[工学]第3章 电路仿线) 在“元件”列表窗口内，找出并单击SUBV（电压差）函数。 (3) 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M1、M2等）。 (4) 用导线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3-55所示。 图3-55 通过SUBV函数求任意两点的电位差 (5) 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，并运行仿线 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 温度扫描分析(Temperature Sweep Analysis) 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。 图3-42 基本共射极放大电路 温度扫描分析应用举例：分析环境温度对如图3-42所示的基本放大电路放大倍数的影响。 图3-43 温度扫描参数设置窗口 图3-44 输出电压Vout随温度变化的情况 直流扫描分析(DC Sweep)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 直流扫描分析(DC Sweep Analysis) 图3-35 直流扫描分析参数设置 图3-36 运算放大器 图3-37 直流扫描分析设置窗 图3-38 直流传输特性曲线LS门电路的直流传输特性曲线 数字电路仿线（a）所示的电路进行参数扫描分析，即可直观地了解到74LS系列TTL门电路输出高电平的负载能力，结果如图3-47（b）所示。 图3-47 74LS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3-47 74LS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： (1) 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+5 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V3和电源符号VCC。? (2) 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3-12所示的仿真方式设置窗口内，分别单击“Transient/ Fourier Analysis”、 “Parameter Sweep”标签，参数扫描分析参数（对RL进行扫描，起始值为100，终了值为5 kΩ，增量为500），然后运行仿线(b)所示的结果，可见负载越重，输出高电平电压越小。 图3-48 74LS系列TTL电路输出低电平负载 能力测试电路 图3-49 74LS系列TTL电路输出低电平负载能力 3.5.2 模拟、数字混合电路仿线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3-50 MCS-51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： (1) 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，V1激励源参数为：0 0.0 2 m 5.0 10 m 5.0 11 m 0.0 30 m 0.0 32 m 5.0，即上电时间为2 ms，电源由正常值5.0 V下降到0 V，时间1 ms，停电时间为19 ms，V1波形如图3-48所示。 (2) 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3-12所示的仿真方式设置窗口内，单击“Transient/ Fourier Analysis”标签，设置瞬态分析参数，如图3-51所示。 (3) 运行仿线所示，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3.75 V时，掉电信号INT0为低电平有效，CPU响应INT0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3.75 V后，复位信号为高电平，使CPU进入复位操作，经过大约5 ms的延迟后返回低电平，满足了MCS-51系列单片机对复位信号的要求。 图3-51 瞬态分析参数 图3-52 各测试点电压波形 MATH.lib（位于Design Explorer 99\Library\Sch\Sim.ddb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。 3.5.3 “数学函数”库内信号合成函数的应用 1. 利用电压除法函数获得放大器电压增益 例如，在如图3-11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： (1) 在原理图编辑状态下，在“元件库”(lib)列表窗口内，找出并单击MATH.lib库文件，将MATH.lib元件库文件作为当前库文件。 (2) 在“元件”列表窗口内，找出并单击DIVV（电压除法）函数。 (3) 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M1、M2等）。 (4) 用导线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3-53所示。 图3-53 增加DIVV函数 (5) 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，并运行仿线. 利用电压减法函数求出电路中任意两个节点的电位差 在Protel99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3-11中，集电极与发射极之间的电压差，即Q1管VCE，可通过电压差函数实现。操作过程如下： (1) 在原理图编辑状态下，在“元件库”(lib)列表窗口内，找出并单击MATH.lib库文件，将MATH.lib元件库文件作为当前库文件。 此外，Simulation Symbols.lib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。 可以从Protel99的仿真实例中受到启发。在Design Explorer 99\Examples\Circuit Simulation 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。 3.3 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3-11所示的共发射极放大电路为例，演示说明Protel99仿线 仿线 仿线 “Transient/Fourier Analysis”（瞬态特性/傅立叶分析）参数设置 图3-15 仿线 仅显示一个单元格内的信号 Close 关闭当前文件窗口 Split Vertical 按垂直方式分割窗口 Split Horizontal 按水平方式分割窗口 Tile All 重叠所有窗口，即屏幕上只 观察到当前文件窗口 Merge All 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。 可重新设定窗口的显示方式: 3.4 常用仿线 工作点分析(Operating Point Analyses) 就是常说的静态工作点分析。 仿线 工作点分析结果 Transient Analysis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Transient Analysis是一种最基本、最常用的仿线 瞬态特性分析(Transient Analysis)与傅立叶分析(Fourier Analysis) 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。 3.3.3 参数扫描分析(Parameter Sweep Analysis) 图3-23 参数扫描设置窗口 图3-24 三极管Q1放大倍数β变化对应的输出信号 图3-25 电阻R5变化时对应输出信号 1. 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。 注意：在分析放大器频率特性时，一般要求信号源中AC小信号分析电压幅度必须小于1V，如取1mV、10mV等，以保证放大器的输出信pg电子号不会因输入太大而失线 交流小信号分析（AC Small Signal Analysis） 2、AC小信号分析参数设置 图3-27 低通滤波器幅频特性 仿真举例：测试低通滤波器幅频特性 图3-28 并联谐振电路 仿真举例：测试并联谐振电路幅频特性 对于如图3-28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3-29所示（其中AC小信号分析参数为：Start Frequency=1?Hz，Stop Frequency=1 MHz，Test Points=1000）。 