电路仿真实验报告要求

电路计算机仿真分析实验指导武汉大学电气工程学院电工仿真实验室2006.11 PSPICE 简介PSPICE 简介1984年,美国MicroSim公司推出了基于SPICE的微机版PSPICE(Personal-SPICE).可以说在同类产品中,它是功能最为强大的模拟和数字电路混合仿真EDA软件,在国内普遍使用.它可以进行各种各样的电路仿真,激励建立,温度与噪声分析,模拟控制,波形输出,数据输出,并在同一窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果.无论对哪种器件哪些电路进行仿真,都可以得到精确的仿真结果,并可以自行建立元器件及元器件库.在目的个人电脑广使用的向用的商用仿真软件中,以Pspice A/D系列最受人众欢迎. PSPICE 是面向PC 机的通用电路仿真软件, 该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,模拟仿真快速准确,并提供了良好的人机交互环境,操作方便,易学易用.软件的用途非常广泛,不仅可用于电路分析和优化设计,还可用于电子线路,电路,信号与系统等课程的计算机辅助教学.与印刷线路板设计软件配合使用,还可以实现电子设计自动化.这些特点使得PSPICE 受到广大电子设计工作者,科研人员和高校师生的热烈欢迎,国内许多高校已将PSPICE 列入电子类本科生和硕士生的辅修课程. PSPICE 软件在国外非常流行.在大学里,它是工科类学生必会的分析与设计电路的工具;在公司中,它是产品从设计,实验到定型过程中不可缺少的设计工具.世界各国的半导体元件公司为它提供了上万种模拟和数字元件组成的元件库,使PSPICE 软件的仿真更可信,更真实. PSPICE 软件几乎完全取代了电路和电子电路实验中的元件,面包板,信号源,示波器和万用表.有了PSPICE 软件就相当有了电路和电子学实验室.PSPICE 的功能PSPICE 用于模拟电路,数字电路及模数混合电路的分析以及电路的优化设计.PSPICE 的分析功能主要体现在以下几方面:直流分析:当电路中某一参数(称为自变量)在一定范围内变化时,对自变量的每一个取值,计算电路的直流偏置特性(称为输出变量).交流分析:作用是计算电路的交流小信号频率响应特性.噪声分析:计算电路中各个器件对选定的输出点产生的噪声等效到选定的输入源(独立的电压或电流源)上.即计算输入源上的等效输入噪声.瞬态分析:在给定输入激励信号作用下,计算电路输出端的瞬态响应.基本工作点分析:计算电路的直流偏置状态.蒙特卡罗统计分析:为了模拟实际生产中因元器件值具有一定分散性所引起的电路特性分散性,PSpice提供了蒙特卡罗分析功能.进行蒙特卡罗分析时,首先根据实际情况确定元器件值分布规律,然后多次"重复"进行指定的电路特性分析,每次分析时采用的元器件值是从元器件值分布中随机抽样,这样每次分析时采用的元器件值不会完全相同,而是代表了实际变化情况.完成了多次电路特性分析后,对各次分析结果进行综合统计分析,就可以得到电路特性的分散变化规律.与其他领域一样,这种随机抽样,统计分析的方法一般统称为蒙特卡罗分析(取名于赌城Monte Carlo),简称为MC分析.由于MC分析和最坏情况分析都具有统计特性,因此又称为统计分析.最坏情况分析:蒙特卡罗统计分析中产生的极限情况即为最坏情况.参数扫描分析:是在指定参数值的变化情况下,分析相对应的电路特性.温度分析:分析在特定温度下电路的特性.在电路设计方面,PSPICE 提供了电路设计过程中所需要的各种元器件符号和绘图手段,电路设计师可以直接在PSPICE 的电路图编辑器中设计电路图.利用PSPICE的电路分析功能,可以测试电路的各项性能指标,测试电路在高温,高压等极端条件下的承受能力.利用PSPICE 中提供的各种观测标识符,可以观测电路图中任意点,任何变量以及各种函.数表达式的波形和数据.可以对电路进行优化设计,将多个设计方案进行比较.从电路方案的选型,分析,修改,优化设计及最终确定,整个设计过程中不涉及任何硬件和纸笔,不仅能节省开支,简化设计手段,而且大大缩短了设计周期,提高了设计精度.PSPICE 的版本介绍由于公司的并购,现在流行的pspice版本如下:pspice8.0,集成pspice的Orcad10.5,集成Orcad 的Cadence15.7等多个版本.