模拟电路仿真软件的研究.docx
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模拟电路仿真软件的研究
1引言
1.1本课题研究的目的和意义
随着电子计算机技术的发展，计算机辅助设计方法已经进入电子设计的领域并广泛应用。
模拟电路中的电路分析、数字电路中的逻辑模拟、电路板印制和集成电路图设计都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，使得原始设计方法无论从效率还是精度上都无法适应当前电子工业的要求，采用计算机辅助设计进行仿真已经势在必行。
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，逐渐开发出适合各个领域系统的软件。
电路的仿真技术也越来越受到人们的重视。
仿真技术逐步成为电子工程领域进行电路分析与辅助设计的重要工具。
应用电路仿真软件快速分析电路的性能参数，有利于设计方案的确定和设计参数的选择，从而提高设计效率。
克服传统实验研发周期长的缺点，使设计者可以更直接地将精力集中在设计层面上，缩短了整体设计周期。
真因如此在仿真系统方面，软件种类繁多，应用甚广。
应用在模拟电路仿真方面的主要有EWB,SPICE，PROTEL,MATLAB等。
它们实现了功能从简单到复杂，操作由繁杂到智能，界面也变得越来越形象化[18]。
研究电路仿真软件是为了设计电路及其系统的快速性和精确性引入的。
使设计人员在设计时能简单、方便、有效地对电路精确设计测试。
仿真软件的应用将大大有助于设计人员和教学的效率，已经成为科研和教学上必不可少的工具。
1.2国内外文献综述和发展前景
模拟电路仿真软件研究是关于模拟电路仿真软件理论、实现和应用等几个方面的研究，它在理论上的研究推动了软件的应用。
同时仿真软件的应用也推动了仿真软件的理论研究。
而仿真软件的实现则是理论与应用之间的桥梁。
在电子技术的的发展历程中，按计算机辅助技术介入的深度和广度，出现了三种设计方案，或者说三个阶段：
第一种方法是所谓传统的设计方法，涉及的电子系统一般较为简单，工作量不大，从方案的提出、验证、修改到完全定性都采用人工手段完成；第二种方法是所谓的计算机辅助设计（CAD）方法，就是由计算机完成数据处理、模拟评价、设计验证等部分工作，它是在电子产品由简单到复杂、电子设计工作量由小到大发展过程中产生的；的三种方法是所谓的EDA方法，它是在电子产品向更复杂、更高级、向数字化、集成化、微型化和低功耗方向发展过程中逐渐产生并完成的[19]。
MATSIM和Pspice就是第三种设计方法涉及到的软件，它采用自上而下的设计方法，从系统入手，现在顶层进行功能划分、行为描述和结构设计，然后在底层进行方案设计与验证、电路设计与PCB设计等，实现从设计、仿真、测试一体化。
就EDA发展现状来看，数字系统的设计基本上实现了设计自动化；模拟电路因其复杂，全自动设计还需从事EDA技术的研究人员乃至从事集成电路工艺制造设计师们继续不断地努力，使EDA仿真软件朝着更高方向发展，而这一方向表现在:
（1）超大规模集成电路的集成度和工艺水平的提高，可以在一个芯片上完成系统的集成。
（2）成本大大降低系统体积越来越小，集成度性能越来越好。
（3）高性能EDA长足发展，自动化程度及智能程度越来越高，可以进行功能强大的嵌入式系统设计。
本设计就EDA仿真软件中的MULTISIM与Pspice对模拟电路仿真展开讨论。
这两种软件对模拟电路的仿真有很好的模拟效果，成为模拟电路的仿真的标准软件。
本文前半部分介绍了MULTISIM和PSpice的基本功能，后半部分是对它们在模拟电路中的仿真运用，说明两款软件的优点和缺点。
2仿真软件的介绍
2.1Multisim的介绍及应用
2．1．1EWB与MULTISIM简介
