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Pspice教程


1 PSPICE 软件的简介与使用
1.1 PSPICE 的发展与现状
根据实际电路(或系统)建立模型,通过对模型的计算机分析、研究和试验 以达到研制和开发实际电路(或系统)的目的,这一过程,称为计算机仿真 (Simulation)的高效、高精度、高经济性和高可靠性,因此倍受业界喜爱。在 设计或分析各类开关电源时,计算机仿真起了重要的作用。数字仿真手段可用以

检验设计的系统是否满足性能要求。应用数字仿真可以减少电路实验的工作,与 电路实验相比,计算机仿真所需时间要少得多,并可以更全面、更完整地进行,以 期改进设计质量。目前流行的许多著名软件如 PSpice、Icape 等,它们各自都有 其本身的特点。而随着 Windows 的全面普及,PSpice 推出了 Windows 版本,用 户不用象 DOS 版那样输入数据网表文件,而是图形化,只需选择相应的元器件的 图标代号, 然后使用线连接就可以自动生成数据网表文件,整个过程变得直观简 单。因此它已广泛应用于电力电子电路(或系统)的分析中。 用于模拟电路仿真的 SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)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 的正式实用版 SPICE 2G 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,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。 PSPICE 则是由美国 Microsim 公司在 SPICE 2G 版本的基础上升级并用于 PC 机上的 SPICE 版本,其中采用自由格式语言的 5.0 版本自 80 年代以来在我国得 到广泛应用,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。 目前, ORCAD 公司已正式推出了 ORCAD PSPICE Release 9.0,与传统的 SPICE 软件相比,PSPICE 9.0 在三大方面实现 了重大变革:首先,在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的 基础上, 实现了蒙特卡罗分析、 最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特

性分析;第二,不但能够对模拟电路进行,而且能够对数字电路、数/模混合电 路进行仿真;第三,集成度大大提高,电路图绘制完成后可直接进行电路仿真, 并且可以随时分析观察仿真结果。 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。与印制版设计软件 配合使用, 还可实现电子设计自动化。被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软 件,具有广阔的应用前景。

1.2 PSPICE 的组成和应用范围
一、 PSpice 的组成 以 PSpice for Windows 为例,它是一个名为 MicroSim Eval 8.0 的软件包。 该软件包主要包括 Schematics、PSpice、Probe、Stmed(Stimulus Editor) 、 Parts、PSpice Optimizer 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 PSpice Optimizer 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. PSpice Optimizer 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。 二、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(Bias Point Detail) ,进行直流扫描(DC Sweep)与交流扫描(AC Sweep) ,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。 所谓电路优化设计, 是指在电路的性能已经基本满足设计功能和指标的基础 上,为了使得电路的某些性能更为理想,在一定的约束条件下,对电路的某些参 数进行调整,直到电路的性能达到要求为止。 调用 PSpice Optimizer 模块对电路进行优化设计的基本条件如下: (1)电路已经通过了 PSpice 的模拟,相当于电路除了某些性能不够理想外, 已经具备了所要求的基本功能,没有其他大的问题。 (2)电路中至少有一个元器件为可变的值, 并且其值的变化与优化设计的目标 性能有关。在优化时,一定要将约束条件(如功耗)和目标参数(如延迟时间) 用节点电压和支路电流信号表示。 (3)存在一定的算法, 使得优化设计的性能能够成为以电路中的某些参数为变 量的函数,这样 PSpice 才能够通过对参数变化进行分析来达到衡量性能好坏的 目的。 当电路的功能已经大致完成,但仍需要对一些指标进行优化,这时调用 PSpice Optimizer 来完成优化过程是相当方便的。如果用户能够观察出具体是 什么因素影响了电路的某项性能,从而知道调节哪些参数可使该性能更加理想; 那么,应用 PSpice Optimizer 对该电路进行调整也是完全合适的。需要强调的 是,PSpice Optimizer 的自动化设计程度也是相对的,如果所设计的电路距离 它的基本功能还相差甚远的话,用 PSpice Optimizer 来进行优化设计是很难达

到理想效果的。同时它不能创建电路,不能对电路中的敏感元素进行优化设计。 2. PSpice 的分析功能主要体现在以下几方面: (1)直流分析。 (2)交流扫描分析(AC Sweep) 。 (3)瞬态分析(Transient) 。 (4)蒙特卡罗分析(Monte Carlo)和最坏情况分析(Worst Case) 。 (5)温度特性分析(Temperature)和数字电路分析(Digital Setup) 。 分析功能在以后章节会进一步做更详细的介绍。

