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第4章 电路仿真测试.ppt

第4章 电路仿真测试

逍遥
2012-03-09 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《第4章 电路仿真测试ppt》,可适用于IT/计算机领域

第章电路仿真测试第章电路仿真测试电路仿真操作步骤仿真元件及参数设置电路仿真操作初步常用仿真方式及应用仿真综合应用举例常用元器件仿真模型创建仿真元件电路仿真操作步骤电路仿真操作步骤在Protel中进行电路仿真分析的操作过程可概括如下:)编辑原理图利用原理图编辑器(SchematicEdit)编辑仿真测试原理图在编辑原理图过程中除了导线、电源符号、接地符号外原理图中所有元件的电气图形符号均要取自电路仿真测试专用电气图形符号数据库文件包Simddb内相应元件电气图形符号库文件(lib)否则仿真时因找不到元件参数(如三极管的放大倍数、CE结反向漏电流)而给出错误提示并终止仿真过程。)放置仿真激励源(包括直流电压源)在仿真测试电路中必须包含至少一个仿真激励源。仿真激励源被视为一个特殊的元件放置、属性设置、位置编辑等操作方法与一般元件(如电阻、电容等)完全相同。仿真激励源电气图形符号位于仿真测试专用元件电气图形文件包Simddb内的SimulationSymbolslib元件图形库文件中。)放置节点网络标号在需要观察电压波形的节点上放置节点网络标号以便观察到指定节点的电压波形原因是Protel仿真程序只能自动检测支路电流、元件阻抗没有节点电压。)选择仿真方式并设置仿真参数在原理图编辑窗口内指向并单击“Simulate”菜单下的“Setup…”命令(或直接单击主工具栏内的“仿真设置”工具)进入“AnalysesSetup”仿真设置窗口选择仿真方式及仿真参数。)执行仿真操作在原理图编辑窗口内指向并单击“Simulate”菜单下的“Run”命令(或直接单击主工具栏内的“执行仿真”工具)启动仿真过程等待一段时间后即可在屏幕上看到仿真结果。)观察仿真结果仿真操作结束后自动启动波形编辑器并显示仿真数据文件(sdf)的内容(或在“设计文件管理器”窗口内单击对应的sdf文件)。在波形编辑器窗口内观察仿真结果若不满意可修改仿真参数或元件参数后再执行仿真操作。)保存或打印仿真波形仿真结果除了保存在 sdf文件中外还可以在打印机上打印出来。仿真元件及参数设置仿真元件及参数设置在Protel中每一仿真元件的特性由元件电气图形符号库和元件模型参数数据库描述。仿真测试原理图内元件电气图形符号存放在DesignExplorerLibrarySCHSimddb仿真分析用元件电气图形符号库文件包内共收录了多个元器件分类存放在如下元件电气图形符号库(lib)文件中:XXlib系列TTL数字集成电路SEGDISPlib段数码显示器BJTlib工业标准双极型晶体管BUFFERlib缓冲器CAMPlib工业标准电流反馈高速运算放大器CMOSlibCMOS数字集成电路元器件Comparatorlib比较器Crystallib晶体振荡器Diodelib工业标准二极管IGBTlib工业标准绝缘栅双极型晶体管JFETlib工业标准结型场效应管MATHlib二端口数学转换函数MESFETlibMES场效应管Misclib杂合元件MOSFETlib工业标准MOS场效应管OpAmplib工业标准通用运算放大器OPTOlib光电耦合器件(实际上该库文件仅含有N和通用的光电耦合器件OPTOISO两个元件)Regulatorlib电压变换器如三端稳压器等Relaylib继电器类SCRlib工业标准可控硅SimulationSymbolslib仿真测试用符号元件库Switchlib开关元件Timerlib及定时器Transformerlib变压器TransLinelib传输线TRIAClib工业标准双向可控硅TUBElib电子管UJTlib工业标准单结管在放置元件过程中按下Tab键调出元件属性窗口设置元件有关参数时必须注意:一般仅需要指定必须参数如序号、型号、大小(如果打算从电原理图获取自动布局所需的网络表文件时则需要给出元器件的封装形式)而对于可选参数一般用“*”代替(即采用缺省值)除非绝对必要否则不宜改变。