电子电路计算机仿真

绘制好电路图后，即可调用OrCAD软件包中的Pspice软件对电路进行模拟。本章有介绍OrCAD/Pspice软件结构和功能特点的基础上，重点介绍应用OrCAD/Pspice软件对模拟电路进行计算机模拟的方法。对优化、逻辑模拟和数模混合模拟放在其它章节介绍。4.1OrCAD/Pspice软件Pspice软件可以完成电路模拟分析。一、OrCAD五个模块之间的关系为：第四章OrCAD/Pspice软件与电路特性模拟PSpiceA/D电路原理图生成电路模拟OrCAD/CaptureCISOrCAD/ModelEd（模型参数提取）模型参数库激励信号波形编辑OrCAD/StmEd逻辑模拟数/模混合模拟模拟电路优化设计OrCAD/OptimizerOrCAD/Probe信号波形显示分析OrCAD软件包中5个配套软件之间的相互关系输入电路图；实现设计项目统一管理交互方式生成电路模拟中需要的各激励信号波形A.瞬态分析中需要的脉冲、分段线性、调幅正弦、调频和指数信号等5种波形；B.逻辑模拟中需要的时钟信号、各种形状的脉冲及总线信号。基本直流工作点计算、直流DC扫描、交流小信号AC分析和瞬态TRAN分析生成电路模拟时需要的模型参数显示电压、电流波形；对模拟结果再分析处理；数字电路中逻辑错误问题的检测根据约束条件，自动调整电路元器件参数，满足电路指标要求。二、PSpiceA/D支持的元器件类型(1)基本无源元件，如电阻、电容、电感、传输线等。(2)常用的半导体器件，如二极管、双极晶体管、结型场效应管、MOS管等。(3)独立电压源和独立电流源。(4)各种受控电压源、受控电流源和受控开关。(5)基本数字电路单元，如门电路、传输门、触发器、可编程逻辑阵列等。(6)常用单元电路，如运算放大器、555定时器等。在这里集成电路可作为一个单元电路整体出现在电路中，而不必考虑该单元电路的内部结构。PspiceA/D可支持的元器件类别及其字母代号字母代号元器件类型字母代号元器件类型BCaAs场效应管N数字输入C电容O数字输出D二极管Q双极晶体管E压控电压源R电阻F流控电流源S电压控制开关G压控电流源T传输线H流控电压源U数字电路单元I独立电流源USTIM数字电路信号源JJFET结型场效应管V独立电压源K互感、传输线耦合W电流控制开关L电感X单元子电路调用MMOS场效应管ZIGBT管三、PSpiceA/D分析的电路特性可分析的电路特性有6类15种。类别电路物性直流特性（1）直流工作点（BiasPointDetail）（2）直流灵敏度（DCSensitivity）（3）直流传输特性（TF:TransferFunction）（4）直流特性扫描（DCSweep）交流特性（1）交流小信号频率特性（ACSweep）（2）噪声特性（Noise）瞬态特性（1）瞬态响应（TransientAnalysis）（2）付里叶分析（FourierAnalysis）参数扫描（1）温度特性（TemperatureAnalysis）（2）参数扫描（ParametricAnalysis）统计分析（1）蒙特卡诺分析（MC：MonteCarlo）（2）最坏情况分析（WC：WorstCase逻辑模拟（1）逻辑模拟（DigitalSimulaion）（2）数/模混合模拟（MixedA/DSimulation）（3）最坏情况时序分析（Worst-casetimingAnalysis）四.电路模拟的基本过程采用OrCAD/PSpice软件对电路设计方案进行电路模拟的基本过程分8个阶段；新建设计项目（Project）电路图生成（OrCAD/Capture）电路特性分析要求设计（Profile）电路模拟（PSpiceA/D）模拟结果分析（PSpice/Probe）优化设计（PSpice/Optimixer）设计满足要求否？设计结果输出否是五.PSpice中的数字、单位和运算式Pspice中采用的是实用工程单位制，如电压用伏（V）、电流用安培（A）、电阻用欧姆（Ω）、功率用瓦特（W）等。在运行中，Pspice会根据具体对象自动确定其单位。用户在输入数据时，代表单位的字母可以省去。例如给电压源赋值时，键入12和12V意思一样。Pspice中的数字采用科学表示方式，即可以使用整数、小数和以10为底的指数。用指数表示时，底数10用字母E来表示。对于比较大或比较小的数字，还可采用10种比例因子，如下表所示。例如1000、1E3和1K都表示同一个数。特别注意：（1）比例因子可用大写也可用小写，如m和M都表示10-3。而国标规定，m表示10-3，M表示10+6，我们通常的习惯也是这样。为了防止混淆，在该软件中用MEG表示10+6。这一点在使用时应特别小心。（2）比例因子只能用英文字母，如10-6用U或u表示，而国标规定10-6用m表示。这一点在使用时也应注意，如电容容量C=1×10-6F，应写成C=1u（或1U）。OrCAD/PSpice10中采用的比例因子符号比例因子符号比例因子F10-15M10-3P10-12K10+3N10-9MEG10+6U10-6G10+9MIL25.4×10-6T10+12六.电路图中的节点编号和输出变量表达式1.电路图中的节点编号由元器件的引出端作为节点号名称，一般形式为：元器件编号：引出端名由数字编排的节点序号。2.输出变量的基本格式（1）电路变量的基本格式V（节点号1[，节点号2]）（2）电流变量的基本格式I（元器件编号[：引出端名]）3.输出变量的别名表示（Alias）（1）交流小信号AC分析中的输出变量名。（2）用元器件引出端名表示的输出变量。4.2模拟电路分析计算的基本过程一、绘制电路图二、特性分析类型确定和参数设置（1）调出PSpice命令菜单在Capture中执行PSpice出现PSpice菜单。（2）建立模拟类型分组执行PSpice/NewSimulationProfile子命令（3）设置模拟类型和参数完成上述设置后，点击Create按钮，出现设置框。Analysis标签页中需设置3方面的内容：1、基本分析类型的设定；（2）模拟类型组中其他分析类型的选定；（3）分析参数的设置。