1.3 PSPICE 软件的使用
1.3.1 Schematics 功能简介
PSPICE 利用软件包内 Schematics 程序提供电路图形编辑环境.双击 PSPICE 程序组的 Schematics 进入编辑环境,如图 1.1 所示.

图 1.1 实验电路编辑

在电路编辑窗口上方有 11 个下拉式菜单,单击不同的菜单,会弹出各自的 子菜单,单击相应的子命令,可以完成编辑电路,设置分析电路的类型和运行仿真 程序,观测仿真结果等工作. 除了下拉菜单方式选取命令以外, Schematics 还提供一种图标工具栏的快 捷方式选取命令 . 这种方式可以通过在 View 下拉菜单的 Toolbar 命令中设 置.Toolbar 将所有命令分为四组图标工具栏,即标准工具栏,绘制电路图工具栏, 仿真计算工具栏和注释画图工具栏 .单击图表式工具栏内相应的图标,可以完成

与下拉式菜单中某些选项相同的工作. 标准工具栏中各图标所表示的命令含义与通用的 Windows 程序具有相同的 意义,这里不再赘述. 注释画图工具栏提供绘制及插入非电气性质图标的快捷方式,各图表所代 表的命令列于表 1.1 中.
表 1.1 注释画图工具栏 图标 名称 弧线 矩形框 圆 折线 文本 文本框 图片 功能 在编辑区画弧线 在编辑区画矩形框 在编辑区画圆 在编辑区画折线 在编辑区写入文本 在编辑区画文本框 在编辑区插入图片

绘制电路图工具栏,提供提取电路元件,绘制编辑电路图的快捷方式,各图标 所代表的命令列于表 2.2 中.
表 2.2 绘制电路图工具栏 图标 名称 线 总线 元件框 取新元件 取元件 元件属性 元件符号 功能 画元件的连接导线 画电子模块间的数据线 画电子模块外框 提取新元件 从最近提取的元件列表框中提取元件 定义,修改元件的属性 创建,修改元件符号

仿真计算工具栏,提供设置分析类型,运行仿真程序,观察输出结果等快捷方 式,各图标所代表的命令列于表 1.3 中.
表 1.3 仿真计算工具栏

图 标

名称

功能

设置分析类 型 仿真运算 标识颜色 节点电压标 识符 电流标识符

在激活 Schematics 窗口的情况下,设置分析类型

开始仿真运算当前已编辑完的电路 在下拉菜单中,选定当前标识的颜色 放置节点电压标识符于仿真电路的节点上,在 Probe 运行后,给出该节 点电压的波形曲线 放置电流标识符于仿真电路的支路上,在 Probe 运行后,给出该支路电 流的波形曲线

显示电压 显示电流

显示偏置电压 显示偏置电流

1.3.2 电路图的绘制
先开启[Schematic],点选[Draw/Get New Part],或单击工具栏上的取元件图 标,即可打开如图 1.2 对话框。该对话框列出了全局符号库中的所有符号。可以 在 Part Name 文本框中键入需要的元件符号,对于不熟悉的元件也可以通过符号 名列表的滚动条浏览。单击[Advanced>>]按钮可以选择是否显示符号图形。

图 1.2 基本元件浏览对话框

找到所需的电路符号后,单击该符号,则该符号的名称便显示在 Part Name 文本框中,同时 Description 文本框中出现一行文字,说明该符号的含义。单击 [Place]键可取出元件但不关闭对话框; 单击[Place&Close]键取出并关闭对话框; 也可双击符号名列表中某一符号将其取出。 取出电路符号后,鼠标将自动指向符号的某一个端子,连成电路后,这个端 子代表符号的正节点,因此这个端子又称为符号的正端子。水平摆放时,通常使 正端子在左侧; 垂直时, 在上。 因此, 在摆放符号前通常需将符号旋转一个角度。 在执行[Edit/Rotate]菜单命令或[Ctrl+R]可以将符号逆时针旋转 90 度,执行 [Edit/Flip]菜单命令或[Ctrl+F]可将其沿垂直方向对折。 取出符号后,单击绘图工作区中的某一点,按一下鼠标左键,符号将沿该点 摆放一次。可多次摆放,单击右键结束。 摆好后,选中相应的符号(为红色)可对其进行各种操作,如拖动、删除、 拷贝及旋转等,也可同时选择多个符号(按住[Shift]键) 。 PSpice 有两种连线方式:水平和垂直折线连接,斜线连接。采用哪种方式

取决于直角连线开关的设置情况。 (1)利用连线工具[Draw Wire]画导线。 (2)点选画线工具后,即可看到一个铅笔状的指示。将画笔移到起始端, 按鼠标左键,开始引线,要转弯时可按以下鼠标左键,画笔移到终点后在按以下 鼠标左键,完成接线。继续画线,直到全部完成后,按鼠标右键结束画线。 (3)你可和双击如何一段导线,即会出现 LABEL 的对话框,可以给这条线 段一个名称。在模拟后很有用。 (4)及时保存电路图。 标识元件符号,输入元件参数值:当从元件库中选取元件到电路图编辑区 时,各元件都有一个默认的元件标识符号.双击默认的元件标识符号,弹出元件符 号的属性对话框,可以改变对话框内默认的元件符号为自定义的元件符号. 根据电路分析需要,在图中加入特殊用途符号和注释文字。 把上述的几步工作都做完之后就可以把编辑好的电路图起名存盘了。