实验过程采用Orcad9.2.Orcad9.2是一个过渡版本,内部包含pspice输入工具schematics(在以后的版本中已经取消了该输入方式).Orcad的原理图输入工具Capture(和Capture CIS).实验过程的操作以Capture为主.实验要求:复习相关理论.查阅相关pspice操作手册.写出pspice仿真步骤(预习报告).上机操作.保存pspice所做的电路图和结果.实验报告写出有关实验报告(A4页面,Word文档),包括:(1)实验名称;(2)pspice所作电路图;(3)简单步骤;(4)实验结果.(5)手动计算结果.(5)实验中遇到的问题及解决方法.(6)思考与讨论.(7)结论分析.(8)心得体会.预备实验Orcad Pspice的基本操作PSpice分析过程新建Project(create a design project)Capture的Project是用来管理相关文件及属性的.新建Project的同时,Capture会自动创建相关的文件,如DSN,OPJ文件等,根据创建的Project类型的不同,生成的文件也不尽相同.根据不同后续处理的要求,新建Project时必须选择相应的类型.Capture支持四种不同的Project类型在菜单栏中选择file>new>Project:开始绘制电路图新建project后,进入Schematic窗口,则在窗口右边会出现下图的工具栏:Place part(放置器件)在Capture中,调用器件非常方便,即使您不清楚器件在库中的名称,也可以很容易查找并调出使用.使用Capture CIS还可以让您通过Internet到Cadence的数据库(包含1万多个器件信息)里查找器件.点击Place part快捷按钮或点击place>part将调出如下对话框:点击part search…按钮,调出下面的器件搜索对话框:连线及放置数据总线(Place wire or bus)点击Place wire(或place bus)按钮进入连线(或放置数据总线)状态,此时鼠标变成十字形,移动鼠标,点击左键即可开始连线(或放置数据总线).连线时,在交叉而且连接的地方会有一个红点提示,如果你需要在交叉的地方添加连接关系,点击place junction,把鼠标移动到交叉点并点击左键即可.放置数据总线后,点击place bus entry按钮放置数据总线引出管脚,管脚的一端要放在数据总线上.放置网络名称(place net name)点击place net alias按钮,调出place net alias对话框,在alias对话框中输入要定义的名称,然后点击OK退出对话框,把鼠标移动到你要命名的连线上,点击鼠标左键即可.注意:数据总线与数据总线的引出线一定要定义网络名称.放置电源和地(place power or GND)点击Place power(或Place GND),调出如下对话框:下面主要讲一下在使用PSpice时绘制原理图应该注意的地方.新建Project时应选择Analog or Mixed-signal Circuit调用的器件必须有PSpice模型首先,调用OrCAD软件本身提供的模型库,这些库文件存储的路径为Capture\Library\pspice,此路径中的所有器件都有提供PSpice模型,可以直接调用.其次,若使用自己的器件,必须保证*.olb,*.lib两个文件同时存在,而且器件属性中必须包含PSpice Template属性.原理图中至少必须有一条网络名称为0,即接地.必须有激励源.原理图中的端口符号并不具有电源特性,所有的激励源都存储在Source和SourceTM库中. 电源两端不允许短路,不允许仅由电源和电感组成回路,也不允许仅由电源和电容组成的割集.解决方法:电容并联一个大电阻,电感串联一个小电阻.最好不要使用负值电阻,电容和电感,因为他们容易引起不收敛.仿真参数设置建立仿真描述文件在设置仿真参数之前,必须先建立一个仿真参数描述文件,点击或PSpice>New simulationprofile,系统弹出如下对话框:输入name,选择Create,系统将接着弹出如下对话框:在Analysis type中,你可以有以下四种选择:Time Domain(Transient):时域(瞬态)分析DC Sweep:直流分析AC Sweep/Noise :交流/噪声分析Bias point:基本偏置点分析在Options选项中你可以选择在每种基本分析类型上要附加进行的分析,其中General Setting 是最基本的必选项(系统默认已选).