基于PSPICE和EWB的微弱电流电压转换电路仿真.docx
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基于PSPICE和EWB的微弱电流电压转换电路仿真
基于PSPICE和EWB的微弱电流/电压转换电路仿真
【摘要】：
PSPICE和EWB都是现在常用的仿真工具。
将微弱电流检测并转换为电压，是较为实用的电路。
本文针对此，举例并分析讨论了一种简易实现的电路图，通过仿真软件给出仿真结果。
并且较详细的介绍了PSPICE和EWB这2款软件的发展和组成部分。
在最后给出了仿真时可能出现的缺点，并给出了提高精确度的方法。
【关键词】PSPICE，EWB，微弱电流，电压，仿真
thedelicateelectric/voltageconversioncircuitsimulationBasedPSPICEandEWB
【Abstract】PSPICEandEWBarecommonlyusedsimulationtoolsnow．Itisamoreappliedcircuitthatcanmeasuredelicateelectriccurrentandconverittovoltage．Thispaperaimsatthis，givesanexampleandanexampleandanalysesit．Itgivesanappliedcircuit，presentstheresultthroughsimulationsoftwarePSPICandEWB．AndmoredetailedPSPICEandEWBintroducedthis2softwaredevelopmentandintegralpart．Inthefinalsimulationoftheshortcomingsthatmayarise,andgiveswaytoimproveaccuracy．
【KeyWords】PSPICE，EWB，delicateelectriccurrent，voltage，simulation
目录
第1章绪论1
1.1选题的背景和意义1
1.1.1选题的背景1
1.1.2发展趋势2
1.2研究的基本内容2
1.2.1微弱电流/电压转换电路的设计3
1.2.2EWB和PSPICE上的电路仿真输入3
第2章关于EWB和PSPICE的综述4
2.1EWB4
2.1.1EWB的简介4
2.1.2EWB的主要特点和分析功能4
2.1.3EWB的组成6
2.2PSPICE6
2.2.1PSPICE的简介与发展6
2.2.2PSPICE的基本程序模块7
2.2.3PSPICE的仿真功能8
2.2.4PSPICE的优点9
2.3进展情况10
2.4优缺点比较10
第3章应用EWB仿真11
3.1画出电路原理图11
3.2电路仿真11
3.3仿真分析12
第4章应用PSPICE仿真14
4.1画出电路原理图14
4.2电路仿真14
结论16
参考文献17
致谢19
图目录
图1.2三级运放差分放大检测电路3
图3.1EWB仿真原理图11
图3.2EWB仿真输出波形12
图4.1PSPICE仿真原理图14
图4.2PSPICE仿真输出波形14
表目录
表3.1EWB仿真结果比较表11
第1章绪论
1.1选题的背景和意义
微弱电流信号检测在信号处理、测量技术、通信技术、状态检测以及一般的电子电路设计等领域得到了非常广泛的应用．并极大地促进了相关领域的发展。
进行微弱电流检测的分析讨论非常重要。
本次设计基于PSPICE和EWB两种仿真软件，分析讨论将微弱电流转换成3-5V电压的电路仿真，并对两款软件进行比较分析。
1.1.1选题的背景
PSPICE是一种通用的电子电路分析模拟软件，它主要用于在对所分析的电路硬件实现之前，先用计算机对电路进行模拟分析。
它以SPICE语言为内核，可以将通过各种途径得到的SPICE语言描述的器件模型加入模型库。
PSPICE9．0与传统的SPICE相比较，有六大功能模块：
电路原理图设计模块Capture、核心模块PSPICEA／D、激励信号编辑模块StimulusEditor、模型参数提取模块、模拟分析和显示模块、优化模块Optimizer。
PSPICE的模拟功能有：
（1）直流分析：
计算电路的直流工作点。
直流小信号传输函数，直流转移特性曲线。
（2）交流小信号分析：
频域分析（计算电路的幅频和相频特性）和噪声分析（计算每个频率点上指定输出端的等效输出噪声和指定输入端的等效输入噪声）。
（3）瞬态分析：
在用户指定区问内进行电路的瞬态特性分析；在大信号正弦激励下。