三、模拟分析计算执行RUN命令，进行分析计算。并分别生成.dat和.out为扩展名的两种结果数据文件。四、电路模拟结果分析（1）模拟结果信号波形分析模拟结果正确，则会调用Probe，显示信号的分析波形。（2）出错信息显示分析对于显示的出错信息，应进行分析，然后确定是否修改电路图、改变分析参数设置或采取措施解决不收敛问题。（3）模拟结果输出文件查阅。一.静态工作点分析静态工作点分析就是将电路中的电容开路，电感短路，对各个信号源取其直流电平值，计算电路的直流偏置量。4.3直流工作点分析（BiasPointDetail）例：求基本放大电路的静态工作点。步骤如下：（1）用Capture软件画好电路图。0OutC110UVcc12VRb360kRL2kQ1Q2N2222VsRc2kC210U（2）建立模拟类型分组。建立模拟类型分组的目的是为了便于管理。OrCAD/PSpice10将基本直流分析、直流扫描分析、交流分析和瞬态分析规定为4种基本分析类型。每一个模拟类型分组中只能包含其中的一种，但可以同时包括温度分析、参数扫描和蒙托卡诺分析等。在电路图编辑窗口（PageEditor）下，点击PSpice/NewSimulationProfile命令，屏幕上出现模拟类型分组对话框。在Name栏键入模拟类型组的名称，本例取名为DC。（3）设置分析类型和参数。在Analysistype栏中选“BiasPoint”。在Option栏中选“GeneralSettings”。在OutputFileOptions栏中选“Includedetailedbiaspointinformationfornonlinearcontrolledsourcesandsemiconductors”如果选择此部分，则进行直流灵敏度分析（4）运行Pspice。启动Pspice/Run命令，软件开始分析计算。（5）查看分析结果。分析计算结束后，系统自动调用Probe模块，屏幕上出现Probe窗口。选择View/OutputFile命令，即可看到本例的文本输出文件DC.out。4.4直流传输特性分析（TransferFunction）直流传输特性分析又称TF分析，就是计算电路的直流小信号增益、输入电阻和输出电阻。用它来求解放大器的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻是最方便的。但是该功能属于直流分析范畴，分析时将电路中的电容开路、电感短路。所以只能用于分析直耦电路，不能分析阻容耦合电路。例：求差动放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。Vo2Vo10000Rb11kVEE10VRc110kQ2Rb21kQ1Q2N2222Re10kVs0.1VRc210kVCC10V（1）设置分析类型和参数：在Analysistype栏中选“BiasPoint”；在Option栏中选“GeneralSettings”。在OutputFileOptions栏中选“Calculatesmall-signalDCgail”。在FromInputsource栏中填入“Vs”，在ToOutput栏中填入“V（Vo1，Vo2）”，意思是求传递函数（Vo1-Vo2）/Vs及从Vs端看进去的输入电阻和从Vo1、Vo2端看进去的输出电阻。（2）运行Pspice。（3）查看分析结果。从中可以看出：双端输出的电压放大倍数AV=-121.3输入电阻Ri=7.33kW双端输出的输出电阻Ro=18.9kW4.5.直流特性扫描分析（DCSweep）直流分析又称DC分析，就是当电路中某一参数在一定范围内变化时求电路的直流特性。可以利用这一分析作出电路的传输特性曲线、晶体管的输入输出特性曲线等。值得注意的是，DC分析只能用于分析直耦电路，不能分析阻容耦合电路。例：差动放大电路如图所示，设三极管Q1、Q2的β=50，画出电路的电压传输特性曲线。Vo2Vo10000Rb11kVEE10VRc110kQ2Rb21kQ1Q2N2222Re10kVs0.1VRc210kVCC10V（1）用Capture软件画好电路图。（2）将三极管设置为β=50。（3）设置分析类型和参数：在Analysistype栏中选“DCSweep”；在Option栏中选“PrimarySweep”。在Sweepvariable栏中选“Voltagesource”，在Name栏中填入“Vs”。意思以电压源Vs作为变量。在Sweeptype栏中选“Linear”。在Start栏中填入“-0.3”，在End栏中填入“+0.3V”，在Increment栏中填入“0.03V”。意思是Vs从-0.3V～+0.3V作线性变化，步长为0.03V。（4）运行Pspice。（5）查看分析结果：在Probe窗口中，用光标依次点中V（Vo1）和V（Vo2），即显示该电路电压传输特性曲线。V_VS-300mV-200mV-100mV0mV100mV200mV300mVV(Vo1)V(Vo2)0V5V10VV(Vo2)4.6.交流小信号频率特性分析（ACSweep）交流分析又称AC分析，就是求电路的频域响应。当输入信号的频率变化时，它能够计算出电路的幅频响应和相频响应。作交流分析时，信号源应用交流源VAC或IAC。也可以用前面介绍的5种激励源，但必须在设置参数时为其交流参数AC项赋值。注意不能用正弦源。例：分析差动放大电路的频率特性。Vo2Vo10000Rb11kVEE10VRc110kQ2Rb21kQ1Q2N2222Re10kVs0.1VRc210kVCC10V（1）用Capture软件画好电路图。信号源Vs选交流电压源VAC，幅值为0.1V。（2）设置分析类型和参数:在Analysistype栏中选“ACSweep/Noise”。在Option栏中选“GeneralSettings”。在ACSweepType栏中选“Logarithmi：Decade”。