EWB（ElectricalWorkbench,虚拟电子工作台）是加拿大IIT公司与20世纪80年代末推出的电子线路仿真软件。
该软件可对模拟、数字、模拟/数字混合电路进行仿真，克服了实验室条件对传统电子设计工作的限制。
广泛应用于电子工程设计领域。
从6.0版本开始，EWB进行了全套规模改动，仿真设计模块更名为MULTISIM，ElectronicsWorkbenchLayout模块更名为ULtibord.2001年推出了最先版本MULTISIM2001。
它包含有电子电路仿真设计模块Multisim、PCB设计软件Ultiboard、不限引擎Ultiroute及通信电路分析及设计模块CommSIM四个部分，四个部分可相互独立分别使用。
Multisim是一个完整的设计工具系统，提供了一个庞大的元件数据库，并提供原理图输入接口、全部的数模SPICE仿真功能、VHDL/Verilog设计接口与仿真功能、FPGA/CPLD综合、RF射频设计能力和后处理功能、还可以进行从原理图到PCB布线工具包的无缝数据传输。
它提供的单一易用的图形输入接口可以满足使用者的设计要求。
Multisim9用软件的方法使虚拟电子与电工元器件以及电子与电工仪器和仪表，通过软件将元器件和仪器集合威尔一体。
它是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件[19]。
它与其他软件相比较最显著的特点是：
（1）人机界面方便直观。
绘制电路图所需要的元器件、测试调试仪器都可以通过鼠标单击图标直接调用，而且模拟仪器的操作界面（如开关、按钮）接近实物。
（2）操作简单，简便易学。
只要具备一般的电子技术基础知识，几小时内就可以掌握并熟练运用，不需要专门的培训。
（3）仿真效果非常好，与实际测试结果非常接近，并且采用了与实际规格相似的仪器和元器件。
通过EWB的仿真模拟，就可以了解电路的性能，并且熟悉了仪器的正确使用方法，与实际操作类似。
（4）元器件库内容丰富，并可以根据需要随时扩展。
EWB元件库内有数千种元器件供设计人员选用，其参数设置、规格模型以及理想状态都非常接近实际的元器件。
（5）不仅可以对模拟信号仿真模拟，还可以对数字信号和数模混合信号进行完整模拟，在系统中任意地集成数字及模拟器件，自动地对信号进行转换，实时测试系统功能供设计人员参考。
（6）在对电路进行仿真时还可以存储实验数据、波形、元器件清单、工作状态等，并可打印输出。
（7）提供了静态分析、动态分析、是时域分析、频域分析、噪声分析、失真分析、离散傅立叶分析、温度分析等各种分许方法。
（8）还可人为设置故障（如短路、开路、接触不良等），并进行数据分析。
2.1.2Multisim界面及操作介绍
Multisim的主界面与Windous界面一样，同样有菜单栏、工具栏等，Multisim界面还还含有元件栏和仪表栏，方便用户对电路图的设计与调试。
在Multisim中，当遇到电路规模很大，全屏显示不方便或者电路的某一部分在一个或多个电路多次使用时就需要建立子电路。
建立子电路时，在其余电路部分相连的端子上必须连接输入/输出端符号。
用鼠标左键拉出个长方形，把用来组成子电路的部分全部选定。
启动Place菜单中的ReplacebySubcircuit，打开对话框，在其编辑栏内输入子电路名称，单击OK即可创建子电路。
Multisim的元件库主要包含3个数据库：
MultisimDatabase，用来存放程序自带的元件模型；UserDatabase，用来存放用户使用Multisim提供的编辑器自行开发或修改的元件模型。
CorporateDatabase，用于多人共同开发项目建立共用的元件库，另外，还支持用户自定义元件。
2.1.3Multisim的基本分析方法
Multisim中提供了很多分析方法，这些方法都是利用仿真产生数据让后再去执行要做的分析。
如果在multisim中进行分析，只需启动Simulate→Analyses命令或单击工具栏中的