1.3.3 Analysis 菜单分析
Analysis 是 Schematics 的一个重要的下拉式菜单,通过它可实现对所编辑 的电路进行电路规则检查 ,创建网表和设置电路分析的类型 ,调用仿真运算程序 和输出图形后处理程序等. 1.电路规则检查(Electrical Rule Check) 检查当前编辑完成的电路是否违反电路规则,如悬浮的节点,重复的编号等. 若无错误,在编辑窗口下方显示”REC complete”的字样;如发现错误,则弹出错 误表,给出错误信息,需要重新修改编辑电路,检查电路. 2.设置电路分析类型 这是仿真运算前最重要的一项工作,它包含有很多的内容.单击 Setup 会弹 出对话框如图 1.3 所示.在这里我们只介绍与电路仿真实验有关的四项.

图 1.3 Setup 对话框

AC Sweep 设置项 AC Sweep 设置当前电路为交流扫描分析,点击 AC Sweep 设置项前面的选择 框,框中显示已经选中,单击 AC Sweep 设置项,可以弹出交流扫描分析的详细设置 对话框.其中 AC Sweep Type 提供了三种不同的 AC 扫描方式,选中 Linear 表示线 形扫描.Sweep Parameters 要求设置扫描参数.Total Pts 表示扫描点数.Start Freq, End Fred 分别表示交流分析的开始频率和结束频率,单位缺省为”Hz”. 在进行单频率正弦稳态分析时, Start Freq 和 End Fred 需要设置为同一个频率, 扫描点数设置为 1. DC Sweep 设置项 DC Sweep 设置当前电路为直流扫描分析.表示在一定范围内,对电压源,电流 源,模型参数等进行扫描.单击 DC Sweep 可以弹出直流扫描分析的详细设置对话 框 . 其中 Swept Var.Type 要求选定扫描变量类型 .Name 要求输入扫描变量 名.Sweep Type 为扫描方式,选中 Linear 表示线性扫描.Start Value 表示扫描变 量开始值.End Value 表示扫描变量结束值.Increment 对应线性扫描时扫描变量 的增量. Parametic 设置项 Parametic 设置参数扫描分析 , 给出参数变化对电路特性的影响 . 单击 Parametic 弹出参数扫描分析设置的对话框,其设置与直流扫描分析的设置相类 似,这里不再赘述. Transient 设置项 Transient 设置当前电路为动态扫描分析和傅立叶分析.单击 Transient 弹

出此类分析设置的对话框.对于动态分析的设置是打印步长 Print Step,动态分 析结束时间 Final Time,打印输出的开始时间 No-Print Delay 等.对于傅立叶分 析有设置傅立叶分析 Enable Fourier, 基频设置 Center Frequency, 谐波项数 Number of harmonics,输出变量 Output Vars 等项. 3.调用仿真运算程序和输出图形后处理程序 单击 Simulate 或相对应的图标,开始执行对当前电路图的仿真计算.如果在 此之前没有做电路规则检查,创建网表,则在调用 Simulate 后,将自动进行这些 分析创建工作.如果分析中遇到错误,则自动停止分析,给出当前错误信息,或提 示查看输出文件. 调用输出图形后处理程序,可以采用两种方式.一种是仿真程序运行完毕后, 自 动 进 行 图 形 后 处 理 , 通 过 单 击 Analysis-Probe Setup 弹 出 对 话 框 , 设 定 Automatically run Probe after Simulation 实现.另一种方式是在 Probe Setup 对话框中设定 Do not Auto-Prol,仿真计算结束后,通过单击 Run Probe 进行图 形后处理工作.

1.3.4 输出方式的设置
PCPICE 仿真程序的输出有两种形式 :离散形式的数值输出和图形方式的波 形输出.有两种设置输出的方式 :一种是在电路图编辑的同时 ,设定输出标记;另 一种是在运行完仿真计算程序后,调用 Probe 图形后处理程序,确定输出某些电 路量的波形. 1.数值输出 设置直流电路量的输出,可以在库文件 Special.slb 中取出 IPROB 电流表, 将其串联到待测电流的支路中;取出 VIEWPOINT 节点电位标识符,将其放置在待 测节点电位的节点处.当仿真程序运行后,电流表旁即出现该支路的电流值,节点 电位标识符上方显示该节点的电位值.如观察电路中所有节点的电位和支路电流, 最简洁的方法是单击仿真计算工具栏内的 V 和 I 图标.图标按下时,显示电位或电 流的数值,单击所显示的数值,将在电路图中明确对应的节点或支路电流的实际 方向.图标抬起时,显示的数据消失. 设置交流稳态电路和动态电路数据形式的输出,必须在仿真计算之前完成. 可以从库文件 Special.slb 中取出具有不同功能的打字机标识符.如 VPRINT1 标

