模擬電路仿真軟件的研究

1、1 引言1.1 本課題研究的目的和意義隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法已經(jīng)進(jìn)入電子設(shè)計(jì)的領(lǐng)域并廣泛應(yīng)用。模擬電路中的電路分析、數(shù)字電路中的邏輯模擬、電路板印制和集成電路圖設(shè)計(jì)都采用計(jì)算機(jī)輔助工具來(lái)加快設(shè)計(jì)效率，提高設(shè)計(jì)成功率。而大規(guī)模集成電路的發(fā)展，使得原始設(shè)計(jì)方法無(wú)論從效率還是精度上都無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前電子工業(yè)的要求，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真已經(jīng)勢(shì)在必行。同時(shí)，微機(jī)以及適合于微機(jī)系統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件的發(fā)展使得計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)逐漸成為提高電子線路設(shè)計(jì)的速度和質(zhì)量的不可缺少的重要工具，逐漸開(kāi)發(fā)出適合各個(gè)領(lǐng)域系統(tǒng)的軟件。電路的仿真技術(shù)也越來(lái)越受到人們的重視。仿真技術(shù)逐步成為電子工程領(lǐng)

2、域進(jìn)行電路分析與輔助設(shè)計(jì)的重要工具。應(yīng)用電路仿真軟件快速分析電路的性能參數(shù)，有利于設(shè)計(jì)方案的確定和設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇，從而提高設(shè)計(jì)效率?？朔鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)研發(fā)周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，使設(shè)計(jì)者可以更直接地將精力集中在設(shè)計(jì)層面上，縮短了整體設(shè)計(jì)周期。真因如此在仿真系統(tǒng)方面，軟件種類(lèi)繁多，應(yīng)用甚廣。應(yīng)用在模擬電路仿真方面的主要有EWB, SPICE，PROTEL,MATLAB等。它們實(shí)現(xiàn)了功能從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，操作由繁雜到智能，界面也變得越來(lái)越形象化18。研究電路仿真軟件是為了設(shè)計(jì)電路及其系統(tǒng)的快速性和精確性引入的。使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)能簡(jiǎn)單、方便、有效地對(duì)電路精確設(shè)計(jì)測(cè)試。仿真軟件的應(yīng)用將大大有助于設(shè)計(jì)人員和教學(xué)的效率，已

3、經(jīng)成為科研和教學(xué)上必不可少的工具。1.2 國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述和發(fā)展前景模擬電路仿真軟件研究是關(guān)于模擬電路仿真軟件理論、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用等幾個(gè)方面的研究，它在理論上的研究推動(dòng)了軟件的應(yīng)用。同時(shí)仿真軟件的應(yīng)用也推動(dòng)了仿真軟件的理論研究。而仿真軟件的實(shí)現(xiàn)則是理論與應(yīng)用之間的橋梁。在電子技術(shù)的的發(fā)展歷程中，按計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)介入的深度和廣度，出現(xiàn)了三種設(shè)計(jì)方案，或者說(shuō)三個(gè)階段：第一種方法是所謂傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，涉及的電子系統(tǒng)一般較為簡(jiǎn)單，工作量不大，從方案的提出、驗(yàn)證、修改到完全定性都采用人工手段完成；第二種方法是所謂的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）方法，就是由計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、模擬評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證等部分工作，它是在電子

4、產(chǎn)品由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、電子設(shè)計(jì)工作量由小到大發(fā)展過(guò)程中產(chǎn)生的；的三種方法是所謂的EDA方法，它是在電子產(chǎn)品向更復(fù)雜、更高級(jí)、向數(shù)字化、集成化、微型化和低功耗方向發(fā)展過(guò)程中逐漸產(chǎn)生并完成的19。MATSIM和Pspice就是第三種設(shè)計(jì)方法涉及到的軟件，它采用自上而下的設(shè)計(jì)方法，從系統(tǒng)入手，現(xiàn)在頂層進(jìn)行功能劃分、行為描述和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后在底層進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、電路設(shè)計(jì)與PCB設(shè)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)、仿真、測(cè)試一體化。就EDA發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本上實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)自動(dòng)化；模擬電路因其復(fù)雜，全自動(dòng)設(shè)計(jì)還需從事EDA技術(shù)的研究人員乃至從事集成電路工藝制造設(shè)計(jì)師們繼續(xù)不斷地努力，使EDA仿真軟件朝著更高方

5、向發(fā)展，而這一方向表現(xiàn)在:（1）超大規(guī)模集成電路的集成度和工藝水平的提高，可以在一個(gè)芯片上完成系統(tǒng)的集成。（2）成本大大降低系統(tǒng)體積越來(lái)越小，集成度性能越來(lái)越好。（3）高性能EDA長(zhǎng)足發(fā)展，自動(dòng)化程度及智能程度越來(lái)越高，可以進(jìn)行功能強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)就EDA仿真軟件中的MULTISIM與Pspice對(duì)模擬電路仿真展開(kāi)討論。這兩種軟件對(duì)模擬電路的仿真有很好的模擬效果，成為模擬電路的仿真的標(biāo)準(zhǔn)軟件。本文前半部分介紹了MULTISIM和PSpice的基本功能，后半部分是對(duì)它們?cè)谀M電路中的仿真運(yùn)用，說(shuō)明兩款軟件的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。2 仿真軟件的介紹2 .1 Multisim 的介紹及應(yīng)用211