设置和运行DC Sweep点击或PSpice>Edit Simulation profile,调出Simulation Setting对话框,在Analysis type中选择DC Sweep,在Options中选中Primary Sweep,如下所示:Sweep variable:直流扫描自变量类型V oltage source:电压源Current source:电流源必须在Name里输入电压源或电流源的Reference,如"V1","I2".Global parameter:全局参数变量Model parameter:以模型参数为自变量Temperature:以温度为自变量Parameter:使用Global parameter或Model parameter时参数名称Sweep type:扫描方式Linear:参数以线性变化Logarithmic:参数以对数变化Value list:只分析列表中的值Start:参数线性变化或以对数变化时分析的起始值End:参数线性变化或以对数变化时分析的终止值Increment,Points/Decade,Points/Octave:参数线性变化时的增量,以对数变化时倍频的采样点. 设置和运行AC Sweep点击或PSpice>Edit Simulation profile,调出Simulation Setting对话框,在Analysis type中选择AC Sweep/Noise,在Options中选中General Settings,如下所示:AC Sweep Type:其中参数的含义与DC Sweep的Sweep Type中的参数含义一样.Noise Analysis:噪声分析Enabled:在AC Sweep的同时是否进行Noise Analysis.Output:选定的输出节点.I/V:选定的等效输入噪声源的位置.Interval:输出结果的点频间隔.注意:对于AC Sweep,必须具有AC激励源.产生AC激励源的方法有以下两种:一,调用VAC或IAC 激励源;二,在已有的激励源(如VSIN)的属性中加入属性"AC",并输入它的幅值.对于Noise Analysis,选定的等效输入噪声源必须是独立的电压源或电流源.分析的结果只存入OUT输出文件,查看结果只能采用文本的形式进行观测.设置和运行瞬态分析(Time Domain(Transient))点击或PSpice>Edit Simulation profile,调出Simulation Setting对话框,在Analysis type中选择Time Domain(Transient),在Options中选中General Settings,如下所示:Run to:瞬态分析终止的时间Start saving data:开始保存分析数据的时刻Transient options:Maximum step:允许的最大时间计算间隔Skip the initial transient bias point calculation:是否进行基本工作点运算Output file Options:控制输出文件内容,点击后弹出如下对话框:Output:用于确定需对其进行傅里叶分析的输出变量名.Number of Harmonics:用于确定傅里叶分析时要计算到多少次谐波.Pspice的内定值是计算直流分量和从基波一直到9次谐波.Center:用于指定傅里叶分析中采用的基波频率,其倒数即为基波周期.在傅里叶分析中,并非对指定输出变量的全部瞬态分析结果均进行分析.实际采用的只是瞬态分析结束前由上述基波周期确定的时间范围的瞬态分析输出信号.由此可见,为了进行傅里叶分析,瞬态分析结束时间不能小于傅里叶分析确定的基波周期.设置和运行参数分析(Parametric Sweep)点击或PSpice>Edit Simulation profile,调出Simulation Setting对话框,在Analysis type中选择Time Domain(Transient),在Options中选中Parametric Sweep,如下所示:参数分析的设置方法与DC Sweep的设置方法完全一样,只是在DC Sweep时,把电路中的电感短路,电容开路.