电路仿真测试

1、第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试4.1 电路仿真操作步骤电路仿真操作步骤4.2 仿真元件及参数设置仿真元件及参数设置4.3 电路仿真操作初步电路仿真操作初步 4.4 常用仿真方式及应用常用仿真方式及应用4.5 仿真综合应用举例仿真综合应用举例4.6 常用元器件仿真模型常用元器件仿真模型4.7 创建仿真元件创建仿真元件第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试4.1 电路仿真操作步骤电路仿真操作步骤在Protel99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 利用原理图编辑器（Schematic Edit）编辑仿真测试原理图，在编辑原理图过程中，

2、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），否则仿真时因找不到元件参数（如三极管的放大倍数、C-E结反向漏电流）而给出错误提示并终止仿真过程。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 2) 放置仿真激励源(包括直流电压源) 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 Symbol

3、s.lib元件图形库文件中。 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 3) 放置节点网络标号 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。 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。 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 5) 执行仿真操作 在原理图编辑窗口内，指向并单击“Simulate”菜单下的“Run”

4、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真结果。 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 6) 观察仿真结果 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（或在“设计文件管理器”窗口内，单击对应的.sdf文件）。在波形编辑器窗口内，观察仿真结果，若不满意，可修改仿真参数或元件参数后，再执行仿真操作。 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。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试4.2 仿真元件及参数设置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

5、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 D e s i gn E xpl or e r 99LibrarySCHSim.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：第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试74XX.lib74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.libCMOS数字集成电路元器件Comparator.lib 比较器Cryst

6、al.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第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试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工业标准可控硅第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试Sim

7、ulation Symbols.lib 仿真测试用符号元件库Switch.lib开关元件Timer.lib555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工业标准单结管第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 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。

8、第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 1. 物理量单位及数据格式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，即电容容量默认为F（法拉）、阻值为（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 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 2. 元件电气图形符号及参数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，下面简要介绍其中几种常用分立元件有关参数的含义。 1) 电阻器 2) 电容器 3)

9、电感器 4) 保险丝 5) 变压器第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试6) 继电器7) 晶体振荡器8) 二极管、三极管及结型场效应管9) MOS场效应管10) 可控硅及双向可控硅11) 运算放大器、比较器12) TTL及CMOS数字集成电路13) 节点电压初始值（.IC）14) 节点电压设置(.NS)第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 3. 仿真信号源及参数仿真信号源及参数 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)与直流电流激励源

10、ISRC (current source)、正弦波电压激励源VSIN (voltage source) 与正弦波电流激励源ISIN (current source)、周期性脉冲信号激励源VPULSE (voltage source) 与 IPULSE (current source)、分段线性激励源VPWL (voltage第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 source) 与 IPWL (current source)等。常用的直流电压激励源VSRC、正弦电压激励源VSIN、脉冲电压激励源VPLUS可通过单击“Simulate”菜单下的“Source”命令选择相应激励源后，将其拖到原理图编

11、辑区内。 1) 直流电压激励源VSRC与直流电流激励源 ISRC 这两种激励源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4-1所示。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图4-1 直流电源属性设置窗第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 2) 正弦波信号激励源（Sinusoid Waveform） 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“SimulateSource”，选择Sine Wave类型的激励源，就可以放置正弦波激励源，其参数

12、设置对话框如图4-2所示。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-2 正弦信号属性设置窗正弦信号属性设置窗第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 由如图4-2所示的参数描述的正弦信号源的波形特征如图4-3所示，可见当直流偏压Offset不为0时相当于波形上移。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-3 正弦波形信号正弦波形信号第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 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“SimulateSource”，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4-4所示

13、的属性设置对话框。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-4 脉冲信号激励源属性设置窗脉冲信号激励源属性设置窗第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 脉冲信号激励源波形特征可用图4-5形象地描述（其中Pulsed=100 mV，Period=8 ms，脉冲宽度Plus=3 ms）。 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-5 脉冲激励源波形图脉冲激励源波形图第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 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

14、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4-6所示。 由如图4-6所示的参数构成的分段线性激励源的波形特征可用图4-7形象地描述。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 图4-6 分段线性激励源属性 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-7 分段线性激励源波形分段线性激励源波形第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 5) 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 S

