《计算机辅助设计》PPT课件

第12章计算机辅助设计,随着计算机技术的迅速发展，计算机辅助设计技术(CAD)已渗透到电子线路设计的各个领域，包括电路图生成、逻辑模拟、电路分析、优化设计、最坏情况分析、印刷板设计等。目前国际上比较流行两个仿真软件：Multisim(EWB的版本，EWB的英文全称是ElectronicsWorkbench)和PSpice。Multisim与PSpice都可以对电路进行功能仿真，比如：直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、直流扫描分析、温度分析、参数分析、最坏情况分析、蒙特卡罗分析，但Multisim还可以对电路进行失真分析、直流/交流灵敏度分析、零点/极点分析、交流传递函数分析、RF(射频)电路仿真、自定义类型仿真，虽然PSpice也有灵敏度、传递函数分析功能，但都只适用于直流情况。Multisim比PSpice出色的地方是提供了多种常用的虚拟仪表，包括数字万用表、函数信号发生器、功率计、双踪示波器、波特图示仪、字符发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪、失真度分析仪、频谱分析仪和网络分析仪等，其中，逻辑转换仪是Multisim所特有的虚拟仪器，实际工作中不存在与之相对应的设备。,Multisim的虚拟仪表与现实中所使用的仪表一样，可以直接通过这些仪表观察电路的运行状态，同时，虚拟仪表还充分利用了计算机处理数据速度快的优点，对测量的数据进行加工处理，并产生相应的结果。事实上，Multisim和PSpice二者在进行电路仿真时各有优缺点。因此从事电子线路设计的人员要熟悉这两个软件的用法，才能在实际仿真工作中做到事半功倍。限于篇幅，本书着重介绍仿真软件Multisim2001的应用，以适应初学者的需要。,电路的运行和仿真。电路图绘制好后，电路并没有工作，按下工作界面右上角的开关图标，软件自动开始仿真，电路才真正开始工作。本例题的仿真结果如图12.2.10所示。如果有其它虚拟仪器，如：示波器，要双击该示波器图标，展示示波器的面板，并对示波器作适当的设置，就可以显示相应的电路的测试数值和波形了。建议使用multisim直接演示如何操作。,12.2Multisim2001仿真软件基础,12.3Multisim2001仿真软件在电路分析中的基本应用,例12.3.1,试用叠加定理计算图12.3.1所示电路中R2支路电流I。,解,分析:该电路含有两个独立源，可以直接采用直流电流表测量，内阻设置为DC模式。使用电流表时，要注意电流表的正负极性的接法，仿真电路一定要接地。,图12.3.1,（1）假设25V电压源单独作用时产生的电流为，测量电路如图12.3.2所示，测得电流。,图12.3.225V电压源单独作用时产生的电流,（2）假设1.5A电流源单独作用时产生的电流为，测量电路如图12.3.3所示，测得电流。,图12.3.31.5A电流源单独作用时产生的电流为,仿真结果和理论计算结果一致，读者可以自己进行理论计算。,（3）假设25V电压源和1.5A电流源共同作用时产生的电流为I,测量电路如图12.3.4所示，测得电流。,图12.3.425V电压源和1.5A电流源共同作用时产生的电流,例12.3.2,分析：本例题电路图中含有独立电压源、独立电流源和电流控制电压源，有关电压或电流可以采用数字万用表直接测量。理想数字万用表在测量时不会对电路产生影响。,试用戴维南定理计算图12.3.5所示电路中的电流I。,图12.3.5例12.3.2电路图,解,（1）用数字万用表直流电压档测量开路电压的电路如图12.3.6所示。测得开路电压,图12.3.6用万用表测量开路电压,（2）等效电阻可以采用开路电压除以短路电流的方法求得。用数字万用表直流电流档测量短路电流的电路如图12.3.7所示。测得短路电流，则等效电阻,图12.3.7数字万用表直流电流档测量短路电流,（3）戴维南等效电路图如图12.3.8所示，测量得到,图12.3.8戴维南等效电路测量电流,例12.3.3,图12.3.9所示电路原来已经处于稳态，在t0时将开关闭合，求换路后电容电压的表达式，并且给出它的变化曲线。,图12.3.9例12.3.9电路图,解,（1）在电路的工作窗口创建仿真电路图，如图12.3.10所示。设置好开关J1，并连接示波器。