按钮，它提供了19种分析方法：
直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析、噪声分析、噪声系数分析、失真分析、直流扫描分析、灵敏度分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点零点分析、传输函数分析、最坏条件分析、蒙特卡洛分析、扫描宽度分析、批分析等。
这些分析可以让用户
直观地了解电路性能。
2.2OrCADPSpice的介绍和基本功能
2.2.1PSpice的发展
PSpice是有美国MicroSim公司在Spice2G版本的基础上升级并用于PC上的Spice版本。
1998年，著名的EDA商业软件开发商OrCAD公司与MicroSim公司合并，自此MicroSim公司的PSpice产品正式并入OrCAD公司的商业EDA系统中。
不断发展的PSpice相继推出PSpice9.1、PSpice9.2。
它可以对模拟电路进行直流交流、瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现蒙特卡洛分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；不但能够对模拟电路进行仿真，而且能够对数字电路、数/模混合电路进行仿真；集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并随时观测与分析仿真结果[20]。
2.2.2PSpice的仿真步骤
用PSpice进行电路仿真的基本步骤：
（1）设计电路的结构，设置元器件参数。
画电路图，标注个元件名称及参数值，标注个元件节点及节点编号等；建立输入文件。
（2）确定分析类型。
确定所要分析的对象的物理意义和基本特性。
（3）执行PSpice仿真程序.（4）对已建立的电路原理图进行电路规则检查，产生数据文件，若采用图形方式显示分析结果，则可调用图形后处理程序完成。
PSpice程序仿真流程图如图2.1所示。
结果是否正确？
图2.1PSpice程序仿真流程图
2.2.3PSpice电路仿真系统的结构
OrCADPSpice有六大功能模块，其中核心模块是PSpiceA/D，其余功能模块分别是：
原理图绘图编辑模块（SchematicsEditor）、激励源波形编辑模块（StimulusEditor）、模型参数编辑模块（ModelEditor）、模拟显示和分析模块（PSpice/Probe）及电路设计优化模块（Optimizer）。
PSpice主要包括Schematics、PSpiceA/D、Probe、Stmed（StimulusEditor）、ModelEditor（Parts）等五个软件包[20]，这些程序之间的关系如图3.2所示。
图2.2PSpice模块之间的关系
2.2.4OrCAD/PSpice的原理图输入
（1）利用CaptureCIS绘制电路原理图
启动CaptureCIS编辑器，便可进入OrCADCapture程序主窗口，主要工作窗口是专案管理视窗（PCB）、绘图窗口（Schematics）和信息查看窗口（SessionLog）。
（2）用网单文件输入电路原理图
输入格式：
输入描述语句用PSpice专用的输入电路描述语言编写的，输入文本文件由若干条输入描述语句组成，一般由标题行、注释行、元件行及结束行组成。
PSpice的输出格式包括表格方式和文件方式。
表格方式以文本方式显示或打印输出结果。
曲线方式有两种：
a.用字符号代点的低解析度图形方式；b.高解析度图形方式。
2.2.5节点规定及处理
在PSpice对电路进行分析前，首先要对电路的节点进行编号，对于节点，PSpice有如下规定：
