性。Value选项用于简单元器件的参数设置，Label 和Value设置对话框如图4.3.1。图4.3.1 Label 和Value设置对话框Models选项用于较复杂元器件的模型选择，对话框如图4.3.2。模型的Default (缺省设置)通常为Ideal（理想），这有利于加快分析速度，多数情况下能满足分析要求。如对分析精度有特殊要求，可以选择具有具体型号的器件模型。Fault选项可供人为设置元器件的隐含故障。它提供了Open（开路），即在选定元器件的两个端子之间接上一个大阻值电阻使其开路。 Short（短路），即在选定元器件的两个端子之间接上一个小阻值电阻使其短路。Leakage（泄漏），即在选定元器件的两个端子之间接上一个电阻使电流被旁路。通过故障的设置，为电路的故障分析提供了方便。图4.3.2 Models设置对话框图4.3.3 Fault和Display 设置对话框Display 选项用于设置Label Values (Models) Reference ID 的显示方法。 Fault和Display 设置对话框如图4.3.3。Analysis Setup用于设置电路的工作温度等有关参数。三、可控元器件参数设置1数值可调元件设置属于这部分的元件有电位器、可变电容、可调电感。以电位器为例说明。选中并双击电位器元件，打开参数设置对话框，如图4.3.4。Value 项里有四个选项： Resistance 选项设定电阻值；Setting 选项设定起始电阻值，其物理意义是电位器接入电路后由阻值的Setting 选项设定值开始变化；Increment 选项设定阻值变化一次的幅度；Key选项设定控制键的符号键。如某电位器如图4.3.4设置，当电路进行仿真时，电位器由阻值的50%开始变化，实验者每按动一次键盘上的“R”键，阻值减少5%，同时按“Shift+R”键，阻值增加5%。对话框中的默认值均可改变。图4.3.4 电位器参数设置对话框2.可控元件的设置属于这部分的元件有继电器、开关、延时开关、电压控制开关、电流控制开关、压控模拟开关。现以开关为例说明。选中并双击开关元件，打开参数设置对话框如图4.3.5，在Value 项里键入控制健的符号键。如某开关如图4.3.5设置，在电路仿真时，当我们按动一次“W”键，开关中的刀就动作一次，从而完成电路的切换。图4.3.5 开关参数设置对话框 四、电路图选项的设置选择Circuit/Schematic Options菜单命令可弹出如图4.3.6的电路图选项设置对话框。Grid（栅格）选项可设置栅格的使用与否，如选中使用，则电路图中的元 器件与导线均落在栅格线上，可保持电路图横平坚直，美观整齐。Show/Hide（显示/隐藏）选项可设置标号、数值、元器件库的显示方式。该设置对整个电路图的显示方式有效。Fonts选项可设置 Label 、Value 和Models的字体和字号。图4.3.6 电路图选项设置对话框五、导线的操作导线的连接：将鼠标指向元器件 的端点使其变成一个小圆点，然后拖 拽出一根导线至另一元器件或连接点的端点，出现另一个圆点后释放鼠标左键，完成导线的连接。连线的删除和改动：将连线的一端拖离元器件的端点即可删除连线。如将其拖拽至另一个连接点，即可完成连线的改动。连线的移动：将光标贴近该导线，按下鼠标左键，这时光标变为一双箭头，拖拽即可移动该导线。导线颜色设置：双击导线弹出Wire Properties 对话框，选择Schematic Options 选项，单击“Set Wire Color”按钮，即可选择合适的颜色。在连线中插入元器件：直接将元器件拖拽至导线上，该元器件即可插入电路。连接点的使用： 一个连接点最多可以连接来自4个方向的导线，可以直接将连接点插入连线中，还可以给连接点赋予标识。4.3.2虚拟仪器的使用EWB5.0仪器库为使用者提供了数字万用表、函数信号发生器、示波器、波特图仪4种模拟仪器和字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪3种数字仪器。它们均只有一台。