电子电路CAD实验指导书.docx

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电子电路CAD实验指导书

《电子电路CAD》

课程实验指导书

光电工程学院

2016年11月

目录

实验一电路图绘制及基本电路特性分析实验1

一、实验目的1

二、实验内容及步骤1

三、实验报告要求7

实验二参数扫描分析和统计分析实验8

一、实验目的8

二、实验内容8

1、温度分析8

2、参数扫描分析10

3、MonteCarlo分析14

4、WorstCase分析16

三、实验报告要求17

实验三电路性能分析实验18

一、实验目的18

二、实验内容18

1、四阶Butterworth低通滤波电路18

2、RLC电路23

3、放大器设计仿真25

三、实验报告要求25

实验四逻辑电路、数/模混合电路分析实验26

一、实验目的26

二、实验内容26

1、移位寄存器26

2、石英晶体振荡器28

实验五综合应用实验30

一、实验目的30

二、实验内容及要求30

附录一实验报告格式要求32

附录二常用库文件名及元器件33

实验一电路图绘制及基本电路特性分析实验

一、实验目的

熟悉并掌握OrCAD/PSpice软件的使用，并掌握用Capture软件包正确绘制电路图的方法和步骤；熟悉并初步学会使用OrCAD/PSpice软件进行基本电路特性分析的方法。

二、实验内容及步骤

1、差分对放大电路的基本特性分析

A电路图绘制部分

通过绘制下图所示的差分对放大电路图，熟悉OrCAD/PSpice软件环境设置及电路图绘制方法。

用OrCAD/PSpice软件生成电路图的方法和步骤：

（1）调用PageEditor

1、在数据盘中建立自己的文件夹。

注意：

文件夹名不能用中文命名。

2、执行程序中OrCADRelease9.1/CaptureCIS启动Capture软件，执行File/New/Project子命令新建设计项目，在Name栏内输入设计项目名称，在设计项目类型栏内选择“AnalogorMixedSignalCircuit”选项，在路径名栏内选择第1步建立的文件夹。

注意：

设计项目名称只能用英文、数字、拼音命名。

3、按默认的方式配置元器件符号库。

4、启动PageEditor模块

5、根据需要设置运行环境参数，也可采用系统的默认设置。

（2）绘制电路图

1、绘制元器件符号：

从OrCAD/Capture符号库中调用合适的元器件符号，如电阻、电容、晶体管、电源和接地符号等放于电路图中合适的位置。

对分层式的电路设计，还需要绘制各层次框图。

2、元器件间的电连接：

包括互连线、总线、电连接标识符、节点符号及节点名等。

对分层式的电路设计，还需要绘制框图端口符。

3、绘制电路图中辅助元素：

图纸标题栏、添加“书签”、绘制特殊符号以及注释性文字说明。

（3）检查并修改电路图

（4）将绘制完成的电路图利用复制、粘贴的方式输入到Word文档的实验报告中。

提示：

图中的双极晶体管Q1、Q2、Q3从BIPOLAR.olb符号库中调用；电阻从ANALOG.olb库中调用符号R；V1调用SOURCE.olb库中的VAC符号；VCC和VEE调用CAPSYM.olb库中的电源符号；接地符号调用SOURCE.olb库中名称为0的符号。

B.电路分析部分

对所绘制的差分对电路进行以下基本电路特性分析：

（1）直流工作点（BiasPoint）及直流传输特性（TransferFunction）分析。

分析设置：

输入为V1，输出为V（out2），观察并记录OUT输出文件中有关部分内容。

操作1：

建立分析文件、设置分析参数：

执行OrCAD/Capture主菜单中PSpice/NewSimulationProfile，在Name栏输入模拟类型组名称，如DC，单击Create键，弹出模拟设置对话框，按图中所示设置好分析参数，单击确定键。

操作2：

启动PSpice仿真程序：

执行OrCAD/Capture主菜单中PSpice/Run，弹出OrCADPspiceA/D窗口，执行View/OutputFile子命令，从中找出各节点的电压值、总功耗、输出电阻、小信号直流增益等，按实验报告的要求将相关参数复制到实验报告中。

（2）直流特性扫描分析（DCsweep）。

参数设置说明：

扫描变量：

V1；扫描类型：

Linear，0~1V；增量：

0.1V；观察V（OUT2）~V1曲线。

操作1：

设置分析参数：

执行OrCAD/Capture主菜单中的PSpice/NewSimulationProfile子命令，在Name栏键入模拟类型组名称，单击Create，弹出如下对话框，按对话框中设置，单击确定按钮。