6、 EWB與MULTISIM簡(jiǎn)介EWB(Electrical Workbench,虛擬電子工作臺(tái))是加拿大IIT公司與20世紀(jì)80年代末推出的電子線路仿真軟件。該軟件可對(duì)模擬、數(shù)字、模擬/數(shù)字混合電路進(jìn)行仿真，克服了實(shí)驗(yàn)室條件對(duì)傳統(tǒng)電子設(shè)計(jì)工作的限制。廣泛應(yīng)用于電子工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。從6.0版本開(kāi)始，EWB進(jìn)行了全套規(guī)模改動(dòng)，仿真設(shè)計(jì)模塊更名為MULTISIM，Electronics Workbench Layout 模塊更名為ULtibord.2001年推出了最先版本MULTISIM 2001。它包含有電子電路仿真設(shè)計(jì)模塊Multisim、PCB設(shè)計(jì)軟件Ultiboard、不限引擎Ultirout

7、e及通信電路分析及設(shè)計(jì)模塊CommSIM四個(gè)部分，四個(gè)部分可相互獨(dú)立分別使用。Multisim 是一個(gè)完整的設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)，提供了一個(gè)龐大的元件數(shù)據(jù)庫(kù)，并提供原理圖輸入接口、全部的數(shù)模SPICE仿真功能、VHDL/Verilog 設(shè)計(jì)接口與仿真功能、FPGA/CPLD綜合、RF射頻設(shè)計(jì)能力和后處理功能、還可以進(jìn)行從原理圖到PCB布線工具包的無(wú)縫數(shù)據(jù)傳輸。它提供的單一易用的圖形輸入接口可以滿足使用者的設(shè)計(jì)要求。Multisim 9 用軟件的方法使虛擬電子與電工元器件以及電子與電工儀器和儀表，通過(guò)軟件將元器件和儀器集合威爾一體。它是一個(gè)原理電路設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)試的虛擬仿真軟件19。它與其他軟件相比較

8、最顯著的特點(diǎn)是：（1） 人機(jī)界面方便直觀。繪制電路圖所需要的元器件、測(cè)試調(diào)試儀器都可以通過(guò)鼠標(biāo)單擊圖標(biāo)直接調(diào)用，而且模擬儀器的操作界面（如開(kāi)關(guān)、按鈕）接近實(shí)物。（2）操作簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)便易學(xué)。只要具備一般的電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，幾小時(shí)內(nèi)就可以掌握并熟練運(yùn)用，不需要專(zhuān)門(mén)的培訓(xùn)。（3） 仿真效果非常好，與實(shí)際測(cè)試結(jié)果非常接近，并且采用了與實(shí)際規(guī)格相似的儀器和元器件。通過(guò)EWB的仿真模擬，就可以了解電路的性能，并且熟悉了儀器的正確使用方法，與實(shí)際操作類(lèi)似。（4） 元器件庫(kù)內(nèi)容豐富，并可以根據(jù)需要隨時(shí)擴(kuò)展。EWB元件庫(kù)內(nèi)有數(shù)千種元器件供設(shè)計(jì)人員選用，其參數(shù)設(shè)置、規(guī)格模型以及理想狀態(tài)都非常接近實(shí)際的元器件。（5）

9、 不僅可以對(duì)模擬信號(hào)仿真模擬，還可以對(duì)數(shù)字信號(hào)和數(shù)?；旌闲盘?hào)進(jìn)行完整模擬，在系統(tǒng)中任意地集成數(shù)字及模擬器件，自動(dòng)地對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)功能供設(shè)計(jì)人員參考。（6） 在對(duì)電路進(jìn)行仿真時(shí)還可以存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、波形、元器件清單、工作狀態(tài)等，并可打印輸出。（7） 提供了靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析、是時(shí)域分析、頻域分析、噪聲分析、失真分析、離散傅立葉分析、溫度分析等各種分許方法。（8） 還可人為設(shè)置故障（如短路、開(kāi)路、接觸不良等），并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。2.1.2 Multisim界面及操作介紹 Multisim的主界面與Windous界面一樣，同樣有菜單欄、工具欄等，Multisim界面還還含有元件欄和儀表欄，

10、方便用戶對(duì)電路圖的設(shè)計(jì)與調(diào)試。 在Multisim中，當(dāng)遇到電路規(guī)模很大，全屏顯示不方便或者電路的某一部分在一個(gè)或多個(gè)電路多次使用時(shí)就需要建立子電路。建立子電路時(shí)，在其余電路部分相連的端子上必須連接輸入/輸出端符號(hào)。用鼠標(biāo)左鍵拉出個(gè)長(zhǎng)方形，把用來(lái)組成子電路的部分全部選定。啟動(dòng)Place菜單中的Replace by Subcircuit，打開(kāi)對(duì)話框，在其編輯欄內(nèi)輸入子電路名稱(chēng)，單擊OK即可創(chuàng)建子電路。 Multisim的元件庫(kù)主要包含3個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)：Multisim Database ，用來(lái)存放程序自帶的元件模型；User Database，用來(lái)存放用戶使用Multisim 提供的編輯器自行開(kāi)發(fā)或修

