《电子线路CAD教程》课件第5章电路仿真测试

2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)第5章电路仿真测试5.1电路仿真操作步骤5.2元器件仿真参数设置5.3电路仿真操作初步5.4常用仿真方式及应用

“电路仿真”以电路分析理论为基础，通过建立元件器的数学模型，借助数值计算方法，在计算机上对电路功能、性能指标进行分析计算，然后以文字、表格、波形等方式在屏幕上显示出电路性能指标。2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)AltiumDesigner电路仿真程序具有如下特点：

(1)与原理图编辑(SchematicEdit)融为一体，即只要原理图中所用元器件的电气图形符号具有仿真模型，在完成原理图编辑后即可启动仿真操作，无须再次输入仿真电路，避免了重复劳动——这是内嵌电路仿真功能CAD软件的优点。

(2)提供了数十种仿真激励源、多种工业标准仿真元器件(即这些元器件的电气图形符号具有相应的仿真模型)，可对模拟电路、数字电路及数/模混合电路进行仿真分析。

(3)提供了工作点分析、瞬态特性分析（即时域分析，在瞬态特性分析时，允许启动傅立叶分析，从而获得非正弦信号的频谱）、交流小信号分析（即频域分析，包括幅频、相频特性）、阻抗分析（通过交流小信号分析获得）、直流扫描分析、温度扫描分析、参数扫描分析、极点-零点分析、噪声分析、蒙特卡罗统计分析等多种仿真分析方式。可以只执行其中的一种分析方式，也可以同时执行多种分析方式。

(4)除工作点分析外，其他均以图形方式输出仿真结果，直观性强；仿真波形管理方便，能以多种方式，从不同角度观察分析结果。例如，在交流小信号分析过程中，可同时获得幅频特性、相频特性曲线。

(5)智能化程度高。仿真波形纵坐标(即Y轴)刻度及单位将依据仿真波形性质自动选择；能依据绘图框尺寸自动调节仿真波形大小。5.1电路仿真操作步骤1.编辑原理图

在原理图中包括激励源在内的所有元器件的电气图形符号均需具有仿真模型，如图5.1.1所示，否则仿真时因找不到元件模型参数（如三极管的放大倍数、C-E结反向漏电流等）给出错误提示并终止仿真过程。图5.1.1模型列表窗内显示出“仿真模型”2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)2.放置仿真激励源(包括直流电压源)

在仿真测试电路中，必须包含至少一个仿真激励源。仿真激励源电气图形符号位于仿真测试专用集成库文件夹Simulation下的SimulationSources.IntLib集成库文件中。3.放置节点网络标号

在需要观察电压波形的节点上，放置网络标号，以便观察指定节点的电压波形，否则AltiumDesigner仿真软件自动用“net-xx”作为节点的网络标号，不够直观。4.选择仿真方式及仿真参数

在原理图编辑窗口内，单击“Design”菜单下的“Simulate\MixedSim”命令（或直接单击仿真工具栏内的“仿真设置”工具）进入“AnalysesSetup”仿真设置窗口，根据被测电路特征和实际需要，选择仿真方式及仿真参数。2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)5.2元器件仿真参数设置5.2.1元件仿真模型

与Protel99SE以前版本不同，基于DXP平台的AltiumDesigner取消了仿真测试专用元件库，而是将仿真模型嵌入到集成库文件(.IntLib)中。AltiumDesigner将原理图编辑过程中用到的元件电气图形符号、PCB设计过程中用到的元件封装图与3D视图、电路性能仿真测试过程中需要的元件仿真模型(.mdl或.ckt)以及在高速PCB板上进行信号完整性分析用到的元件信号完整性分析模型等统一存放在各类集成库文件(.IntLib)中。

1.元件仿真模型数量及分布2.元件仿真模型查找

当实在无法确定哪一集成库文件中含有目标元件的“仿真模型”时，可借助“元件查找”操作实现。下面以查找2N2222双极型NPN三极管为例，介绍查找特定元件仿真模型的操作过程。(1)单击“元件库面板”窗口内的“Search…”(查找)按钮，进入图5.2.1所示的“元件查找”设置窗。图5.2.1元件查找窗口2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)(2)单击图5.2.1所示窗口内的“Advanced…”按钮，在图5.2.2所示的高级查找设置窗内的“查找条件语句”文本窗内输入查找命令，并启动查找进程。