对输出波形进行傅立叶分析，计算出基波和9次谐波系数以及失真系数。
（4）灵敏度分析：
计算电路元器件参数变化引起电路输出量变化，包括直流灵敏度分析和交流小信号灵敏度分析。
（5）容差分析：
计算电路元器件参数偏离标称值情况下，对电路输出特性的影响。
包括蒙特卡罗分析和最坏情况分析。
（6）温度分析：
根据用户指定的温度，进行不同温度下电路特性分析。
（7）优化设计：
在给定电路拓扑结构和电路性能约束情况下，确定电路元器件的最佳参数组合。
EWB软件是加拿大InteractiveImageTechnolo—gies公司于20世纪80年代末，推出的专用电子线路仿真软件。
它可以在计算机上模拟进行电路的连接、元件型号、参数的选择，然后选择所需的虚拟测试仪器对电路进行仿真运行和测试，并在模拟仪器上读出测试结果。
绘制电路图所需的元器件、电路仿真所需的测试仪器均可直接从屏幕上抓取，而且仪器的操作开关、按键同实际仪器极为相似。
它基于SPICE3语言，可以读入SPICE格式的电路网表文件进行模拟分析，还可以以OrCAD格式的电路网表文件。
它拥有庞大的元器件库，元器件总数达近万种，提供了电路仿真软件实用化的必备保证。
除可使用虚拟仪器外，它还可对电路进行更为详尽的分析．其分析结果均以图形或报表的形式表现出来，共有l3种分析方法：
直流工作点分析、交流频率分析、瞬态分析、傅立叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、传递函数分析、零极点分析、直流和交流灵敏度分析、蒙特卡罗分析和最坏情况分析[1]。
1.1.2发展趋势
近几年来，计算机多媒体技术和信息技术的高速发展。
人们已认识到语音声控在工作、学习和生活中的重要作用，对其服务质量的要求不断提高。
如果将语音识别技术与EWB和PSPICE系统相结合，开发出声控EWB和PSPICE系统，必定会给用户以全新的感觉，大大提高学习速度，增加用户的学习兴趣。
可以说，此类软件有广阔的市场前景。
1.2研究的基本内容
本设计题目是基于PSPICE和EWB上的微弱电流/电压转换电路的仿真比较。
微弱电流指的是1uA-100pA的电流。
将微弱电流转换成3-5V电压的电路在PSPICE和EWB上的仿真和比较就是本次设计的目的。
1.2.1微弱电流/电压转换电路的设计
图1.2三级运放差分放大检测电路
由于实际中遇到的有用信号都很小且共模干扰很高，因此选择高增益、高共模抑制比和高输入阻抗的三级运放差分放大检测电路，其原理图如图1.2所示。
图中运放A1、A2接成比例运算电路形式，且两者都：
采用同相输入使得电路输入阻抗高。
电路结构采用对称形式，外围电阻采用高精密电阻，使得漂移、噪声、失调电压和失调电流等相互抵消，以提高电路的测量精度，否则电路的放大倍数、共模抑制比和精度等将明显降低。
根据集成运放的虚短和虚断原理。
可得输入输出关系为：
[2]
1.2.2EWB和PSPICE上的电路仿真输入
将微弱电流/电压转换电路在EWB和PSPICE上进行仿真的方法有2种。
一种是直接画图法，还有一种就是用机械语言输入。
在这次设计上为了更好的对2款软件在性能等方面做出评价，我们将会在2款软件上都使用画图和VHDL语言2种方式输入电路。
第2章关于EWB和PSPICE的综述
2.1EWB
EWB是一款混合振荡器（包括模拟和数字）电子电路路设计和仿真的程序[3]。
2.1.1EWB的简介
EWB英文全称为ElectronicsWorkbench（电子工作平台），是加拿大InteractivelImageTechnoogiesLtd。
公司于1988年开发的一种电子电路计算机仿真设计软件[4]。
它建立在SPICE基础上，以SPICE3F5为软件核心，增强了其在数字及模拟混合信号方面的仿真功能，是公认的电路仿真与设计标准软件。
它可以将不同类型的电路组合成混合电路进行仿真。
目前已在电子工程设计、电子类课程教学等领域得到了广泛的应用。
与目前流行的电路仿真软件相比较，EWB具有界面直观、操作方便等优点。
他改变了有些电路仿真软件输入电路采用文本方式的不便之处。
该软件在创建电路、选用元器件和测试仪器等均可以直接从屏幕图形中选取，而且测试仪器的图形与实物外形基本相似，从而大大提高了电子设计工作的效率[5]。
它采用软件仿真的方法，在计算机上虚拟出一个测试仪器先进、元器件品种齐全的电子工作台，完成各种电路的分析、设计和调试。
EWB的元器件库不仅提供了数千种电路元器件供选用，而且还提供了各种元器件的理想值，这对于验证电路原理极为方便。
另外，EWB还可以对元件进行故障设置，从而观察到在不同故障条件下的电路工作状况等[6]。
