swordman--saber教程1讲解

稳压管电路仿真

今天是俺在网博电源网上开始写Blog的第一天，一直没想好写点什么，正好论坛上有网友问我在Saber环境中如何仿真稳压管电路，就以稳压管电路仿真做为俺在网博上的第一篇Blog吧。稳压管在电路设计当中经常会用到，通常在需要控制电路的最大输入、输出或者在需要提供精度不高的电压参考的时候都会使用。下面就介绍一个简单例子，仿真电路如下图所示：

在分析稳压管电路时，可以用TR分析，也可以用DT分析。从分析稳压电路特性的角度看，DT分析更为直观，它可以直接得到稳压电路输出与输入之间的关系。因此对上面的电路执行DT分析，扫描输入电压从9V到15V，步长为0.1V，分析结果如下图所示：

从图中可以看到，输入电压在9～15V变化，输出基本稳定在6V。需要注意的是，由于Saber仿真软件中的电源都是理想电源，其输出阻抗为零，因此不能直接将电源和稳压管相连接，如果直接连接，稳压管将无法发挥作用，因为理想电源能够输

出足以超出稳压管工作范围的电流。

带输出钳位功能的运算放大器

运算放大器在电路设计中很常用,在Saber软件中提供了8个运放模板和大量的运放器件模型,因此利用Saber软件可以很方便的完成各种运方电路的仿真验证工作.如下图所示的由lm258构成的反向放大器电路, 其放大倍数是5,稳压二极管1N5233用于钳位输出电压.

对该电路执行的DT分析,扫描输入电压从-2V-> 2V , 步长为0.1V, 仿真结果如下图所示:

从仿真结果可以看出,当输入电压超出一定范围时, 输出电压被钳位. 输出上限时6.5V, 下限是-6.5V. 电路的放大倍数A=-5.

注意:

1. lm258n_3 是Saber中模型的名字, _3代表了该模型是基于第三级运算放大器模板建立的.

2. Saber软件中二极管器件级模型的名字头上都带字母d, 所以d1n5233a代表1n5233的模型.

5V/2A的线性稳压源仿真

下图所示的电路利用78L05+TIP33C完成了对78L05集成稳压器的扩展，实现5V/2A 的输出能力。

为了考察电路的负载能力，可以在Saber软件中使用DT分析，扫描变化负载电流，得出输出电压与输出电流的关系，也就可以得到该电路的负载调整率了。DT分析参数设置为：

Independent source = i_dc.iload

sweep from 0.01 to 2 by 0.1.。

分析结果如下图所示：

从上图可以看出，在整个范围内(0.01A

半桥推挽电路的开环仿真

推挽电路拓扑在电源设计里常用，这里介绍一个简单的推挽电路开环仿真的例子，可以直观的理解推挽电路的工作原理。电路如下图所示：

对该电路进行TR分析，end time =200u, time step=10n，仿真结果如下所示。

1. 输出电压

2. 驱动电压

3. 变压器原边波形

4. 变压器负边波形

Saber中仿真用的原理图文件

方波发生器的仿真

在电路设计的时候，经常会需要设计脉冲发生电路，下图是一个由lm339比较器构

成的方波发生器：

其基本工作原理如下：

1. 假设lm339输出为高，则inp电压为(2/3)vcc, 并且vcc通过r5、r3向c1充电，inm 端电压逐渐上升；

2. 当inm端电压高于Vinp时，lm339输出为低，则inp端电压跳变为（1/3）vcc，此时电容c1通过电阻r3向vout端放电，inm端电压逐渐下降；

3. 当inm端电压低于Vinp时，lm339输出为高，开始重复过程1。

过程1到3反复重复，导致lm339输出端vout在vcc和gnd直接跳变，产生方波输

出，方波频率主要有r3和c1决定（r5＝4.7k<

在sabersketch中对该电路执行TR分析，end time = 10m，time step=10n, 分析结果如下所示。

1. lm339两个输入管脚inp和inm波形（lm258与lm339有多大不同？？？）

2. lm339输出管脚vout波形

整流电路的仿真

整流电路在电源设计中会经常用到,这里介绍一个单相整流电路仿真示例。如下图所示：

四个二极管D1N4148构成整流桥，直流滤波电容C1=100u，负载电阻RL=1k。交流输入为正弦电压，峰值电压为17V，频率为50Hz。对该电路执行TR 分析，设置end time = 200m ，time step = 1u。其分析结果如下图所示：