规定接地点（公共段）为零节点；节点标号必须为0~9999之间的整数；不能有悬乎节点，有些情况不能满足时，通常连接一个超大的电阻接地；避免节点短路，当电感线圈与电压源并联时将出现节点短路，引起错检提示并中断分析时，处理方法是：
在电感支路串入一任意阻值的电阻。
3．仿真软件对几种模拟电路的仿真
这里用几个仿真案例说明两种仿真软件对不同电路的仿真特点：
3.1Multisim与PSpice分别对放大电路的仿真
3.1.1用Multisim作放大电路的仿真功能分析：
Muhisim软件是专业的仿真软件，该软件包含有系列的仿真功能．在其界面里可以轻松地绘制电路图，并在需要测试的位置接入所需的测量仪器，方便快捷地完成测试。
如图3.1.1所示为用Muhisim软件绘制的电路图：
图3.1.1用两种软件仿真的放大电路原理图
本图所需的测试是当在输入端输入不同频率的激励源时，在输出端输出的波形情况。
图3.1.2示波器输出波形
放大电路是一个能使输入信号的幅值放大但相位相反的电路，偏置电路采用R1和R2组成的分压电路，发射极接有R4电阻器用于稳定放大器静态工作点。
因此用双踪示波器来观察放大器的输入信号V1和输出信号电压波形；上图即为在
处加入一个2KHz频率电压源时的输出波形，另外用波特仪连接输入端观察该频率下的波形如下：
图3.1.3放大电路波特图
在Multisim中提供了直流工作、交流、瞬态傅立叶、噪声等19中分析，这里选择几种针对模拟电路的分析对软件作测试。
1直流工作点分析
软件在进行其他分析前，先进行直流工作点分析，以确定瞬态的初始条件和交流小信号情况下非线性器件的线性化模型参数。
通过计算出静态工作点，与仿真出的结果进行比较。
如下为Multisim作的直流分析表，与理论计算结果接近，因此该软件可以对电路直流工作点做分析。
图3.1.4Multisim下分析的直流工作点
②交流/动态分析
小信号频率响应的情况下，在分析时直流电源置零，交流信号源、电容和电感等都处在交流模式。
在晶体管放大电路中，增益已经已知，观察电路波形图加以验证，按下仿真按钮，在显示图上获得被分析点的频率特性波形，交流分析结果显示如下幅频特性和相频特性两个图形，看到输入波形经过放大电路的处理幅值已经放大，Multisim可以对放大电路进行交流分析[12]。
图3.1.4Multisim下交流分析波特图
③电路噪声分析
噪声分析用于检测电子线路输出信号的噪声功率幅度，用于计算、分析电阻或晶体管的噪声对电路的影响。
在分析时，假定电路中个噪声源是互不相关的，总的噪声是各噪声在该节点的和。
先对电路选定节点进行噪声仿真计算如下表所示，再对本电路进行噪声分析结果曲线显示如图：
图3.1.5用Multisim测试总输入/输出噪声
设置一个噪声源由分布电容
产生，改变
使输出产生影响，将
分别设置为5、10、100、200、400pF，从图中看到随着
的增大，等效输入噪声迅速增加。
图3.1.6Multisim下噪声分析曲线图
④.瞬态分析
瞬态分析是对所选定的电路节点的时域响应，即观察该节点在显示周期中每一时刻的电压波形。
在进行瞬态分析时，直流电源保持常数，交流信号源随着时间而改变，电容和电感元件都是作为能量存储模式元件。
进入瞬态分析状态，设置起始时间0s，终止时间0.002s，并设置对输入输出节点1.3进行仿真如下图所示：
图3.1.7Multisim下电路输入输出瞬态波形图
可以看出在2ms内电路输入输出瞬态波形可以较好的拟合。
⑤.灵敏度分析
灵敏度分析是指电路特性对电路中元件参数的敏感程度。
灵敏度分析包括直流灵敏度分析和交流灵敏度分析。
直流灵敏度分析的仿真结果以数值的形式显示，交流灵敏度分析仿真的结果以曲线的形式显示。
灵敏度分析是计算电路的输出变量对电路中元器件参数的敏感程度为验证在不同电阻之下电路放大功能的变化，调节可变电阻，使阻值按5%变化，先选择对电路的直流灵敏度分析，产生表格如下：
图3.1.8直流电压灵敏度
