《电路仿真初步》PPT课件.ppt

第7章电路仿真初步 教学提示 本章介绍电路仿真的概念和操作步骤 重点讲解常用仿真元件与激励源的参数设置方法 对仿真分析的选择和参数设置的方法要详细介绍 启用仿真器以及运行电路仿真部分可在演示操作中进行 并结合专业知识对两个仿真实例的结果进行分析 教学目标 了解仿真的定义和操作流程 掌握常用仿真元件及激励源的设置方法 重点掌握仿真分析的选择与参数设置方法 学会使用静态工作点分析 瞬态分析及交流小信号分析等仿真方法进行电路仿真 7 1仿真的概念和操作步骤 原理图仿真模块是Protel2004的重要组成模块之一 原理图绘制结束后 可以利用电路仿真功能 对所设计的电路进行估算 测试和校验 以检验电路的正确性并验证电路的功能是否达到设计的预期目的 7 1 1仿真的概念 随着计算机技术的飞速发展 电子设计自动化成为可能 目前绝大多数实验都可通过电路仿真进行验证 电路仿真是以电路分析理论为基础 通过建立元件数学模型 借助数值计算方法在计算机上对电路性能指标进行分析运算 然后以文字 表格及图形等方式在屏幕上显示出来 电路仿真可以提高电子线路的设计质量和可靠性 降低开发费用 减轻设计者的劳动强度 并缩短产品开发周期 设计者设计完电路后 可以用电气规则检查ERC的方法检查电路编辑中是否有错误缺陷 但不能对其性能做出判断 Protel2004内嵌的仿真软件与PSPICE电路仿真软件基本兼容 可以综合分析电路性能 如采用瞬态分析法观察测试点的波形 采用交流小信号分析法分析电路的幅频特性等 仿真结果以数值或波形显示的方式表达 清晰直观 7 1 2仿真的操作步骤 在Protel2004中进行电路仿真的操作步骤如下 1 建立原理图文件 可以在工程项目中建立原理图文件 也可以建立自由的原理图文件 2 装入所需的元件库 元件库中拟使用的元件要包含仿真信息 即该元件具有Simulation属性 Protel2004自带的Altium2004 Library Simulation目录下的5个元件库的元件都具有仿真属性 它们分别是数学函数模块元件库SimulationMathFunction IntLib 激励源元件库SimulationSources IntLib 特殊功能模块元件库SimulationSpecialFunction IntLib 传输线元件库SimulationTransmissionLine IntLib和电压源元件库SimulationVoltageSource IntLib 另外元件库MiscellaneousDevices IntLib中包含的常用元件都有仿真信息 只有具有Simulation属性的元件才能进行电路仿真 7 1 2仿真的操作步骤 3 在电路图上放置元件 并设置元件的仿真参数 4 绘制仿真电路原理图 其绘制方法与绘制普通电路原理图的方法相同 5 放置仿真激励源 仿真过程中要使用的激励源可从激励源元件库SimulationSources IntLib或电压源元件库SimulationVoltageSource IntLib中提取 常用的信号源也可以从仿真激励源工具栏中选取 放置后还要设置激励源的仿真参数 如直流电源电压大小 正弦交流信号的幅值 频率及相位等 6 设置电路的仿真节点 通常通过放置网络标号的方法来设置要分析的电路节点 7 启动仿真器 打开仿真参数设置对话框即启动仿真器 8 选择仿真方式并设置仿真参数 9 运行电路仿真 获得仿真结果 10 根据仿真结果对电路原理图进行改进 7 2常用的仿真元件与激励源 元件库MiscellaneousDevices IntLib中包含的常用元件和Altium2004 Library Simulation目录下的5个元件库的元件都能进行电路仿真 其他元件库里凡具有Simulation属性的元件也能进行电路仿真 若不知道元件所在的元件库 可以利用查找功能进行快速搜索 找到所需要的元件后 还要进行元件仿真参数设置 这样才能满足仿真的要求 仿真电路图绘制完毕 还要添加所需的仿真激励源 仿真激励源可以视为一个特殊的元件 