电子电路机辅分析与设计

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Fundamental of Electronic Technology,11 电子电路的计算机辅助分析与设计,CTGU,1,内容,11.1 引言,11.2 PSPICE功能及特点,11.3 PSPICE的基本构成,11.4 PSPICE文本描述,11.5 PSPICE窗口版的功能应用,2,11.1 引言,1) 计算机辅助设计,（computer aided design）,CAD CAM CAE CAT,2)电子CAD向EDA的过渡,传统设计：方案，验证，修改，人工完成,早期CAD：缺少CAD软件，人机完成,EDA系统的设计过程和大部分计算有机器完成,3)电子CAD源于机辅作图与分析,CAA是电子CAD 的独有技术,从直流、交流分析，瞬态分析发展到容差分析,最,坏 情况分析，数字模拟，数模混合模拟（仿真）,代表软件如：SPICE（simulation program with,integrated circuit emphasis）,PSPICE,（personal spice）,3,11.2 PSPICE功能及特点,PSPICE,是机辅分析和设计的电子电路模拟软件。硬件设计实现之前，先对电路进行模拟分析，器件的模型、系统的调整、测试全由计算机完成。用户根据要求设置参数，计算机象扫频仪和示波器一样测试电路的频率响应和瞬态响应，进行各种分析使电路达到最优,1）特点：,节省时间，节省设备，产品一般性好，可靠性高，新产品更新快。,2）功能：,直流分析,：计算工作点，计算直流小信号传输函数，计算直流转移特性曲线,4,交流分析,：频域分析（幅频，相频）；噪声分析（计算指定频率点上的噪声等效电平）,瞬态分析,：瞬态响应（绘不同信号的时域波形）；傅立叶分析（计算基波，谐波系数）,灵敏度分析,：计算元件参数变化引起电路输出变量的变化（交、直流）。,容差分析,：蒙特卡罗（monte-carlo）分析,（统计分析法）给定元件参数容差时，计算输出变量的均值和标准偏差；最坏情况分析（Worst-Case）：参数处于容差边界的一种最坏组合情况下计算输出的上界值和下限。,温度特性分析:,通常在27度进行分析，也可指定温度,优化设计:,给定电路拓扑结构和电路性能约束的情况下，确定元器件最佳参数组合。,5,11.3 PSPICE的基本构成,人机交互界面,原理图输入,电路模拟分析,绘图后处理,模型参数库,模型参数提取,电路符号库,符号编辑器,6,人机交互界面,：windows下工作，鼠标点击下拉菜单选命令，多窗口的多任务作业，可在不同窗口绘原理图，模拟分析，给出仿真结果波形。,输入方式,：原理图和文本两种输入方式。调电路符号组成电路图，由原理图编辑器自动将图转换成电路网表文件标上节点号供模拟器分析仿真。,元器件模型建立与处理,：模型提取软件PARTS建模，提取参数。同一器件不同分析要采用不同模型。,电路方程建立与求解,：交流小信号分析：线性代数方程，高斯消元法求解；直流非线性分析：非线性代数方程，迭代法求解；瞬态分析：常微分方程，变步长隐式积分法求解,绘图处理,：绘图软件probe，波形曲线输出存档,7,11.4 PSPICE文本描述,1）电路描述,：,标题描述，,电路描述（确定电路元件，节点，元件值，元件模型，信号源），,分析功能描述，,输出结果描述，,结束描述,8,2）例：RC电路瞬态分析,A SIMPLE RC CIRCUIT,VIN 1 0 DC 12V,R1 1 2 1,C1 20 5U IC=5,TRAN 5US 20US,PLOT TRAN V(2),PROBE,END,VIN,+,-,1,2,R1,1,0,C1,5U,t,0,10V,5V,0,10US,20US,V(2),9,11.5 PSPICE窗口版的功能应用,窗口版PSPICE目前已有版本5.1，6.2，7.1，8.0，9.0,1）原理图编辑器（schematics.editor）,放置元器件和画连线：,选Draw/Get New Part 屏幕出,现对话框，,在,标题为Add Part,中,:,选Browse/analog.slb/R 取电阻,选Browse/analog.slb/D 取二极管,选Browse/eval.slb/Q 取三极管,选Browse/port.slb/AGND 取地线,选Draw/wire 将元件连接好。,编辑元件属性：,在元件上连击两下，出现Editing Attribate的对话框，并键入相关参数，按“Save Attr”和OK按钮。,存图：,选（取名Damp）,10,2) 模拟分析与显示,模拟分析设置：,选analysis/ setup,探头Probe设置：,分析完自动进入图形后处理程序,选analysis/probe setup ， Automatically Run Probe After Stimulation 击OK。,模拟并显示直流扫描：,选analysis/ simulation（模拟）先检测，建网络表，再模拟，显示模拟信息,加入Marker标记：,选Marker/Mark voltage/level，按标记显示波形,显示波形：,选analysis/simulate,11,开始模拟电路之前，必须先用,Schematic,将电路图画出来，Schematic启动界面如下,：,12,进入绘制电路图窗口如图：,图标工具栏，每个图标代表菜单中一项最常用的操作，点中图标即可完成相应的操作，提高了操作效率。