初始偏置条件的设置1. 设置初始偏置条件的必要性在实际电路中,存在有很多非线性器件以及双稳态或多稳态器件.采用常规方法计算其偏置解时往往出现不收敛问题,或得不到预定的稳定解.在电路规模较大时,这一问题更加突出.对此,Pspice中提供了多种方法,供用户根据自己对电路工作原理的分析,设置电路初始偏置条件.采用这种方法给电路分析带来下述2点好处.(1)对一般非线性电路,可以帮助尽快得到直流偏置解.这样不但可防止可能出现的电路不收敛或很难收敛的问题,而且也可以节省大量的计算时间.(2)对双稳或稳态电路,例如触发器,通过设置电路初始偏置条件,可以使电路呈现选定的稳定状态.2. 设置初始偏置条件的方法Pspice提供了4种方法,用于设置初始偏置条件.按这些方法的使用环境可将其分为两类. (1)在电路图中设置初始偏置条件:在Pspice软件包的电路图绘制部分,用户可采用下述3种不同的方式,在绘制电路图的过程中同时设置好相应的初始条件.(a)采用IC符号.(b)采用NODESET符号.(c)设置电容和电感元件的IC属性.(2)在电路分析模拟过程中采用以前的直流偏置计算结果作为本次直流偏置的初始条件.本方法涉及到直流偏置信息文件的存取问题.本节将分别介绍这几种方法之间的区别及其具体使用步骤.IC符号1.功能IC符号(例)IC是Initial Condition的缩写.在电路符号库Special.slb中,IC1和IC2两个符号(见右图)用于设置电路中不同节点处的偏置条件.在电路图中放置IC符号的方法与放置元器件图形符号的方法相同.其中IC1为单引出端符号,用于指定与该引出端相连的节点的偏置条件.在电路中放置了IC1符号后,连击该符号,从屏幕上弹出的参数设置框中将该符号的V ALUE属性设置为该偏置条件值即可.图4-23中的实例表示将相应节点处的初始偏置定为3.4V.IC2是具有两个引出端的符号,用于指定与这两个引出端相连的两个节点间的偏置条件.在交流小信号AC分析(见3-6节)和瞬态TRAN分析(见3-8节)需要求解偏置解的整个过程中,采用IC符号的那些节点,其偏置一直保持在由IC符号指定的数值上.这就是说,IC符号实际上是指定了相应节点处的偏置解.在Pspice运行过程中,实际上是在连有IC符号的节点处附加有一个内阻为0.0002的电压源,电压源值即为IC符号的设置值.2.说明(1)IC符号设置的偏置条件在直流特性扫描分析过程中不起作用.(2)若某一节点处同时加有IC符号和下面要介绍的NODESET符号,则以IC符号的作用优先,即对该节点不考虑NODESET符号的作用.NODESET符号NODESET符号(例)1.功能电路符号库Special.slb中NODESET1和NODESET2两个符号如右图所示.其使用方法与IC 符号类似.但这两类符号的作用有根本的区别.不像IC符号那样用于指定节点处的直流偏置解.NODESET符号的作用只是在迭代求解直流偏置解时,指定单个节点或两个节点之间的初始条件值,即在求解直流偏置解进行初始迭代时,这些节点处的初始条件取为NODESET符号的设置值,以帮助收敛.2.说明(1)NODESET符号设置值将作为AC交流小信号分析和TRAN瞬态分析求解直流偏置解迭代过程的初始条件.对DC扫描分析,只是在扫描过程的第一步求解直流解时,以NODESET设置值作为迭代求解的初始条件.从DC直流分析的第二步扫描开始,进行迭代求解时NODESET的设置值将不再起作用.(2)由于NODESET符号只用于设置直流迭代求解时的初始条件,而IC符号设置的是节点处的直流偏置解,因此当某一节点同时连有这两类符号时,以IC符号的设置值为准,NODESET对该节点的设置不起作用.电容,电感初始解的设置电容和电感元件有一项名为IC的属性设置,用于设置电容和电感元件两端的初始条件.这些设置在所有的直流偏置求解计算过程中均起作用.但是在TRAN瞬态分析中,如果选中了参数"Skip initial transient solution",则瞬态分析前将不求解直流偏置工作点.设置有IC属性的元器件将以其IC属性设置值作为偏置解,其他元器件的初始电压或电流值取为0.对电容,IC属性的设置相当于在求解时与电容并联一个串联电阻为0.002的电压源.对电感,相当于与电感串联一个恒流源,而与恒流源并联一个1G的电阻.Pspice中的任选项设置(OPTIONS)1.