第五讲 电路仿真

1、电路仿真技术电路仿真技术 电路仿真技术电路仿真技术 一一. 电路仿真的基础知识电路仿真的基础知识 二二. 设计仿真原理图设计仿真原理图 三三. 仿真环境的设置仿真环境的设置 四四. 观察波形观察波形 五五. 仿真实例仿真实例 电路仿真技术电路仿真技术 2电路仿真的目的电路仿真的目的 验证电路的正确性验证电路的正确性 节省费用节省费用：不需要实际的电路板、元件、仪器设备：不需要实际的电路板、元件、仪器设备 节省器件调试时间节省器件调试时间 一一. 电路仿真的基础知识电路仿真的基础知识 1电路仿真的定义电路仿真的定义 指以电子电路理论为基础，建立数学模型，指以电子电路理论为基础，建立数学模型， 在

2、计算机上对电子电路性能指标进行分析，在计算机上对电子电路性能指标进行分析， 以文字、表格、图形等形式表示结果以文字、表格、图形等形式表示结果 电路仿真技术电路仿真技术 3电路仿真的方法电路仿真的方法 使用使用面包板面包板构造电路构造电路 传统的验证方法：传统的验证方法： 计算机辅助电路分析：计算机辅助电路分析： 使用使用EDA软件，用于大规模的电路软件，用于大规模的电路 Altium Designer、MultiSim 周期长，用于小规模的电路周期长，用于小规模的电路 电路仿真技术电路仿真技术 4电路仿真的步骤电路仿真的步骤 设计需要仿真的原理图设计需要仿真的原理图 设置仿真环境设置仿真环境

3、进行仿真进行仿真 仿真结果分析仿真结果分析 电路仿真技术电路仿真技术 二二. 设计仿真原理图设计仿真原理图 1设计仿真原理图的一般步骤设计仿真原理图的一般步骤 2仿真原理图的元件仿真原理图的元件 3、仿真原理图的激励源和初始条件、仿真原理图的激励源和初始条件 4仿真原理图遵守的规则仿真原理图遵守的规则 电路仿真技术电路仿真技术 1设计仿真原理图的一般步骤设计仿真原理图的一般步骤 选择仿真用的元件选择仿真用的元件 连接各个元件连接各个元件 添加激励源到原理图添加激励源到原理图 设置节点的网络标号设置节点的网络标号 新建一个项目新建一个项目 分析仿真结果分析仿真结果 电路仿真技术电路仿真技术 2仿

4、真原理图的元件介绍仿真原理图的元件介绍 1)菜单方式：菜单方式：Design Add/Remove Library D:PROGRAM FILESALTIUM DESIGNER SUMMER 09Library Miscellaneous Devices.IntLib 仿真元件库的路径和名称仿真元件库的路径和名称: 加载仿真元件库的方法加载仿真元件库的方法: 电路仿真技术电路仿真技术 第第2种方法：种方法： 已经安装的库文件已经安装的库文件 电路仿真技术电路仿真技术 1) 电阻电阻 RES1：定值电阻：定值电阻 两个属性两个属性:Designator:标号标号 Value:设置电阻的阻值设置电

5、阻的阻值, 例如例如100, 1K 2) 电容电容 CAP：定值电容：定值电容 两个属性两个属性: Designator:标号标号 Value:设置电容的容值设置电容的容值, 例如例如0.01uF，22u 仿真元件库仿真元件库Miscellaneous Devices.IntLib中常用元件中常用元件: 电路仿真技术电路仿真技术 3) 电感电感 INDUCTOR：通用电感：通用电感 两个参数两个参数: Designator:标号标号 Value: 设置电感的电感值，例如：设置电感的电感值，例如：10mH 4) 三极管三极管 NPN： 电路仿真技术电路仿真技术 Designator:标号，标号，

6、 Value：电压源的电压值，例如：电压源的电压值，例如15V 1）VSRC: 直流电压源直流电压源 2）ISRC: 直流电流源直流电流源 Designator:标号，标号， Value：电流源的电流值，例如：电流源的电流值，例如：1A D:Program FilesAltium Designer Summer 09LibrarySimulation Simulation Sources.IntLib 3、仿真原理图的激励源和初始条件、仿真原理图的激励源和初始条件 所在的路径和库名：所在的路径和库名： 电路仿真技术电路仿真技术 双击此元件，打开属性对话框，双击此元件，打开属性对话框， 双击双击