再进行交流分析，本电路对节点1、2、3、做灵敏度分析得到图表如下：
图3.1.9交流电压灵敏度
对于Multisim中的直流灵敏度分析，可以给出具体的数据，与理论值比较后发现数值几乎接近，相比较直流分析，交流分析能够得出直观的波形图，形象地显示出电路中不同参数对电力输出的影响。
3.1.2用OrCADPSpice仿真三极管放大电路
PSpice是最早的电路分析软件，本文用其中的CaptureCIS模块作为原理图输入，它只能用作原理图的输入，仿真是需要调用OrCADPSpice中的Spice模块。
图3.1.10用CaptureCIS输入的电路原理图
此原理图是所需的测试是当在输入端输入不同频率的激励源时，在输出端输出的波形情况。
图3.1.12示波器仿真图
可以得到波形是输入波形幅值的两倍，但相位相反的输出波形。
符合此放大电路的特性，说明PSpice适合晶体管放大电路的仿真。
在PSpice中也提供了多种分析功能如：
直流电路的模拟分析、直流电路的扫描分析、交流电路的模拟分析、瞬态分析、噪声/傅立叶分析等。
①.直流工作点分析
用PSpice进行电路仿真之前，先确定电路原来李图中包含有进行仿真所有的信息，
（1）电路原理图中的所有元件必须引用相应的仿真元件模型。
（2）在电路中，必须放置并连接合适的信号源。
（3）必须对需要进行仿真波形分析节点添加网络标号，（3）还需为仿真电路设置初始状态。
图3.1.13PSpice下放大电路的直流分析波形图
在电路中加载不同信号源后，用虚拟仪器接放大器的输出输入端，其中一组数据的仿真波形如上，随着信号源电压的不断增加，输入输出负载线也随着增加，拖动游标记录值，与理论值几乎接近，与在Multisim下仿真的数值也相近，但用PSpice仿真的值更接近些。
②.交流电路的模拟分析
PSpice中的交流扫描分析是针对电路性能因信号频率改变而变动所作的分析，它能够获得电路的幅频响应和相频响应以及转移导纳等特性参数。
图3.1.14参数设置
图3.1.15交流分析波形
进行参数设置后，调用Spice仿真如上所示，波特图显示出电路幅频相频特性，与Multisim中的动态分析效果相似，也与电路实际性能相符。
③.电路噪声分析
噪声分析用于检测电子线路输出信号的噪声功率幅度，用于计算、分析电阻或晶体管的噪声对电路的影响。
在分析时，假定电路中个噪声源是互不相关的，总的噪声是各噪声在该节点的和。
先对电路选定节点进行噪声仿真计算如下表所示，再对本电路进行噪声分析结果曲线显示如图：
图3.1.16总输入/输出噪声结果
然后再调整可变电阻阻值，观察波特仪显示的图形，发现电路的输入输出以及节点2可以很好拟合。
图3.1.17噪声分析曲线图
④.瞬态分析
瞬态分析是对所选定的电路节点的时域响应，即观察该节点在显示周期中每一时刻的电压波形。
在进行瞬态分析时，直流电源保持常数，交流信号源随着时间而改变，电容和电感元件都是作为能量存储模式元件。
进入瞬态分析状态下，设置起始时间0s，终止时间0.002s，并设置对输入输出节点1.3进行仿真如下图所示，在图形上，曲线比较完整的反映出节点在一周期内的变化，比Multisim更接近理论值。
图3.1.18输入/输出节点的瞬态分析曲线
3.1.3小结
本节是对模拟电路中的放大电路的仿真，放大电路作为模拟电路中典型电路，其特性主要有静态工作点，电压放大倍数，频率特性以及输入输出电阻等，这里由于结合仿真软件主要对直流/交流瞬态作分析，可看出这种分析形象、直观，可得出正确的结论，同时从测量值与理论值的比较可看出，误差较小。
3.2.仿真软件对滤波器电路的仿真
本设计采用二阶滤波器作为被仿真的对象，采用的二阶滤波器是二阶无限增益反馈型有源RC滤波器，其中的运算放大器充当压控电压源。
这种压控电压源的输入阻抗为无穷大、输出阻抗为零、增益为有限值或无穷大。
3.2.1．二阶低通滤波器的仿真分析
图3.2.1二阶有源低通滤波器原理图