物理量单位及数据格式在设置元件仿真参数、仿真运行参数时往往使用定点数形式输入且不用输入参数的物理量单位即电容容量默认为F(法拉)、阻值为Ω(欧姆)、电感为H(亨)、电压为V(伏特)、电流为A(安培)、频率为Hz(赫兹)等元件电气图形符号及参数仿真测试原理图中所用的分立元件的电气图形符号如电阻、电容、电感等均取自SimulationSymbolslib元件库文件内下面简要介绍其中几种常用分立元件有关参数的含义。)电阻器)电容器)电感器)保险丝)变压器)继电器)晶体振荡器)二极管、三极管及结型场效应管) MOS场效应管)可控硅及双向可控硅)运算放大器、比较器) TTL及CMOS数字集成电路)节点电压初始值(IC))节点电压设置(NS)仿真信号源及参数在电路仿真过程中需要各种各样的激励源这些激励源也取自simddb数据库文件包内的SimulationSymbolslib元件库文件中包括直流电压激励源VSRC(voltagesource)与直流电流激励源ISRC(currentsource)、正弦波电压激励源VSIN(voltagesource)与正弦波电流激励源ISIN(currentsource)、周期性脉冲信号激励源VPULSE(voltagesource)与IPULSE(currentsource)、分段线性激励源VPWL(voltagesource)与IPWL(currentsource)等。常用的直流电压激励源VSRC、正弦电压激励源VSIN、脉冲电压激励源VPLUS可通过单击“Simulate”菜单下的“Source”命令选择相应激励源后将其拖到原理图编辑区内。)直流电压激励源VSRC与直流电流激励源ISRC这两种激励源作为仿真电路工作电源在属性窗口内只需指定序号(Designator如VDD、VSS等)及大小(PartType如、等)如图所示。图直流电源属性设置窗)正弦波信号激励源(SinusoidWaveform)正弦波激励源在电路仿真分析中常作为瞬态分析、交流小分析的信号源执行菜单命令“SimulateSource”选择SineWave类型的激励源就可以放置正弦波激励源其参数设置对话框如图所示。图正弦信号属性设置窗由如图所示的参数描述的正弦信号源的波形特征如图所示可见当直流偏压Offset不为时相当于波形上移。图正弦波形信号)脉冲激励源(Pulse)脉冲激励源在瞬态分析中用得比较多放置脉冲激励源的方法是:执行菜单命令“SimulateSource”在弹出的子菜单内选择“Pulse”类型的激励源即可。双击脉冲激励源符号将弹出如图所示的属性设置对话框。图脉冲信号激励源属性设置窗脉冲信号激励源波形特征可用图形象地描述(其中Pulsed=mVPeriod=ms脉冲宽度Plus=ms)。图脉冲激励源波形图)分段线性激励源VPWL与IPWL(PieceWiseLinear) 分段线性激励源的波形由几条直线段组成是非周期信号激励源。为了描述这种激励源的波形特征需给出线段各转折点时间电压(或电流)坐标(对于VPWL信号源来说转折点坐标由“时间电压”构成对于IPWL信号源来说转折点坐标由“时间电流”构成)如图所示。由如图所示的参数构成的分段线性激励源的波形特征可用图形象地描述。图分段线性激励源属性图分段线性激励源波形)调频波激励源VSFFM(电压调频波)和ISFFM(电流调频波)调频波激励源也是高频电路仿真分析中常用到的激励源调频波激励源位于Simddb数据库文件包内的SimulationSymbolslib元件库文件中放置调频波信号源的操作方法与放置电阻、电容等的方法相同调频波信号源属性如图所示。由图属性设置窗所示参数生成的调频波激励源信号波形如图所示其频谱特性如图所示。图属性设置窗所示参数图调频波激励源波形图调频波信号频谱此外SimulationSymbolslib元件库内尚有其他激励源如受控激励源、指数函数、频率控制的电压源等这里就不一一列举了根据需要可从该元件库文件中获取。如果实在无法确定某一激励源或元件参数如何设置时除了从“帮助”菜单中获得有关信息外还可以从Protel的仿真实例中受到启发。