实验三电路仿真实验讲义综述

1、实验三电路仿真实验（南区机房，集体做）认识PSpice一、PSpice简介随着电子计算机技术的发展，计算机辅助设计已 经逐渐进入电子设计的领域。模拟电路中的电路分析、 数字电路中的逻辑模拟，甚至是印制电路板、集成电 路版图等等都开始采用计算机辅助工具来加快设计 效率，提高设计成功率。而大规模集成电路的发展， 使得原始的设计方法无论是从效率上还是从设计精度 上已经无法适应当前电子工业的要求，所以采用计算 机辅助设计来完成电路的设计已经势在必行。同时， 微机以及适合于微机系统的电子设计自动化软件的迅 速发展使得计算机辅助设计技术逐渐成为提高电子线 路设计的速度和质量的不可缺少的重要工具。在电路设计

2、工作方面，最常用的电路设计软件如： Tango、Protel 、OrCAD PSpice、Electronics Workbench、VeriBest、PAD2000 MATLA等。PSpice 是较早出现的 EDA（Electronic Design Automatic 电路 设计自动化）软件之一，也是当今世界上著名的电路仿 真标准工具之一，1984年 1月由美国Microsim公司首次 推出。它是由Spice发展而来的面向PC机的通用电路 模 拟分析 软件。Spice(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) 是由美国加州大学

3、伯 克利分校开发的电路仿真程序，它在众多的计算机辅 助设计工具软件中，是精度最高、最受欢迎的软件工 具。随后版本不断更新，功能不断完善。目前广泛使 用的PSpice5.1以后版本是Microsim公司于1996年开 发的基于Window郵境的仿真程序，并且从6.0版本开 始引入图形界面。1998年著名的EDA商业软件开发商 OrCA公司与Microsim公司正式合并，自此 Microsim 公司的PSpice产品正式并入OrCA公司的商业ED/系统 中，成为OrCAD/PSpice。但PSpice仍然单独销售和使 用，推出的最新版本为PSpice 9.1。PSpice软件具有强大的电路图绘制功

4、能、电路模拟仿 真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以 图形方式输入，自动进行电路检查，生成网表，模拟 和计算电路。它的用途非常广泛，不仅可以用于电路 分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与 系统等课程的计算机辅助教学。与印刷版设计软件配 合使用，还可实现电子设计自动化。具有广阔的应用 前景。这些特点使得PSpice受到广大电子设计工作者、 科 研人员和高校师生的热烈欢迎，国内许多高校已将 其列入电子类本科生和硕士生的辅修课程。PSpice软件几乎完全取代了电路和电子电路实验中的 元件、面包板、信号源、示波器和万用表。有了此软 件就相当有了电路和电子学实验室。二、PSpice的

5、优越性在电路系统仿真方面，PSpice可以说独具特色，是 其他软件无法比拟的，它是一个多功能的电路模拟试 验平台，PSpice软件由于收敛性好，适于做系统及电 路级仿真，具有快速、准确的仿真能力。其主要优点 有：1. 图形界面友好，易学易用，操作简单由Dos版本的PSpice到Window版本的PSpice，使得该软件由原来单一的文本输入方式而更新升级为输 入原理图方式，使电路设计更加直观形象。PSpice 6.0 以上版本全部采用菜单式结构，只要熟悉WindowS操作 系统就很容易学，利用鼠标-和热键一起操作，既提 高了工作效率，又缩短了设计周期。即使没有参考书， 用户只要具备一定的英语基础

6、就可以通过实际操作很 快掌握该软件。2. 实用性强，仿真效果好在PSpice中，对元件参数的修改很容易，它只需存 一次盘、创建一次连接表，就可以实现一个复杂电路 的仿真。3. 功能强大，集成度高在PSpice内集成了许多仿真功能，如：直流分析、 交流分析、噪声分析、温度分析等，用户只需在所要 观察的节点放置电压(电流)探针，就可以在仿真结 果图中观察到其“电压(或电流)-时间图”。而且该 软件还集成了诸多数学运算，不仅为用户提供了加、 减、乘、除等基本的数学运算，还提供了正弦、余弦、 绝对值、对数、指数等基本的函数运算，这些都是其 他软件所无法比拟的。另外，用户还可以对仿真结果窗口进行编辑，如