操作2：

启动Pspice仿真程序输出波形：

执行OrCAD/Capture主菜单中PSpice/Run子命令，若无错误，出现Probe窗口，执行Trace/AddTrace子命令或相应的工具图标，弹出波形添加对话框，如图1.5所示。

在左侧的输出变量的列表中选取或在TraceExpression栏中键入要输出量的表达式，单击OK，在Probe窗口即出现所要输出的波形。

操作3：

将输出波形复制到实验报告：

在Probe窗口主菜单中执行Windows/CopytoClipboard子命令，在弹出的CopytoClipboard对话框中，单击OK，波形图就输入到了剪贴板，在Word格式的实验报告中粘贴即可。

提示：

以上操作是每次电路分析实验的基本步骤，以下分析和实验只说明分析要求，不再详述以上步骤。

（3）AC分析（ACsweep）及噪声分析。

参数设置如图1.7所示，观察并记录V（OUT2）与频率的曲线，输出噪声（V（ONOISE））和输入噪声（V（INOISE））分别与频率的关系曲线（用2个Y坐标显示在同一个图上），并记录OUT输出文件中的噪声分析结果（要求记录Freq=1KHz的数据）。

提示：

有关坐标的添加、删除、设置等操作，在Probe窗口主菜单Plot中进行。

（4）瞬态（TRAN）及傅里叶分析：

将V1换成用于瞬态分析的激励信号VSIN（在Source库中），设置成等幅正弦波（Voff=0V，Vampl=0.1V，f=5MegHz），分析参数设置见下图，观察记录V（OUT2）、V（V1：

+）波形（用2个坐标表示）；在Probe中用FFT按钮对V（OUT2）进行傅里叶分析，标出其直流分量、基波和三次谐波分量值，记录所得波形；打开OUT输出文件，观察傅里叶分析结果的数据。

OutputFileOptions设置对话框

三、实验报告要求

1、给出所绘制的差分对放大电路图。

2、给出差分对放大电路各节点的电压值、总功耗、小信号直流增益（V（OUT2）/V_V1）、输入电阻值和输出电阻值。

3、给出V（OUT2）~V_V1曲线，X轴设为0~300mv，Y轴设为5~12.5V。

4、给出AC/Noise分析得到的V（OUT2）~频率的曲线，输入噪声~频率、输出噪声~频率的曲线（用2个Y轴在同一坐标中表示），并给出OUT输出文件中Freq=1KHz时的噪声分析结果数据。

5、给出瞬态及傅里叶分析的相关曲线：

V（OUT2）、V（V1：

+）（在同一张图上，用2个坐标表示）；给出在Probe窗口下对V（OUT2）的傅里叶分析后的曲线，要求标出其直流分量、基波和三次谐波分量值；给出OUT输出文件中傅里叶分析结果的数据。

实验二参数扫描分析和统计分析实验

一、实验目的

熟悉并初步学会使用OrCAD/Pspice软件进行参数扫描分析和统计分析的方法。

二、实验内容

1、温度分析

分析如图2.1所示的恒流源式差分放大电路在-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃、80℃和100℃的输出V（out2）频率特性。