7、Simulation一栏的一栏的Name属性，属性， 出现设置对话框出现设置对话框 参数的设置参数的设置 电路仿真技术电路仿真技术 观察电流时注意参考方向，观察电流时注意参考方向， 默认电阻上参考方向为引默认电阻上参考方向为引 脚脚1到到2 电路仿真技术电路仿真技术 Designator:标号标号 3）VSIN: 交流正弦电压源交流正弦电压源 双击此元件，打开属性对话框，双双击此元件，打开属性对话框，双 击击Simulation一栏的一栏的Name属性，出属性，出 现设置对话框现设置对话框 电路仿真技术电路仿真技术 Amplitude属性属性：正弦信号的最大值，：正弦信号的最大值， 例如：例如

8、：240mV Frequency属性属性：正弦信号的频率，：正弦信号的频率， 例如：例如：6kHz Phase属性属性：正弦信号的初相位，从：正弦信号的初相位，从 0360，单位是度。，单位是度。 选择选择Parameters选项卡：选项卡： 电路仿真技术电路仿真技术 电路仿真技术电路仿真技术 4) 电路节点电路节点 使用使用网络标号网络标号定义电路节点，在仿真时观看电路定义电路节点，在仿真时观看电路 节点的信号波形节点的信号波形 5) 设置仿真初始条件设置仿真初始条件 IC Device元件：元件：设定暂态分析元件的初始条件设定暂态分析元件的初始条件 Designator: 标号标号 初始值

9、的设置方法：初始值的设置方法： 双击此元件，打开属性对话框，双击此元件，打开属性对话框， 双击双击Simulation一栏的一栏的Name属性，出现属性，出现 设置对话框设置对话框 电路仿真技术电路仿真技术 Initial Voltage：设置初始值，例如：设置初始值，例如： 0V Component parameter：设置此参：设置此参 数是否在属性对话框中显示数是否在属性对话框中显示 选择选择Parameters选项卡：选项卡： 电路仿真技术电路仿真技术 6) 分段线性激励源分段线性激励源VPWL与与IPWL 分段线性激励源的波形由几条直线段组成，分段线性激励源的波形由几条直线段组成，

10、是非周期信号激励源。为了描述这种激励源的是非周期信号激励源。为了描述这种激励源的 波形特征，需给出线段各转折点时间波形特征，需给出线段各转折点时间电压电压 （或电流）坐标（对于（或电流）坐标（对于VPWL信号源来说，转信号源来说，转 折点坐标由折点坐标由“时间时间/电压电压”构成；对于构成；对于IPWL信信 号源来说，转折点坐标由号源来说，转折点坐标由“时间时间/电流电流”构成）。构成）。 分段信号的设置方法：分段信号的设置方法： 双击此元件，打开属性对话框，双击此元件，打开属性对话框， 双击双击Simulation一栏的一栏的Name属性，出现属性，出现 设置对话框设置对话框 电路仿真技术电

11、路仿真技术 Time/ Value Pairs：设置转折点：设置转折点 选择选择Parameters选项卡：选项卡： DC Magnitude：设置直流幅值：设置直流幅值 AC Magnitude：设置交流幅值：设置交流幅值 AC Phase：设置交流相位：设置交流相位 电路仿真技术电路仿真技术 电路仿真技术电路仿真技术 7)脉冲脉冲激励源（激励源（Pulse） 电路仿真技术电路仿真技术 电路仿真技术电路仿真技术 8)调频波激励源调频波激励源VSFFM（电压调频波）和（电压调频波）和 ISFFM（电流调频波）（电流调频波） 调频波激励源也是高频电路仿真分析中常用 到的激励源，数据库文件包内的S

12、imulation Symbols.lib元件库文件中。 电路仿真技术电路仿真技术 4仿真原理图遵守的规则仿真原理图遵守的规则 1）必须有适当的信号源）必须有适当的信号源 2）仿真节点必须添加网络标号）仿真节点必须添加网络标号 3）必要时，还要设置电路的初始状态）必要时，还要设置电路的初始状态 电路仿真技术电路仿真技术 三三. 仿真环境设置仿真环境设置 单击菜单单击菜单Design / Simulate / Mixed Sim Sheets to Netlist：设置：设置 仿真的范围：整个项目仿真的范围：整个项目 OK按钮：按钮：开始仿真，开始仿真， 得出仿真结果得出仿真结果 Collect