在DesignExplorerExamplesCircuitSimulation文件夹内含有数十个典型仿真实例打开这些实例即可了解元件、仿真激励源参数设置方法。电路仿真操作初步电路仿真操作初步在介绍了电路仿真操作步骤、元件及激励信号源属性设置方法后下面以图所示的共发射极放大电路为例说明Protel仿真操作过程。图分压式偏置电路编辑电原理图在仿真操作前先建立原理图文件。原理图文件的编辑方法在前面章节中已介绍过这里不再重复。在编辑过程中只需注意:电路图中所有元件的电气图形符号一律取自“DesignExplorerLibrarySch”文件夹下的Simddb仿真测试用元件电气图形符号数据库文件包内相应的元件库文件在元件未固定前必须按下Tab键在元件属性窗口内设置元件的属性选项(Designate、Part及PartFields)然后放置相应的仿真激励信号源接着在感兴趣的节点上放置网络标号。具体操作过程如下:()在“DesignExplorer”窗口内单击“File”菜单下的“New…”命令创建一个新的设计文件接着输入新设计文件名并指定存放路径。()单击“设计文件管理器”前的“”显示设计文件包结构并单击其中的“Documents”文件夹。()单击“File”菜单下的“New…”命令在弹出的文档类型选择框内双击“SchematicDocument”(原理图文件)即可在“Documents”文件夹窗口内建立文件名为“Sheetx”的原理图文件输入文件名并按回车键(如果不输入文件而直接按回车键将使用Sheet、Sheet作为原理图的文件名)。()单击原理图文件图标进入原理图编辑状态。()单击“DesignExplorer”(设计文件管理器)窗口的“BrowseSch”标签并选择“Library”作为浏览对象。()单击“AddRemove…”按钮选择“DesignExplorerLibrarySch”文件夹下的Simddb仿真测试用元件电气图形符号库文件包作为当前库文件包然后即可选择Simddb数据文件包内相应的元件库如SimulationSymbolsLib库文件作为当前使用的元件库文件。()在元件列表窗内找出并单击特定的元件名称后再单击“Place”按钮将选定的元件拖到原理图编辑区内。()在元件未固定前按下Tab键,进入元件属性设置窗。在属性窗口内单击“Attributes”标签设置元件序号、大小或型号再依次单击“PartFields”和“PartFields”标签输入元件仿真参数。()放置并设置仿真激励源。()放置网络标号。选择仿真方式并设置仿真参数完成原理图编辑后下一步就是选择仿真方法和设置仿真参数:在原理图编辑窗口内指向并单击“Simulate”菜单下的“Setup…”命令(或直接单击主工具栏内的“仿真设置”工具)进入如图所示的“AnalysesSetup”仿真设置窗口选择仿真方式及仿真参数。图仿真方式设置窗在“有效信号”列表窗口内除了显示已定义的网络标号如Vin、Vout等信号名外还列出了元器件电流带后缀“(i)”、功率带后缀“(p)”以及激励源阻抗带后缀“(z)”等参量其中激励源阻抗定义为激励源电压瞬时值与流过激励源电流瞬时值之比即激励源阻抗等于被分析电路的输入阻抗Zi等例如:C(i)表示电容C中的电流当器件电流从第一引脚流向第二引脚时为正反之为负。C(p)表示电容C消耗的功率。VCC#branch表示流过VCC支路的电流流入正极时为正流出正极时为负。Netr表示电阻R第引脚节点电压。对于没有定义的节点电压Protel仿真程序用Net元件名元件引脚编号表示节点电压信号。选择仿真分析方式在“General”标签窗口中单击相应仿真方式前的选项框允许或禁止相应仿真方式。本例仅选择“OperatingPointAnalyses”(工作点分析)和“TransientFourierAnalysis”(瞬态特性傅立叶分析)。选择计算及可立即观察的信号)选择仿真过程需要计算的信号类型仿真过程中仅计算“有效信号”列表窗内的信号设置过程如下:在如图所示的窗口内单击“CollectDataFor”(收集数据类型)下拉按钮选择仿真过程中需要计算的数据类型设置仿真参数并执行仿真操作除了“OperatingPointAnalyses”仿真方式不需要设置仿真参数外选择了某一仿真方式后尚需要设置仿真参数。