2.1.2EWB的主要特点和分析功能
电子实验工作台EWB的主要特点是:
（1）集成一体化设计环境:
提供了全面集成化的原理图输入，具有智能连线，层次化设计，A/D混合仿真，并且仿真器与波形实时结合，可以与其它电子设计自动化EDA工具通讯。
（2）虚拟设备实现仿真测试:
EWB中有示波器、函数发生器、万用表、频谱绘图仪、逻辑分析仪等虚拟设备，使用这些设备能够得到设计的仿真结果和相应波形。
（3）具有强大的分析能力:
可以进行电路的瞬态和稳态分析、时域和频域分析、线性和非线性分析、噪声和失真等常规分析方法，还提供了离散傅立叶分析、电路零极点分析和交直流灵敏度分析.以帮助设计人员研究电路性能。
（4）提供完整准确的器件模型:
EWB提供了包括无源和有源器件、模拟和数字集成电路、基本数字逻辑和函数模块，模拟器件包括二极管、三极管、运算放大器等，数字器件有TTL,COMS,混合器件包括A/D.D/A转换器、单稳态触发器、555定时器[7]。
EWB软件的几种分析功能。
1.直流工作点分析（DCOperatingPoint）
所谓直流工作点分析就是求解电路仅受电路中直流电压源或电流源作用时，每个节点上的电压及流过电源的电流，直流工作点分析是其它性能分析的基础。
进行直流工作点分析时，电路中的交流电源置零，电容开路，电感短路，数字器件视为高阻接地。
2.交流频率分析（ACFrequency）
交流频率分析即频率特性分析。
进行交流频率分析时直流电源自动置零，输入信号被自动设定为正弦波形式。
对某节点的分析，EWB自动产生该节点电压为频率函数的曲线（幅频特性曲线）和相位为频率函数的曲线（相频特性曲线），结果与波特图仪仿真相同。
3.瞬态分析（TransientAnalysis）
瞬态分析是对选定节点的时域分析，即观察该节点在整个显示周期中侮一时刻的电压波形，分析结果与示波器仿真相同。
在瞬态分析时，直流电源保持常数，交流信号源幅值随时间而变，电路中的电容、电感都以储能模式出现。
4.参数扫描分析（ParameterSweep）
参数扫描分析是检测电路中某个元件的参数，在一定取值范围内变化时对电路直流工作点、瞬态特性、交流频率特性的影响。
在实际电路设计中，通过参数扫描分析，可以针对电路某一技术指标，对电路的某些参数、性能指标进行优选。
5.温度扫描分析（TemperatureSweep）
温度扫描分析主要用于研究不同温度条件下的电路特性[8]。
2.1.3EWB的组成
EWB由三部分组成：
（1）电路图编辑器；
（2）SPICEF5仿真器；（3）波形产生与分析器。
其中组成部分
（2）为核心部分，它采用了最新版本的电路仿真软件SPICEF5，这是一种32位的交互式增强型仿真器，有较好的交互性。
该仿真器还具有以下一系列优点：
（1）支持NATIVE数字以及模拟与数字混合的仿真；
（2）能自动插入信号变换接口；（3）支持层次化电路块多次重用；（4）对被仿真的电路规模与复杂性均无特别的限制[9]。
2.2PSPICE
2.2.1PSPICE的简介与发展
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[10]。
SPICE（SIMULATIONPROGRAMWITHINTEGRATEDCIRCUITEMPHASIS）是一种通用度的元器件模电路分析程序,能够分析和模拟一般条件下的各种电路特性。
由于spice程序含有高精型，如无源器件模型、半导体器件模型、各种电源模型等，所以它能够代替面板、示波器等整个电子实验室的功能,对复杂的电路与系统进行分析。
PSPICE（PERSONALSIMULATIONPROGRAMWITHINTEGRATEDCIRCUITEMPHASIS）是SPICE家族中的一员，可以应用于个人计算机（PC）上，对电路进行各种高精度的分析[11]。
SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）软件于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。
SPICE的正式版SPICE2G在1975年正式推出，但是该程序的运行环境至少为小型机。
1985年，加州大学伯克利分校用C语言对SPICE软件进行了改写，并由MICROSIM公司推出。
1988年SPICE被定为美国国家工业标准。
与此同时，各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件，在SPICE的基础上做了大量实用化工作，从而使SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件[12]。