观察和分析温度对V（out2）幅度的影响，按实验报告要求记录相关的实验结果。

操作步骤如下：

（1）：

设置基本特性分析参数：

对所绘制的恒流源式差分放大电路设置交流小信号特性分析参数，如图2.2所示。

（2）设置温度分析参数：

在图2.2的options参数设置框中，选择Temperature（Sweep），相应的温度分析参数设置如图2.3所示。

（3）启动Pspice仿真程序，从下图所示的批次选择对话框中选取需要的温度批次。

（4）将Probe窗口中显示的输出曲线复制到实验报告中，并简单说明。

2、参数扫描分析

对恒流源式差分放大电路进行参数扫描分析，观察并记录实验结果。

操作步骤如下：

（1）修改电阻Rc1和Rc2的阻值为“变化的参数”，具体做法是：

①将电阻值10k修改为{Rval}。

②从图形符号库SPECIAL.olb中调出PARAM符号放在电路图的空白处；

③双击PARAM符号弹出以下属性参数对话框：

按按钮，按图2.6所示设置新增的Rval参数，单击

即完成设置。

选中Rval属性将其值设置为10k，单击（Display）按钮，设置显示Rval的名称及其值，单击确认操作。

通过以上步骤，从而将电阻Rc1和Rc2的阻值修改为了“变化的参数”，修改后的恒流源式差分放大电路如图2.9所示。

（2）按图2.2的ACSweep分析设置参数后，选中Options参数设置框中的ParametricSweep，按下图所示进行参数扫描分析的设置。

（3）保存一次后，启动Pspice程序进行模拟，进入Probe窗口后，在批次选择对话框中选取要输出的曲线。

（4）对输出曲线V（out2）进行必要的标注后，复制到实验报告中。

（5）在Probe窗口，在主菜单中选择Trace/PerformanceAnalysis或按下

按钮进行性能分析，选择Trace/AddTrace或按下

按钮，对输出的7条V（out2）曲线用MAX（）函数得到差分放大电路的最大增益随Rc1、Rc2阻值的变化曲线，将其复制到实验报告中。

AddTrace窗口如图2.11所示。

3、MonteCarlo分析

完成恒流源式差分放大电路的MC分析，重复分析次数为10次。

观察、记录输入曲线及MC分析的比较统计结果。

操作步骤如下：

（1）修改恒流源式差分放大电路中的电阻Rc1、Rc2为阻值可发生随机变化的器件，并设置电阻的模型参数，具体步骤为：

①用Breakout.olb元件库中的Break元件取代原电阻，双击该电阻符号，在属性参数对话框中将Value项改为10k，如图2.12所示，编号仍用Rc1、Rc2表示。

②选中刚替换的Rbreak电阻后，执行Capture中的Edit/PspiceModel，将模型参数编辑框中的“.modelRbreakRESR=1”修改为“.modelRbreakRES（R=1DEV=5%）”，保存并关闭模型参数编辑窗口。

（2）按图2.2的ACSweep分析参数设置后，选中Options参数设置框中的MonteCarlo/WorstCase按图2.14所示进行MC分析的参数设置。

按下

，添加Listmodelparametervaluesintheoutputfile选项，如下图所示：

（3）保存后，启动Pspice程序进行仿真，进入Probe窗口后，在批次选择对话框中选取需要输出的曲线。

（4）适当设置X、Y坐标后将输出曲线复制到实验报告中。

（5）在Probe窗口中，点击

打开OUT输出文件，观察并记录MC分析结果的数据，并找出与标称值偏差最大的Rc1、Rc2的阻值，记录到实验报告中。

4、WorstCase分析

完成恒流源式差分放大电路的WC分析，观察并记录OUT文件中4次分析结果和分析结论。

操作步骤如下：

（1）和MC分析一样，将恒流源式差分放大电路中的电阻Rc1、Rc2用Rbreak替换，再将模型参数R=1设置为R=1DEV=5%。

具体操作步骤如3-

（1）所述。

（2）按图2.2的ACSweep分析参数设置后，选中Options参数设置框中的MonteCarlo/WorstCase按图2.16所示进行WC分析的参数设置。

按下

，添加Listmodelparametervaluesintheoutputfile选项，并在Find对话框中选择“themaximumvalue（MAX）”，如下图所示：

（3）保存后，启动Pspice程序进行仿真，进入Probe窗口后，在批次选择对话框中选取需要输出的曲线。

（4）适当设置X、Y坐标后将输出曲线复制到实验报告中，并进行说明。

（5）点击

打开OUT输出文件，观察WC分析结果并将分析结果的数据记录到实验报告中。

三、实验报告要求

1、给出温度分析的电路图和分析结果，并简单说明温度对电路特性的影响。

2、给出参数扫描分析的电路图和分析结果，并简单说明参数的变化对电路特性的影响；给出恒流源式差分放大电路的最大增益随Rc1、Rc2阻值的变化曲线。

3、给出MC分析的电路图和分析结果输出曲线，注意适当设置X、Y坐标范围，使曲线显示清楚；在OUT文件中截取MC分析结果并给出Rc1、Rc2的阻值中和标称值偏差最大的。

4、给出WC分析结果的输出曲线，注意适当设置X、Y坐标范围，使曲线显示清楚；在OUT文件中截取WC分析结果数据。

实验三电路性能分析实验

一、实验目的

熟悉并初步学会用OrCAD/Pspice软件作电路性能分析的方法。

二、实验内容

1、四阶Butterworth低通滤波电路

分析图3.1所示的四阶Butterworth低通滤波电路的最大增益和带宽与电阻R2的关系，观察Vdb（out）、Vp（out）的AC分析曲线，Vdb（out）的参数扫描曲线。