其中HasModel('SIM','*2N2222*',False)或HasModel('SIM','*2N2222*',True)语句的含义是查找仿真模型名中包含有“2N2222”的元件，如果去掉仿真模型名中代表任意长度字符串的通配符“*”，那么就仅查找仿真模型为2N2222的元件。当需要查找全部元件的仿真模型时，可用HasModel('SIM','*',False)作为查找条件图5.2.2元件高级查找窗口

查找对象为元件

设置查找范围及查找路径后，单击图5.2.2窗口内的“Search”按钮，启动查找进程，如果找到满足条件的元件，将显示在元件库面板中，如图5.2.3所示。图5.2.3满足条件的查找结果

(3)在元件库面板窗口内将找到的元件放置到原理图编辑内。2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)5.执行仿真操作

在原理图编辑窗口内，单击仿真测试工具栏内的“运行混合信号仿真”(RunMixedSignalSimulation)工具启动仿真测试过程，等待一段时间后即可在屏幕上看到仿真测试结果。6.观察、分析仿真测试数据

仿真操作结束后，自动启动波形编辑器并显示仿真数据文件(.SDF)内容。在波形编辑器窗口内，观察仿真结果，不满意可修改仿真参数或元件参数后，再执行仿真操作。7.保存或打印仿真波形2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)5.2.2物理量单位及数据格式

在设置元件仿真参数、仿真运行参数时，往往使用定点数形式输入，且不用输入参数的物理量单位，即电容容量默认为F（法拉）、阻值为Ω（欧姆）、电感为H（亨）、电压为V(伏特)、电流为A（安培）、频率为Hz（赫兹）、功率为W（瓦）等，但可以使用如下的比例因子（大小写含义相同）：m=1E-3,即10-3；u=1E-6,即10-6；n=1E-9,即10-9；p=1E-12,即10-12；f=1E-15,即10-15。K=1E+3,即103；Meg=1E+6,即106；G=1E+9,即109；T=1E+12,即1012。

例如，“22u”对电容容量来说是22μF（微法），对电感来说为22μH（毫亨），对电压来说为22μV（微伏）、对电流来说为22μA(微安)等。5.2.3元件参数设置操作

在元件放置操作过程中，未单击鼠标左键固定前，可按下Tab键进入图5.2.4所示的元件属性设置窗口（如果元件固定状态，双击元件也同样会进入元件属性设置窗），指定元器件序号及仿真参数。图5.2.4电阻元件属性窗口设置元件序号设置元件仿真参数单击Simulation设置元件仿真模型参数2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)5.2.4仿真信号源及参数

在电路仿真过程中需要用到各种各样的激励源，这些激励源存放在\Library\SimulationSources.IntLib集成库文件中，包括了直流电压源VSRC(voltagesource)与直流电流源ISRC(currentsource)、正弦波电压信号源VSIN(voltagesource)与正弦波电流信号源ISIN(currentsource)、周期性脉冲信号源VPULSE(voltagesource)与IPULSE(currentsource)、分段线性激励源VPWL(voltagesource)与IPWL(currentsource)以及各种受控源等。1.直流电压源VSRC与直流电流源ISRC

双击仿真信号源，进入信号属性设置窗，在属性设置窗内，单击模型列表窗内的“Simulation”类型，接着再单击“Edit”按钮，进入图5.2.7所示的仿真模型参数设置窗口，设置仿真参数。2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)选择仿真模型进入激励源属性设置窗选择仿真模型2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)图5.2.7直流电源参数设置窗

选择“simulation”模型后，再单击“Edit”按钮进入图5.2.7所示信号源仿真参数设置窗，设置信号源的参数。2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)2.正弦波信号源（SinusoidWaveform）

正弦波信号源在电路仿真分析中常作为瞬态分析、交流小信号分析的信号源，仿真参数如图5.2.8所示。图5.2.8正弦信号源仿真参数

2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)3.脉冲激励源（Pulse）

脉冲激励源主要用在瞬态分析中，也是数字脉冲电路重要的激励源，脉冲激励源仿真参数如图5.2.10所示。图5.2.10脉冲信号激励源参数

2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)5.3电路仿真操作初步

在介绍了电路仿真操作步骤、元件及激励源属性设置方法后，下面以图5.3.1所示的共发射极放大电路为例，说明AltiumDesigner仿真操作过程。图5.3.1分压式偏置电路