2.2.2PSPICE的基本程序模块
PSPICE的基本程序模块是：
Schematice程序、PSpice程序、Probe程序、StimulusEditor程序、Parts程序。
（一）Schematice程序
本程序可完成用户作业图形文件的生成。
既可以生成新的电路原理图文件又可以打开已有的原理图文件。
与书写源程序的文本文件相比，建立电路原理图文件的文件要直观、简单的多。
用户从电路原器件图形符号库中调出所需要的元器件符号,固定在屏幕适当位置，按要求给元器件参数赋值，在元器件间连线即构成电路原理图.原理图文件后缀为.sch。
图形文件编辑器会自动将原理图转换为网表文件以提供给模拟计算程序进行仿真.通过调用模拟计算程序PSpice可以对电路进行交流分析、直流分析、瞬态分析、傅里叶分析、环境温度分析、蒙特—卡罗及灵敏度分析等。
此外，本程序还具有系统设置、图像缩放、页面操作及对元器件进行编辑和修改等功能，是PSPICE软件的重要组成组。
（二）PSpice程序
该程序为电路模拟计算程序，是PSPICE的核心部分。
它将用户输入文件的电路拓扑结构及元器件参数信息形成电路方程，求方程的数值解，其功能主要是实现对用户输入文件的模拟分析计算。
进入该程序项后，可打开已有后缀为.cir的作业文本输入文件，但不能打开用户后缀为.sch的作业图形输入文件。
可以完成输入文件中规定的各项电路特性分析。
4.1以上的版本具有对模拟电路、数字电路及数模混合电路的仿真能力。
（三）Probe程序
Probe程序程序为PSPICE的输出图形后处理程序。
它的输入文件为用户作业文本文件或作业图形文件经运行后形成的后缀为.dat的数据文件。
它可以起用万用表、示波器和扫频仪的作用，把运行结果以波形曲线的形式非常直观地在屏幕上显示除开。
显示方式多种多样，还可以把屏幕显示内容打印输出。
（四）StimulusEditor程序
该程序为信号源编辑程序。
PSPICE中信号源的种类比较丰富，如模拟独立信号源有正弦源、脉冲源、指数源、分段线性源、单频调频源等。
该程序可以帮助用户快速完成模拟信号源和数字信号源的建立和修改，并能够很直观的显示出这些信号源的工作波形。
（五）Parts程序
仿真软件中，电路元器件模型参数的精度很大程度上决定着电路的分析精度。
尽管在元器件模型库中已经包含了大量的元器件模型，但在实际应用中有时仍需用户自己确定元器件模型。
Parts程序项的主要功能是从器件特性中直接提取模型参数，利用厂家提供的有源器件及集成电路的特性参数，采用曲线拟合等优化算法，计算并确定相应的模型参数，得到参数的最优解，建立有源器件的PSPICE模型及集成电路的PSPICE宏模型。
PSPICE还允许用户修改库文件中已有的器件模型参数或器件方程，以重新建立器件模型。
由于半导体器件参数多种多样，模型参数提取过程十分复杂，应该说Parts程序只具备最基本的模型参数提取功能。
2.2.3PSPICE的仿真功能
在当前业界流行的几种电力电子仿真软件中，PSPICE是应用最多的一种[13]。
PSPICE的仿真功能为：
（一）直流分析。
直流分析是瞬间分析和交流小信号分析的基础，通常用直流分析决定瞬态分析的初始条件和交流小信号分析时电路中非线性器的小信号模型参数。
（二）交流小信号分析。
交流小信号是在正弦小信号工作条件下的一种频域分析，是一种线性分析方法。
1）频域分析，即计算电路的幅频特性和相频特性。
2）噪声分析，即在计算每个频率点上指定输出端的等效输出噪声和指定输入端的等效输入噪声电平。
（三）瞬态分析。
瞬态分析是一种非线性时域分析方法。
1）在用户指定的区间内，进行电路的瞬态特性分析。
2）在大信号正弦激励情况下，对输出波形进行傅立叶分析，计算出基波2次刃次谐波系数，以及失真系数。
（四）灵敏度分析。
灵敏度分析是计算电路元器件参数的变化引起电路输出变量的变化。
1）直流灵敏度分析是指电路直流分析时，计算出指定的输出变量对电路中所有元器件参数和晶体管的所有模型参数单独变化的灵敏度值，包括绝对灵敏度和相对灵敏度值。
2）交流小信号灵敏度分析是指在固定的频率范围内每个频率点上计算电路输出变量对电路全部元器件参数的灵敏度值。
（五）容差分析。
容差分析是计算电路中元器件参数偏离标称值情况下，对电路输出特性的影响。
1）蒙特卡罗（Monte-Carlo）分析，是一种统计分析方法，在给定的电路中元器件参数容差的情况下，计算电路输出变量的均值和标准偏差，如果同时指定电路输出变量的容差，还可以计算出电路输出特性的合格率及合格率的偏差。