识符用于获取节点电位,需将其放置到待测节点上;VPRINT2 标识符用于获取支 路电压,需与待测支路并联;IPRINT 用于获取支路电流,需与待测支路串联.按如 上不同功能,设置不同的输出标识符,确定各标识符的输出属性.当仿真程序运行 后,单击 Analysis-Examine Output 命令,即可获取数据形式的输出文件. 2.图形形式的输出 图形形式的输出是由 Probe 图形后处理程序实现的.有两种设定输出的方式. 一种是在编辑电路的同时,单击仿真计算工具栏内的电压图标在相应的节点设定 节点电压标识,单击电流图标设置元件端子电流标识,也可以单击 Markers 下拉 菜单设置支路电压标识符一旦调用 Probe 程序,凡设置了标识的电压,电流.均给 出相应的波形输出.另一种是在调用 Probe 程序,进入其图形输出编辑环境以后, 单击相应图标弹出添加仿真曲线对话框.该对话框中的左边是仿真输出列表框 , 右边是对输出变量可进行各种运算的运算符列表框.选中要输出的仿真波形的变 量,或适当的计算,单击 OK 键,就可以显示出所选中变量或经过设定运算的输出 波形.

1.3.5 PSPICE 的几种分析
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(Bias Point Detail) ;直流小信号传递函数值 分析(Transfer Function);直流扫描分析(DC Sweep);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(AC Sweep): 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(Monte Carlo)和最坏情况分析(Worst Case) : 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(Digital Setup) 。

1.3.6 PSPICE 电路仿真讲解与实例
例:如图 2.4 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。

1. 目的:通过本例的介绍,了解如何运用 PSpice 软件绘制电路图,初步掌 握符号参数、分析类型的设置,并会从 Probe 窗口看输出结果。 2.实验步骤: (一) 、绘制电路原理图

图 1.4 例题电路原理图

1. 从符号库中提取元器件符号或端口符号先开启 [Schematic], 点选 [Draw/Get New Part],或单击工具栏上的取元件图标,即可打开取元件对话框。 该对话框列出了全局符号库中的所有符号。可以在 Part Name 文本框中键入需要 的元件符号,对于不熟悉的元件也可以通过符号名列表的滚动条浏览。单击 [<<Basic]按钮可以选择是否显示符号图形。 找到所需的电路符号后,单击该符号,则该符号的名称便显示在 Part Name 文本框中,同时 Description 文本框中出现一行文字,说明该符号的含义。单击 [Place]键可取出元件但不关闭对话框; 单击[Place&Close]键取出并关闭对话框; 也可双击符号名列表中某一符号将其取出。 在本例中不仅需要取出三个电阻、两个直流电压源和一个接地端,还要取出 符号 PARAM 将电阻的阻值定义为全局变量, 因本例是一个以电阻阻值为扫描变量 的例子。 2.摆放元件 (1)摆放前 取出电路符号后,鼠标将自动指向符号的某一个端子,连成电路后,这个端 子代表符号的正节点,因此这个端子又称为符号的正端子。水平摆放时,通常使 正端子在左侧; 垂直时, 在上。 因此, 在摆放符号前通常需将符号旋转一个角度。 在执行[Edit/Rotate]菜单命令或[Ctrl+R]可以将符号逆时针旋转 90 度,执行

[Edit/Flip]菜单命令或[Ctrl+F]可将其沿垂直方向对折。 (2)摆放符号 取出符号后,单击绘图工作区中的某一点,按一下鼠标左键,符号将沿该点 摆放一次。可多次摆放,单击右键结束。 (3)摆放后 摆好后,选中相应的符号(为红色)可对其进行各种操作,如拖动、删除、 拷贝及旋转等,也可同时选择多个符号(按住[Shift]键) 。 3.连线 PSpice 有两种连线方式:水平和垂直折线连接,斜线连接。采用哪种方式 取决于直角连线开关的设置情况。 (1)利用连线工具[Draw Wire]画导线。 (2)点选画线工具后,即可看到一个铅笔状的指示。将画笔移到起始端, 按鼠标左键,开始引线,要转弯时可按以下鼠标左键,画笔移到终点后在按以下 鼠标左键,完成接线。继续画线,直到全部完成后,按鼠标右键结束画线。 (3)你可以双击任何一段导线,即会出现 LABEL 的对话框,可以给这条线 段一个名称。在模拟后很有用。 (4)及时保存电路图。 4.定义或修改元器件符号及导线属性 下面以 R1 为例,介绍两种修改符号属性值的方法。 方法一:利用电阻 R1 的属性表修改其值。 (1)双击 R1 符号,打开 R1 属性表,如图所示。