,图12.3.9所示电路为一阶电路全响应的问题，分析步骤如下：,如图12.3.10所示,图12.3.11例12.3.3电容上的电压波形,（2）用鼠标左键单击主窗口右上角的开关按钮，并双击示波器，此时可以看到示波器显示的稳态波形，为方便观察波形，应该合理调整示波器的各个开关旋钮，然后在键盘上按下空格键（SPACE），开关J1接通，电容上的电压波形经历一个过渡过程，最终达到另外一个稳态，仿真结果如图12.3.11所示。,(4)根据上面的分析很容易得到，该电路的时间常数，于是该电路中的电容上的电压在换路后的表达式为：,（3）根据仿真波形的测量结果可以知道：,断开电容，将该有源网络变为无源网络（即内部独立源置零），用万用表的电阻档测量（测量电路略）从电容两端看进去的等效电阻。,例12.3.4,图12.3.14例12.3.5电路图,已知某二阶电路如图12.3.14所示，其中电源为正弦信号，求电感中电流。,（1）在电路的工作窗口创建仿真电路图，如图12.3.15所示，并连接扫频仪和电流表。,图12.3.15例12.3.5电路图仿真电路图,解,本题采用交流电流表测量支路电流的有效值，使用扫频仪测量电感支路电流的相位。分析步骤如下：,（2）按题目要求设置相关元器件的参数，如：双击交流电源，在对应的选项中设置电源的有效值为40V，频率，电流表设置为交流档，由于电阻的电压和电流同相位，在电感支路串联一个足够小的电阻，使用扫频仪测量相位。,(3)确定扫频仪显示的频率范围。设置初始值(Initial)和最终值（Final）分别为：470Hz和485Hz。,（4）测量读数。启动仿真开关按钮，双击扫频仪，点击Phase，获得相频特性如图12.3.16。利用鼠标拖动（或单击读数指针移动按钮）读数指针到该电路的激励源的频率477.5Hz的位置如图12.3.16所示，读出此时的相位值为,（5）根据仿真结果写出电感支路电流。,图12.3.16例12.3.5电路图仿真相频特性,12.4Multisim2001仿真软件在电路中的高级应用,Multisim2001仿真软件提供了多种基本的分析方法，它们分别是：直流工作点的分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、直流扫描分析、灵敏度分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点零点分析、传递函数分析、最坏情况分析、蒙特卡罗分析、批处理分析、用户自定义分析、RF电路分析等。Multisim2001仿真软件可以快速而准确地求到电路中任意节点的节点电压和电压的波形，也可以很方便地求到任意支路的支路电流，能够对电路参数的变化对电路的影响给予仿真。下面结合电路分析的后续课程电子线路的相关知识，介绍几种常用的仿真分析方法，并且通过实例综合运用Multisim2001的分析功能，完成特定功能电路的分析与设计。,12.4.1直流工作点的分析,直流工作点的分析（DCoperatingpointanalysis）即静态工作点的分析，Multisim2001在进行静态工作点的分析时，自动将电路的条件设置为交流电源置零，电感短路，电容开路。,建立单级放大电路的仿真的电路如图12.4.1所示，执行“SimulateAnalysisDCOperating”菜单中命令，弹出如图12.4.2所示的直流工作点分析对话框，该对话框包括Outputvariables、MiscellaneousOptions及Summary共三个标签页。,图12.4.1单级放大电路的仿真的电路,图12.4.2直流工作点分析对话框,Outputvariables标签页用来设置所要分析的节点和支路电流，其中Variablesincircuit用来选择需要分析的电路变量，选中Variablesincircuit一栏中的变量，点击Plotduringsinmulation按钮即可以把需要分析的变量加入到Selectedvariablesfor当中。,MiscellaneousOptions标签页是与仿真分析有关的设置页，用来选择程序是否采用用户所设定的分析选项。Summary标签页可以对分析设置进行汇总确认，在Summary标签页中，程序给出了所设定的参数和选项，用户可确认检查所要进行的分析设置是否正确。,经过设置以后，点击对话框下面的Simulate按钮即可以进行仿真分析，本例题的直流工作点的分析结果如图12.4.3所示。,图12.4.3直流工作点的分析结果,12.4.2扫描分析,Multisim2001提供了三种扫描分析：直流扫描分析、参数扫描分析和温度扫描分析，通过扫描分析可以得到相关参数变化对输出信号的影响。