实验三电路仿真实验讲义.docx

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实验三电路仿真实验讲义

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。

在电路设计工作方面，最常用的电路设计软件如：

Tango、Protel、OrCAD、PSpice、ElectronicsWorkbench、VeriBest、PAD2000、MATLAB等。

PSpice是较早出现的EDA（ElectronicDesignAutomatic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（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）是由美国加州大学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Windows环境的仿真程序，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OrCAD公司与Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSpice产品正式并入OrCAD公司的商业EDA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PSpice9.1。

PSpice软件具有强大的电路图绘制功能、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Windows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。

PSpice6．0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PSpiceforWindows（V8.0），这是一个名为MicroSimEval8.0的软件包。

该软件包主要包括Schematics、PSpice、Probe、Stmed（StimulusEditor）、Parts、PSpiceOptimizer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、Stmed和PSpiceOptimizer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.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.PSpiceOptimizer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（BiasPointDetail），进行直流扫描（DCSweep）与交流扫描（ACSweep），显示检测点的电压电流波形等。

（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（BiasPointDetail）；直流小信号传递函数值分析（TransferFunction）；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相对灵敏度形式给出，并以文本方式输出。

（2）交流扫描分析（ACSweep）：

　　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（Transient）：

　　即时域分析，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（MonteCarlo）和最坏情况分析（WorstCase）：

　　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（DigitalSetup）

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10Ω为间隔，从1Ω线性增大到1KΩ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PSpice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如图1-2所示，

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