2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)5.3.1编辑电原理图

在仿真操作前，先建立原理图文件。原理图编辑方法第2章已介绍过，这里不再重复。在编辑原理图过程中，唯一需要注意的是：电路图中所有元件电气图形符号一定具有仿真模型；在元件未固定前必须按下Tab键，在元件属性窗口内，设置元件的属性选项(Designate、仿真模型及参数)，然后放置相应的仿真激励源；接着在需要观察电压信号的节点上，放置网络标号。

此外，电路图中不允许存在没有闭合的回路，必要时可通过高阻值电阻，使回路闭合；也不允许存放电位差不确定的节点，例如必须在变压器、光耦等输入/输出回路之间加接地符号。

再就是只能在仿真项目文件(.PrjPcb)“SourceDocument”文件夹下创建一个原理图文件，即只能对一个原理图文件(.SchDoc)进行仿真操作，否则仿真时可能会遇到元件标号重复错误。2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)5.3.2选择仿真方式并设置仿真参数

在完成原理图编辑后，下一步就是根据电路性质及具体测试要求，选择仿真方式并设置仿真参数：在原理图编辑窗口内，指向并单击“Mixed-Sim”工具栏内的“SetupMixed-SingalSimulation”(混合信号仿真设置)按钮，进入如图5.3.3所示的“AnalysesSetup”仿真设置窗口，选择仿真方式及仿真参数。图5.3.3仿真方式设置窗

2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)1.选择仿真分析方式

在“GeneralSetup”标签窗口，单击相应仿真方式后面的选项框，即可允许或禁止相应仿真方式。本例仅选择“OperatingPointAnalyses”（工作点分析）和“TransientAnalyses”（瞬态特性/傅立叶分析）。可以只选择其中的一种仿真分析方式。但为了获得更多的电路参数，往往需要根据被测电路特征、性质同时执行多种仿真分析方式，例如当被测电路为模拟放大电路时，可组合使用OperatingPointAnalyses、Transientanalysis、ParameterSweepanalysis、ACSmallSignalanalysis、TemperatureSweepanalysis等多种仿真分析方式。2.选择计算和立即观察的信号

2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)3.设置仿真模型文件目录

单击图5.3.3仿真方式设置窗口内的“Preferences…”(选项设置)按钮，在图5.3.4所示窗口内将仿真模型文件目录设为“Library\Sim”，否则在仿真操作过程中，将无法找到数字IC元件的仿真模型。图5.3.4设置仿真模型文件所在目录

4.设置仿真参数并执行仿真操作

除了“OperatingPointAnalyses”仿真方式不需要设置仿真参数外，选择了某一仿真方式后，尚需要设置其仿真参数。在本例中，单击“TransientAnalyses”仿真方式，在如图5.3.5所示的“TransientAnalysesSetup”（瞬态特性/傅立叶分析）参数设置窗口内，设置相应的参数。图5.3.5“TransientAnalyses”（瞬态特性/傅立叶分析）参数设置

5.高级选项设置（可选）

必要时，在图5.3.3所示的“仿真方式设置”窗口内，单击“AdvancedOptions…”(高级选项)按钮，在图5.3.6所示的高级选项设置框内，选择仿真计算模型、数字集成电路电源引脚对地参考电压、瞬态分析参考点、缺省的仿真参数等，但必须注意，一般并不需要修改高级选项设置，尤其是不熟悉Spice电路分析软件定义的器件参数含义、取值范围以及仿真算法的初学者，更不要随意修改高级选项设置，否则将引起不良后果。

图5.3.6高级选项设置

2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)6.启动仿真计算过程

设置了仿真参数后，单击“OK”按钮关闭仿真设置窗口，在原理图编辑状态下，指向并单击“Mixed-Sim”工具栏内的“RunMixed-SingalSimulation”按钮，启动仿真过程。运行仿真操作时，将自动创建高级仿真网络表文件.nsx，该文件包含了一系列Spice仿真命令语句。运行仿真后，将按.nsx文件设定的仿真方式及参数，对电路进行一系列的仿真计算，以便获得相应的电路参数、曲线。仿真结果记录在.SDF（SimulationDataFile）文件内，该文件以文本或图形方式记录了仿真计算结果，如图5.3.7所示。图5.3.7仿真波形观察窗口

为方便管理仿真数据及波形，可单击控制面板上的“仿真数据”(SimData)按钮，进入如图5.3.8所示的“仿真数据”面板窗口。图5.3.8“仿真数据”面板

5.3.3仿真操作常见错误与纠正

在原理图编辑过程中，违反原理图绘制规则的错误，在编译时会发现。这里简要介绍在仿真设置、操作过程中常见的错误。1.卸载或禁用了原理图中元件集成库文件(.IntLib)