图 1.5 电阻 R1 的属性表

(2)单击属性项 VALUE=1K, 属性名 VALUE 和值 1K 分别出现在 Name 和 Value 文本框中。 (3)将 Value 文本框中 1K 改为 100,并单击[Save Attr],保存新属性。 单击[OK]确认退出。 方法二:单独修改 R1 的各属性值。 (1)单击 R1 的编号 R1,打开图 2.6 所示符号参考编号对话框。 (2)将对话框中的 R1 改为修改的编号,并按[OK]。 (3)用同样的方法,双击电阻 R1 的阻值 1K,可以将阻值改为 100。 按上述方法修改其他符号。在修改 PARAM 的属性表中,代表 Rl 阻值的变量 名 var 定义为 PARAM 的一个参数名,即 NAME1=var,阻值定义为 1k 的相应参数 值,即 VALUE1=1k。一个 PARAM 符号最多可以定义三个全局变量。

图 1.6 符号参考编号对话框

定义各符号的参数后,最终的电路图如前所示。在电路中,电阻的阻值是变 化的,注意要将变量名 var 加大括号。 5.根据电路分析需要,在图中加入特殊用途符号和注释文字。 6.起名存盘。 (二) 、设定要模拟的内容 1. 执行[Analysis/Setup]菜单命令, 进入分析类型对话框.本例是一个以电 阻的阻值为扫描变量的例子, 所以要用到 DC Sweep。 进入 DC Sweep 设置窗口后, 选 Global Parameter(全局参数)和 Linear(线性扫描) ,在 Name 文本框后第 一格内写入全局参数名 var,将 Start Value(扫描初长)设为 1,End Value(扫 描终值)设为 1k,Increment(扫描步长)设为 10。单击[OK]

结束操作。

图 1.7 分析类型对话框

(三) 、执行模拟(仿真计算) 当一切设置完之后,便可以启动分析程序[PSpice]对电路进行分析。选择 Analysis=>Simulate,或单击常用工具栏中相应的按钮,或按快捷键 F11,可以 启动(自动建立电路网络表(Analysis=>Create Netlist),自动进行电路检查 (Analysis=>Electrical Rule Check) ) 。 在分析过程中,会显示其运行窗口。如在电路中发现错误,会在运行中用红 色文字显示。选择 Analysis=>Examine Output 可查看错误原因。 若在 Analysis=>Probe Setup...中选定 Automatically Run Probe After Simulation,在分析无误后自动进入 Probe 图形后处理器,显示观察波形。 (四) 、显示波形 Probe 是 PSpice 对分析结果进行波形处理、显示和打印的有效工具,Probe 可以给出波形各点的精确数据, 可以迅速找到波形的极大、极小值点及其他特殊 点,给波形加标注,按所需添加坐标设置,还可以保存波形显示屏幕等。它有被 称为“软件示波器” 。 有两种方法启动 Probe 程序: (1)在[Schematics]中,Analysis=>Probe Setup => Auto-run Option 设 置为 Automatically?时,选择 Analysis=>Simulate 进行仿真分析后会自动调 用 Probe 程序;

(2)在[Schematics]中,选择 Analysis=>Run Probe。 有两种方法可以查看变量波形: (1)利用 Probe 中的波形跟踪命令 Add Trace 输入待观测的变量名或变量 的函数名来查看。在 Probe 窗口,选择 Trace=>Add,可以打开波形跟踪对话框。 单击变量名列表中的某变量名, 使该变量名出现在 Trace Command 中, 单击[OK], 该变量的波形将出现在窗口中; (2)在电路中加各输出标识来查看。在[Schematics]中,可以取出电压观 测标识, 将其加在电路的某节点上,在分析结束后在 Probe 窗口会显示该节点电 压波形。

图 1.8 Probe 图形窗口输出的图形

在本例中结束分析程序后, 将自动进入 Probe 窗口显示结果如图所示。由图 我们可以看出当 R1 的阻值变化时其电压的变化曲线。 点选[Tools/Cursor...]可以打开游标工具,可以读曲线上的值,即各电阻 值所对应的电压值。游标有两个,一个是由较密的点构成的十字线,另一个点较 疏。此外它还可以找最大/最小值,最大斜率点。 对于一个电路设计而言,在还没有建立起硬件电路之前,PSPICE 可以帮 助我们运行和分析我们的电路设计 ,从而帮助我们发现电路的设计是否合理 ,是 否需要变更,最终得到一个合理优化的电路设计 .它就象一块带有各种元件的软 件面包板,在上面可以搭接各种电路,并且可以调试和测试这些电路,最奇妙的是 做这些工作我们无须接触任何硬件,这样为我们节省了大量的时间和资金.