使用时，单击仪器库图标，拖拽所需仪器图标至电路设计区，按要求接至电路测试点，然后双击该仪器图标就可打开仪器的面板，进行设置和测试。模拟仪器（除波特图仪）在接入电路并仿真开始之后，若改变电路的测试点，则显示的数据和波形也会相应变化，而不用重新启动电路。而波特图仪和数字仪器则应重新启动电路。下面分别介绍每种仪器的使用。一、数字万用表这是一种能自动调整量程的数字万用表，图标和面板如图4.3.7。在面板中根据测试要求，可设置为直流电压、电流档，交流电压、电流档，电阻档和分贝档。单击Settings（参数设置）可设置电流档内阻、电压档内阻、电阻档的电流值和分贝档的标准电压等内部参数。使用时要注意在测电阻时，必须使电子工作台“O/I”开关处于“启动”状态。在测量交流电压和电流时面板显示的值为有效值。 图4.3.7 数字万用表图标和面板 二、函数信号发生器函数信号发生器是用来产生正弦波、方波、三角波信号的仪器，其图标和面板如图4.3.8。它能够产生0.1Hz999MHz的3种信号。信号幅度（信号峰值）可以在mV级到999kV之间设置。占空比只用于三角波和方波，设定范围为（0.199）%。偏置电压设置是指把三种波形叠加在设置的偏置电压上输出。图4.3.8 函数信号发生器图标和面板在仿真过程中要改变输出波形的类型、大小、占空比或偏置电压时，必须暂时关闭“O/I”开关，对上述内容改变后，重新启动，函数信号发生器才能按新设置的数据输出信号波形。三、示波器EWB中的虚拟示波器外观及操作与实际的双综单扫描示波器非常相似。其图标和面板如图4.3.9。当单击面板中Expand（扩展）按钮时，可以将面板进一步展开，如图4.3.10这样能够更细致地观察波形。用鼠标拖拽读数指针可进行精确测量。图4.3.9 示波器图标和面板在扩展的面板中，单击“Reduce”按钮，可恢复面板原来大小；单击“Reverse”按钮，可改变屏幕背景颜色；单击“Save”按钮，可以以ASCLL码格式存储波形读数。示波器显示波形的颜色可以通过设置连接示波器的导线颜色确定。图4.3.10 扩展的示波器面板四、波特图仪波特图仪类似于扫频仪，可以测量和显示被测电路的幅频特性和相频特性,其图标和面板如图4.3.11。图4.3.11 波特图仪图标和面板波特图仪有IN和OUT两对端口，IN输入端口接被测电路的输入端，OUT输出端口接被测电路输出端。在使用波特图仪时，必须在电路的输入端接入AC（交流）信号，对频率没有特殊要求。频率测量的范围由波特图仪参数设置确定。五、 字信号发生器字信号发生器是一个能够产生16位同步逻辑信号的仪器，用于对数字逻辑电路进行测试时的测试信号或输入信号。其图标和面板如图4.3.12。字信号发生器图标下沿有16个输出端口。输出电压范围是低电平OV，高电平为45V。输出端口与被测电路的输入端相连。1.字信号编辑区编辑和存放以4位16进制数表示的16位字信号，可以存放1024条字信号，地址范围为03FF（十六进制数），其显示内容可以通过滚动条上下移动。用鼠标单击某一条字信号即可实现对其的编辑。正在编辑或输出的某条字信号，它被实时的以二进制数显示在“Binary”框里和十六位输出显示板上。对某条字信号的编辑也可在“Binary”框里输入二进制数来实现，系统会自动地将二进制数转换为十六进制数显示在字信号编辑区。图4.3.12 字信号发生器图标和面板2.字信号地址编辑区 编辑或显示与字信号地址有关的信息。Edit 显示当前正在编辑的字信号地址。Current 显示当前正在输出的字信号地址。Initial 编辑和显示输出字信号的首地址。Final 编辑和显示输出字信号的末地址。3.输出方式选择Cycle 字信号在设置的首地址和末地址之间周而复始地输出。Burst 字信号从设置的首地址逐条输出，输出到末地址自动停止。Step 字信号以单步的方式输出。即鼠标点击一次，输出一条字信号。Break Point 用于设置断点。在Cycle和Burst方式中，要想使字信号输出到某条地址后自动停止，只需预先点击该字信号，再单击“Break Point”按扭。断点可设置多个。