从上图可以看出，仿真结果正确。

问题:

1. 如何测试输出电压Vout的纹波电压？

2. 如何修改电路参数，可以使得Vout输出有下图的效果？

脉冲电路在电路设计中会经常碰到,这里介绍一个简单的仿真示例。如下图所示：

电路由与非门和阻容网络组成，其基本工作原理如下：

（a）假设上电瞬间节点in的电压对于非门来说为低电平，则节点mid电压为高电

平，而节点out的电压为低电平。

（b）由于mid为高电平，则会通过2k电阻向电容C充电，n_67节点电压逐渐上升。而非门的输入阻抗极高，所以in节点的电压基本与n_67节点一致，导致in节点的电压也上升。

（c）当in节点电压高于与非门的输入高门限时，非门输出反转，mid为低电平，导致out节点电压反转，输出为高电平。

（d）电容C通过2k电阻向mid节点放电，n_67节点电压下降，in节点电压也跟着下降。当in节点电压低于非门的输入低门限时，输出再次反转，mid为低电平，导致节点out输出反转为高电平。

整个电路在a～d四个过程中往复运行，out节点上产生振荡方波。需要注意的是，这个振荡电路的仿真和以前的不一样，电路的没有直接的参考地。那么，这个电路的仿真能正确吗？

在Sabersketch 中建立图1所示的原理图，然后选择DC，TR分析，End Time ＝100m，Time Step＝100n，仿真器输出结果如下图所示。

从上图可以观察到，电路的运行方式与前面分析的一致，表明这个电路在没有直接参考地的情况下，也能够正确仿真。而一般普通的模拟电路如果没有参考地，没法进行仿真分析。造成这种情况的原因在于saber软件仿真混合信号电路的方法，saber 软件在为原理图产生网表时，会自动在数字和模拟管脚连接的地方，插入一种被称为hypermodel的模板，以实现模拟到数字或者数字到模拟的过渡。关于Hypermodel 的概念和使用，可参考Saber软件自带的帮助文档，这里紧紧举个例子，便于大家观察Hypermodel的使用。选择Edit菜单下的Saber/Netlister Settings命令，会出现如下图所示的对话框：

按照上图所示设置Hypermodel栏，然后保存设置并重新执行Netlist命令。然后对电路进行DC、TR分析，设置和以前一致，仿真结果如下图所示：

和前面的仿真结果比较，其输出的高低电平发生变化，这主要和使用的Hypermodel 有关。

问题：为什么在改变hypermodel设置以后，要执行netlist命令，而不直接进行分析？

译码电路在数字电路设计中会经常碰到,这里介绍一个简单的仿真示例。如下图所示：

为一个三八译码器电路，三路数字时钟输入的频率分别为1kHz, 2kHz, 4kHz，其中C路输入信号代表高位，A路代表低位。在Sabersketch 中建立该电路的原理图，然后选择TR 分析，设置end time = 1m , time step = 1u。其分析结果如下图所示：

从上图可以观察到，译码电路工作正常。

分频移相电路的仿真

在数字电路设计时，经常会有对某个信号进行分频或者移相的要求。如下图所示的电路：

输入时钟频率为200kHz，通过计数器进行分频，其输出控制一个多路选择开关，从多路开关中输出六路信号，分别控制三个RS触发器的复位置位动作，实现三路信号的移相。对该电路执行TR 分析，设置end time = 60，ime step = 1n其分析结果如下图所示：