11、改的元件模型。Corporate Database ，用于多人共同開(kāi)發(fā)項(xiàng)目建立共用的元件庫(kù)，另外，還支持用戶自定義元件。2.1.3 Multisim 的基本分析方法Multisim中提供了很多分析方法，這些方法都是利用仿真產(chǎn)生數(shù)據(jù)讓后再去執(zhí)行要做的分析。如果在multisim中進(jìn)行分析，只需啟動(dòng)SimulateAnalyses命令或單擊工具欄中的按鈕，它提供了19種分析方法：直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅立葉分析、噪聲分析、噪聲系數(shù)分析、失真分析、直流掃描分析、靈敏度分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、極點(diǎn)零點(diǎn)分析、傳輸函數(shù)分析、最壞條件分析、蒙特卡洛分析、掃描寬度分析、批分析等。這些分

12、析可以讓用戶直觀地了解電路性能。2.2 OrCAD PSpice 的介紹和基本功能2.2.1 PSpice 的發(fā)展 PSpice是有美國(guó) MicroSim公司在Spice2 G版本的基礎(chǔ)上升級(jí)并用于PC上的Spice版本。1998年，著名的EDA商業(yè)軟件開(kāi)發(fā)商O(píng)rCAD公司與MicroSim 公司合并，自此MicroSim公司的PSpice產(chǎn)品正式并入OrCAD公司的商業(yè)EDA系統(tǒng)中。不斷發(fā)展的PSpice相繼推出PSpice9.1 、PSpice9.2。它可以對(duì)模擬電路進(jìn)行直流交流、瞬態(tài)等基本電路特性分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)蒙特卡洛分析、最壞情況分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等較為復(fù)雜的電路特性分析；不但能夠?qū)?/p>

13、模擬電路進(jìn)行仿真，而且能夠?qū)?shù)字電路、數(shù)/模混合電路進(jìn)行仿真；集成度大大提高，電路圖繪制完成后可直接進(jìn)行電路仿真，并隨時(shí)觀測(cè)與分析仿真結(jié)果20。2.2.2 PSpice的仿真步驟 用PSpice進(jìn)行電路仿真的基本步驟：（1）設(shè)計(jì)電路的結(jié)構(gòu)，設(shè)置元器件參數(shù)。畫(huà)電路圖，標(biāo)注個(gè)元件名稱(chēng)及參數(shù)值，標(biāo)注個(gè)元件節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)編號(hào)等；建立輸入文件。（2）確定分析類(lèi)型。確定所要分析的對(duì)象的物理意義和基本特性。（3）執(zhí)行PSpice仿真程序.(4)對(duì)已建立的電路原理圖進(jìn)行電路規(guī)則檢查，產(chǎn)生數(shù)據(jù)文件，若采用圖形方式顯示分析結(jié)果，則可調(diào)用圖形后處理程序完成。 PSpice程序仿真流程圖如圖2.1所示。結(jié)果是否正確？畫(huà)電

14、路圖標(biāo)注各元件名稱(chēng)及參數(shù)值標(biāo)注個(gè)元件節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)編號(hào)建立電路輸入文件確定分析類(lèi)型執(zhí)行PSpice仿真程序修改輸入文件根據(jù)檢驗(yàn)報(bào)告修改輸入文件自檢正確否？產(chǎn)生數(shù)據(jù)文件顯示分析結(jié)果修改電路元件及參數(shù)值分析結(jié)束 圖2.1 PSpice程序仿真流程圖 2.2.3 PSpice電路仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)OrCAD PSpice有六大功能模塊，其中核心模塊是PSpiceA/D，其余功能模塊分別是：原理圖繪圖編輯模塊（Schematics Editor）、激勵(lì)源波形編輯模塊（Stimulus Editor）、模型參數(shù)編輯模塊（Model Editor）、模擬顯示和分析模塊（PSpice/Probe）及電路設(shè)計(jì)優(yōu)化模塊

15、（Optimizer）。PSpice主要包括Schematics、PSpice A/D、Probe、Stmed（Stimulus Editor）、Model Editor（Parts）等五個(gè)軟件包20，這些程序之間的關(guān)系如圖3.2所示。PSpiceA/D電路仿真程序PSpice/Probe模擬顯示分析Model Editor模型參數(shù)編輯Schematics Editor原理圖繪圖編輯Sitmulus Editor激勵(lì)源波形編輯Optimizer電路設(shè)計(jì)優(yōu)化程序 圖2.2 PSpice模塊之間的關(guān)系2.2.4 OrCAD/PSpice的原理圖輸入 (1)利用Capture CIS繪制電路原理圖

16、啟動(dòng)Capture CIS編輯器，便可進(jìn)入OrCAD Capture程序主窗口，主要工作窗口是專(zhuān)案管理視窗（PCB）、繪圖窗口（Schematics）和信息查看窗口（Session Log）。 (2)用網(wǎng)單文件輸入電路原理圖輸入格式：輸入描述語(yǔ)句用PSpice專(zhuān)用的輸入電路描述語(yǔ)言編寫(xiě)的，輸入文本文件由若干條輸入描述語(yǔ)句組成，一般由標(biāo)題行、注釋行、元件行及結(jié)束行組成。 PSpice的輸出格式包括表格方式和文件方式。表格方式以文本方式顯示或打印輸出結(jié)果。曲線方式有兩種：a.用字符號(hào)代點(diǎn)的低解析度圖形方式；b.高解析度圖形方式。2.2.5 節(jié)點(diǎn)規(guī)定及處理在PSpice對(duì)電路進(jìn)行分析前，首先要對(duì)電路

