实验一 电子电路PSPICE程序辅助分析(一)

实验一 电子电路 PSPICE 程序辅助分析 一 一 实验目的 1 了解电子 EDA 技术的基本概念 2 熟悉 PSPICE 软件的实验方法 二 实验仪器 1 计算机 486 以上 IBMPC 机或兼容机 8M 以上内存 80M 以上硬盘 2 操作系统 Windows95 以上 三 预习要求 1 熟悉 PSPICE 中的电路描述 PSPICE 的集成环境 PSPICE 中的有关规定和 PSPICE 仿真的一般步骤 2 了解电子 EDA 技术的基本概念 四 实验内容 一 画电路图 一 画电路图 单极共射极放大器电路如图 1 1 所示 画出电路图 1 放置元件 1 用鼠标单击 开始 按钮 再在 程序 项中打开 Schematics 程序 单击 Schematics 则屏幕上出现 Schematics 程序主窗口如图 1 2 所示 图1 1单极共射极放大器 图1 2 2 选择菜单中 Draw Get New Part 项或 单击图标工具栏中 图标 弹出如图 1 3 所示的元件浏览窗口 Part Browser 3 在 Part Name 编辑框中输入元件名 称 此时 在 Description 信息窗口中出现该 元器件的描述信息 这里我们先输入 BJT 名 称 Q2N2222 如果不知道元器件名称 可以 单击 Libraries 打开库浏览器 Library Browser 在 Library 窗口中单击所需元件相应的库类型 移动 Part 窗口中右侧滚动条 单击列表中的元 器件 在 Description 中查看描述信息 判断 所选器件是否需要 若是 则单击 OK 关闭 Library Browser 此时 Part Browser 对话窗的 Part Name 编辑框中显示的即为选中的元器件 4 单击 Place 将鼠标箭头移出 Part Browser 窗口 这时箭头处出现该元器件符号 5 移动箭头将元器件拖到合适的位置 若需要 可以用快捷键 Ctrl R 或 Ctrl F 旋 转或翻转符号 也可用菜单项 Edit Rotate 或 Edit Flip 来完成 6 单击鼠标左键 将元器件放置在页面上 此时 BJT 出现在原理图页面上 如果 需要可继续单击左键 放置多个同类元器件 它们的标号自动排序 7 单击右键结束放置操作 8 用鼠标单击 Part Name 编辑框 将焦点移回 Part Name 编辑框中 9 重复 3 到 7 的步骤 将其它元器件 如电阻 R 电容 C 电源 VDC 地 EGND 和信号源 VSIN 放置在页面上 为突出输出端 我们在输出端 放置了 BUBBLE 符号 用于与其它电路连接的符号 10 元器件放置完后 单击 Close 关闭 Part Browser 窗口 还有另一种放置元器件的方法 如果知道所用元器件的名称可以不打开 Part Browser 窗口 直接在 中输入源器件名称并按 Enter 键 将元器件调出 放置在页面 上 如果想删除不需要的元器件 可以用鼠标单击选中该元器件 元器件符号变成红色 然后选择菜单项 Edit Cut 就可以将元件删除 也可用键盘上的 Delete 键删除 2 画电路连线 1 选择菜单 Draw Wire 或点击 图标 此时鼠标箭头变成一只笔 2 将笔尖移到元件引脚端点击左键 再将笔尖移到要连接的另一元件引脚端单击 左键 则完成一根连线的连接 3 重复第 2 步画完所有连线 4 单击右键 取消画线状态 图1 3 3 为放大电路重要节点加标号 1 双击 Rc 到 BJT 集电极间的连线 弹出 Label 对话框 也可以通过选择菜单项 Edit Label 打开 2 在编辑栏中填 Vc 然后单击 OK 确认返回 此时 在连线附近出现 Vc 标号 如果没有必要 这一步可以不做 二 编辑修改源器件标号和参数 二 编辑修改源器件标号和参数 1 用鼠标点击要编辑修改的元件符号 符号变成红色表示被选中 假设选中负载电 阻 RL 2 选择菜单项 Edit Attributes 或在元件符号上双击鼠标左键 弹出如图 1 4 所示的 属性编辑对话框 这里打开了电阻的属性对话框 3 单击需要编辑的属性行 属性行前有 号的属性在此不能修改 在 Name 和 Value 编辑框中分别显示属性名称和该属性的值 假设选中 Value 大写字母表示属性名 属性 行 4 编辑修改 Value 编辑框中的值 这里我们将 1K 改为 4K 5 单击 Save Attr 保存修改后的值 这时可以看到 Value 4K 如果在 Value 和 Name 编辑框中输入新的属性名和值 则可增加一条新的属性 6 重复 3 4 5 编辑修改其它属性值 如 将负载电阻的 PKGREF 的值改为 RL 7 单击 OK 按钮确认所作的修改 关闭属性编辑对话框 这时 图中的负载电阻标 号成为 RL 阻值等于 4K 8 重复 1 到 7 步 将其它元器件标号和参数改为图 1 1 所示的值 其中 BUBBLE 符号定义的标号为 Uo 有源器件的参数 