作用为了克服电路模拟中可能出现的不收敛问题,同时兼顾电路分析的精度和耗用的计算机时间,并能控制模拟结果输出的内容和格式,Pspice软件提供了众多的任选项供用户选择设置.根据设置内容的不同,可将这些任选项分为两类.一类属于选中型任选项,用户只需选中该任选项,即可使其在模拟分析中起作用,无需赋给具体数值.另一类为赋值型任选项,对这类任选项,系统均提供有内定值.2.任选项的设置方法点击或PSpice>Edit Simulation profile,调出Simulation Setting对话框,选中Options,窗口弹出如下对话框:Analog Simulation任选项基本任选参数RELTOL:设置计算电压和电流时的相对精度.VNTOL:设置计算电压时的精度.ABSTOL:设置计算电流时的精度.CHGTOL:设置计算电荷时的精度.GMIN:电路模拟分析中加于每个支路的最小电导.ITLI:在DC分析和偏置点计算时以随机方式进行迭代次数上限.ITL2:在DC分析和偏置点计算时根据以往情况选择初值进行的迭代次数上限.ITL4:瞬态分析中任一点的迭代次数上限,注意,在SPICE程序中有ITL3任选项,Pspice软件中则未采用ITL3.TNOM:确定电路模拟分析时采用的温度默认值.use GMIN stepping to improve convergence:在出现不收敛的情况时,按一定方式改变GMIN参数值,以解决不收敛的问题.与MOS器件参数设置有关的任选项在图4-38中按"MOSFET Options…按钮,屏幕上出现下图所示任选项参数设置框,其中包括4项与MOS器件有关的任选项:DEFAK:设置模拟分析中MOS晶体管的漏区面积AD内定值;DEFAS:设置模拟分析中MOS晶体管的源区面积AS内定值;DEFL:设置模拟分析中MOS晶体管的沟道长度L内定值;DEFW:设置模拟分析中MOS晶体管的沟道宽度W内定值.Advanced Options参数设置按" Advanced Options"按钮,屏幕上出现下图所示任选项参数设置框.ITL5:设置瞬态分析中所有点的迭代总次数上限,若将ITL5设置为0(即内定值)表示总次数上限为无穷大.PIVREL:在电路模拟分析中需要用主元素消去法求解矩阵议程.求解议程过程中,允许的主元素与其所在列最大元素比值的最小值由本任选项确定.PIVTOL:确定主元素消去法求解矩阵议程时允许的主元素最小值.用于控制输出文件的任选项在Category栏选择:"Ouput File",屏幕上即出现图4-41所示的任选项数设置框.图中所示任选项的选中情况是系统的内定设置.下面解释各任选项被选中后产生的作用.ACCT:该任选项名称是Account的缩写.若选中该项,则在输出关于电路模拟分析结果的信息后面还将输出关于电路结构分类统计,模拟分析的计算量以及耗用的计算机时间等统计结果. EXPAND:列出用实际的电路结构代替子电路调用以后新增的元器件以及子电路内部的偏置点信息.LIBRARY:列出库文件中在电路模拟过程被调用的那部分内容.LIST:列出电路中元器件统计清单.NOBIAS:不在输出文件中列出节点电压信息.NODE:以节点统计表的形式表示电路内部连接关系.NOECHO: 不在输出文件中列出描述电路元器件拓扑连接关系有及与分析要求有关的信息. NOMOD:不在输出文件中列出模型参数值及其在不同温度下的更新结果.NOPAGE:不在输出文件中保存模拟分析过程产生出错信息.NOPAGE:在打印输出文件时代表模拟分析结果的各部分内容(如偏置解信息,DC,AC和TRAN等不同类型的分析结果等)均自动另起一页打印.如果选中NOPAGE任选项,则各部分内容连续打印,不再分页.OPTS:列出模拟分析采用的各任选项的实际设置值.NUMDG:确定打印数据列表时的数字倍数(最大8位有效数字).Output File()Characters:确定输出打印时每行字符数(可设置为80或132).设置波形显示方式点击或PSpice>Edit Simulation profile,调出Simulation Setting对话框,选择Probe Window,对话框如下所示:数据保存选项点击或PSpice>Edit Simulation profile,调出Simulation Setting对话框,选择Data Collection,对话框如下所示:分析并处理波形下图是PSpice专门用来显示和处理波形的工具窗口,所有对波形的分析与处理,都是由它来完成.