13、 Data For：指定采：指定采 集哪些数据集哪些数据 Node Voltages Supply Currents Device and Powers：采集节点电压、：采集节点电压、 信号电流、元件的电流和功信号电流、元件的电流和功 率率 Active Signals：仿真要：仿真要 显示的波形显示的波形 Operating Point Analysis： 静态工作点分析。静态工作点分析。 电路仿真技术电路仿真技术 1 工作点分析工作点分析(Operating Point Analyses) 在进行工作点分析时，仿真程序将电路中的电感元在进行工作点分析时，仿真程序将电路中的电感元 件视件视

14、为短路，电容视为开路，然后计算出电路中各节为短路，电容视为开路，然后计算出电路中各节 点对地电压、各支路（每一元件）电流点对地电压、各支路（每一元件）电流这就是常说这就是常说 的静态工作点分析。的静态工作点分析。 电路仿真技术电路仿真技术 电路仿真技术电路仿真技术 2）Transient Analysis 瞬态分析瞬态分析 Transient Analysis属于时域分析，用于获得节属于时域分析，用于获得节 点电压、支路电流或元件功率等信号的瞬时值，点电压、支路电流或元件功率等信号的瞬时值， 即信号随时间变化的瞬态关系，相当于在示波器即信号随时间变化的瞬态关系，相当于在示波器 上直接观察信号的

15、波形上直接观察信号的波形 ，因此，因此Transient Analysis 是一种最基本、最常用的仿真分析方式。是一种最基本、最常用的仿真分析方式。 在设置在设置Fourier Analysis参数时，对于周期信号参数时，对于周期信号 来说，基波就是被分析信号周期的倒数，分析的来说，基波就是被分析信号周期的倒数，分析的 最大谐波与信号性质有关，对于方波信号来说，最大谐波与信号性质有关，对于方波信号来说， 取取10次谐波已足够；而对于调幅、调频波来说，次谐波已足够；而对于调幅、调频波来说， 为了获得正确结果，基波按下列关系选择：为了获得正确结果，基波按下列关系选择： 基波基波=载波频率载波频率/

16、调制信号频率。调制信号频率。 电路仿真技术电路仿真技术 Transient Analysis 瞬态分析选项卡瞬态分析选项卡 Transient Start Time：设置起始时间设置起始时间 Transient Stop Time：设置终止时间设置终止时间 Transient Step Time：设置瞬态分析的时间增量设置瞬态分析的时间增量 把输出变量作为把输出变量作为时间时间的函数用波形表示的函数用波形表示 Use Transient Default：使用默认的时间设置使用默认的时间设置 电路仿真技术电路仿真技术 电路仿真技术电路仿真技术 3）参数扫描分析参数扫描分析(Parameter S

17、weep Analysis) 参数扫描分析用于研究电路中某一元器件参数参数扫描分析用于研究电路中某一元器件参数 变化时，对电路性能的影响，常用于确定电路中某变化时，对电路性能的影响，常用于确定电路中某 些关键元件参数的取值。在进行瞬态特性分析、交些关键元件参数的取值。在进行瞬态特性分析、交 流小信号分析或直流传输特性分析时，同时启动流小信号分析或直流传输特性分析时，同时启动 “参数扫描参数扫描”分析，即可非常迅速、直观地了解到分析，即可非常迅速、直观地了解到 电路中特定元件参数变化时，对电路性能的影响。电路中特定元件参数变化时，对电路性能的影响。 在如下图所示的仿真参数设置窗口内，单击在如下图

18、所示的仿真参数设置窗口内，单击 “Parameter Sweep”标签，即可获得如图所示的标签，即可获得如图所示的 Parameter Sweep（参数扫描）设置窗口。（参数扫描）设置窗口。 电路仿真技术电路仿真技术 电路仿真技术电路仿真技术 电路仿真技术电路仿真技术 参数扫描设置过程如下：参数扫描设置过程如下： (1) 单击单击“Parameter Sweep First”（主扫描参（主扫描参 数）选择框内数）选择框内“Parameter”下拉列表盒右侧的下拉列表盒右侧的 下拉按钮，选择参数变化的元件，如下拉按钮，选择参数变化的元件，如R1、C1、 Q1（BF）等，其中）等，其中Q1（BF）