其放置 属性设置及位置调整等操作方法与一般元件相同 对无稳态电路或双稳态电路进行仿真分析时 常需要设置电路的初始值 通常采用两类特殊的元件 即 NS元件和 IC元件 来设置电路的初始状态 7 2 1常用的仿真元件 1 电阻电阻仿真元件在MiscellaneousDevices IntLib元件库中 常用的有以下几种 其中第一行电阻图形符号为国际标准 第二行电阻图形符号为美国标准 如图7 1所示 图7 1常用的电阻仿真元件 7 2 1常用的仿真元件 以上电阻均具有Simulation属性 都可用于进行电路仿真 以固定电阻为例说明如何进行仿真参数的设置 双击固定电阻的原理图符号即可进入电阻仿真属性设置对话框 在对话框中包括5个选项组 属性 子设计项目链接 图形 ParametersforR Res2 参数列表 和ModelsforR Res2 模式列表 7 2 1常用的仿真元件 图7 2设置电阻仿真属性 属性选项组 图形选项组 模式列表选项组 子设计项目链接 选项组用于对子设计项目的管理 参数列表选项组显示元件的制造商等信息 用于仿真的一些参数也在其中显示 其中该选项组中最后一行显示的是电阻的阻值大小 电阻的数值类型等 1 模式列表选项组对元件所具有的属性予以说明 包括Simulation SignalIntegrity 信号完整性分析属性 以及Footprint等 此处关注仿真属性的设置 将鼠标移到模式列表选项组中的Simulation选项 双击或单击Simulation选项后 单击 编辑 按钮 将弹出SimModel General Resistor 固定电阻常规设置 对话框 7 2 1常用的仿真元件 图7 3固定电阻常规设置对话框 2 在该对话框中 可以对 模式种类 模式子种类 Spice前缀 模式名 描述 和 模型位置 等选项进行设置 此处采用默认设置 单击参数标签 弹出电阻仿真参数设置对话框 7 2 1常用的仿真元件 3 单击参数标签 弹出电阻仿真参数设置对话框 在此对话框中可对电阻阻值大小进行设置 如1k 单位无需输入 设定完成后选中Componentparameter复选框 可在参数列表区显示其内容 单击 确认 按钮确定 至此 固定电阻仿真参数设置结束 图7 4固定电阻仿真参数设置对话框 7 2 1常用的仿真元件 对于可变电阻中 Value文本框中显示的是可变电阻的最大阻值 SetPosition文本框设置可调系数 输入范围为0 1 而且对电位器和中心抽头电阻的仿真参数设置同样有效 可变电阻的实际电阻值为Value文本框中的数值乘以SetPosition文本框中的数值 如在Value文本框中输入1k 而SetPosition文本框中输入0 5 那么该可变电阻的实际电阻值为500 对于电位器 上述的计算值是指元件引脚2和3之间的电阻值 在电位器元件属性设置对话框的Graphical选项组中 选中ShowHiddenPins复选框就可以看到隐藏的引脚和编号 在图7 5的设置中 可变电阻的用法如图7 6所示 图7 5可变电阻仿真参数设置对话框 7 2 1常用的仿真元件 7 2 1常用的仿真元件 2 电容电容仿真元件位于MiscellaneousDevices IntLib元件库中 有两种类型 无极性电容 电解电容 有极性电容 无极性电容和电解电容的仿真参数设置方法相同 在电容仿真参数设置对话框里 Value项用于设置电容值的大小 InitialVoltage项用于设置仿真初始时刻电容两端的电压值 默认值为0V 如图7 8所示 7 2 1常用的仿真元件 3 电感电感仿真元件位于MiscellaneousDevices IntLib元件库中 主要有两种类型 无铁芯电感 加铁芯电感 无铁芯电感和加铁芯电感的仿真参数设置方法相同 在电感仿真参数设置对话框里 Value项用于设置电感值的大小 InitialCurrent项用于设置仿真初始时刻流过电感的电流值 默认值为0A 7 2 1常用的仿真元件 4 二极管在MiscellaneousDevices IntLib库中有多种可用于仿真的二极管 