在本例中单击“TransientFourierAnalysis”标签在如图所示的“TransientFourierAnalysis”(瞬态特性傅立叶分析)参数设置窗口内设置相应的参数。图“TransientFourierAnalysis”(瞬态特性傅立叶分析)参数设置高级选项设置(可选)必要时在如图所示的仿真方式设置窗口内单击“Advanced…”(高级选项)按钮。在如图所示的高级选项设置框内选择仿真计算模型、数字集成电路电源引脚对地参考电压、瞬态分析参考点、缺省的仿真参数等。但必须注意一般并不需要修改高级选项设置尤其是不熟悉Spice电路分析软件定义的器件参数含义、取值范围以及仿真算法的初学者更不要随意修改高级选项设置否则将引起不良后果。图高级选项设置启动仿真计算过程设置了仿真参数后可立即单击“RunAnalyses”按钮启动仿真计算过程。当然也可以单击“Close”按钮关闭仿真设置窗口需要仿真时再单击原理图编辑窗口内主工具栏中的“运行仿真”工具(或执行“Simulate”菜单下的“Run”命令)启动仿真过程。运行仿真后将按 cfg文件设定的仿真方式及参数对电路进行一系列的仿真计算以便获得相应的仿真结果。仿真结果记录在sdf(SimulationDataFile)文件内该文件以文本(如工作点仿真分析)或图形方式(如瞬态特性、直流传输特性分析等)记录了仿真计算结果如图所示。在仿真计算过程中当发现设定的仿真方式或参数不正确时可随时单击仿真窗口内主工具栏中的“停止仿真”工具中断仿真计算过程。图仿真波形观察窗口仿真结果观察及波形管理在仿真数据文件(sdf)编辑窗口内通过如下方式观察仿真结果:)调整仿真波形观察窗口内信号的显示幅度将鼠标移到仿真输出信号下方横线上当鼠标箭头变为上下双向箭头时按下左键不放拖动鼠标器松手后即可发现横线上方仿真输出信号幅度被拉伸或压缩。)调整仿真波形窗口内信号的显示位置将鼠标移到波形窗口内相应的仿真输出信号名上按下鼠标左键不放拖动鼠标器即可发现一个虚线框(代表信号名)随鼠标的移动而移动。当虚线框移到另一信号显示单元格内时松手即可发现两个信号波形出现在同一显示单元格内如图所示。图信号波形重叠显示)改变显示刻度在“Scaling”(刻度)选择框内单击相应刻度(如X轴)文本框右侧上下(增加或减小)按钮即可改变X轴、Y轴或偏移量大小(当然也可以在文本框中直接输入相应的数值)。)在仿真波形窗口内添加未显示的信号波形在“Waveforms”(波形列表)窗口内找出并单击需要显示的信号如VB然后再单击“Show”(显示)按钮即可在仿真波形观察窗口内显示出指定的信号如图所示。图添加了VB信号的仿真波形窗口)隐藏仿真波形观察窗口内的信号波形将鼠标移到波形观察窗口内需要隐藏的信号名上单击左键使目标信号处于选中状态(选中后信号波形线条变宽同时信号名旁边出现一个小黑点如图中的ui)然后再单击“Hide”(隐藏)按钮相应仿真信号即从波形观察窗口内消失。)波形测量单击如图所示的窗口内“MeasurementCursors”(测量曲线)框中“A”右侧的下拉按钮选择被测量信号名(如uo)“A”框下方即显示出被测信号点X、Y的值同时波形窗口上方出现测量标尺如图所示。图测量标尺)只观察一个单元格内的信号将鼠标移到某一信号单元格内单击左键然后执行“View”选择框内的“SingleCells”选项(或将鼠标移到某一信号单元格内单击右键调出快捷菜单指向并单击“ViewSingleCell”命令)即可显示该单元格内的信号如图所示。图仅显示一个单元格内的信号)选择X、Y轴刻度单位及Y轴度量对象根据观察信号的类型必要时可执行“View”菜单下的“Scaling…”命令在如图所示的窗口内重新选择X、Y轴度量单位。可供选择的X轴度量单位:Linear(线性)、Log(对数)。)设置波形窗口其他选项背景颜色、显示计算点等必要时可执行“View”菜单下的“Options…”命令在如图所示的窗口内重新选择波形窗口背景、前景以及栅格线颜色等。图刻度选择图波形窗口选项设置)切换到另一仿真方式波形窗口如果在仿真时同时执行了多种仿真操作例如在如图所示的仿真方式设置窗口内同时选择了“OperatingPointAnalyses”(静态工作点)和“TransientAnalysis”(瞬态特性)则仿真波形窗口下方将列出相应仿真结果波形标签单击相应的仿真波形标签即可观察到对应仿真方式的结果。)