17、的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，對(duì)于節(jié)點(diǎn)，PSpice有如下規(guī)定：規(guī)定接地點(diǎn)（公共段）為零節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)必須為09999之間的整數(shù)；不能有懸乎節(jié)點(diǎn)，有些情況不能滿足時(shí)，通常連接一個(gè)超大的電阻接地；避免節(jié)點(diǎn)短路，當(dāng)電感線圈與電壓源并聯(lián)時(shí)將出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)短路，引起錯(cuò)檢提示并中斷分析時(shí)，處理方法是：在電感支路串入一任意阻值的電阻。3仿真軟件對(duì)幾種模擬電路的仿真 這里用幾個(gè)仿真案例說(shuō)明兩種仿真軟件對(duì)不同電路的仿真特點(diǎn)：3.1 Multisim與PSpice分別對(duì)放大電路的仿真3.1.1 用Multisim作放大電路的仿真功能分析： Muhisim軟件是專(zhuān)業(yè)的仿真軟件，該軟件包含有系列的仿真功能在其界面里可以輕松地繪制電路圖

18、，并在需要測(cè)試的位置接入所需的測(cè)量?jī)x器，方便快捷地完成測(cè)試。如圖3.1.1所示為用Muhisim軟件繪制的電路圖：圖3.1.1 用兩種軟件仿真的放大電路原理圖 本圖所需的測(cè)試是當(dāng)在輸入端輸入不同頻率的激勵(lì)源時(shí)，在輸出端輸出的波形情況。 圖 3.1.2 示波器輸出波形放大電路是一個(gè)能使輸入信號(hào)的幅值放大但相位相反的電路，偏置電路采用R1和R2組成的分壓電路，發(fā)射極接有R4電阻器用于穩(wěn)定放大器靜態(tài)工作點(diǎn)。 因此用雙蹤示波器來(lái)觀察放大器的輸入信號(hào)V1和輸出信號(hào)電壓波形；上圖即為在處加入一個(gè)2KHz頻率電壓源時(shí)的輸出波形，另外用波特儀連接輸入端觀察該頻率下的波形如下： 圖 3.1.3 放大電路波特圖

19、在Multisim中提供了直流工作、交流、瞬態(tài)傅立葉、噪聲等19中分析，這里選擇幾種針對(duì)模擬電路的分析對(duì)軟件作測(cè)試。 直流工作點(diǎn)分析 軟件在進(jìn)行其他分析前，先進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析，以確定瞬態(tài)的初始條件和交流小信號(hào)情況下非線性器件的線性化模型參數(shù)。通過(guò)計(jì)算出靜態(tài)工作點(diǎn)，與仿真出的結(jié)果進(jìn)行比較。如下為Multisim作的直流分析表，與理論計(jì)算結(jié)果接近，因此該軟件可以對(duì)電路直流工作點(diǎn)做分析。圖3.1.4 Multisim下分析的直流工作點(diǎn) 交流/動(dòng)態(tài)分析 小信號(hào)頻率響應(yīng)的情況下，在分析時(shí)直流電源置零，交流信號(hào)源、電容和電感等都處在交流模式。在晶體管放大電路中，增益已經(jīng)已知，觀察電路波形圖加以驗(yàn)證，按下

20、仿真按鈕，在顯示圖上獲得被分析點(diǎn)的頻率特性波形，交流分析結(jié)果顯示如下幅頻特性和相頻特性?xún)蓚€(gè)圖形，看到輸入波形經(jīng)過(guò)放大電路的處理幅值已經(jīng)放大，Multisim可以對(duì)放大電路進(jìn)行交流分析12。圖3.1.4 Multisim下交流分析波特圖電路噪聲分析 噪聲分析用于檢測(cè)電子線路輸出信號(hào)的噪聲功率幅度，用于計(jì)算、分析電阻或晶體管的噪聲對(duì)電路的影響。在分析時(shí)，假定電路中個(gè)噪聲源是互不相關(guān)的，總的噪聲是各噪聲在該節(jié)點(diǎn)的和。先對(duì)電路選定節(jié)點(diǎn)進(jìn)行噪聲仿真計(jì)算如下表所示，再對(duì)本電路進(jìn)行噪聲分析結(jié)果曲線顯示如圖： 圖3.1.5 用Multisim測(cè)試總輸入/輸出噪聲 設(shè)置一個(gè)噪聲源由分布電容產(chǎn)生，改變使輸出產(chǎn)生影

21、響，將分別設(shè)置為5、10、100、200、400pF，從圖中看到隨著的增大，等效輸入噪聲迅速增加。 圖3.1.6 Multisim下噪聲分析曲線圖.瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析是對(duì)所選定的電路節(jié)點(diǎn)的時(shí)域響應(yīng)，即觀察該節(jié)點(diǎn)在顯示周期中每一時(shí)刻的電壓波形。在進(jìn)行瞬態(tài)分析時(shí)，直流電源保持常數(shù)，交流信號(hào)源隨著時(shí)間而改變，電容和電感元件都是作為能量存儲(chǔ)模式元件。進(jìn)入瞬態(tài)分析狀態(tài)，設(shè)置起始時(shí)間0s，終止時(shí)間0.002s，并設(shè)置對(duì)輸入輸出節(jié)點(diǎn)1.3進(jìn)行仿真如下圖所示： 圖 3.1.7 Multisim下電路輸入輸出瞬態(tài)波形圖 可以看出在2ms內(nèi)電路輸入輸出瞬態(tài)波形可以較好的擬合。.靈敏度分析 靈敏度分析是指電路特性對(duì)電