7、添 加窗口、修改坐标、叠加图形等，还具有保存和打印 图形的功能，这些功能都给用户提供了制作所需图形 的一种快捷、简便的方法。三、PSpice的组成本讲义是基于PSpice for Windows (V8.0)，这是 一个名为MicroSim Eval 8.0的软件包。该软件包主要 包括 Schematics、 PSpice、 Probe、 Stmed (Stimulus Editor )、Parts、PSpice Optimizer 等。其中：1. Schematics是一个电路模拟器。它可以直接绘制 电路原理图，自动生成电路描述文件，或打开已有的 文件，修改电路原理图；可以对元件进行修改和编

8、辑； 可以调用电路分析程序进行分析，并可调用图形后处 理程序（Probe）观察分析结果。即它是集 PSpice、 Probe、Stmec和 PSpice Optimizer 于一体，是一个功 能强大的集成环境。2. PSpice是一个数据处理器。它可以对在 Schematics中所绘制的电路进行模拟分析，运算出结 果并自动生成输出文件和数据文件。3. Probe是图形后处理器，相当于一个示波器。它 可以将在PSpice运算的结果在屏幕或打印设备上显示 出来。模拟结果还可以接受由基本参量组成的任意表 达式。4. Stmed是产生信号源的工具。它在设定各种激励 信号时非常方便直观，而且容易查对。5

9、. Parts 是对器件建模的工具。它可以半自动地将 来自厂家的器件数据信息或用户自定义的器件数据转 换为PSpice中所用的模拟数据，并提供它们之间的关 系曲线及相互作用，确定元件的精确度。6. PSpice Optimizer是优化设置工具。它可根据用 户指定的参数、性能指标和全局函数，对电路进行优化设计。四、PSpice的应用范围1. PSpice用于模拟电路、数字电路及数模混合电路的 分析及电路优化设计。(1) 制作实际电路之前，仿真该电路的电性能，如计 算直流工作点(Bias Point Detail )，进行直流扫描(DCSweep与交流扫描(ACSweep，显示检测点的 电压电流

10、波形等。(2) 估计元器件变化(Parametric)对电路造成的影 响(3 )分析一些较难测量的电路特性，如进行噪声(Noise )、频谱(Fourier )、器件灵敏度(Sensitivity )、温度(Temperature )分析等。(4)优化设计。2. PSpice的分析功能主要体现在以下几方面：(1) 直流分析：包括电路的直流工作点分析(Bias Point Detail )；直流小信号传递函数值分析仃ransfer Function);直流扫描分析(DCSweep);直流小信号灵 敏度分析(Sensitivity)。在进行直流工作点分析时， 电路中的电感全部短路，电容全部开路，分

11、析结果包 括电路每一节点的电压值和在此工作点下的有源器件 模型参数值。这些结果以文本文件方式输出。直流小信号传递函数值是电路在直流小信号下的 输出变量与输入变量的比值，输入电阻和输出电阻也 作为直流解析的一部分被计算出来。进行此项分析时 电路中不能有隔直电容。分析结果以文本方式输出。直流扫描分析可作出各种直流转移特性曲线。输 出变量可以是某节点电压或某节点电流，输入变量可 以是独立电压源、独立电流源、温度、元器件模型参 数和通用（Global ）参数（在电路中用户可以自定义 的参数）。直流小信号灵敏度分析是分析电路各元器件参数 变化时，对电路特性的影响程度。灵敏度分析结果以 归一化的灵敏度值和