2）最坏情况（Worst-Case）分析，是指电路中所有元器件参数都处于其容差边界的一种最坏组合情况下，计算出电路输出特性最大偏差的上界值和下界值。
（六）温度特性分析
通常情况下，PSpice程序是在标准温度情况下进行各种分析和模拟的。
如果用户指定电路的工作温度，则PSpice可以进行不同温度下的电路分析特性。
（七）优化设计
电路的优化设计师在给定电路拓扑结构和电路性能约束的情况下，确定电路元器件的最佳参数组合[14]。
2.2.4PSPICE的优点
PSPICE的优点：
（1）为电路设计人员节省了大量的时间；
（2）节省了各种仪器设备；（3）生产产品一致性好、可靠性高；（4）产品的更新率高、新产品投放市场快等[15]。
2.3进展情况
近几年来，计算机多媒体技术和信息技术的高速发展。
人们已认识到语音声控在工作、学习和生活中的重要作用，对其服务质量的要求不断提高。
如果将语音识别技术与EWB系统相结合，开发出声控EWB系统，必定会给用户以全新的感觉，大大提高学习速度，增加用户的学习兴趣。
可以说，此类软件有广阔的市场前景[16]。
2.4优缺点比较
PSPIC收敛性好，适用于做系统及电路级仿真，仿真结果精确可靠，但是电路图的输入不是非常方便，而且用特定的语句进行特性分析也稍显烦琐；在电路仿真过程中，如果需要精确描述电路中各种参数的变化，或人为设定各种元器件的具体参数，输出各种电量如电压、电流及相应电量之间一定关系的表达式时，用PSPICE是比较方便的。
如果只是定性地观察各种实验现象，模拟实验室中的各种实验器件，提高使用者的动手能力和分析解决故障的能力，用EWB是十分方便的[17]。
第3章应用EWB仿真
3.1画出电路原理图
（1）新建一张电路图纸
单击File一>New即可新建一张空白的电路图。
（2）图纸设置
单击Circuit一>SchematicOptions即可对新建的电路图进行相应的设置。
（3）放置所需的元器件从元器件柜栏抓取所需的元器件。
（4）元器件编辑，元器件布局调整，连线。
（5）运行仿真，从虚拟仪器观察输出或某些节点的电气参数（电流、电压、功率等）。
3.2电路仿真
以输入10uA电流为例。
先选中元器件，右击鼠标，从弹出的菜单中选择ComponentProperties按照要求对元器件进行相应的编辑。
如果元器件是集成运放，还可从Model选中Edit对运放模型进行相应的改动，如偏置电流、开环增益、输入阻抗等参数的改动。
按照要求，选择元器件并设置参数后，合理布置元器件并布图连线后，微弱电流／电压转换电路图为图3.2。
图3.1EWB仿真原理图
3.3仿真分析
单击桌面右上角的运行按钮，电路图便按时间运行。
如果想观察输出电压是否满足要求，双击示波器，对示波器进行相应的设置（同操作实际的示波器一样），然后从示波器中可观测到输出波形为图3.2所示：
图3.2EWB仿真输出波形
从图中可看出输出电压为3.1810V，满足要求。
当改变Rl时，得到不同的输出电压。
仿真结果列表如下：
表3.1EWB仿真结果比较表
R1
改变量
100%
90%
80%
70%
60%
50%
44%
输出电压
Vout（V）
3.1810
3.4418
3.6087
3.8478
4.1477
4.5672
4.9487
同理,将电流元的值设置为其余的值,也可满足要求。
第4章应用PSPICE仿真
4.1画出电路原理图
（1）创建电路图文件进入Capture新建Project，并选定设计项目类型为AnalogorMixedSignalCircut。
（2）载入元件仿真库。
（3）调用仿真元件在电路图编辑窗口下，启动[Place／Part]命令，选取所需的元器件；选取菜单命令[Place／wire]，启用连线模式完成连线：
选取菜单命令[Place／Net]，启用节点设置完成节点设置，同名的节点仿真时就连在一起了，这有利于复杂电路图的简化。
（4）对元件进行编辑双击激活元件，从弹出的菜单中，对元器件的各项参数进行设置后，单击Applied即可。
从菜单Windows命令下选择电路图Page，就可返回电路图设计桌面。
（5）运行仿真分析。
4.2电路仿真
以10uA电流为例，选择好参数，起电路图如所示：
图4.1PSPICE仿真原理图
其中运放选择uA741。
经直流扫描分析和瞬态分析，得输出电压为4.006V，满足要求。
输出波形为图4.2所示：
图4.2PSPICE仿真输出
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