22、路中元件參數(shù)的敏感程度。靈敏度分析包括直流靈敏度分析和交流靈敏度分析。直流靈敏度分析的仿真結(jié)果以數(shù)值的形式顯示，交流靈敏度分析仿真的結(jié)果以曲線的形式顯示。靈敏度分析是計(jì)算電路的輸出變量對(duì)電路中元器件參數(shù)的敏感程度為驗(yàn)證在不同電阻之下電路放大功能的變化，調(diào)節(jié)可變電阻，使阻值按5%變化，先選擇對(duì)電路的直流靈敏度分析，產(chǎn)生表格如下： 圖3.1.8 直流電壓靈敏度 再進(jìn)行交流分析，本電路對(duì)節(jié)點(diǎn)1、2、3、做靈敏度分析得到圖表如下： 圖3.1.9交流電壓靈敏度 對(duì)于Multisim中的直流靈敏度分析，可以給出具體的數(shù)據(jù)，與理論值比較后發(fā)現(xiàn)數(shù)值幾乎接近，相比較直流分析，交流分析能夠得出直觀的波形圖，形象地

23、顯示出電路中不同參數(shù)對(duì)電力輸出的影響。3.1.2 用OrCAD PSpice仿真三極管放大電路 PSpice是最早的電路分析軟件，本文用其中的Capture CIS模塊作為原理圖輸入，它只能用作原理圖的輸入，仿真是需要調(diào)用OrCAD PSpice中的Spice模塊。 圖3.1.10 用Capture CIS輸入的電路原理圖此原理圖是所需的測(cè)試是當(dāng)在輸入端輸入不同頻率的激勵(lì)源時(shí)，在輸出端輸出的波形情況。 圖3.1.12 示波器仿真圖 可以得到波形是輸入波形幅值的兩倍，但相位相反的輸出波形。符合此放大電路的特性，說(shuō)明PSpice適合晶體管放大電路的仿真。在PSpice中也提供了多種分析功能如：直流

24、電路的模擬分析、直流電路的掃描分析、交流電路的模擬分析、瞬態(tài)分析、噪聲/傅立葉分析等。.直流工作點(diǎn)分析 用PSpice進(jìn)行電路仿真之前，先確定電路原來(lái)李圖中包含有進(jìn)行仿真所有的信息，（1）電路原理圖中的所有元件必須引用相應(yīng)的仿真元件模型。（2）在電路中，必須放置并連接合適的信號(hào)源。（3）必須對(duì)需要進(jìn)行仿真波形分析節(jié)點(diǎn)添加網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，（3）還需為仿真電路設(shè)置初始狀態(tài)。 圖3.1.13 PSpice下放大電路的直流分析波形圖 在電路中加載不同信號(hào)源后，用虛擬儀器接放大器的輸出輸入端，其中一組數(shù)據(jù)的仿真波形如上，隨著信號(hào)源電壓的不斷增加，輸入輸出負(fù)載線也隨著增加，拖動(dòng)游標(biāo)記錄值，與理論值幾乎接近，與在

25、Multisim下仿真的數(shù)值也相近，但用PSpice仿真的值更接近些。. 交流電路的模擬分析 PSpice中的交流掃描分析是針對(duì)電路性能因信號(hào)頻率改變而變動(dòng)所作的分析，它能夠獲得電路的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)以及轉(zhuǎn)移導(dǎo)納等特性參數(shù)。 圖3.1.14 參數(shù)設(shè)置圖3.1.15 交流分析波形 進(jìn)行參數(shù)設(shè)置后，調(diào)用Spice仿真如上所示，波特圖顯示出電路幅頻相頻特性，與Multisim中的動(dòng)態(tài)分析效果相似，也與電路實(shí)際性能相符。. 電路噪聲分析 噪聲分析用于檢測(cè)電子線路輸出信號(hào)的噪聲功率幅度，用于計(jì)算、分析電阻或晶體管的噪聲對(duì)電路的影響。在分析時(shí)，假定電路中個(gè)噪聲源是互不相關(guān)的，總的噪聲是各噪聲在該節(jié)點(diǎn)的和

26、。先對(duì)電路選定節(jié)點(diǎn)進(jìn)行噪聲仿真計(jì)算如下表所示，再對(duì)本電路進(jìn)行噪聲分析結(jié)果曲線顯示如圖： 圖3.1.16 總輸入/輸出噪聲結(jié)果 然后再調(diào)整可變電阻阻值，觀察波特儀顯示的圖形，發(fā)現(xiàn)電路的輸入輸出以及節(jié)點(diǎn)2可以很好擬合。 圖3.1.17 噪聲分析曲線圖. 瞬態(tài)分析 瞬態(tài)分析是對(duì)所選定的電路節(jié)點(diǎn)的時(shí)域響應(yīng)，即觀察該節(jié)點(diǎn)在顯示周期中每一時(shí)刻的電壓波形。在進(jìn)行瞬態(tài)分析時(shí)，直流電源保持常數(shù)，交流信號(hào)源隨著時(shí)間而改變，電容和電感元件都是作為能量存儲(chǔ)模式元件。進(jìn)入瞬態(tài)分析狀態(tài)下，設(shè)置起始時(shí)間0s，終止時(shí)間0.002s，并設(shè)置對(duì)輸入輸出節(jié)點(diǎn)1.3進(jìn)行仿真如下圖所示，在圖形上，曲線比較完整的反映出節(jié)點(diǎn)在一周期內(nèi)的變