设置窗口的显示方式当需要在屏幕上同时显示多个文件窗口时如同时显示原理图文件窗口和仿真波形窗口时可将鼠标移到当前文件窗口的文件图标上(如图中的“Sheetsdf”)单击右键指向并单击如下命令之一即可重新设定窗口的显示方式:Close关闭当前文件窗口SplitVertical按垂直方式分割窗口SplitHorizontal按水平方式分割窗口TileAll重叠所有窗口即屏幕上只观察到当前文件窗口MergeAll同时显示所有已打开的文件窗口在这种方式下可同时观察到多个文件如屏幕上同时显示原理图窗口和仿真波形窗口单击窗口上的“关闭”按钮或执行“File(文件)”菜单下的“Close”命令即可关闭当前窗口。常用仿真方式及应用常用仿真方式及应用工作点分析(OperatingPointAnalyses)在进行工作点分析时仿真程序将电路中的电感元件视为短路电容视为开路然后计算出电路中各节点对地电压、各支路(每一元件)电流这就是常说的静态工作点分析。在如图所示的仿真方式设置窗口内单击“OperatingPointAnalyses”选项前的复选框选中“工作点分析”选项执行仿真操作后单击如图所示的仿真波形观察窗口下方“仿真结果列表”栏内的“OperatingPoint”即可在仿真波形窗口内观察到工作点计算结果如图所示。图工作点分析结果瞬态特性分析(TransientAnalysis)与傅立叶分析(FourierAnalysis)TransientAnalysis属于时域分析用于获得节点电压、支路电流或元件功率等信号的瞬时值即信号随时间变化的瞬态关系相当于在示波器上直接观察信号的波形因此TransientAnalysis是一种最基本、最常用的仿真分析方式。在设置FourierAnalysis参数时对于周期信号来说基波就是被分析信号周期的倒数分析的最大谐波与信号性质有关对于方波信号来说取次谐波已足够而对于调幅、调频波来说为了获得正确结果基波按下列关系选择:基波=载波频率调制信号频率参数扫描分析(ParameterSweepAnalysis)参数扫描分析用于研究电路中某一元器件参数变化时对电路性能的影响常用于确定电路中某些关键元件参数的取值。在进行瞬态特性分析、交流小信号分析或直流传输特性分析时同时启动“参数扫描”分析即可非常迅速、直观地了解到电路中特定元件参数变化时对电路性能的影响。在如图所示的仿真参数设置窗口内单击“ParameterSweep”标签即可获得如图所示的ParameterSweep(参数扫描)设置窗口。图参数扫描设置窗口参数扫描设置过程如下:()单击“ParameterSweepFirst”(主扫描参数)选择框内“Parameter”下拉列表盒右侧的下拉按钮选择参数变化的元件如R、C、Q(BF)等其中Q(BF)表示三极管Q的电流放大倍数β。()在“StartValue”文本盒内输入元件参数的初值在“StopValue”文本盒内输入元件参数的终值在“StepValue”文本盒内输入参数变化增量。图三极管Q放大倍数β变化对应的输出信号从图中可以看出:在如图所示的放大电路中三极管Q放大倍数β对电路性能指标的影响不大即当β>后放大器输出信号Vout基本重叠。当选择R作为主扫描参数时即可获得交流负反馈电阻对放大器放大倍数的影响例如R从 Ω增加到时 Ω(增量为)输出信号Vout振幅如图所示。图电阻R变化时对应输出信号交流小信号分析(ACSmallSignalAnalysis)AC小信号分析的主要功能AC小信号分析用于获得电路中如放大器、滤波器等的频率特性。一般来说电路中的器件参数如三极管共发射极电流放大倍数β并不是常数而是随着工作频率的升高而下降。AC小信号分析参数设置单击“Simulate”菜单指向并单击“Setup”命令在“AnalysesSetup”对话框内单击“ACSmallSignal”标签即可进入如图所示的“ACSmallSignal”设置框。图AC小信号分析参数设置StartFrequency:扫描起始频率。StopFrequency:扫描终了频率。