常用的有普通二极管 发光二极管 光电二极管 齐纳二极管 肖特基二极管 变容二极管等 在仿真参数设置对话框里 AreaFactor用于设置面积因子 StartingCondition用于设置初始条件 在静态工作点分析中 若选择OFF 在仿真开始时 二极管两端的电压为0 InitialVoltage用于设置二极管的初始电压值 Temperature用于设置二极管的工作温度 默认值为27度 7 2 1常用的仿真元件 5 三极管在MiscellaneousDevices IntLib元件库中或其他生产商的 BJT IntLib元件库中含有多种可以用于仿真的三极管 常用的有NPN型和PNP型 在仿真参数设置对话框中InitialB EVoltage用于设置仿真初始时刻三极管基极 发射极上的电压值 InitialC EVoltage用于设置仿真初始时刻三极管集电极 发射极上的电压值 图7 14三极管仿真参数设置对话框 7 2 1常用的仿真元件 6 整流桥整流桥的作用是把交流信号变成直流信号 在MiscellaneousDevices IntLib元件库中有两种形式的整流桥 其功能相同 使用时不要接错 2 4端接输入的交流信号 1 3端为输出的直流信号 整流桥的仿真参数设置均采用默认设置 如图7 15所示 图7 15整流桥仿真元件 7 2 1常用的仿真元件 7 晶振在MiscellaneousDevices IntLib元件库中含有晶振仿真元件 如图7 16所示 在晶振元件的仿真参数设置对话框中 前面5项是元件的版本信息 FREQ项用于设置晶振频率 单位为Hz 默认值为2 5MHz RS项用于设置等效串联电阻值 C项用于设置等效电容值 Q项用于设置品质因数 如图7 17所示 7 2 1常用的仿真元件 8 变压器在MiscellaneousDevices IntLib元件库中含有变压器仿真元件 如图7 18所示 在变压器的仿真参数设置对话框中 前面5项是一些版本信息 Ratio项用于设置次级绕组与初级绕组的变比 Rp是初级绕组的阻抗 Rs是次级绕组的阻抗 Leak是泄漏电感 单位是亨 Mag是磁化电感 单位是亨 如图7 19所示 7 2 1常用的仿真元件 9 集成仿真元件在各个生产商的元件库中 存放有多种74系列的TTL和4000系列CMOS集成元件 凡是具有Simulation属性都可以进行电路仿真 可利用查找功能进行快速搜索所需要的元件 7 2 2常用的仿真激励源 仿真电路绘制结束后 需添加仿真激励源 进行电路仿真 1 直流电源直流电源有两种 即直流电压源和直流电流源 都位于SimulationSources IntLib元件库中 在参数设置对话框中 Value项用于设置直流电源输出电压或电流的大小 ACMagnitude项用于设置交流信号的幅值 此处是指当进行交流小信号分析来获得电路的频率特性时 输入信号的幅值 典型值为1 ACPhase项用于设置进行交流小信号分析时输入电压或电流的相位 单位为 度 7 2 2常用的仿真激励源 2 正弦波交流电源正弦波交流电源有两种 即交流电压源和交流电流源 都位于SimulationSources IntLib元件库中 7 2 2常用的仿真激励源 在参数设置对话框中 DCMagnitude用于设置直流幅值 默认为0 一般无需更改 ACMagnitude和ACPhase用于设置交流幅值和相位 进行交流小信号分析时必须正确设置 Offset用于设置直流偏移量 Amplitude用于设置电压或电流的峰值 瞬态分析时要正确设置 注意要与ACMagnitude区分开 Frequency用于设置频率 Delay用于设置信号延迟 DampingFactor用于设置衰减因子 即正弦波幅值每秒下降的百分比 正值为衰减 负值为增大 默认为0 即输出为等幅正弦波 Phase用于设置的初始相位 7 2 2常用的仿真激励源 3 周期脉冲电源周期脉冲电源常用于获得矩形波或方波 周期脉冲电源有两种 即周期脉冲电压源和周期脉冲电流源 都位于SimulationSources IntLib元件库中 