27、化，比Multisim更接近理論值。 圖3.1.18 輸入/輸出節(jié)點(diǎn)的瞬態(tài)分析曲線3.1.3小結(jié) 本節(jié)是對(duì)模擬電路中的放大電路的仿真，放大電路作為模擬電路中典型電路，其特性主要有靜態(tài)工作點(diǎn)，電壓放大倍數(shù)，頻率特性以及輸入輸出電阻等，這里由于結(jié)合仿真軟件主要對(duì)直流/交流瞬態(tài)作分析，可看出這種分析形象、直觀，可得出正確的結(jié)論，同時(shí)從測(cè)量值與理論值的比較可看出，誤差較小。3.2.仿真軟件對(duì)濾波器電路的仿真 本設(shè)計(jì)采用二階濾波器作為被仿真的對(duì)象，采用的二階濾波器是二階無(wú)限增益反饋型有源RC濾波器，其中的運(yùn)算放大器充當(dāng)壓控電壓源。這種壓控電壓源的輸入阻抗為無(wú)窮大、輸出阻抗為零、增益為有限值或無(wú)窮大。3.

28、2.1二階低通濾波器的仿真分析 圖3.2.1 二階有源低通濾波器原理圖此電路的結(jié)構(gòu)上半部分是一個(gè)同相比例放大電路，由兩個(gè)電阻R1、R4和一個(gè)理想運(yùn)算放大器構(gòu)成。R1與R4均為16K。下半部分是一個(gè)二階RC濾波電路，由兩個(gè)電阻R2，R3及兩個(gè)電容C1，C2構(gòu)成。其中R2，R3均為4k,C1,C2均為0.1F。電路由一個(gè)幅值為1mV，頻率可調(diào)的交流電壓源提供輸入信號(hào)，用一個(gè)阻值為1 K的電阻作為負(fù)載4。（1）理論值計(jì)算：頻率特性 即其中Wo= 通帶電壓放大倍數(shù)，在低頻下，兩個(gè)電容相當(dāng)于開(kāi)路，次電路為同相比例器。 特征頻率fo與通頻帶截至頻率fp： 根據(jù)fp的定義，當(dāng)f=fp時(shí)，應(yīng)有：即：（2）軟件

29、分析 波形比較分析 在理論值的基礎(chǔ)上，用Multisim和OrCAD PSoice對(duì)二階有源低通濾波電路進(jìn)行分析。將示波器的A、B端分別連接到電路的輸入端與輸出端，下圖為輸入信號(hào)頻率為1kHZ,幅度為1mV時(shí)二階低通濾波器電路的輸入輸出情況。圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為電壓幅度。選擇示波器掃描頻率為1ms/div。縱軸每格均代表1mV，輸出方式為Y/T方式。幅度大的為輸入信號(hào)，幅度小的為輸出信號(hào)。 圖3.2.2 在Multisim下電路輸入/輸出波形圖3.2.3 在PSpice下輸入/輸出波形 輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)一致，說(shuō)明二階低通濾波電路不會(huì)改變信號(hào)頻率。從上圖還可以看出，在輸入頻率信號(hào)頻

30、率較大（如1KHz）時(shí)輸出信號(hào)的幅度明顯小于輸入信號(hào)的幅度。而低頻情況下的理論計(jì)算結(jié)果Aup=2；即在低頻情況下輸出信號(hào)的幅度應(yīng)為輸入信號(hào)的兩倍。很顯然，輸入信號(hào)頻率較大時(shí)電路的放大作用已經(jīng)不理想。 調(diào)節(jié)輸入頻率，使之分別為800Hz，600Hz，400Hz，300Hz，200Hz，150Hz，1Hz。由虛擬示波器得到輸入頻率為1 Hz時(shí)的輸出電壓，即Aup=2，與理論計(jì)算值相吻合。而輸入頻率為150Hz時(shí)U02=1.5mV。此時(shí)Uo2最接近截至?xí)r的輸出電壓Up=0.707，Uo1=1.414mV.這說(shuō)明截至頻率fp接近150Hz。（3）交流分析比較 進(jìn)入交流分析狀態(tài)，參數(shù)設(shè)置如下：起始頻率為

31、1Hz，終止頻率為10MHz ,掃描方式使用十進(jìn)制，選擇輸出節(jié)點(diǎn)為分析節(jié)點(diǎn)，得到電路幅頻特性曲線如圖： 圖3.2.4 在PSpice下電路交流分析圖 圖3.2.5 在Multisim下電路交流分析圖（4）通帶電壓放大倍數(shù)Aup的測(cè)量 從特性曲線可以看出，在低頻狀態(tài)下頻率變化對(duì)Aup的影響不大，頻率較大時(shí)Aup隨頻率增加而急劇減小。高頻狀態(tài)下輸出電壓則接近于0。從對(duì)話框中可知縱坐標(biāo)最大值為6269 8 dB，即Aup=2，與理論計(jì)算值相符4。（5）通帶電壓放大倍數(shù)Aup的測(cè)量，P為縱坐標(biāo)從最大值(6269 8 dB)下降3 dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率，即縱坐標(biāo)為3269 8 dB所對(duì)應(yīng)的頻率。將圖3.2