TestPoints:分析频率点的数目当“SweepType”按线性变化时则测试点数就是总的测试点数当“SweepType”按级数(倍频即取对数刻度)变化时则TestPoints为每倍频内测试点的个数总测试点个数是TestPoints*(StopFrequencyStartFrequency)如上图中如果每倍频测试点取个则总测试点约为个。图给出了低通滤波电路及AC小信号分析结果。对于如图所示的并联谐振电路来说利用AC小信号分析观察并联谐振曲线将非常方便、直观如图所示(其中AC小信号分析参数为:StartFrequency= HzStopFrequency=MHzTestPoints=)。图低通滤波器幅频特性图并联谐振电路图谐振特性曲线在AC小信号分析中结合参数扫描分析能非常直观地了解到电路中某一元件参数对电路幅-频特性的影响。例如在如图所示的电路中选择发射极交流旁路电容C作为主扫描参数(初值取 μ终值取 μ增量为 μ)并将AC小信号分析参数设为:StartFrequency=HzStopFrequency=kHz测试点数取即可迅速了解到电容C对放大器低频特性的影响如图所示。图电容C对放大器低频特性的影响阻抗特性分析(ImpedancePlotAnalysis)Protel仿真程序具有阻抗特性分析功能只是不单独列出而是放在AC小信号分析方式中即在AC小信号波形窗口内选择激励源阻抗如Vin(z)、VCC(z)等作为观察对象即可得到电路的输入、输出阻抗曲线。由于电路输入阻抗是前一级电路或信号源的负载而电路输出阻抗体现了电路输出级的负载驱动能力因此在电路设计中常需要了解电路的输入、输出阻抗。求输入阻抗Ri根据电路输入阻抗Ri的定义求电路输入阻抗Ri时无须改动电路结构。在AC小信号分析窗口内选择输入信号源阻抗如图中的信号源的阻抗V(z)作为观察对象即可获得放大器输入阻抗Ri曲线如图所示(中频段约为k)。图输入阻抗Ri特性曲线在输入阻抗、放大倍数估算过程中将三极管BE极电阻rbe近似为常数但实际上rbe随发射极电流IE(引起re变化)的增大而减小、随集电结偏压VCB(引起rbb′变化)的增大而增大。例如在如图所示的分压式偏置电路中基极电压基本保持不变当发射极电阻R增大时发射极电流IE减小导致发射结电阻re增大结果输入阻抗Ri增大如图所示。图R变化对输入阻抗Ri的影响由于VCE=VCCIC*RIE*(RR)因此当集电极电阻R增大时VCE将减小即集电结反向偏压VCB变小使集电结耗尽层减小导致基区厚度增加使rbb′减小最终使输入阻抗Ri减小如图所示。图R变化对输入阻抗Ri的影响求输出阻抗Ro根据输出阻抗的定义求输出阻抗时需要按以下步骤修改电路结构:()用导线将输入信号源短路但要保留输入信号源的内阻。()负载RL开路。在操作上可先删除RL将输入信号源移到RL位置用导线连接与输入信号源相连的两个节点。()在输出端接一信号源这样信号源两端电压与流过该信号源的电流之比就是输出电阻Ro。()然后执行AC小信号分析在AC小信号分析窗口内选择信号源阻抗作为观察对象即可。求如图所示的放大电路的输出阻抗电路如图(a)所示而输出阻抗特性曲线如图(b)所示。图输出阻抗求解电路及结果(a)求输出阻抗电路(b)输出阻抗曲线图输出阻抗求解电路及结果(a)求输出阻抗电路(b)输出阻抗曲线直流扫描分析(DCSweepAnalysis)直流扫描分析(DCSweep)方法是在指定范围内输入信号源电压变化时进行一系列的工作点分析以获得直流传输特性曲线常用于获取运算放大器、TTL、CMOS等电路的直流传输特性曲线以确定输入信号的最大范围和噪声容限。“直流扫描分析”也常用于获取场效应管的转移特性曲线但直流扫描分析不适用于获取阻容耦合放大器的输入输出特性曲线。在原理图编辑窗口内单击“SimulateSetup”命令在“AnalysesSetup”对话框内单击“DCSweep”标签即可进入如图所示的直流扫描仿真设置框:图直流扫描分析参数设置各参数含义如下:DCSweepPrimary主变化信号源Secondary第二变化信号源在直流扫描仿真分析中允许两个信号源同时变化然后分别计算工作点SourceName变化的信号源StartValue初始电压值StopValue终止电压值StepValue电压变化步长例如利用直流扫描分析即可获取如图所示的运算放大器的直流传输特性曲线操作过程如下:图运算放大器()在原理图编辑窗口内执行“Simulate”菜单下的“Setup…”命令。