如 等 不能在属性编辑对话框中修 改 必须在模型对话框 Model Editor 中修改 注意 信号源参数的设置稍微复杂些 在信号 源的属性编辑对话框中 可以看到属性较多 其中 正弦信号的幅值 VAMPL 频率 FREQ 和失调电压 VOFF 也是正弦信号的直流基准电压 必须设定 确定的值 为了进行交流分析还需设定交流幅值 图1 5 图1 4 AC 此例题中我们设置 VAMPL 10mV FREQ 1k VOFF 0 AC 10mV 另外也可以直接在电路图上双击元件参数值 弹出图 1 5 的设置属性值 Set Attribute Value 对话框 单独修改参数值 元件标号也可用类似的方法单独修改 到此为止 我们已得到图 1 1 所示的电路图 三 保存画好的电路图 三 保存画好的电路图 1 选择菜单项 File Save 弹出保存文件对话框 2 选定保存文件的路径 3 在文件名编辑框中输入文件名 注意 文件名不能用中文 如 test 1 4 单击保存按钮 四 设置分析功能 四 设置分析功能 根据 PSPICE 分析功能可以知道 1 要进行直流工作点分析 Bias Point Detall 2 要进行瞬态分析 Transient 3 要进行交流分析 AC Sweep 下面我们来设置 这些分析功能 1 选择菜单项 Analysis Setup 或相应的图标 弹出如图 1 6 所示的分析设置对话框 Analysis setup 2 用单击 Bias Point Detall 左边的小方格开关选项 使小方格中显示 此时表示 对应的分析功能有效 选中该选项 PSPICE 仿真时将 BJT 的静态电压 电流值及其它有 关参数存入输出文件 out 中以备查看 工作点分析功能设置完毕 3 单击瞬态分析设置按钮 Transient 又弹出如图 1 7 所示的瞬态分析设置对话框 Transient 该对话框包括瞬态分析 Transient Analysis 和傅 立叶分析 Fourier Analysis 设置两部分 在此 我们只设置 瞬态分析 4 将终结时间 Final Times 设为 2ms 该参数决定了 瞬态分析时间的长度 PSPICE 仿真时将自动将起始时间定 为 0 并且采用内部时间步长 Time Setp 计算 仿真过程不 断调整时间步长的值 设置 Step Ceiling 的值可以限制内部时 间步长的最大值 No Print Delay 参数决定显示瞬态波形的起 始时间 5 单击 OK 回到图 1 5 所示的对话框 此时 Transient 按钮左边小方格内显示 瞬态分析设置完毕 6 单击交流分析设置按钮 AC Sweep 弹出交流扫描分 图1 7 图 1 6 析和噪声分析设置对话框 AC Sweep Analysis and Noise Analysis 如图 1 8 所示 该对话框 包括三个内容设置 扫描类型 AC Sweep Type 扫描参数 Sweep Parameters 和噪声分 析 Noise Analysis AC Sweep Type 用来确定以什么步进 方式对频率进行扫描 Sweep Parameters 用来设置扫描频率 范围和点数 这里我们不做噪声分析 7 在 AC Sweep Type 选项中选择 Decade 方式 Linear 线性扫描 Octave 倍频程变化扫描 Decade 十倍频程变化扫描 这样曲线的水平坐标将是对数频率坐 标 8 在 Sweep Paramenters 中设置 Pts Decade 101 每十 倍频程 101 个点 Start Freq 1 End Freq 100Meg 频率 扫描范围可以根据分析结果判断是否合适 不合适可以重新 设置 9 单击 OK 回到图 1 6 所示的对话框 此时 AC Sweep 按钮左边小方格内显示 交流分析设置完毕 10 三个分析功能都已设置完毕 单击 Close 按钮关闭 Analysis Setup 对话框 五 仿真 五 仿真 选择菜单项 Analysis Simulate 或图标 开始仿真 运行过程如下 1 进行电路连接规则检查 若有错 则自动停止仿真 打开信息观察框 MicroSim Message Viewer 显示错误信息 2 建立网表文件 cir 若有错则停止仿真 打开 MicroSim Message Viewer 显示 错误信息 由于电路图是以 test 1 文件名保存的 所以网表文件为 test 1 cir 3 调用 PSPICE 仿真程序进行仿真分析 仿真结果的文字信息存入输出文件 out 本例题结果存入 test 1 out 和 test 1 dat 文件中 4 仿真结束 如果设置了 AC Sweep DC Sweep 或 Transient 分析功能 则调用波形 后处理程序 Probe 以上过程均自动完成 六 用 六 用 Probe 程序观测仿真结果波形程序观测仿真结果波形 1 启动 Probe 程序 打开 Probe 主窗口如图 1 9 所示 本例仿真结束后自动打开 Probe 程序窗口 2 