32、.2中右側(cè)標(biāo)尺移至3269 8 dB附近，選其局部進(jìn)行放大；再將該標(biāo)尺精確移至縱坐標(biāo)為3269 8 dB處，得到的橫坐標(biāo)為148495 2 Hz，即一148495 2 Hz。這與理論計(jì)算得到的， Hz基本一致。(5)參數(shù)掃描分析 當(dāng)某元件的參數(shù)變化時(shí)，利用模擬軟件中的參數(shù)掃描分析功能可以得到電路輸入輸出的特性的變化情況。 從主菜單欄中選擇參數(shù)分析，參數(shù)設(shè)置如下：設(shè)備項(xiàng)中選擇電容設(shè)備，元件名選擇參數(shù)選擇電容量，電容量使用1e006F，1e007F，1e008F三個(gè)值。點(diǎn)擊more選項(xiàng)，選擇AC Analysis(交流分析)，再選擇節(jié)點(diǎn)3作為輸出節(jié)點(diǎn)。點(diǎn)擊simulate進(jìn)行仿真，得到c，取上述三

33、個(gè)不同值時(shí)電路的幅頻特性曲線： 圖3.2.6 取不同值時(shí)二階低通濾波器電路幅頻特性三條曲線由下至上對(duì)應(yīng)的電容分別為1e006F、1e007F、1e008F，對(duì)應(yīng)的截至頻率分別為33.550Hz，148.4937Hz，193375 6 Hz。很顯然，減小引起電路的截止頻率增大，通頻帶變寬。而cl的變化對(duì)電壓增益基本無(wú)影響。 采用類(lèi)似方法，我們得到和對(duì)電路性能的影響如下：和的變小均會(huì)引起電路的截止頻率增大和通頻帶變寬。而，和的變化對(duì)電壓增益的影響不大。與輸出電壓幅度成反比， 與輸出電壓幅度成正比，但和的變化不影響電路的頻率特性。 由以上分析可知，兩種仿真軟件仿真分析的結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果非常接近?？?/p>

34、以作為低通濾波器的設(shè)計(jì)研究軟件以及教學(xué)所用軟件。以下用Multisim分別對(duì)高通、帶通和帶阻濾波電路進(jìn)行仿真。3.2.2用軟件對(duì)二階有源高通/帶通/帶阻濾波器的簡(jiǎn)要仿真分析（1）二階有源帶通濾波器的仿真電路圖如下， 圖3.2.7 二階有源帶通濾波器的仿真電路 該濾波器的幅頻特性和相頻特性如下圖3.2.4所示，當(dāng)頻率很高時(shí)，運(yùn)算放大器本身的增益要隨頻率升高而下降，只有高于放大器增益才能有效發(fā)揮作用。 圖 3.2.8 幅頻特性，相頻特性 （3）二階有源帶通濾波器的仿真特性二階有源帶通濾波器的仿真電路如圖3.2.5， 圖 3.2.9二階有源帶通濾波器電路圖 對(duì)二階有源帶通濾波器電路進(jìn)行仿真，參數(shù)設(shè)置

35、如上，設(shè)置好參數(shù)后啟動(dòng)仿真開(kāi)關(guān)，雙擊波特儀觀察波形如下所示。 圖3.2.10 帶通濾波器電路波特圖（4）雙T帶阻濾波器電路的仿真分析 雙T帶阻濾波器的仿真電路如圖3.2.11所示， 圖3.2.11 雙T帶阻濾波器電路圖 如上圖所示連接好電路圖并設(shè)置好參數(shù)后，啟動(dòng)仿真開(kāi)關(guān)，觀察電路波特圖如下。 圖3.2.12 雙T帶阻濾波器波特圖3.2.3 小結(jié) 濾波電路作為一個(gè)選頻電路，是把信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)，而衰減其他頻率成分。把濾波電路引入到仿真測(cè)試?yán)?，是為了?yàn)證模擬電路仿真軟件對(duì)不同頻率波（屬于非高頻波）的仿真效果，在實(shí)驗(yàn)中可以看出兩種軟件都能很好地仿真出濾波電路對(duì)不同頻率的響應(yīng)，同時(shí)也對(duì)濾波器的

36、設(shè)計(jì)有很大的幫助。3.3振幅調(diào)制與解調(diào)用低頻調(diào)制電壓去控制高頻載波信號(hào)的幅度就稱(chēng)作調(diào)制（調(diào)幅）電路，調(diào)幅波的解調(diào)過(guò)程通常稱(chēng)為檢波，實(shí)現(xiàn)該功能的電路也稱(chēng)振幅檢波器，它仍然是一種頻譜搬移過(guò)程。原理上講，要將包含調(diào)制波信息的已調(diào)波中還原出調(diào)制波信息，必須要有非線性器件，使之產(chǎn)生新的頻率分量，并把高頻載波的高頻分量濾除，因此，用此電路進(jìn)行仿真，驗(yàn)證Multisim與PSpice對(duì)高頻信號(hào)的仿真效果。本設(shè)計(jì)用下面幾種調(diào)制解調(diào)電路作為Multisim和Psice的仿真電路。 .調(diào)幅電路：3.3.1 雙邊帶調(diào)幅電路的仿真 圖 3.3.1 雙邊帶調(diào)幅原理圖由于該電路屬于低電平調(diào)幅電路，用四個(gè)二極管構(gòu)成一個(gè)平衡