19、表示三极管）表示三极管Q1的的 电流放大倍数电流放大倍数。 (2) 在在“Start Value”文本盒内输入元件参数的文本盒内输入元件参数的 初值；在初值；在“Stop Value”文本盒内输入元件参数文本盒内输入元件参数 的终值；在的终值；在“Step Value”文本盒内输入参数变文本盒内输入参数变 化增量。化增量。 电路仿真技术电路仿真技术 电路仿真技术电路仿真技术 电路仿真技术电路仿真技术 电阻R5变化时对应输出信号 电路仿真技术电路仿真技术 4）DC Sweep Analysis：直流分析选项卡：直流分析选项卡 直流扫描分析直流扫描分析(DC Sweep)方法是在指定方法是在指定

20、范围内，输入信号源电压变化时，进行一系范围内，输入信号源电压变化时，进行一系 列的工作点分析以获得直流传输特性曲线，列的工作点分析以获得直流传输特性曲线， 常用于获取运算放大器、常用于获取运算放大器、TTL、CMOS等电等电 路的直流传输特性曲线，以确定输入信号的路的直流传输特性曲线，以确定输入信号的 最大范围和噪声容限。最大范围和噪声容限。“直流扫描分析直流扫描分析”也也 常用于获取场效应管的转移特性曲线，但直常用于获取场效应管的转移特性曲线，但直 流扫描分析不适用于获取阻容耦合放大器的流扫描分析不适用于获取阻容耦合放大器的 输入输入/输出特性曲线。输出特性曲线。 电路仿真技术电路仿真技术

21、进行一系列静态工作点的分析进行一系列静态工作点的分析：改变：改变电源电源的值，的值， 分析节点的值分析节点的值 Primary Start ：设置起始电压值设置起始电压值 Primary Stop ：设置终止电压值设置终止电压值 Primary Step ：设置每次增加的电压值设置每次增加的电压值 Primary Source：选择要改变的电源选择要改变的电源 电路仿真技术电路仿真技术 利用直流扫描分析，将非常容易获得如图所示的利用直流扫描分析，将非常容易获得如图所示的 74LS00与非门电路的直流传输特性曲线，可以与非门电路的直流传输特性曲线，可以 看出：看出：74LS系列门电路最大输入低电

22、平电压小系列门电路最大输入低电平电压小 于于0.9 V，最小输入高电平电压必须大于，最小输入高电平电压必须大于1.2 V。 电路仿真技术电路仿真技术 AC小信号分析的主要功能小信号分析的主要功能 AC小信号分析用于获得电路中，如放大小信号分析用于获得电路中，如放大 器、滤波器等的频率特性。一般来说，电路器、滤波器等的频率特性。一般来说，电路 中的器件参数，如三极管共发射极电流放大中的器件参数，如三极管共发射极电流放大 倍数倍数并不是常数，而是随着工作频率的升高并不是常数，而是随着工作频率的升高 而下降。而下降。 5）AC Small Signal Analysis：交流小信号分析选项卡：交流小

23、信号分析选项卡 电路仿真技术电路仿真技术 AC小信号分析参数设置小信号分析参数设置 把输出变量作为把输出变量作为频率频率的函数用波形表示的函数用波形表示 Start Frequency：设置起始频率设置起始频率 Stop Frequency：设置终止频率设置终止频率 Test Points：分析频率点的数目分析频率点的数目. 电路仿真技术电路仿真技术 例：低通滤波电路及例：低通滤波电路及AC小信号分析结果。小信号分析结果。 对于如图所示的并联谐振电路来说，利用对于如图所示的并联谐振电路来说，利用AC小信号小信号 分析观察并联谐振曲线将非常方便、直观（其中分析观察并联谐振曲线将非常方便、直观（其

24、中AC 小信号分析参数为：小信号分析参数为：Start Frequency=1Hz，Stop Frequency=1 MHz，Test Points=1000）。）。 电路仿真技术电路仿真技术 电路仿真技术电路仿真技术 如图所示的并联谐振电路来说，利用如图所示的并联谐振电路来说，利用AC小信号分小信号分 析观察并联谐振曲线将非常方便、直观，其中析观察并联谐振曲线将非常方便、直观，其中AC 小信号分析参数为：小信号分析参数为：Start Frequency=1Hz，Stop Frequency=1 00kHz，Test Points=1000） 电路仿真技术电路仿真技术 谐振特性曲线谐振特性曲线