从上图可以观察到，这个电路对输入时钟进行了6分频，并移相为三路互差120°的信号输出。

梯形波发生器电路的仿真

这里介绍一个例子，在Saber软件环境中对梯形波发生器电路进行分析验证。如下图图所示：

从上图可以看出，电路由计数器、触发器、门电路、和电阻网络组成，输入时钟为

500kHz。其核心思想是控制计数器的输出，其输出电压经过电阻网络分压以后成阶

梯上升和阶梯下降。

在Sabersketch 中对该电路执行DC，TR分析，End Time ＝100u，Time Step＝1n，

仿真器输出结果如下图所示：

从上图可以观察到，输出电压在0～2V之间的梯形波。

问题：

1．修改VCC电压，能够改变输出电压波形吗？为什么？

2．这个电路在实际设计时真的能使用吗？

三角波发生器电路的仿真

这里介绍一个Saber软件环境中实现对方波发生器电路进行分析验证的例子，设计示例如下图所示：

如上图所示电路由两个ne5532a构成，第一级ne5532a在vo1节点上输出方波，然后通过Rin和C2构成的积分电路，使得第二级ne5532a的输出为对方波积分的结果－三角波，并通过电阻R2反馈到第一级ne5532a的输出端，这样就形成了自激振荡的输出。在Sabersketch 中对该电路执行DC，TR分析，仿真器输出结果如下图所示：

从上图可以看出，输出端没有任何振荡波形输出，但实际电路是能够振荡的，其原因与振荡器的工作原理以及saber时域仿真算法有关系。这里主要介绍一种解决振荡器仿真的方法。在执行TR分析的时候，减小截断误差的值，具体情况如下图所示：

默认的Truncation Error参数为0.005，现在将其改为1u；默认的Sample Point Density 1，现在将其改为2。其他设置与前面一致，其分析结果如下图所示。

从上图可以看出，电路输出实现自激振荡，频率为2387Hz。

正弦波发生器电路的仿真

今天介绍一个在Saber软件环境中对正弦波发生器电路进行仿真验证的例子，电路如下图所示：

在Sabersketch 中设置电容C2的ic=6，然后选择DC，TR分析，End Time ＝50m，Time Step＝10n，仿真器输出结果如下图所示：

从上图可以看出，输出为正弦输出电压，频率约为930Hz，峰峰值约为20V。

问题：

为什么要设置C2的ic=6？不设置ic值仿真结果会怎样？有兴趣的网友可以去试试。（不设置则输出从0开始，慢慢起振）

锁相环电路的仿真

在电路设计时，会碰到需要与某个输入信号同步的要求，在这种情况下，通常需要设计锁相环电路来实现对输入信号频率和相位的锁定。今天介绍一个在Saber软件

环境中实现对锁相环电路仿真验证的例子，设计示例如下图所示。

该电路实现的功能是对输入正弦信号进行测量，并在电路内部产生一个频率和相位均与输入信号相同的正弦信号。从图中可以看出，输入正弦信号经过电压控制电压源采样(用于模拟变压器），输入到过零比较器，过零比较器输出方波做为数字鉴相器的参考输入，数字鉴相器的另一个输入来自输出正弦电压的采样，而其输出信号代表了两个输入信号之间的相位差。数字鉴相器的输出经过滤波器、偏置和放大处

理以后输出一个电压信号给压控振荡源，通过调节这个电压大小，就可以控制压控

振荡源的输出信号在频率和相位上与输入正弦电压一致。

数字鉴相器是有底层电路构成的mocromodel 模型，其工作原理与CD4046电路的鉴相器部分一致，CD4046电路工作原理如下图所示。

在Sabersketch 中对该电路进行DC，TR分析，End Time ＝500m，Time Step＝1n，仿真器输出结果如下所示。

鉴相器的输出以及经过滤波以后的波形

滤波器输出经过偏置、放大以后的波形

数字鉴相器的两路数字输入信号的波形