12、相对灵敏度形式给出，并以文本 方式输出。（2）交流扫描分析（AC Sweep）:包括频率响应分析和噪声分析。PSpice进行交流 分析前，先计算电路的静态工作点，决定电路中所有 非线性器件的交流小信号模型参数，然后在用户所指 定的频率范围内对电路进行仿真分析。频率响应分析能够分析传递函数的幅频响应和相 频响应，亦即，可以得到电压增益、电流增益、互阻 增益、互导增益、输入阻抗、输出阻抗的频率响应。 分析结果均以曲线方式输出。PSpice用于噪声分析时，可计算出每个频率点上 的输出噪声电平以及等效的输入噪声电平。噪声电平 都以噪声带宽的平方根进行归一化。（3）瞬态分析仃ransient）:即时域分

13、析，包括电路对不同信号的瞬态响应， 时域波形经过快速傅里叶变换（FFT后，可得到频谱 图。通过瞬态分析，也可以得到数字电路时序波形。另外，PSpice可以对电路的输出进行傅里叶分析， 得到时域响应的傅里叶分量（直流分量、各次谐波分 量、非线性谐波失真系数等）。这些结果以文本方式输 出。（4）蒙特卡罗分析（Monte Carlo ）和最坏情况分 析（Worst Case）:蒙特卡罗分析是分析电路元器件参数在它们各自 的容差（容许误差）范围内，以某种分布规律随机变 化时电路特性的变化情况，这些特性包括直流、交流 或瞬态特性。最坏情况分析与蒙特卡罗分析都属于统计分析, 所不同的是蒙特卡罗分析是在同一

14、次仿真分析中，参 数按指定的统计规律同时发生随机变化；而最坏情况 分析则是在最后一次分析时，使各个参数同时按容差 范围内各自的最大变化量改变，以得到最坏情况下的 电路特性。（5）温度特性分析（Temperature ）和数字电路分析（Digital Setup ）五、分析电路的流程1. 分析电路的过程可以用以下的流程来描述：（1）绘制电路图。（2）输入元器件及模型参数。（3）定义分析类型和输出变量。（4）保存电路图文件。（5）运行电路分析程序。（6）检查分析是否出错。（7）如果出错，检查电路输出文件，查明出错原因修 改电路图文件后再运行电路分析程序；若没有出错， 查看电路分析结果（包括输出波形

15、和输出文件）。（8）确定电路是否需要进一步修改，如果需要，可以 修改电路图文件后再运行电路分析程序，直到认为分析结果满意为止。2. 整个电路分析过程大致可以分为两个阶段：第一阶段：从绘制电路图到保存电路图文件。第二阶段：运行电路分析程序。仿真实验一 直流电阻电路的稳态分析一实验内容：在图1-3所示电路中，当电阻RL的阻值 以10Q为间隔，从1Q线性增大到1KQ时，分析电阻RL 上的电压变化情况。二实验目的：通过本实验，掌握如何用PSpice软件绘 制电路图，初步掌握符号参数、分析类型的设置，会 从Probe窗口看输出结果，并掌握直流电阻电路参数变 化对输出电压的影响。三实验过程：1.认识 PS

16、pice绘图窗口 Schematics。开始模拟电路之前，必须先用Schematics将电 路图画出来。选择程序项Schematics进入绘制电路 图窗口如图1-1所示。图1-1绘制电路图窗口窗口顶部第一行为窗口标题栏，显示当前程序项名称 和所编辑的文件名称，新建电路图必须以某个名称保 存以后才有文件名。第二行为主菜单栏，Schematics的所有操作都可通 过选择菜单中相应的栏目来完成。（Navigate是导航菜 单，Markers是标注菜单，Windows窗 口菜单） 第三行为图标工具栏，每个图标代表菜单中一项最常 用的操作，点中图标即可完成相应的操作，提高了操 作效率。各图标对应的菜单项