25、 电路仿真技术电路仿真技术 在在AC小信号分析中，结合参数扫描分析，能小信号分析中，结合参数扫描分析，能 非常直观地了解到电路中某一元件参数对电路非常直观地了解到电路中某一元件参数对电路 幅频特性的影响。例如，在如图所示的电路幅频特性的影响。例如，在如图所示的电路 中，选择发射极交流旁路电容中，选择发射极交流旁路电容C3作为主扫描参作为主扫描参 数（初值取数（初值取0.1，终值取，终值取2，增量为，增量为0.3），）， 并将并将AC小信号分析参数设为：小信号分析参数设为：Start Frequency=1 Hz，Stop Frequency=10 kHz， 测试点数取测试点数取1000，即可迅

26、速了解到电容，即可迅速了解到电容C3对放对放 大器低频特性的影响，如图大器低频特性的影响，如图4-30所示。所示。 电路仿真技术电路仿真技术 电路仿真技术电路仿真技术 电路仿真技术电路仿真技术 6) 阻抗特性分析（阻抗特性分析（Impedance Plot Analysis） Altium Designer仿真程序具有阻抗特性分析功仿真程序具有阻抗特性分析功 能，只是不单独列出，而是放在能，只是不单独列出，而是放在AC小信号分析方小信号分析方 式中，即在式中，即在AC小信号波形窗口内选择激励源阻抗，小信号波形窗口内选择激励源阻抗， 如如Vin(z)、VCC(z)等作为观察对象，即可得到电路等作

27、为观察对象，即可得到电路 的输入、输出阻抗曲线。的输入、输出阻抗曲线。 由于电路输入阻抗是前一级电路或信号源的负由于电路输入阻抗是前一级电路或信号源的负 载，而电路输出阻抗体现了电路输出级的负载驱动载，而电路输出阻抗体现了电路输出级的负载驱动 能力，因此在电路设计中常需要了解电路的输入、能力，因此在电路设计中常需要了解电路的输入、 输出阻抗。输出阻抗。 电路仿真技术电路仿真技术 (1)求输入阻抗求输入阻抗Ri 根据电路输入阻抗根据电路输入阻抗Ri的定义，求电路输入的定义，求电路输入 阻抗阻抗Ri时，无须改动电路结构。在时，无须改动电路结构。在AC小信号小信号 分析窗口内，选择输入信号源阻抗，如

28、图中的分析窗口内，选择输入信号源阻抗，如图中的 信号源的阻抗信号源的阻抗V1(z)作为观察对象即可获得放作为观察对象即可获得放 大器输入阻抗大器输入阻抗Ri曲线，如下图所示（中频段约曲线，如下图所示（中频段约 为为7.1 k）。）。 电路仿真技术电路仿真技术 输入阻抗Ri特性曲线 电路仿真技术电路仿真技术 图图4-33 R3变化对输入阻抗变化对输入阻抗Ri的影响的影响 电路仿真技术电路仿真技术 （2） 求输出阻抗求输出阻抗Ro 根据输出阻抗的定义，求输出阻抗时，需要根据输出阻抗的定义，求输出阻抗时，需要 按以下步骤修改电路结构：按以下步骤修改电路结构： 用导线将输入信号源短路，但要保留输入信号

29、源用导线将输入信号源短路，但要保留输入信号源 的内阻。的内阻。 负载负载RL开路。在操作上，可先删除开路。在操作上，可先删除RL，将输入，将输入 信号源移到信号源移到RL位置，用导线连接与输入信号源相位置，用导线连接与输入信号源相 连的两个节点。连的两个节点。 在输出端接一信号源，这样信号源两端电压与流在输出端接一信号源，这样信号源两端电压与流 过该信号源的电流之比，就是输出电阻过该信号源的电流之比，就是输出电阻Ro。 然后执行然后执行AC小信号分析，在小信号分析，在AC小信号分析窗口小信号分析窗口 内，选择信号源阻抗作为观察对象即可。内，选择信号源阻抗作为观察对象即可。 电路仿真技术电路仿真技术 VCC R3 2.7 kR1 68 k R2 20 k R4 1.5 k R5 82 C3 C2 10 C1 10 Q1 2N2222 22 Ve Vb Vc VCC VCC 18 V 1 kHz V1 Vout 4-34 电路仿真技术电路仿真技术 图图4-34 输出阻抗求解电路及结果输出阻抗求解电路及结果 (a) 求输出阻抗电路；(b) 输出阻抗曲线 电路仿真技术电路仿真技术 7） 温度扫描分析温度扫描分析(Temperature Sweep Analysis) 一般说来，电路中元器件的参数随环