当字信号输出到断点地址而暂停输出时，可单击Workbench主窗口上的“Pause”按钮或按“F9”键来恢复输出。清除设置的断点地址时，打开Pattern对话框，单击“Clear Buffer”按钮即可。4.触发方式选择 Internal 内触发方式。字信号的输出直接受输出方式Step、Burst和 Cycle的控制。External 外触发方式。当选择外触发方式时，需外触发脉冲信号，且需设置“上升沿触发”或“下降沿触发”，然后选择输出方式，当外触发脉冲信号到来时，才能使字信号输出。输出频率设置 控制Cycle和 Burst输出方式下字信号输出的快慢。数据准备好输出端 输出与字信号同步的时钟脉冲。六、 逻辑分析仪逻辑分析仪可以同步纪录和显示16路逻辑信号，可用于对数字逻辑信号的高速采集和时序分析，其图标和面板如图4.3.13。图4.3.13 逻辑分析仪图标和面板面板左边的16个小圆圈对应16个输入端，小圆圈内实时显示各路输入逻辑信号的当前值，从上到下依次为最低位至最高位。通过修改连接导线颜色来区分显示的不同波形，波形显示的时间轴可通过Clocks per division予以设置。拖拽读数指针可读取波形的数据。1. 触发方式设置单击触发方式设置按钮，弹出触发方式设置对话框，如图4.3.14。在对话框中可以输入A、B、C三个触发字，三个触发字的识别方式由Trigger combinations(触发组合)选择，如图4.3.15。触发字的某一位设置为X时，则该位为0或1都可以，三个触发字的默认设置均为，表示只要第一个输入逻辑信号到达，不论逻辑值为0或1，逻辑分析仪均被触发开始波形采集，否则必须满足触发字的组合条件才能触发。图4.3.14 触发方式设置对话框 图4.3.15 触发组合选择Trigger qualifier (触发限定字) 对触发起控制作用。若该位为X，触发控制不起作用，触发由触发字决定；若该位设置为1 （或0），只有图标上连接的触发控制输入信号为1（或0）时，触发字才起作用；否则，即使A、B、C三个触发字的组合条件被满足也不能引起触发。2. 取样时钟设置单击取样时钟设置按钮，弹出时钟设置选择对话框，如图4.3.16。时钟可以选择内时钟或外时钟，上升沿或下降沿有效。如选择内时钟可以设置频率。另外对Clock qualifier（时钟限定）进行设置可以决定输入时钟的控制方式，若使用默认方式X，表示时钟总是开放，不受时钟控制信号的限制。若设置为1或0，表示时钟控制为1或0时开放时钟，逻辑分析仪可以进行取样。 图4.3.16 取样时钟设置对话框七、 逻辑转换仪逻辑转换仪能够完成真值表、逻辑表达式和逻辑电路之间的相互转换，这一功能给数字逻辑电路的设计与仿真带来很大方便，它是EWB特有的仪器，实际工作中不存在类似的仪器。图标和面板如图4.3.17，使用方法如下：图4.3.17 逻辑转换仪图标和面板1. 由真值表得出表达式和逻辑电路首先根据输入信号的个数，单击面板上面输入小圆圈（AH）选定输入信号，此时真值表框会自动出现输入信号的所有组合，而输出全部为，根据所需的逻辑关系修改真值表。然后单击“真值表逻辑表达式”按钮，在逻辑表达式框内出现相应的逻辑表达式。再单击“真值表简化逻辑表达式”按钮，得到简化逻辑表达式。最后单击“表达式电路转换”铵钮，在EWB的电路设计区创建相应的逻辑电路。如单击“表达式与非电路转换”铵钮，则在电路设计区创建相应的与非逻辑电路。2. 由逻辑电路得出表达式和真值表首先在电路设计区创建逻辑电路，电路的输入、输出端分别连接至逻辑转换仪的输入、输出端，双击图标打开面板，单击相应的转换按钮即得到表达式或真值表。3. 由逻辑表达式得出真值表和逻辑电路在逻辑表达式框内输入逻辑表达式，单击相应的转换按钮得到真值表和逻辑电路。4.4 EWB的分析功能介绍 要点提示1、直流工作点分析 2、交流频率分析3、瞬态分析4、参数扫描分析5、温度扫描分析6、分析结果的保存与调出 内容简介EWB提供了13种分析功能，使用者可根据仿真电路、仿真目的和要求选择。下面对在电子技术基础仿真实验中，经常使用的分析功能作一介绍，其它的分析功能可参考有关资料。