Bandwidth（Vdb（out））和Max（Vdb（out））与Rval的关系曲线。

操作步骤如下：

（1）绘制电路图：

电阻、电容在Analog.olb中；OP-27在OPAMP.olb中；电源在source.olb中。

（2）按图3.2所示设置AC分析参数。

（3）保存后，启动Pspice程序进行仿真，进入Probe窗口添加Vdb（out）、Vp（out）（增加一个Y坐标显示）的AC分析曲线，并将其复制到实验报告。

（4）按照实验二的2-

（1）操作步骤设置R2的参数值，在属性参数对话框中将Value项改为8.66k。

在AC分析的基础上，按下图设置参数扫描分析的参数：

（5）启动Pspice程序进行仿真，从批次选择对话框中选取需要输出的曲线，在Probe窗口添加Vdb（out）曲线，将显示曲线复制到实验报告。

（6）完成最大增益和通频带带宽的性能分析：

①在Probe窗口主菜单中，利用Window/NewWindow新开一显示窗口，然后用Trace/PerformanceAnalysis或按下

打开性能分析，将弹出图3.4所示对话框，点击

即启动性能分析，启动性能分析后的界面如图3.5所示。

利用Trace/AddTrace或按下

按钮，如图3.6所示在曲线添加窗口的GoalFunctions中选用LPBW函数，在TraceExpression对话框中输入函数的自变量Vdb（out）和3，单击

得到Vdb（out）的3db带宽曲线。

②在Probe窗口主菜单中，利用Plot/AddYAxis添加一坐标轴，再添加曲线，此时选用Max（）函数得到最大增益Vdb（out）随Rval阻值的变化曲线。

③如右图所示，利用Plot/AxisSetting将X轴坐标设置为Log，最后将得到的两条曲线复制到实验报告中。

（7）观察400套滤波器的1db带宽分布直方图：

①将电路中所用的电阻、电容分别用Breakout.olb库中的Rbreak和Cbreak替换，然后按照实验二3-

（1）操作步骤设置电阻、电容的模型参数变化：

将Rbreak的模型参数改为“.modelRbreakRES（R=1DEV=1%）”，将Cbreak的模型参数改为“.modelCbreakRES（C=1DEV=5%）”。

②按图3.2与图3.8所示设置AC分析和MC分析参数。

为减少数据量，对图3.8的DataCollection选项进行设置，选中“atMarkersOnly”。

③在AC分析和MC分析参数设置完成后，在out输出端添加Vdb探针，如图3.9所示。

④启动Pspice程序进行仿真，在批次选择对话框中选择所有的曲线输出。

进入Probe窗口后新开一窗口，点击

进行PerformanceAnalysis分析，再点击

添加性能分析函数LPBW（Vdb（out）,1），记得到1db带宽的分布直方图，将直方图复制到实验报告中。

⑤尝试设计一个Butterworth带通滤波器，重复上述操作。

滤波器设计科查询书籍或者参考滤波器设计软件。

此要求选作。

2、RLC电路

对图3.10所示的RLC电路，分析过冲时间和上升时间与R的关系，观察I（L）曲线，Overshoot（L）和GenRise（L）与R的关系曲线。

操作步骤如下：

（1）绘制RLC电路图：

Iin在Source.olb库中选择IPWL符号，其为分段线性电流源。

R在Rbreakout.olb库中选择Rbreak符号，按照实验二的2-

（1）操作步骤设置R的参数值R=0.5。

（2）按图3.11和图3.12所示设置瞬态分析参数和参数扫描分析参数。

（3）保存后，启动Pspice程序进行仿真，在批次选择对话框中选中所有曲线输出，通过AddTrace添加R阻值分别为0.5、1、1.5的输出曲线，比如I（L）@1，将三条曲线复制到实验报告中并进行比较。

（4）新增一显示窗口，利用Pspice的PerformanceAnalysis功能，输出Overshoot（I（L））和GenRise（I（L））和R得关系曲线（在同一张图上，用2个坐标表示），将其复制到实验报告中。

3、放大器设计仿真

设计一满足图3.13中黑盒子功能的放大电路，并通过仿真求得该放大电路的通频带。

三、实验报告要求

1、给出4阶Butterworth低通滤波电路分别作参数扫描分析和性能分析的电路图，Vdb（out）、Vp（out）的AC分析曲线，Vdb（out）的参数扫描分析曲线，LPBW（Vdb（out）,3）和MAX（Vdb（out））与Rval的关系曲线，400套滤波电路的1db带宽分布直方图。