()在“AnalysesSetup”窗口内单击“DCSweep”标签在如图所示的窗口内设置直流扫描参数如图所示。()启动仿真分析后打开sdf文件并选择“DCSweep”即可观察到仿真结果如图所示。图直流扫描分析设置窗图直流传输特性曲线利用直流扫描分析将非常容易获得如图所示的LS与非门电路的直流传输特性曲线如图所示可以看出:LS系列门电路最大输入低电平电压小于V最小输入高电平电压必须大于V。图由LS组成的与非门电路图LS门电路的直流传输特性曲线利用“直流扫描分析”即可获得如图(a)所示的N沟道结型场效应管N的转移特性曲线如图(b)所示(对V电压源进行扫描初始电压为V终了电压为步长为mV)。图结型场效应管转移特性(a)转移特性测试原理图(b)转移特性曲线图结型场效应管转移特性(a)转移特性测试原理图(b)转移特性曲线温度扫描分析(TemperatureSweepAnalysis)一般说来电路中元器件的参数随环境温度的变化而变化因此温度变化最终会影响电路的性能指标。温度扫描分析就是模拟环境温度变化时电路性能指标的变化情况因此温度扫描分析也是一种常用的仿真方式在瞬态分析、直流传输特性分析、交流小信号分析时启用温度扫描分析即可获得电路中有关性能指标随温度变化的情况。温度扫描分析应用举例:分析环境温度对如图所示的基本放大电路放大倍数的影响。操作过程如下:()编辑电路图。()在“AnalysesSetup”窗口内单击“TemperatureSweep”标签在如图所示的窗口设置温度扫描参数。图共发射极基本放大电路 图温度扫描参数设置窗口()设置了温度扫描参数后启动仿真过程结果如图所示。图输出电压Vout随温度变化的情况传输函数分析(TransferFunctionAnalysis)传输函数分析用于获得模拟电路直流输入电阻、直流输出电阻以及电路的直流增益等这里不进行详细介绍。噪声分析(NoiseAnalysis)噪声分析功能电路中每个元器件在工作时都要产生噪声由于电容、电感等电抗元件的存在不同频率范围内噪声大小不同。例如运算放大器对直流噪声比较敏感而对频率变化较快的高频噪声反映迟钝。为了定量描述电路中噪声的大小仿真软件采用了一种等效计算方法具体计算步骤如下:()  选定一个节点作为输出节点在指定频率范围内将电路中每个电阻和半导体器件等噪声源在该节点处产生的噪声电压均方根(RMS)值做叠加。()  选定一个独立电压源或独立电流源计算电路中从该独立电源(电流源)到上述输出节点处的增益再将第()步计算得到的输出节点处总噪声除以该增益就得到在该独立电压源(或电流源)处的等效噪声。噪声分析的参数设置在“AnalysesSetup”窗口内单击“Noise”标签在如图所示的窗口设置噪声分析参数。图噪声分析参数设置窗口当参考节点(ReferenceNode)为时以接地点作为计算参考点即输出节点噪声大小相对地电平而言。如图所示的运算放大器噪声分析结果如图所示可见该电路在低频段噪声输出电压均方值较大。图运算放大器噪声特性曲线仿真综合应用举例仿真综合应用举例数字电路仿真实例对如图(a)所示的电路进行参数扫描分析即可直观地了解到LS系列TTL门电路输出高电平的负载能力结果如图(b)所示。图LS系列集成电路高电平负载能力(a)输出高电平测试电路(b)输出高电平随负载电阻的变化图LS系列集成电路高电平负载能力(a)输出高电平测试电路(b)输出高电平随负载电阻的变化操作过程如下:()在原理图编辑窗口内编辑原理图在操作过程中必须注意TTL数字电路隐藏的电源引脚标号为VCC且仿真程序默认的TTL电源为V因此可以不用绘制电源供电电路也就是说可以不用放置V和电源符号VCC。 ()单击主工具栏内的“仿真设置”工具或执行“Simulate”菜单下的“Setup…”命令在如图所示的仿真方式设置窗口内分别单击“TransientFourierAnalysis”、“ParameterSweep”标签参数扫描分析参数(对RL进行扫描起始值为终了值为kΩ增量为)然后运行仿真操作即可得到如图(b)所示的结果可见负载越重输出高电平电压越小。