在仿真操作时，原理图中除RLC元件、激励源外的元件，如二极管、双极型三极管、MOS管、可控硅、IC等所在集成库文件(.IntLib)必须处于打开状态，否则仿真时将找不到对应元件的仿真模型文件。例如，在元件库面板中，禁用或卸载\Library\FairchildSemiconductor\FSCDiscreteBJT.IntLib后，单击“Mixed-Sim”工具栏内的“RunMixed-SingalSimulation”按钮，对图5.3.1所示放大电路进行仿真操作时，将显示“ErrorsOccurredduringnetlistGeneration”(创建仿真列表文件发现错误)，如图图5.3.9所示。图5.3.9创建列表文件发生错误

单击“OK”按钮后，在图5.3.10所示的“Messages”(消息)窗口内，将看到具体错误原因为“Q1-CouldnotfindSIMModel2N5551”(未找到2N5551的仿真模型)。图5.3.10“Messages”(消息)窗口内提示的错误原因

2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)2.元件仿真模型类型指定错误导致仿真结果异常

如果电路连接无误、参数正确，但仿真结果异常，原因可能是原理图中某一元件模型种类选择错误所致。例如，误将NPN型三极管的“ModelSub-Kind”设为“JEFT”，则仿真结果就不正确。所幸的是，这类错误，一般会给出提示信息，如图5.3.14所示。图5.3.14错误提示

2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)5.3.4仿真结果观察及波形管理

本内容要求学生自学，可参阅教材中实例。2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)5.4常用仿真方式及应用AltiumDesigner仿真器提供了12种仿真分析方式：OperatingPointAnalyses：工作点分析（即计算电路静态工作点Q）。TransientAnalysis(包含了FourierAnalysis)：瞬态特性分析(包含了傅立叶分析)。DCSweepAnalysis：直流扫描分析（也称为直流传输特性分析）。ACSmallSignalAnalysis：交流小信号分析，常用于获取电路幅频、相频特性曲线。ImpedancePlotanalysis：阻抗分析（不单独列出，通过AC小信号分析获得）。Noiseanalysis：噪声分析。Pole-ZeroAnalysis：极点-零点分析。TransferFunctionanalysis：传递函数分析。TemperatureSweepanalysis：温度扫描分析。ParameterSweepanalysis：参数扫描分析。MonteCarloanalysis：蒙特卡罗统计分析。5.4.1工作点分析(OperatingPointAnalyses)

在进行工作点分析时，仿真程序将电路中的电感元件视为短路，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——这就是常说的静态工作点分析。

在图5.3.3所示的仿真方式设置窗口内，单击“OperatingPointAnalyses”选项前复选框，选中“工作点分析”选项；执行仿真操作后，单击图5.3.6所示仿真波形观察窗口下方“仿真结果列表”栏内的“OperatingPoint”，即可在仿真波形窗口内观察到工作点计算结果，如图5.4.1所示。图5.4.1工作点分析结果

2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)5.4.2瞬态特性分析(Transientanalysis)与傅立叶分析(Fourieranalysis)Transientanalysis属于时域分析，用于获得电路中各节点对地电压、支路电流或元件功率等信号的瞬时值，即被测信号随时间变化的瞬态关系，相当于在示波器上直接观察各节点电压(对地)信号的波形，因此Transientanalysis是一种最基本、最常用的仿真分析方式。5.4.3参数扫描分析(ParameterSweepanalysis)

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“参数扫描”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。

在如图5.3.3所示的仿真参数设置窗口内，单击“ParameterSweep”标签，即可获得如图5.4.2所示的ParameterSweep（参数扫描）设置窗口。图5.4.2参数扫描设置窗口

2025/9/2电子线路CAD实用教程—基于AltiumDesigner平台(第七版)5.4.4交流小信号分析（ACSmallSignal）AC小信号分析用于获得电路，如放大器、滤波器等的幅频特性、相频特性曲线。AC交流小信号分析属于线性频域分析，仿真程序首先计算电路的直流工作点，以确定电路中非线性器件的线性化模型参数。然后在设定的频率范围内，对已线性化的电路进行频率扫描分析，相当于用扫频仪观察电路的幅频特性。交流小信号分析能够计算出电路的幅频及相频特性，或频域传递函数。5.4.5阻抗特性分析（ImpedancePlotanalysis）AltiumDesigner仿真程序提供阻抗特性分析功能，