2 几种电路的仿真分析
2.1 直流电路的仿真分析
1.实验目的 了解电路计算机仿真软件 PSPICE 的工作流程,学会用 PSPICE 编辑电路,设置 分析类型和分析输出方式,进行电路的仿真分析. 2.实验任务 (1)应用 PSPICE 求解如图电路各节点电压和支路电流. (2)在 0-12V 范围内,调节电压源 V1 的源电压,观察负载电阻 RL 的电流变化, 总结负载电阻的电流与电压源 V1 之间的关系.

图 2.1 电路原理图

3.实验步骤 (1)如图所示,在 PSPICE 的 Schematics 环境下编辑电路.取出元件,摆放到合 适的位置,画导线连接电路,注意电压源,电流源的正负极不能放反,电路图连接 完毕,再给每个元件输入各自的名字和参数,输入方法在上一节中有详细介绍.注 意:每一个电路图中都必须设置接地符表示零节点.编辑完电路图后取名存盘. (2)单击 Analysis—Electrical Rule Check 对电路做电路规则检查.常见的 错误有:节点重复编号,元件名称属性重复,出现零电阻回路,有悬浮节点和无零 参考点等 .若出现电路规则错误 ,将给出错误信息,并告知不能成功创建电路网 表.如果出现错误,则需要重新修改编辑电路,重新进行电路规则检测,直到没有 错误为止,然后就可以进行仿真计算工作了.

(3)单击 Analysis—Simulate 或仿真运算的图标,调用 PspiceA/D 程序对当 前电路仿真计算.仿真中,观察各节点的电压,可单击仿真计算工具栏中显示电压 的图标,观察各支路电流,可单击仿真计算工具栏中显示电流的图标.点击显示电 压,显示电流的图标后,各节电电压,支路电流就会显示在电路图中.单击电路图 中显示的电压,就会在电路图上显示出是哪个节点上的电压 ,单击电路图上显示 的电流,就会显示出是哪段支路上的电流,并且指明电流的方向. (4)为了完成实验要求的任务,还需要对所编辑的电路做直流分析设置.关于 设置直流扫描分析的具体内容 ,上一章有详细的介绍.设置直流扫描分析类型如 图 2.2 所示.其中扫描变量为电压源,扫描变量名为 V1,起始扫描点为 0,终止扫描 点为 12,扫描变量增量为 1,扫描类型为线形.

图 2.2 DC 扫描设置

图 2.3 放置输出标识

(5)设置输出方式.单击支路电流标识符,并拖动到如图电路的 RL 支路,以获 取支路电流与电压源的关系曲线.从 SPECIAL 库取 IPRINT 打印机与 RL 串联,以获 取支路电流与电压源关系的数值输出.其中 IPRINT 的属性设置中设置 DC=I(RL), 其余属性缺省不设.输出设置如上图. (6)设置仿真计算完成后,将自动调用图形后处理程序,运行仿真程序,输出 波形如图所示.

图 2.4 Probe 图形窗口输出的图形

数值输出为:

仿真计算结果分析:负载 RL 的电流与电压源 V1 的关系为线形关系: I(RL)=1.5+1.2*V1/12 最大电流为 3.0A,最小电流为 1.5A.

2.2 一阶动态电路的仿真分析
1.实验目的 (1)掌握应用 PSPICE 编辑动态电路,设置动态元件的初始条件,设置周期激 励的属性及对动态电路防真分析的方法. (2)理解一阶 RC 电路在方波激励下逐步实现稳态充放电的过程. 2.实验任务 分析如图 PC 串联电路在方波激励下的全响应.

图 2.5 实验原理电路图

3.实验步骤 (1)如图 2.5 所示,在 PSPICE 的 Schematics 环境下编辑电路.取出元件,摆放 到合适的位置,画导线连接电路,电路图连接完毕,再给每个元件输入各自的名字 和参数.其中方波电源是在 Source.slb 库中的 VPULSE 电源.对 VPULSE 的属性设 置如图 2.6 所示.各属性的意义列于表中.
表 3.1 方波电源属性意义 V1 V2 TD TR TF PW PER 方波低电平 方波高电平 第一方波上升时间 方波上升沿时间 方波下降沿时间 方波高电平宽度 方波周期

图 2.6 VPULSE 的属性设置

编辑完电路图后取名存盘. (2)单击 Analysis—Electrical Rule Check 对电路做电路规则检查.注意有 无悬浮节点和零参考点等 .如果出现错误,则重新修改编辑电路 ,重新进行电路 规则检查,直到没有错误为止,然后就可以进行下一步工作了.