4.4.1 直流工作点分析（DC Operating Point）所谓直流工作点分析就是求解电路仅受电路中直流电压源或电流源作用时，每个节点上的电压及流过电源的电流，直流工作点分析是其它性能分析的基础。进行直流工作点分析时，电路中的交流电源置零，电容开路，电感短路，数字器件视为高阻接地。直流工作点分析方法步骤如下： 1. 在电路设计区创建电路，选择Circuit/Schematic Options，选定 Show nodes（显示节点），为电路标上节点号。2. 选择Analysis/ DC Operating Point, EWB自动把电路中所有节点的电压值及流过电源支路的电流值，显示在分析结果图中。4.4.2交流频率分析（AC Frequency）交流频率分析即频率特性分析。进行交流频率分析时直流电源自动置零，输入信号被自动设定为正弦波形式。对某节点的分析, EWB自动产生该节点电压为频率函数的曲线（幅频特性曲线）和相位为频率函数的曲线（相频特性曲线），结果与波特图仪仿真相同。交流频率分析的方法与步骤如下：1. 创建待分析电路并设定输入信号的幅值和相位，然后进行直流工作点分析。2. 选择Analysis/AC Frequency，打开对话框，进行参数设置。交流频率分析对话框如图4.4.1。对话框中各参数含义如下：Start frequency 扫描起始频率。End frequency 扫描终止频率。Sweep type 扫描类型，显示曲线X轴刻度形式，有Decade（十倍频），Linear（线性），Octave（二倍频程）。Number of points 显示点数。Vertical scale 纵轴刻度，有Log（对数)Linear（线性）Decibel（分贝）。Nodes for analysis 待分析节点，EWB可同时分析电路中多个节点的频率特性。在“Nodes in circuit”框中选择待分析节点，单击“Add”按钮，待分析节点写入“Nodes for analysis”框中。若从“Nodes for analysis”框中移出分析节点，先在该栏中选中待移节点，然后点击“Remove”按钮。以上各框中的默认值根据分析要求都可以改变。3. 单击“Simulate”按钮，显示已选节点的频率特性。4. 按“Esc”键，停止分析。图4.4.1 交流频率分析对话框4.4.3 瞬态分析（Transient Analysis）瞬态分析是对选定节点的时域分析，即观察该节点在整个显示周期中每一时刻的电压波形，分析结果与示波器仿真相同。在瞬态分析时，直流电源保持常数，交流信号源幅值随时间而变，电路中的电容、电感都以储能模式出现。瞬态分析的方法步骤如下：1创建电路并显示节点。2选择Analysis/Transient，打开对话框，设置参数，选择待分析节点。瞬态分析对话框如图4.4.2。对话框中各参数含义如下：Set to zero 初始条件为零开始分析。User-defined 由用户定义的初始条件进行分析。Calculate DC operating point 将直流工作点分析结果作为初始条件进行分析。此项一般选用缺省设置：选用。Start time 瞬态分析的起始时间。要求大于等于零，小于终点时间。 End time 瞬态分析的终点时间。要求必须大于等于零。 Generate time steps automatically 自动选择一个较为合理的或最大的时间步长。该参数有两项设置“Minimum number of time points”仿真输出图上，从起始时间到终点时间的点数。“Maximum time step ” 最大时间步长。这两项的设置值是关联的，只要设置其中一个，另一个自动变化。Set plotting increment/plotting increment 设置绘图线增量。它既跟随“Minimum number of time points”设置值自动变化，也可单独设置。Nodes for analysis 待分析节点。3. 单击“Simulate”按钮，显示待分析节点的瞬态响应波形，按“Esc