如图7 24所示 7 2 2常用的仿真激励源 在周期脉冲设置中 DCMagnitude ACMagnitude ACPhase的含义与正弦波交流电源相同 InitialValue用于设置初始值的大小 PulsedValue用于设置幅值 TimeDelay用于设置延迟时间 RiseTime用于设置上升时间 此项设置不能为0 其值越小 波形越陡 FallTime用于设置下降时间 PulseWidth项用于设置脉冲宽度 单位为 秒 Period用于设置周期 单位为 秒 Phase项用于设置初始相位 4 分段线性电源分段线性电源有两种 电压源和电流源 都位于SimulationSources IntLib元件库中 在参数设置中 DCMagnitude项 ACMagnitude和ACPhase项的设置与正弦波的设置相同 时间 数值对 中 每对数据的前一个是时间 后一个是幅值 通过 追加 或 删除 可增加或删除时间 数值对 7 2 2常用的仿真激励源 7 2 2常用的仿真激励源 图7 28分段线性电源波形图 图中 60 s以后的幅值将保持60 s时的值 在SimulationSources IntLib元件库中还有其他仿真激励源 如指数激励源 单频调频源 线性受控源和非线性受控源等 另外 还可通过单击 查看 工具栏 实用工具 命令显示仿真电源工具栏 可以很方便地放置直流电压源 正弦交流电压源和周期脉冲电压源 7 2 2常用的仿真激励源 图7 29仿真激励源工具栏 为计算电路的偏置点 有时需要设定一个或多个电压 或电流 初始值 设置初始值通常能稳定工作点 使仿真顺利进行 在Protel2004的SimulationSources IntLib元件库中有两种特殊的元件 可用于设置电路的初始状态 1 NS元件 NS元件用于设置节点电压 使指定的节点固定在所给定的电压下 仿真器根据这些节点电压求得直流或瞬态的初始解 其中 InitialVoltage项用于设置节点电压的初始幅值 7 2 3初始状态的设置 2 IC元件 IC元件用于设置瞬态分析的初始条件 要与瞬态分析 傅里叶分析参数设置中的UseInitialConditions复选框结合使用 在瞬态分析中 若UseInitialConditions复选框没有选中 那么在瞬态分析时会先进行直流分析 将计算出的直流解作为瞬态分析的初始值 而 IC元件设置的节点电压仅作为求解时相应节点的电压初始值使用 然后 在后面的瞬态分析时将取消这些节点的电压限制 若选中了UseInitialConditions 那么在瞬态分析中 IC元件中所设置的数值将作为瞬态分析时该节点的初始电压值 7 2 3初始状态的设置 综上所述 仿真电路初始状态有3种设置方法 即元件属性项设置 NS设置和 IC设置 在电路仿真中 如有三种或两种设置方法共存时 那么元件属性项设置的优先级最高 其次是 IC设置 NS设置最低 如果 NS和 IC共存时 则 IC设置将取代 NS设置 7 2 3初始状态的设置 仿真电路图绘制结束后 对仿真元件进行参数设置并添加激励源 经过电气规则检查无误后就可以进行电路仿真了 在运行电路仿真之前 设计者需要选择采用的仿真分析方法 如采用瞬态分析 还是交流小信号分析等 并对所选用的仿真分析方法进行参数设置 对仿真器设置完成后 运行电路仿真 可得到以数据或波形显示的方式表达的仿真结果 若不能进行仿真 会给出错误提示 设计者可根据错误提示进行电路改进 7 3仿真器的设置与运行 7 3 1启动仿真器 当仿真的准备工作完成之后 可启动仿真器进行电路仿真 可采用以下的方法来启动仿真器 1 单击 设计 仿真 MixedSim命令 将弹出 分析设定 对话框 仿真器启动 如图7 34所示 2 通过仿真工具栏启动仿真器 首先单击 查看 工具栏 混合仿真 命令显示仿真工具栏 单击按钮 也可以打开 分析设定 对话框 如图7 35所示 7 3 1启动仿真器 7 3 2设置仿真器 在 分析设定 对话框中 各区域内所显示的内容与绘制的电路图和仿真设置有关 设置对话框里的 分析 选项 选项组 