在图 1 10 对话框 若只设置了其中的一种分析类型 不 弹出此窗口 中选择分析类型 本例设置了 AC 和 Transient 我们单击 Transient 先观察瞬态分析结果 这时屏幕上出现波形 图1 9 图1 10 图1 8 显示框 其横坐标为时间 Time 3 在图 1 9 中选择菜单项 Trace Add 或相应图标 弹出如图 1 11 所示的添加曲线对话 框 Add Traces 4 从窗口中选择 V Uo 在 Trace Expression 编辑行出现选中的 V Uo Trace Expression 编辑行的使用非常灵活 后面我们还将看到它的灵活使用 5 单击 OK 此时波形显示框便显示 Uo 的电压波形 仿真前可在 Schematics 窗口 中的原理图上用 Markers 菜单项的功能或点击图标 在所关心的节点或支路上进行 标注 进入 Probe 后自动显示标注点的波形 假如我们对 Uo 进行了电压标注 则不需要 在图 1 11 中选择 Uo 就可以显示 Uo 的电压波形 6 选择菜单项 Plot Add Plot 添加一个波形显示框 7 重复第 3 步 Add Traces 对话框中添加输入电压 V Ui 8 单击图 1 11 中 Alias Name 选项 在 Add Traces 对 话框中显示电路所有节点和支路电流 寻找并选中 V Ui 9 单击 OK 返回 此时上面的波形显示框便显示出输 入电压 Ui 的波形 最后 输入 Ui 输出 Uo 的波形如图 1 12 所示 图中 SEL 指明当前活动显示框是哪一个 在做完第 4 步后直接做第 8 9 步 可以将 Ui Uo 显示在同一个波形显示窗 口中 这里由于输入波形幅值比较小 与输出波形在同一坐标中显示不利于观察 所以添 加了一个显示框 七 用 七 用 Probe 程序观测仿真结果的曲线程序观测仿真结果的曲线 1 观察放大电路的频率响应 1 在图 1 9 中选择菜单项 Plot AC 波形显示框的横轴变为频率轴 Frequency 2 选择菜单项 Trace Add 或相应的图标 弹出图 1 11 所示的 Add Trace 对话 框 3 在 Trace Expression 编辑行中输入 dB V Uo V Ui 该表达式的含义是 图1 11 图 1 12 将放大电路的电压放大倍数 Uo Ui 转为分贝数 4 单击 OK 返回 在 Trace Expression 编辑行中描述的曲线便出现在波形显示框中 由于本例题在设置 AC 分析时 AC Sweep Type 选择的是 Decade 即十倍频扫描 所以 此时显示的曲线即为波特图 5 再选择菜单项 Plot Add Plot 添加一个波形显示框 6 重复第 2 步 在 Trace Expression 编辑行中输入 Vp Uo Vp Ui 该 表达式为 Uo 与 Ui 的相位差 7 重复第 2 步 在 Trace Expression 编辑行中输入 V Ui I Ui 该表达 式表示输入阻抗 8 单击 OK 返回 此时 上面的波形显 示框就是放大电路的输入阻抗频率响应 按照习 惯 幅频响应摆在上边 为此 可先点中幅频响 应表达式 利用剪切粘贴功能将它移到上边的显 示框 同样将输入阻抗频率响应移到下边 最后 放大电路的幅频响应 相频响应及输入阻抗频率 响应曲线如图 1 13 所示 2 观测 Au FL和 FH 为了获得曲线上几个特殊点的具体数值 如 中频增益 上下限截止频率 中频相移等 我们 可以打开游标观测这些值 具体的方法是 1 单击幅频响应显示框区域 使其变为 活动显示框 即 SELL 指向幅频响应显示框 2 选择菜单 Tools Couror Display 或相应图标 激活游标 右下角出现游标值 显示窗 Probe Cursor 如图 1 14 所示 A2 为曲线起点 坐标值 第一个数是横坐标值 第二个知识纵坐标值 A1 为游标当前坐标值 dif 为 A1 与 A2 的差值 注意 当有多个波形显示框时 Probe Cursor 中显示的是当前活 动显示框中曲线的坐标值 3 按动鼠标左键移动鼠标 将游标移到曲线中频区 从 A1 显示的当前游标值中可 以读得增益为 19 717dB 4 选择菜单项 Tools Labe Mark 将当前游标的坐标值标注在曲线附近 5 将游标移到高频区并观察 A1 纵坐标的变化 当他从中频区的值下降约 3dB 时 A1 横坐标值就是上限截止频率 6 重复第 4 步 在曲线上标注该点的值 7 重复第 5 6 步 求出下限截止频率 8 单击相频响应相应框区域 使其变为活动显示窗 再单击相频响应曲线表达式 Vp Uo Vp Ui 前的曲线图标符 9 重复第 3 4 步 可得到中频区的相移 用类似的方法也可得到中频区的 输入阻抗 图1 14 图 1 13 上面介绍了用 PSPICE 程序分析放大电路一 般过程 重点放在过程和操作方法上 下面介绍 用 PSPICE 程序分析放大电路各种性能指标的方 法 10 再选择菜单项 Tools Cursor