实验一直流电路工作点分析和直流扫描分析一,实验目的(1)学习使用PSPICE 软件,熟悉它的工作流程,即绘制电路图,元件类别的选择及其参数的赋值,分析类型的建立及其参数的设置,Probe 窗口的设置和分析的运行过程等.(2)学习用PSPICE 进行直流工作点分析和直流扫描分析的操作步骤.二, 原理与说明在"电路"课中已经学过,对于电阻电路,可以用直观法(支路电流法,节点电压法,回路电流法)列写电路方程,求解电路中各个电压和电流.PSPICE 软件是采用节点电压法对电路进行分析的. 使用PSPICE 软件进行电路的计算机辅助分析时,首先在capture环境下编辑电路,用PSPICE 的元件符号库绘制电路图并进行编辑,存盘.然后调用分析模块,选择分析类型,就可以"自动"进行电路分析了.需要强调的是,PSPICE 软件是采用节点电压法"自动"列写节点电压方程的,因此,在绘制电路图时,一定要有参考节点(即接地点).此外,一个元件为一条"支路"(branch),要注意支路(也就是元件)的参考方向.对于二端元件参考方向定义为正端子指向负端子.三, 操作练习图1-1 直流电路分析电路图1.示例说明:应用PSPICE求解图1-1所示电路各节点电压和各支路电流.2.操作步骤(1) 启动Orcad capture,新建工程Proj1,选项框选择Analog or Mixed A/D.在下一页面类型选择为create a blank project.(2) 在原理图界面上点击Place/Part或右侧快捷键.(3) 首先增加常用库,点击Add Library,将常用库添加进来.本例需添加Analog(包含电阻,电容等无源器件),Source(包含电压源,电流源等电源器件),special(包含虚拟打印机等器件).在相应的库中选取电阻R,电流源IDC.点取Place/Ground选取0/Source以放置零节点(每个电路必须有一个零节点).(4)移动元器件到适当位置,右键单击器件进行适当旋转,点击Place/Wire或快捷键将电路连接起来如图1-1所示.End Mode结束取用命令Mirror Horizontall将该元件左右翻滚(同H键)Mirror Vertically将该元件上下翻滚(同V键)Rotate将该元件逆时针旋转90度(同R键)Edit Properties开启该元件的属性编辑对话框Zoom In放大视窗比例Zoom Out缩小视窗比例GO To...跳到指定位置(5)双击元器件或相应参数修改名称和值.(6)保存原理图.3.仿真(1)点击Pspice/New Simulation Profile,输入名称(例如输入DC1);(2)在弹出的窗口中Basic Point是默认选中,必须进行分析的.点击确定.(3)点击PSpice/Run(快捷键F11)或工具栏相应按钮.(4)如原理图无错误,则显示PSpice A/D窗口.在本例中未设置其它分析,窗口无显示内容,关闭该窗口.(5)在原理图窗口中点击工具栏按钮,图形显示各节点电压和各元件电流值(该工具栏仅用于直流分析)如下:图1-2 仿真结果四,实验内容图1-3 实验电路图以图1-3所示的直流电路为例,要求对这个电路进行以下两方面的分析:1.直流工作点分析,即求各节点电压和各元件电压和电流.2.直流扫描分析,即当电压源US1的电压在0～12V之间变化时,求负载电阻RL中电流IRL 随电压源US1的变化曲线.操作步骤:1)直流工作点分析同上.探针在选取(说明:电流探针必须放置在器件管脚上).2)直流扫描分析:a. 单击PSpice/Edit Simulation Profile,,打开分析类型对话框,以建立分析类型.在Analysis type 栏选取"DC Sweep…",Options选项中采用默认Primary Sweep,在右边选项中,图1-3 例子的设置为:"Sweep variable"选择"Voltage Source" ,"Name"输入"Vs1";"Sweep Type"选择"Linear";"Start "输入"0","End " 输入"12","Increment" 输入"0.5".b.运行PSPICE 的仿真计算程序,进行直流扫描分析.。