37、調(diào)幅電路，使V1為大信號(hào)，其電壓有效值為707mV使二極管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，V2為小信號(hào)，其峰值為35.35mV，這樣輸出信號(hào)中包含V1的各奇次諧波與V2的組合頻率分量，經(jīng)過(guò)C1與L1組成的諧振回路選頻后，只剩100KHz到1KHz和100KHz到1KHz的上下兩個(gè)邊帶信號(hào)，可以用示波器連入輸入/輸出端，波形顯示如下， 圖3.3.2 在Multisim下調(diào)幅電路輸出波形 圖3.3.3 在PSpice在調(diào)幅電路輸出波形從圖形中可以看出Multiusim下的波形不失真地顯示了雙邊帶波形，相比PSpice仿真出的波形比較準(zhǔn)確。檢波電路：33.2小信號(hào)檢波的仿真分析其中：V1是普通調(diào)幅波電路；V2是二極

38、管偏置電壓。A端接輸入端，B端接輸出端。其中三級(jí)管用的是一個(gè)虛擬器件。如圖3.3.4與3.3.5所示。 圖3.3.4 用Multisim仿真的檢波電路 圖3.3.5 用PSpice仿真的檢波電路 啟動(dòng)仿真開(kāi)關(guān)，看到示波器上顯示的晶體三極管檢波電路的輸入、輸出電壓波如圖3.3.6與圖3.3.7所示。此電路完成了對(duì)普通調(diào)幅波的檢波。 圖3.3.6 在Multisim下檢波電路輸出的波形 圖3.3.7 在PSpice下檢波電路輸出的波形上述對(duì)解調(diào)電路的仿真看出兩種軟件都能很好地進(jìn)行仿真，波形符合理論值，還能分析電路的失真情況，PSpice的Probe模塊還能對(duì)此作出分析進(jìn)而給出優(yōu)化措施。3.3.3

39、小結(jié) 用兩種軟件對(duì)調(diào)制解調(diào)電路的仿真，實(shí)際是為了驗(yàn)證仿真軟件在高頻電子中的使用效果，高頻電路工作于較高的頻率上，與低頻相比有其特殊性，因?yàn)楦哳l電路多是非線性的，內(nèi)容抽象。不過(guò)在仿真過(guò)程中，兩中軟件都能較好地仿真波形的特點(diǎn)，即使在電路失真的情況下也能形象地表達(dá)出波形的失真，因此可以用Multisim和Pspice做該種電路的仿真，而且也可以用這兩種軟件做調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)工具，以減少實(shí)際電路中繁瑣的操作。4、仿真軟件Multisim與PSpice在電路設(shè)計(jì)中功能的比較4.1 Multsim與Pspice元器件的異同 Multisim的元器件分為電源/信號(hào)源元器件、虛擬元器件和真實(shí)元件3種，電源/信

40、號(hào)源器件大多放在電源分類(lèi)庫(kù)中；虛擬元器件，其模型參數(shù)可以根據(jù)用戶的需要進(jìn)行設(shè)置，沒(méi)有具體的封裝，印刷電路板軟件也沒(méi)有相應(yīng)的元器件庫(kù)，在市場(chǎng)上沒(méi)有相應(yīng)的元器件出售；真實(shí)元器件具有精確的仿真模型和相應(yīng)的封裝，在印刷板電路設(shè)計(jì)軟件中有相應(yīng)的元器件庫(kù)，且在市場(chǎng)上有相應(yīng)的元器件出售，Multisim提供的元器件都能用于電路的仿真，并且有用于RF仿真的微波器件。 PSpice 有P個(gè)虛擬元件IPRINT，IPLOT，VPRINT1，VPLOT1，其功能和Multisim中的虛擬儀表有點(diǎn)相似，但只是記錄電路中某一點(diǎn)的電流或電壓值，PSpice 的基本元器件的屬性都可以修改，他把元器件分為有仿真模型的和無(wú)仿真

41、模型的，只有那些具有仿真模型的才能用于原理圖的仿真，其他的就只能用于原理圖的繪制。PSpice有一類(lèi)特殊的元器件：模擬行為模型元器件，用此類(lèi)元件可以去仿真一塊尚未完成或是極復(fù)雜的子電路，用戶可以自行定義或使用PSpice內(nèi)已經(jīng)建好的模擬行為模型元件，他運(yùn)用描述電路特性的方式而不需要以真實(shí)電路來(lái)輸入與仿真，可大幅精簡(jiǎn)仿真的時(shí)間及復(fù)雜度21。4.2 Multisim與PSpice.繪制原理圖的異同Multisim與PSpice繪制原理圖時(shí)，在很多功能上是相同的，比如：復(fù)制、粘貼、旋轉(zhuǎn)、放置文字、建立新元件、繪制層次圖等；但PSpice可以繪制非電氣性質(zhì)的圖元，可以通過(guò)輸入網(wǎng)單文件程序來(lái)代替繪制原理（Multisim只是可以在原理圖中用VHDL器件），在原理圖中可以添加網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，且網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)可以直接代替節(jié)點(diǎn)編號(hào)用于仿真，原理圖繪制完成后可以進(jìn)行DRC（設(shè)計(jì)規(guī)則檢查），可以產(chǎn)生元器件之間互連關(guān)系的報(bào)表，可以對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行優(yōu)化程序設(shè)計(jì)10。在/Multisim中繪制導(dǎo)線如果彎折仍是一條導(dǎo)線;刪除時(shí)彎折的兩部分都將刪除;而在PSpice中將作為兩條導(dǎo)線分別刪除。4.3 Multisim與PSpice仿真功