,窗口标题栏，显示当前程序项名称和所编辑的文件名称，新建电路图必须以某个名称保存以后才有文件名,主菜单栏，Schematics的所有操作都可通过选择菜单中相应的栏目来完成。,原理图编辑区，也就是原理图页面。它是一块均匀划分的网格区域，用户可以选择Options=Display Options显示方式设置，打开或关闭网格开关（Grid On）也可重新设置网点之间间隔（GridSize）。,13,1）. 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，,取元件图标,14,1）. 从符号库中提取元器件符号或端口符号,即可打开如图所示对话框。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。,15,单击 Place,可取出元件但不关闭对话框；,单击 Place&Close,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。,16,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。,17,摆放元件,水平摆放时，通常使正端子在左侧；垂直时，在上端。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。,18,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。,连线工具,19,（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，要转弯时可按一下鼠标左键，画笔移到终点后再按一下鼠标左键，完成接线。继续画线，直到全部完成后，按鼠标右键结束画线。,20,（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,）。,21,（4）,地符号的放置方法同元件,，学过或看过前面的电路CAD技术基础，当然会明白必须设置零节点的必要性，因为SPICE是用改进的节点法列写方程的。零节点是指定的参考点，惟有指定零节点才能保证方程是独立的,否则认为出错,。,及时保存电路图,22,4）. 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。,23,2） 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。,24,（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。,25,（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,26,2. 点选你想要模拟的项目，然后进入个别设定视窗。常用的模拟内容有：,27,3. 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。,28,（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,Analysis=Create Netlist 自动建立电路网络表Analysis=Electrical Rule Check 自动进行电路检查,Simulate,29,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。,30,在Schematics中，选择Analysis=Run Probe。,（四）、显示波形,31,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。,32,33,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；,34,瞬态分析,PSpice可对大信号非线性电子电路进行瞬态分析，也就是求电路的时域响应。它可在给定激励信号情况下，求电路输出的时间响应、延迟特性；也可在没有任何激励信号的情况下，求振荡波形、振荡周期等。,例题,一阶RC电路如图所示。试利用PSpice进行电路的时域响应（瞬态）分析。,35,（1）电路图的绘制。输入电路图名称（如RC），绘制电路图。激励为电压脉冲源，选用Source.slb库中的VPULSE,分别键入下面参数的名称和数值：V10V（初始值），V25V（幅值），TR0.4s（上升时间），TF0.5s（下降时间），TD0（延迟时间），PW10ms（脉冲宽度），PER20ms（周期）。PSpice库中存有各种类型瞬态分析电压（电流）激励源供调用，脉冲源VPULSE是其中之一,36,（2）执行PSpice分析程序，结果波形见图所示。其中脉冲波是输入的矩形脉冲，三角波是输出波形。由于电路的时间常数，,R1=100 RC1001010,6,1ms,而矩形输入脉冲的周期是T=20ms，因此本例中的RC电路为积分电路，输出电压波形仍是矩形波，,37,而电流波形是一个尖顶波如图所示。,38,当R1=2K（或者大于2K）此时 RC20001010,6,20ms（或20ms），输出的电压波形变换成三角波，而且在波形输出窗口中可以观察到电容的动态充电过程，即其平均电压值在升高，开始时，是“充得多，放得少”电容电压开始“爬坡”，大约在80ms后达到动态平衡，即是电容电压“充多少，放多少”保持一个稳定值，如图所示。这种现象在通常无存储的示波器上是观察不到的。,39,