图LS系列TTL电路输出低电平负载能力测试电路图LS系列TTL电路输出低电平负载能力模拟、数字混合电路仿真分析实例图是单片机系统常用的复位、掉电信号生成电路分析上电、掉电期间复位信号以及掉电信号波形是否满足要求。图MCS单片机系统常用的掉电、复位电路下面通过瞬态仿真分析检查各点波形时序是否满足设计要求操作过程如下:()编辑原理图放置激励源。用分段线性激励VPWL模拟上电、掉电波形V激励源参数为:mmmmm即上电时间为ms电源由正常值V下降到V时间ms停电时间为msV波形如图所示。()单击主工具栏内的“仿真设置”工具或执行“Simulate”菜单下的“Setup…”命令在如图所示的仿真方式设置窗口内单击“TransientFourierAnalysis”标签设置瞬态分析参数如图所示。()运行仿真操作结果如图所示可见电源波形、掉电信号以及复位信号时序满足设计要求即电源V小于V时掉电信号INT为低电平有效CPU响应INT中断后进入掉电操作状态上电时电源供电正常后即V大于V后复位信号为高电平使CPU进入复位操作经过大约ms的延迟后返回低电平满足了MCS系列单片机对复位信号的要求。图瞬态分析参数图各测试点电压波形“数学函数”库内信号合成函数的应用MATHlib(位于DesignExplorerLibrarySchSimddb数据库文件内)元件库中含有许多二端口数学函数如节点电压加、减、乘、除函数支路电流加、减、乘、除函数等。这些数学函数被视为特殊元件(放置、移动、编辑等操作方式与电阻、电容等完全相同)在电路仿真分析中灵活使用这些数学函数可迅速获得电路的有关参数。利用电压除法函数获得放大器电压增益例如在如图所示的电路中增加DIVV(电压除法)函数即可在瞬态分析窗口内直接获取电压增益Au。操作过程如下:()在原理图编辑状态下在“元件库”(lib)列表窗口内找出并单击MATHlib库文件将MATHlib元件库文件作为当前库文件。()在“元件”列表窗口内找出并单击DIVV(电压除法)函数。()单击“Place”按钮将DIVV元件拖到原理图编辑区内同时按下Tab键进入元件属性设置窗口设置仿真参数(对于DIVV函数来说只需指定序号如M、M等)。()用导线(或标号)分别将V、V端连接到需要做除法运算的节点上并在输出端放置网络标号如Au等即可如所示。图增加DIVV函数()在仿真设置窗口内指定仿真方式、仿真参数(这里选择瞬态仿真方式)、仿真观察信号并运行仿真操作结果如图所示。图DIVV函数利用电压减法函数求出电路中任意两个节点的电位差在Protel仿真操作过程中选择节点电压作为观察对象即可获得电路中任一点对的电压信号。当需要获得任意两个节点间的电位差如图中集电极与发射极之间的电压差即Q管VCE可通过电压差函数实现。操作过程如下:()在原理图编辑状态下在“元件库”(lib)列表窗口内找出并单击MATHlib库文件将MATHlib元件库文件作为当前库文件。()在“元件”列表窗口内找出并单击SUBV(电压差)函数。()单击“Place”按钮将SUBV元件拖到原理图编辑区内同时按下Tab键进入元件属性设置窗口设置仿真参数(对于SUBV函数来说只需指定序号如M、M等)。()用导线(或标号)分别将V、V端连接到需要做减法运算的节点上并在输出端放置网络标号如VCE等即可如所示。图通过SUBV函数求任意两点的电位差()在仿真设置窗口内指定仿真方式、仿真参数(这里可选择工作点仿真方式和瞬态仿真方式)、观察对象并运行仿真操作结果如图所示。图通过SUBV函数求出VCE利用电流除法函数获得放大器电流增益利用电流除法函数DIVI即可迅速获得如图(a)所示的三极管直流电流放大倍数ICIB操作过程如下:()在原理图编辑状态下在“元件库”(lib)列表窗口内找出并单击MATHlib库文件将MATHlib元件库文件作为当前库文件。()在“元件”列表窗口内找出并单击DIVI(电流除法)函数。()单击“Place”按钮将DIVI元件拖

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第4章 电路仿真测试

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