17、如图1-2所示，D炉旧鋼|序|彳2風仪阿IQI slsloial阿3 也遡u畑 出曲fv.iim、口1图1-2图标工具栏其功能分别为新建、打开、存盘、打印、剪切、复制、粘贴、撤消、恢复、重画、放大、缩小、部分放大、部分缩小、画线、画总线、画框、选择元器件、属性 编辑、元件符号编辑（第一行为常用快捷按钮）。屏幕中间主要区域为原理图编辑区，也就是原理 图页面。它是一块均匀划分的网格区域，用户可以选 择Options=Display Options 显示方式设置，打开 或关闭网格开关（Grid On ）,也可重新设置网点之间 间隔（Grid Size ）。窗口底部是辅助信息提示栏，显示当前光标位置、

18、 操作功能提示和操作命令。通过操作功能提示栏，用 户可得知每一菜单项的功能。PARAIVIEXERS ； SSF1 K2. 绘制电路原理图（所要绘制电路图如1-3所示，注 意电阻的符号表示）Ri1005V* VI图1-3电路原理图1）.从符号库中提取元器件符号或端口符号先开启Schematic，点选Draw/Get New Part或单击工具栏上的取元件图标，即可打开如图1-4对话 框。该对话框列出了全局符号库中的所有符号。可以 在Part Nam文本框中键入需要的元件符号，对于不熟 悉的元件也可以通过符号名列表的滚动条浏览。单击 vvBasic按钮可以选择是否显示符号图形。找到所需的电路符号

19、后，单击该符号，则该符号 的名称便显示在Part Name文本框中，同时 Description文本框中出现一行文字，说明该符号的含 义。单击Place键可取出元件但不关闭对话框；单击 Place&Close键取出并关闭对话框；也可双击符号名 列表中某一符号将其取出。在本例中不仅需要取出三个电阻、两个直流电压 源和一个接地端，还要取出符号PARA将电阻的阻值定 义为全局变量(Global Parameter)，因本例是一个以 电阻阻值为扫描变量的实验。图1-4符号提取对话框2).摆放元件(1) 摆放前取出电路符号后，鼠标将自动指向符号的某一个端子， 连成电路后，这个端子代表符号的正节点，因此这

20、个 端子又称为符号的正端子。水平摆放时，通常使正端 子在左侧；垂直时，在上。因此，在摆放符号前通常 需将符号旋转一个角度。在执行Edit/Rotate菜单命 令或Ctrl+R可以将符号 逆时针旋转90度，执行 Edit/Flip菜单命令或Ctrl+F可将其沿垂直方向对折。(2) 摆放符号取出符号后，单击绘图工作区中的某一点，按一下鼠 标左键，符号将沿该点摆放一次。可多次摆放，单击 右键结束。(3) 摆放后摆好后，选中相应的符号(为红色)可对其进行各种 操作，如拖动、删除、拷贝及旋转等，也可同时选择 多个符号(按住Shift键)。3).连线PSpice有两种连线方式：水平和垂直折线连接，斜线 连

21、接。采用哪种方式取决于直角连线开关的设置情况。(1)利用连线工具Draw Wire画导线（2）点选画线工具后，即可看到一个铅笔状的指示。 将画笔移到起始端，按鼠标左键，开始引线，要转弯 时可按一下鼠标左键，画笔移到终点后在按一下鼠标 左键，完成接线。继续画线，直到全部完成后，按鼠 标右键结束画线。（3）你可双击如何一段导线，即会出现 LABE的对话 框，可以给这条线段命名。在模拟后很有用。（4）及时保存电路图。4）.定义或修改元器件符号及导线属性下面以R1为例，介绍两种修改符号属性值的方法。方法一：利用电阻R1的属性表修改其值。（1）双击R1符号，打开R1属性表，如图1-5所示。图1-5电阻R