(3)单击 Analysis—Setup 对所编辑的电路进行动态扫描分析.关于动态扫 描分析的具体内容上一章有介绍, 对于动态分析的设置是打印步长 Print Step, 动态分析结束时间 Final Time,打印输出的开始时间 No-Print Delay 等.在这个 实验中,设置打印步长 Print Step 为 2ms, 动态分析结束时间 Final Time 为 40ms. (4)设置输出方式:为了观察电容电压的充放电过程与方波激励的关系,设置 两个节点电压标识符以获取方波激励和电容电压的波形 , 设置打印电压标识符 VPRINT 以获取电容电压的数值输出. (5)设置仿真计算完成后,将自动调用图形后处理程序,运行仿真程序,输出 波形如图所示.

图 2.7 Probe 图形窗口输出的图形

从输出波形可见,电容的工作过程是连续的充放电过程,开始电容放电,达到 最小值,当第一个方波脉冲开始以后,经历了一个逐渐的”爬坡过程”,最后输出 成稳定的状态,产生一个近似的三角波.其最大值为 4.450V,最小值为 2.550V.

2.3 二阶动态电路的仿真分析
1.实验目的 进一步学习在 PSpice 仿真软件中绘制电路图,应用 PSPICE 编辑动态电路, 掌握激励符号的参数配置、 分析类型的设置以及对动态电路进行仿真分析的方法。 2.实验任务 仿真如图 2.8 的二阶电路,观察 RLC 串联电路的方波响应, 其中 f=1KHz, R=5K Ω ,L=10mH,C=0.022uF。改变电阻 R 值,观察电路在欠阻尼、过阻尼和临界阻 尼时 Uc 波形的变化。

图 2.8 实验原理电路图

3.实验步骤 (1)如图所示电路,在 PSPICE 的 Schematics 环境下编辑电路. 取出电阻 R1、 电感 L1、 电容 C1、 接地端 EGND、 PARAM 符号以及信号源 V1 为脉冲型电压源 VPULSE。 把元件放在所需位置, 画导线连接电路,电路图连接完毕,再给每个元件输入各自 的名字和参数. 其中脉冲型电压源 VPULSE 的参数为 V1(起始电压)为 0V,V2 (峰值电压)为 5V,TR(上升时间)为 1uS,TF(下降时间)为 1uS,PW(脉冲 宽度)为 500uS,PER(周期)为 1mS。为了观察 V1 及 C1 的波形,要设置两个节 点电压标识符指向 V1 及 C1。然后将编辑好的电路起名存盘。 (2)Analysis—Electrical Rule Check 对电路做电路规则检查.注意有无悬 浮节点和零参考点等 .如果出现错误,则重新修改编辑电路 ,重新进行电路规则 检查,直到没有错误为止,然后就可以进行下一步工作了. (3)单击 Analysis—Setup 对所编辑的电路进行分析类型的设置. 在本例中, 要进行时域分析即瞬态分析( Transient )和参数扫描分析( Parametric) 。在 Transient 设置中,将其打印步长 Print Step 设为 20ns,动态分析结束时间 Final Time 设为 1ms。在 Parametric 中,扫描变量仍为全局变量 var,可以选择线性 扫描,线性扫描的起点设为 1P,终点为 5K,步长为 500. (4)设置仿真计算完成后,将自动调用图形后处理程序,运行仿真程序,输出 波形如图所示. 可以观测到电路在欠阻尼、 过阻尼和临界阻尼时 Uc 波形的变化。

图 2.9 Probe 图形窗口输出的图形

2.4 正弦稳态电路的仿真分析
1.实验目的 掌握应用 PSPICE 编辑正弦稳态电流电路,设置分析类型以及有关仿真实验 的方法. 2.实验任务 实验电路如图 2.10,其中 V1 是一个可调频,调幅的正弦电压源,该电源经过 一个双口网络,带动 RC 并联负载.观察当电源的幅值和频率为多少时,负载可以 获得最大值为 5V 的电压.

图 2.10 实验原理电路图

3.实验步骤 (1)如图所示,在 PSPICE 的 Schematics 环境下编辑电路.取出元件,摆放到合 适的位置,画导线连接电路,电路图连接完毕,再给每个元件分别赋值.先设电源 电压的幅值为 1V.为了观察实验结果的数值输出和波形,还要在双口网络的上端 口设置 VPRINT1,在电容的上方节点设置电压标识符. (2)单击 Analysis—Electrical Rule Check 对电路做电路规则检查.注意有

无悬浮节点和零参考点等 .如果出现错误,则重新修改编辑电路 ,重新进行电路 规则检查,直到没有错误为止,然后就可以进行下一步工作了. (3)单击 Analysis—Setup 对所编辑的电路进行分析类型的设置. 在本例中, 可以设置当前电路为交流扫描分析.设置为线形扫描,扫描点数为 30,开始频率 为 30Hz,结束频率为 150Hz.设置完成,可以对编辑的电路进行仿真计算了. (4)设置仿真计算完成后,将自动调用图形后处理程序,运行仿真程序,输出 波形如图所示.