图3-29 仿真结果，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3-11所示的电路中，选择发射极交流旁路电容C3作为主扫描参数， （初值取0.1?μ，终值取2?μ，增量0.3?μ），并将AC小信号分析参数设为： Start Frequency=1 Hz，Stop Frequency=10 kHz，测试点数取1000，即可迅速了解到电容C3对放大器低频特性的影响，如图3-30所示。 图3-30 电容C3对放大器低频特性的影响 Protel99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 阻抗特性分析（Impedance Plot Analysis） 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3-11中的信号源的阻抗V1(z)作为观察对象即可获得放大器输入阻抗Ri曲线. 求输入阻抗Ri 图3-31 输入阻抗Ri特性曲线变化对输入阻抗Ri的影响 图3-33 R3变化对输入阻抗Ri的影响 根据输出阻抗的定义，求输出阻抗时，需要修改电路结构；如图3-34（a）所示。 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。 2. 求输出阻抗Ro 图3-34 输出阻抗求解电路及结果 (a) 求输出阻抗电路；(b) 输出阻抗曲线章 电路仿线章 电路仿线 电路仿线 仿线 电路仿线 常用仿线 仿真综合应用举例 什么是电路仿真？ “电路仿真”，以电路分析理论为基础，通过建立元器件的数学模型，借助数值计算方法，在计算机上对电路功能、性能指标进行分析计算，然后以文字、表格、图形等方式在屏幕上显示出电路的有关性能指标。 常用的电路仿真仿真软件？ 电路仿真软件很多，如： PSPICE Electronics Workbench、 Multisim2001（EWB的最新版本）等。 Protel99SE也内嵌了与PSPICE兼容的电路仿真测试软件，操作很方便。 3.1 电路仿真操作步骤 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Sim.ddb内相应元件电气图形符号库文件（.lib）。 在Protel99SE中进行电路仿真分析的操作过程可概括如下： 1) 编辑原理图 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Sim.ddb内的Simulation Symbols.lib元件图形库文件中。 2) 放置仿真激励源(包括直流电压源) 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Protel99仿真程序只能自动检测支路电流、元件阻抗，没有节点电压。 3) 放置节点网络标号 4) 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“Analyses Setup”仿真设置窗口，选择仿真方式及仿真参数。 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线) 执行仿真操作 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； 7) 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。 6) 观察仿线 仿真元件及参数设置 在Protel99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Design Explorer 99\Library\SCH\Sim.ddb仿真分析用元件电气图形符号库文件包内. 共收录了5 800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： 74XX.lib 74系列TTL数字集成电路 7SEGDISP.lib 7段数码显示器 BJT.lib 工业标准双极型晶体管 BUFFER.lib 缓冲器 CAMP.lib 工业标准电流反馈高速运算放大器 CMOS.lib CMOS数字集成电路元器件 Comparator.lib 比较器 Crystal.lib 晶体振荡器 Diode.lib 工业标准二极管 IGBT.lib 工业标准绝缘栅双极型晶体管 JFET.lib 工业标准结型场效应管 MATH.lib 二端口数学转换函数 MESFET.lib MES场效应管 Misc.lib 杂合元件 MOSFET.lib 工业标准MOS场效应管 OpAmp.lib 工业标准通用运算放大器 OPTO.lib 光电耦合器件（实际上该库文件仅 含有4N25和通用的光电耦合器件OPTOISO两个元件） Regulator.lib 电压变换器，如三端稳压器等 Relay.lib 继电器类 SCR.lib 工业标准可控硅 Simulation Symbols.lib 仿真测试用符号元件库 Switch.lib 开关元件 Timer.lib 555及556定时器 Transformer.lib 变压器 TransLine.lib 传输线 TRIAC.lib 工业标准双向可控硅 TUBE.lib 电子管 UJT.lib 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。 怎样设置元件有关参数？ 1. 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，默认为：电容容量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。常用比例因子： 2. 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 Simulation Symbols.lib 元件库文件内，要了解常用分立元件有关参数的含义。 如： 电阻器 、电容器、电感器、晶体振荡器、二极管、三极管及结型场效应管、MOS场效应管等。 详见教材 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sim.ddb数据库文件包内的Simulation Symbols.lib元件库文件中，包括： 直流电压激励源VSRC (voltage source) 直流电流激励源 ISRC (current source) 正弦波电压激励源VSIN (voltage source) 正弦波电流激励源ISIN (current source) 周期性脉冲信号激励源VPULSE (voltage source) 分段线性激励源VPWL (voltage source) 等。 3. 仿真信号源及参数 Protel99SE内的仿真激励源均为理想信号源，即对于电压源来说，内阻为0，对于电流源来说，内阻为无穷大，所有的信号源的温度系数为0。 1) 直流电源属性设置 直流电压激励源VSRC与直流电流激励源 ISRC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（Part Type，如5、12等），如图3-1所示。 图3-1 直流电源属性设置窗 2) 正弦波信号源（Sinusoid Waveform）属性设置 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“Simulate\Source”，选择Sine Wave类型的激励源，就可以放置正弦波激励源，其参数设置对线 正弦信号属性设置窗 图3-3 由上述设置的正弦波形信号 3) 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“Simulate\Source”，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3-4所示的属性设置对线 脉冲信号激励源属性设置窗 图3-5 脉冲激励源波形图 （其中Pulsed=100 mV，Period=8 ms，脉冲宽度Plus=3 ms） 4) 分段线性激励源VPWL与IPWL（Piece Wise Linear） ? 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3-6所示。 图3-6 分段线 分段线) 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Sim.ddb数据库文件包内的Simulation Symbols.lib元件库文件中。 调频波信号源属性如图3-8所示。 图3-8 属性设置窗所示参数 图3-9 调频波激励源波形 图3-10 调频波信号频谱 * 第3章 电路仿线ae;

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