22、1属性表（2）单击属性项VALUE=1K属性名VALUE口值1K分别出现在Nam和Value文本框中。(3)将Value文本框中1K改为100，并单 击SaveAttr，保存新属性。单击OK确认退出。方法二：单独修改R1的各属性值。(1) 单击R1的编号R1,打开图1-6所示符号参考编号 对话框。(2) 将对话框中的R1改为修改的编号，并按OK。(3) 用同样的方法，双击电阻R1的阻值1K,可以将阻 值改为100。按上述方法修改其他符号。在修改 PARA的属性表中， 代表Rl阻值的变量名var定义为PARA的一个参数名， 即NAME1=va，阻值定义为1k的相应参数值，即VALUE1=1k 个

23、PARA符号最多可以定义三个全局变EdiIorPackageReference Designator:Package Type(Foolpnntl图1-6 R1符号参考编号对话框定义各符号的参数后，最终的电路图如前所示。在电路中，电阻的阻值是变化的，注意要将变量名var加大 括号。5）.根据电路分析需要，在图中加入特殊用途符号和 注释文字。6）.起名存盘。3. 设定要模拟的内容1）执行Analysis/Set up 菜单命令，进入分析类型 对话框，如图1-7。rAC SweepQptiora.,厂rEar血nc厂Save Ears Port.rrDCSweftp.rTemciefMiie.,r

24、rI ranker Function窝BrtsPoriDttdIwsiertDigrtdSehpAbtlytK Setup图1-7分析类型对话框2）点选你想要模拟的项目，然后进入个别设定视窗。 常用的模拟内容有：AC Sweep交流扫描分析（包括躁声分析），要找频 率响应这项。DC Sweep:直流扫描分析，一般的I-V特性用这项。Bias Poi nt Detail:直流工作点分析即可节点的偏压分析，通常一定选，是确省状态。Parametric:参数扫描分析，你可以在电路中设定 参数（可以是元件参数、温度等），做改变此项参数的 分析。Transfer Function :直流小信号传输函数，

25、你可 以定义一个输入和输出，找它们之间的关系（比值）。Tran sie nt:瞬态分析（包括傅里叶分析），寻找信 号时间的关系。在本例中是一个以电阻的阻值为扫描变量的例子， 所以我们要用到DC Sweep在使用DC Swee时应注意 事项为：可以做扫描的不是只有直流电压或交流电压，还 有所列的其它参数，图右必须键入电源名称或全局参 数名，扫描范围及间隔。假如要扫描的参数不只一个， 则可使用Nested Sweep设定第二个扫描。3） 进入 DC Swee设置窗口后，选 Global Parameter（全局参数）和Linear （线性扫描），在Nam文本框后 第一格内写入全局参数名var，将S

26、tart Value （扫描 初长）设为1，End Value （扫描终值）设为1k，In creme nt（扫描步长）设为10。单击OK结束操作。如图1-8。 在设置每一种分析类型时，几乎都要在相应的分析参S wftpl Vm T厂 乂oil 口*d SOUfCtJ L 殆砧I自厂 匚SotiPv*1Q Lslob H P M-MTHjrer数表中给出具体的分析（输出）变量名。输出变量的 分析结果可以通过四种形式表现出来：数值、表格、 图案和波形，其中前三种保存在输出文件（*out ）中， 在Schematics中选中 Analysis=Examine Output 可 查看分析结果。其波形

27、则需要在Probe中看。厂 Qc(ave厂厂 Valuei Lhil图1-8分析参数设置对话框4、执行模拟（仿真计算）当一切设置完之后，便可以启动分析程序PSpice 对电路进行分析。选择Analysis =Simulate，或单击 常用工具栏中相应的按钮，或按快捷键F11,可以启动（自动建立电路网络表（Analysis=Create Netlist ）, 自动进行电路检查（An alysis=Electrical Rule Check）。在分析过程中，会显示其运行窗口，如图1-9。如在电 路中发现错误，会在运行中用红色文字显示，如图1-10。选择 Analysis=Examine Output 可查看错误原紺 PSpiftADEil* Hi splIF* 0 oc