显示Protel2004能进行的仿真分析类型 1 静态工作点分析参数设置 OperatingPointAnalysis 静态工作点分析的仿真结果以具体数据进行显示 它主要用于判断电路的静态工作点设置是否合理 在进行瞬态分析和交流小信号分析之前 仿真程序将自动地先进行静态工作点分析 2 瞬态分析 傅里叶分析设置 Transient FourierAnalysis 瞬态分析是时域分析 用于获得电路中节点电压 支路电流或元件功率等的瞬时值 即被测信号随时间变化的瞬态关系 它类似于用示波器观察波形 瞬态分析是最基本最常用的仿真分析方式 在进行瞬态分析之前 仿真程序将自动进行直流分析 并用直流解作为电路初始状态 前提条件是没有进行 IC设置 7 3 2设置仿真器 瞬态分析 傅里叶分析的设置对话框中的TransientStartTime用于设置瞬态分析的开始时间 TransientStopTime用于设置结束时间 默认值为5 000 当被测信号频率为1kHz时 可观测5个周期的信号 默认设置是合理的 TransientStepTime用于设置步长 步长越长 仿真过程越快 但精度越差 TransientMaxStepTime用于设置最大步长 UseInitialConditions的含义是使用初始条件 若选中此项 瞬态分析将不进行直流工作点分析 应在 IC 初始条件 中设定仿真节点的直流电压 UseTransientDefaults的含义是使用默认设置 当选中此项时 TransientStartTime TransientStopTime TransientStepTime和TransientMaxStepTime的内容将不能更改 DefaultCyclesDisplayed用于设置默认的显示波形周期个数 默认值为5 DefaultPointsPerCycle用于设置每个周期采集点的个数 默认为50 此值越高 显示精度越高 但仿真过程越慢 7 3 2设置仿真器 傅里叶分析属于频域分析 主要用于获取非正弦信号的频谱 通过计算瞬态分析结果的一部分 一般取最后一个周期 可以得到基频 直流分量和谐波成分 EnableFourier用于设置是否进行傅里叶分析 FourierFundamentalFrequency用于设置傅里叶分析的基频 FourierNumberofHarmonics项用于设置谐波分量的数目 图7 36瞬态分析 傅里叶分析仿真参数设置对话框 7 3 2设置仿真器 4 交流小信号分析参数设置 ACSmallSignalAnalysis 交流小信号分析常用于获得幅频特性和相频特性 使用时输入信号的幅值保持不变 测试输出信号的幅值或相位与输入信号频率变化之间的关系 交流小信号分析属于典型的频域分析 交流小信号分析的仿真参数设置中的StartFrequency项用于设置扫描起始频率 默认值为1Hz 此项不能为0 StopFrequency项用于设置扫描终止频率 终止频率的大小与电路性质以及输入信号可能包含的最大谐波分量有关 SweepType项用于设置频率扫描方式 有3种扫描方式可供选择 分别是线性扫描方式 Linear 对数扫描方式 Decade 和8倍频扫描方式 Octave TestPoints项用于设置测试点的个数 测试点个数少时 测试精度低 测试点个数多时 精度高 但仿真过程慢 7 3 2设置仿真器 图7 38交流小信号分析仿真参数设置对话框 7 3 2设置仿真器 5 噪声分析参数设置 NoiseAnalysis 噪声分析主要用来测量电阻或半导体产生的噪声 而把电容 电感和受控源看作理想的无噪声的元件 对每个元件的噪声源 在交流小信号分析的每个频率上计算出相应的噪声 并传送到一个节点 对所有传送到该节点的噪声进行均方根值相加 就可得到指定输出端的等效输出噪声 7 3 2设置仿真器 噪声分析参数设置中的NoiseSource用于设置噪声源 StartFrequency用于设置起始频率 StopFrequency用于设置终止频率 SweepType用于设置扫描方式 TestPoints用于设置测试点个数 