图 2.11 Probe 图形窗口输出的图形

Probe 工具栏内有一组用于曲线分析的图标.利用它们分析负载电压的输出 曲线,可以得到在频率为 80Hz 时,负载获得最大电压,电压值为 285.714mv. (5)根据齐性定理,将电压源的幅值扩大 5V/285.714mv=17.50 倍,即设置电 源电压值为 17.50V,可在负载获得幅值为 5V 的最大电压.此时,负载输出电压与 频率关系如下图.

图 2.12 Probe 图形窗口输出的图形

2.5 谐振电路的仿真分析
1.实验目的 掌握应用 PSPICE 仿真研究电路频率特性和谐振现象的方法.理解谐振电路

的选频特性与通带宽的关系,了解耦合谐振增加带宽的原理. 2.实验任务 测试如图 RLC 串联电路的幅频特性,确定其通带宽,如果通带宽小于 40kHz, 试采用耦合谐振的方式改进电路,使其通带宽满足设计要求.

图 2.13 实验原理电路图

3.实验步骤 (1)如图 2.13 所示,在 PSPICE 的 Schematics 环境下编辑电路.取出元件,摆 放到合适的位置,画导线连接电路,电路图连接完毕,再给每个元件分别赋值. 为 了观察实验结果的输出波形,还要在电路中设置支路电流标识符. (2)单击 Analysis—Electrical Rule Check 对电路做电路规则检查.注意有 无悬浮节点和零参考点等 .如果出现错误,则重新修改编辑电路 ,重新进行电路 规则检查,直到没有错误为止,然后就可以进行下一步工作了. (3)单击 Analysis—Setup 对所编辑的电路进行分析类型的设置. 本例可以 设置当前电路为交流扫描分析 . 设置为线形扫描 , 扫描点数为 100, 开始频率为 450kHz,结束频率为 1500kHz.设置完成,可以对编辑的电路进行仿真计算了. (4)设置仿真计算完成后,将自动调用图形后处理程序,运行仿真程序,输出 波形如图所示.

图 2.14 Probe 图形窗口输出的图形

由上图可以知道,电路的谐振频率为 1MHz,通带宽小于 40kHz,不满足设计要 求.改进后的电路如下图所示.

图 2.15 改进后的电路图

(5) 按 照 上 述 步 骤 连 接 电 路 , 其 中 耦 合 电 感 的 参 数 设 置 为 :L1=100uH, L2=100uH,耦合系数 COUPLE=0.022. 然后进行电路规则检查 ,再对编辑好的电路 进行仿真计算,自动调用图形后处理程序,可以得到如下的波形.

图 2.16 Probe 图形窗口输出的图形

分析测试的输出曲线可以得出 , 所设计的耦合谐振电路的谐振频率仍然为 1MHz,可是通带宽确增加到 40kHz 以上,满足了设计的要求.

2.6 含有运放的直流电路的仿真分析
1.实验目的 掌握应用 PSPICE 软件编辑含有运放电路的方法,根据实验要求,设置分析类 型和分析输出方式,进行电路的仿真分析. 2.实验任务 (1)应用 PSPICE 求解如图电路中 R1,R2 的电流和运放的输出电压. (2)在 0-4V 范围内,调节电压源 V1 的源电压,观察运放输出电压 Vn2 的变 化,总结运放输出电压 Vn2 与源电压 V1 之间的关系.确定该电路电压比(Vn2/Us) 的线形工作区.

图 2.17 实验原理电路图

3.实验步骤 (1)如图所示,在 PSPICE 的 Schematics 环境下编辑电路.取出元件,摆放到 合适的位置,画导线连接电路,电路图连接完毕,再给每个元件分别赋值 .其中运 放在 Analog.slb 库中选取 LF411.注意维持运放正常工作所需要的两个偏置电源 的正负极. 为了观察实验结果的输出波形,还要在电路中设置节点电压标识符. (2)单击 Analysis—Electrical Rule Check 对电路做电路规则检查.注意 有无悬浮节点和零参考点等 .如果出现错误,则重新修改编辑电路,重新进行电 路规则检查,直到没有错误为止. (3)单击 Analysis—Setup 对所编辑的电路进行分析类型的设置. 本例可 以设置当前电路为直流扫描分析.扫描变量类型选 Voltage Source,扫描变量名 为 V1,选中线形扫描,扫描变量开始值为 0V,扫描变量结束值为 4V,线形扫描时扫 描变量的增量为 1V. (4)仿真运算后,单击仿真工具栏里的显示电压和显示电流,结果表明,当 V1 为 1V 时, Vn2 为-4V,IR1 和 IR2 的值都为 1mA. (5)设置仿真计算完成后,将自动调用图形后处理程序,运行仿真程序,输 出波形如图所示.

图 2.18 Probe 图形窗口输出的图形

由输出波形可知,当输入电压源的电压小于 3V 时,该电路为反向输出比例器, 输出电压 Vn2 与输入电压成正比.


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