此电路的结构上半部分是一个同相比例放大电路，由两个电阻R1、R4和一个理想运算放大器构成。
R1与R4均为16K
。
下半部分是一个二阶RC滤波电路，由两个电阻R2，R3及两个电容C1，C2构成。
其中R2，R3均为4k
C1,C2均为0.1
F。
电路由一个幅值为1mV，频率可调的交流电压源提供输入信号，用一个阻值为1K
的电阻作为负载[4]。
（1）理论值计算：
频率特性
即
其中Wo=
通带电压放大倍数
，在低频下，两个电容相当于开路，次电路为同相比例器。
特征频率fo与通频带截至频率fp：
根据fp的定义，当f=fp时，应有：
即：
（2）软件分析
波形比较分析在理论值的基础上，用Multisim和OrCADPSoice对二阶有源低通滤波电路进行分析。
将示波器的A、B端分别连接到电路的输入端与输出端，下图为输入信号频率为1kHZ,幅度为1mV时二阶低通滤波器电路的输入输出情况。
图中横坐标为时间，纵坐标为电压幅度。
选择示波器扫描频率为1ms/div。
纵轴每格均代表1mV，输出方式为Y/T方式。
幅度大的为输入信号，幅度小的为输出信号。
图3.2.2在Multisim下电路输入/输出波形
图3.2.3在PSpice下输入/输出波形
输出信号的频率与输入信号一致，说明二阶低通滤波电路不会改变信号频率。
从上图还可以看出，在输入频率信号频率较大（如1KHz）时输出信号的幅度明显小于输入信号的幅度。
而低频情况下的理论计算结果Aup=2；即在低频情况下输出信号的幅度应为输入信号的两倍。
很显然，输入信号频率较大时电路的放大作用已经不理想。
调节输入频率，使之分别为800Hz，600Hz，400Hz，300Hz，200Hz，150Hz，1Hz。
由虚拟示波器得到输入频率为1Hz时的输出电压
，即Aup=2，与理论计算值相吻合。
而输入频率为150Hz时U02=1.5mV。
此时Uo2最接近截至时的输出电压Up=0.707，Uo1=1.414mV.这说明截至频率fp接近150Hz。
（3）交流分析比较进入交流分析状态，参数设置如下：
起始频率为1Hz，终止频率为10MHz,扫描方式使用十进制，选择输出节点为分析节点，得到电路幅频特性曲线如图：
图3.2.4在PSpice下电路交流分析图
图3.2.5在Multisim下电路交流分析图
（4）通带电压放大倍数Aup的测量
从特性曲线可以看出，在低频状态下频率变化对Aup的影响不大，频率较大时Aup随频率增加而急剧减小。
高频状态下输出电压则接近于0。
从对话框中可
知纵坐标最大值为6．2698dB，即Aup=2，与理论计算值相符[4]。
（5）通带电压放大倍数Aup的测量，
P为纵坐标从最大值（6．2698dB）下降3dB时所对应的频率，即纵坐标为3．2698dB所对应的频率。
将图3.2.2中右侧标尺移至3．2698dB附近，选其局部进行放大；再将该标尺精确移至纵坐标为3．2698dB处，得到的横坐标为148．4952Hz，即^一148．4952Hz。
这与理论计算得到的，
Hz基本一致。
（5）参数扫描分析
当某元件的参数变化时，利用模拟软件中的参数扫描分析功能可以得到电路输入输出的特性的变化情况。
从主菜单栏中选择参数分析，参数设置如下：
设备项中选择电容设备，元件名选择
参数选择电容量，电容量使用1e—006F，1e—007F，1e—008F三个值。
点击more选项，选择ACAnalysis（交流分析），再选择节点3作为输出节点。
点击simulate进行仿真，得到c，取上述三个不同值时电路的幅频特性曲线：
图3.2.6
取不同值时二阶低通滤波器电路幅频特性
三条曲线由下至上对应的电容分别为1e—006F、1e—007F、1e—008F，对应的截至频率分别为33.550Hz
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