PointsPerSummary用于选择所计算的节点数目 OutputNode用于设置噪声输出节点 ReferenceNode用于设置噪声参考点 7 3 2设置仿真器 6 传递函数分析参数设置 TransferFunctionAnalysis 传递函数分析主要用来计算电路输入阻抗 输出阻抗以及直流增益 7 温度扫描分析参数设置 TemperatureSweep 仿真元件的参数都假定是常温值 但电路中的元件的参数随温度变化而变化 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 在进行瞬态分析 交流小信号分析和直流扫描分析时 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 8 参数扫描分析参数设置 ParameterSweep 参数扫描分析用来分析电路中某一元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的取值 在进行瞬态分析 交流小信号分析或直流扫描分析时 同时启动参数扫描分析 即可获得电路中特定元件的参数对电路性能的影响 7 3 2设置仿真器 9 蒙特卡罗分析参数设置 MonteCarloAnalysis 蒙特卡罗分析是使用随机数发生器根据元件值的概率分布来选择元件 然后对电路进行模拟分析 它常与瞬态分析 交流小信号分析结合使用来预算出电路性能的统计分布规律以及电路合格率 生产成本等 蒙特卡罗分析的关键在于产生随机数 用一组随机数取出一组新的元件值 之后对指定的电路进行模拟分析 只要进行的次数足够多 就可以得出满足一定分布规律 一定变化范围的元件在随机取值下整个电路的统计分析 7 3 2设置仿真器 10 常规设置 GeneralSetup 在常规设置仿真参数设置对话框中显示的是仿真分析的常规设置 其中 为此收集数据 选项的下拉列表框中有5种类型 NodeVoltageandSupplyCurrent的含义是收集节点电压和电源电流 NodeVoltage SupplyandDeviceCurrent的含义是收集节点电压 电源和元件上的电流 NodeVoltage SupplyCurrent DeviceCurrentandPower的含义是收集节点电压 电源和元件上的电流以及功率 NodeVoltage SupplyCurrentandSubcircuitVARs的含义是收集节点电压 电源电流以及子电路上的电压或电流 ActiveSignals的含义是收集激活信号 主要包括元件上的电流 功耗 阻抗及添加网络标号的节点上的电压等 要收集的参数越多 仿真运行时间越长 7 3 2设置仿真器 图7 44数据收集类型对话框 7 3 2设置仿真器 在 图纸到网络表 下拉列表中 可以选择生成网络表的原理图范围 Activesheet项仅对激活状态下的原理图有效 Activeproject项对处于激活状态下的整个工程项目都有效 图7 45选择生成网络表的原理图范围 7 3 2设置仿真器 在 Simview设定 下拉列表框中 可以对信号的显示选项进行设置 Keeplastsetup的功能是保持最近的设置进行仿真并显示 如果对一个电路原理图已经进行了一次仿真分析 那么这次的仿真设置就会自动保存 在以后的仿真中 将使用此次设置进行仿真并显示 Showactivesignals选项将显示激活信号 图7 46设置显示信号选项 7 3 2设置仿真器 图7 47选择显示信号 7 3 3运行仿真器 仿真电路图绘制并检查结束 并进行仿真参数设置后 单击 确认 按钮就可以运行电路仿真了 仿真完成后 将产生一系列的文件 如进行瞬态分析或交流小信号分析后 将产生后缀名为 sdf的文件 该文件为输出波形的显示文件 借助仿真波形 设计者就可对所设计的电路进行分析 可以很方便地发现设计中的问题 对电路进行改进 如果仿真电路中存在错误 电路仿真不能正常进行 仿真器会自动生成错误报告 设计者可查看发生的错误 返回到原理图中进行修改 再重新仿真 7 4上