2、给出RLC电路，I（L）~Time曲线，Overshoot（I（L））和GenRise（I（L））与R的关系曲线（在一张图上，用两个坐标表示）。

3、给出所设计放大电路的电路图，阐述其原理；在同一坐标内画出放大电路的输入输出曲线；给出所设计放大电路的通频带。

实验四逻辑电路、数/模混合电路分析实验

一、实验目的

学习用OrCAD/Pspice软件对逻辑电路、数/模混合电路进行分析的方法。

二、实验内容

1、移位寄存器

对下图所示的移位寄存器电路进行逻辑模拟：

要求用StmED设置驱动波形，其中时钟信号CLK为脉宽=0.5us，周期=1us，延时为0.1us的时钟信号；输入信号D周期为5us，脉宽为1us，延时为2us；清零信号CLR是在0~1us为低电平，其余为高电平的清零信号。

观察输入/输出波形（输出波形除用二进制显示外，另用16进制、10进制和8进制总线形式显示）。

操作步骤

（1）绘制移位寄存器电路图：

信号源CLR和D在Sourcstm库中选DigStim1，CLK采用DigClock激励信号源，7474在7400库中，Hi在PlacePower/Source中。

（2）编辑D信号：

选中D后，用菜单Edit/PspiceStimulus启动StmEd窗口，按下图所示设置D信号，然后用Stimulus/New添加CLR信号，根据提示进行设置后再按照要求修改好CLR信号（见下图），保存并退出StmEd窗口。

CLK参数的设计如下图所示。

（3）按图4.3设置瞬态分析参数

（4）保存后启动Pspice程序进行仿真，进入Probe窗口后添加CLK:

OUTCLR:

OUT、D：

OUT、Q3Q2Q1Q0波形，并用Q[3:

0]以总线方式显示Q3Q2Q1Q0的输出；要用16进制、10进制和8进制总线形式显示输出波形，则可在TraceExpression中输入{Q[3:

0]};QBusHex;H{Q[3:

0]};QBusDec;D{Q[3:

0]};QBusOct;O即可。

将输出波形复制到实验报告。

2、石英晶体振荡器

对下图所示石英晶体振荡器电路进行混合模拟分析，观察V（C1:

1）、V（R1：

1）、V（U1A：

A）、VO等波形。

操作步骤

（1）绘制石英振荡器电路图：

QZS1MEG在XTAL库中选，电阻、电容在ANALOG库中，其他元器件在7400库中。

（2）按图4.5与图4.6所示设置瞬态分析参数。

（3）保存后启动Pspice程序进行仿真，将需要的输出波形复制到实验报告中，并进行简单分析。

（注意：

V（U1A：

1）和V（C1：

1）波形用两坐标轴显示，二者坐标范围设置为0V~4V，将两波形分开显示；同时也要仿真VO波形）。

三、实验报告要求

1、打印移位寄存器模拟得到的输入、输出波形。

2、打印石英晶体振荡电路及按要求显示的有关波形。

实验五综合应用实验

一、实验目的

巩固模拟电路的各种分析方法、电路图修改及分析参数的设置

二、实验内容及要求

（1）画出如下电路图

其中R8为滑动变阻器POT，在Breakout.olb库中。

（2）AC分析和噪声分析

AC分析：

参数设置，起始频率1Hz，终止频率10MEG，频点个数为100。

给出V（OUT）的波形。

噪声分析：

参数设置，Output：

V（OUT），I/V：

V3，Interval：

5.给出输出/输入噪声（V（ONOISE）/V（INOISE））~频率曲线（用2个Y坐标显示，输入噪声的Y坐标采用对数表示）。

（3）瞬态分析和傅里叶分析

瞬态分析：

将V1换成VSIN，设置成等幅正弦波（Voff=0V，Vampl=3V，f=1KHz）；R3与接地之间接VSIN（Voff=0V，Vampl=1V，f=50Hz）分析参数设置：

运行时间为100ms，从0s开始保存数据。

给出V（OUT1）和V（OUT）的波形。

傅里叶分析：

对V（OUT）进行傅里叶分析，中心频率为1kHz。

（4）温度分析

温度设置为-15℃、27℃、180℃。

给出温度分析的频率响应。

（5）参数扫描及性能分析

将R1设置成全局参数R，扫描类型：

Linear，变化范围：

500~1500Ω，步长为100Ω。

给出R1为500Ω，1000Ω，1500Ω的V（OUT）波形，Max（V（OUT））~R和Max（VDB（OUT））~R曲线（用两个Y坐标）。

（6）MC分析

R1、R2采用同一模型参数：

modelRmodeRES（R=1LOT=10%DEV=5%），分析设置：

①AC扫描分析：

1Hz~10MEG，100Point/Decade；②MC分析：

输出变量V（OUT），对组装20套电路进行MC分析，参数变化规律：

高斯分布，随机种子数：

17533（内定），Savedata：

ALL，分析结果统计方式：

thegreatestdifferencefromthenominalrun（YMA