,参数扫描分析(parametersweepanalysis)是通过电路中的元件数值在一定范围内的变化，观察其对电路性能（如瞬态特性、交流特性等）的影响，这种分析相当与该元件取不同的值，进行多次实验（仿真），从而可以对电路的某些性能指标进行优化，大大地缩短电路设计的周期。,直流扫描分析(DCsweepanalysis)是计算电路中的某一个节点上的直流工作点随电路中的一个或两个直流电源的数值变化的情况。利用直流扫描分析可以方便地根据直流电源的变动范围准确地确定电路的直流工作点。,温度扫描分析(temperaturesweepanalysis)是研究温度变化对电路性能参数的影响。Multisim2001中温度扫描分析仅仅限于一些半导体器件和虚拟电阻，不是对所有的器件都起作用的。,已知二阶RLC电路如图12.4.12所示，其中，求电容两端的电压变化曲线。,例12.4.1,在Multisim2001的主窗口建立仿真电路图如12.4.12所示。点击电阻和电感之间的连线，显示电路默认的节点编号1，如图12.4.13所示，同样点击电容和电感之间的连线，显示电路默认的节点编号2。如果需要自己设置节点编号，可以输入相应的编号，并且点击OK就可以了。,图12.4.12例12.4.1的仿真电路图,解,本题为二阶RLC电路的零输入响应问题。分析步骤如下：,为了方便自己分析，我们可以在图12.4.12的电路图中插入相应的节点编号1和2。具体方法是执行“Placeplacetext”命令，直接输入编号就可以了。另外一种方法是执行“Optionspreferences”命令，在出现的窗口界面里点击“circuit”，在“shownodenames”一栏前面选中它，则可以在图12.4.12中自动显示节点。,图12.4.13显示节点编号,2、设置元件初始值条件。双击电容，出现如图12.4.14所示的对话框，直接在Initialcondition栏中输入-2V，Tolerance（设置元件的误差）一栏中可以不填。,图12.4.14设置元件初始值条件,3、执行“SimulateAnalysistransientanalysis”命令，显示对话框如图12.4.15所示。设置初始值条件（Initialconditions）为用户自定义（User-defined）。设置开始时间（Starttime）为0s，结束时间为（Endtime）为10s。选择输出电路参数（Outputvariables）为节点2。,4、设置完毕后，单击对话框下面的Simulate按钮即可以进行仿真分析，得到的分析结果如图12.4.16所示。,图12.4.15设置仿真初始条件,从仿真分析结果来看，移动图12.4.16中的游标可以很方便地获得不同时刻的电容上的电压值。,图12.4.16例题12.4.1的仿真分析结果,例12.4.2,（1）按照性能指标要求，选定有源带通滤波器的结构，计算出各个元件参数值，计算过程（略）不是本章讨论的重点，可以参阅相关文献资料。,利用运算放大器设计一个有源带通滤波器，并且完成该电路仿真分析。要求中心频率约为1000Hz，频带宽度约为180Hz。,解,电路的设计步骤如下：,（2）在Multisim2001的主窗口建立设计好的仿真电路图如图12.4.17所示。,图12.4.17,电路的性能参数计算：通带增益为通带宽度为中心频率为选择性为,（3）通过扫频仪的显示，中心频率为1013Hz，如图12.4.18所示，与理论计算的中心频率1016Hz非常接近。,图12.4.18扫频仪测试的二阶有源滤波器的中心频率,（4）完成交流特性分析相关选项的设置，设置分析频率从10Hz到10KHz,并且选择分析节点，点击仿真按钮进行交流特性分析，得出该滤波器的幅频特性曲线，如图12.4.19所示，由仿真结果图形可以知道，仔细移动游标，可以测出中心频率约为1028Hz，频带宽度约为200Hz，相关参数基本满足设计指标。,图12.4.19二阶有源滤波器的交流特性分析,5、进行参数扫描分析，观察电阻值的变化对幅频特性的影响。首先，假定其它参数不变，分析电阻R2的变化对电路的幅频特性的影响，根据前面介绍的方法，在参数扫描对话框中设置参数扫描方式为List方式，在R2原来的阻值前后任意取几个参数，例如10K、22K、44K、80K的电阻阻值，如图12.4.20所示。,图12.4.20参数扫描分析选项的设置,设置