15、ymbols.lib元件库文件中，放置调频波信号源的操作方法与放置电阻、电容等的方法相同，调频波信号源属性如图4-8所示。 由图4-8属性设置窗所示参数生成的调频波激励源信号波形如图4-9所示，其频谱特性如图4-10所示。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图4-8 属性设置窗所示参数 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-9 调频波激励源波形调频波激励源波形第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-10 调频波信号频谱调频波信号频谱第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 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

16、，这里就不一一列举了，根据需要可从该元件库文件中获取。如果实在无法确定某一激励源或元件参数如何设置时，除了从“帮助”菜单中获得有关信息外，还可以从Protel99的仿真实例中受到启发。在Design Explorer 99ExamplesCircuit 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。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试4.3 电路仿真操作初步电路仿真操作初步 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4-11所示的共发射极放大电路为例，说明Protel99仿真操作过程。第第4章章 电路仿真测试电

17、路仿真测试VCCR32.7 kR168 kR220 kR41.5 kR582C3R6C210C110Q12N222222VeVbVc1 kHzVCCVCC18 Vv168 kv1Vout图图4-11 分压式偏置电路分压式偏置电路第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 4.3.1 编辑电原理图编辑电原理图 在仿真操作前，先建立原理图文件。原理图文件的编辑方法在前面章节中已介绍过，这里不再重复。在编辑过程中，只需注意：电路图中所有元件的电气图形符号一律取自“Design Explorer 99LibrarySch”文件夹下的Sim.ddb仿真测试用元件电气图形符号数据库文件包内相应的元件库文件；在元

18、件未固定前必须按下Tab键，在元件属性窗口内，设置元件的属性选项(Designate、Part及Part Fields 1-16)，然后放置相应的仿真激励信号源；接着在感兴趣的节点上，放置网络标号。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 具体操作过程如下： (1) 在“Design Explorer”窗口内，单击“File”菜单下的“New”命令创建一个新的设计文件，接着输入新设计文件名，并指定存放路径。 (2) 单击“设计文件管理器”前的“+”，显示设计文件包结构，并单击其中的“Documents”文件夹。 (3) 单击“File”菜单下的“New ”命令，在弹出的文档类型选择框内，双击“Sc

19、hematic Document”(原理图文件)，即可在“Documents”文件夹窗口内建立文件名为“Sheet x”的原理图文件，输入文件名并按回车键（如果不输入文件，而直接按回车键，将使用Sheet1、Sheet2作为原理图的文件名）。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 (4) 单击原理图文件图标，进入原理图编辑状态。 (5) 单击“Design Explorer”（设计文件管理器）窗口的“Browse Sch”标签，并选择“Library”作为浏览对象。 (6) 单击“Add/Remove”按钮，选择“Design Explorer 99LibrarySch”文件夹下的Sim.ddb

20、仿真测试用元件电气图形符号库文件包作为当前库文件包，然后即可选择Sim.ddb数据文件包内相应的元件库，如Simulation Symbols.Lib库文件作为当前使用的元件库文件。 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 (7) 在元件列表窗内找出并单击特定的元件名称后，再单击“Place”按钮，将选定的元件拖到原理图编辑区内。 (8) 在元件未固定前，按下Tab键,进入元件属性设置窗。在属性窗口内，单击“Attributes”标签，设置元件序号、大小或型号；再依次单击“Part Fields 1-8”和“Part Fields 9-16”标签，输入元件仿真参数。 (9) 放置并设置仿真激励源

21、。 (10) 放置网络标号。 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 4.3.2 选择仿真方式并设置仿真参数选择仿真方式并设置仿真参数 完成原理图编辑后，下一步就是选择仿真方法和设置仿真参数：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）进入如图4-12所示的“Analyses Setup”仿真设置窗口，选择仿真方式及仿真参数。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-12 仿真方式设置窗仿真方式设置窗第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 在“有效信号”列表窗口内，除了显示已定义的网络标号，如Vin、Vout等信号名外，还

22、列出了元器件电流带后缀“(i)”、功率带后缀“(p)”以及激励源阻抗带后缀“(z)”等参量，其中激励源阻抗定义为激励源电压瞬时值与流过激励源电流瞬时值之比，即激励源阻抗等于被分析电路的输入阻抗Zi等，例如： C1(i)表示电容C1中的电流，当器件电流从第一引脚流向第二引脚时为正，反之为负。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 C1(p)表示电容C1消耗的功率。 VCC#branch表示流过VCC支路的电流，流入正极时为正，流出正极时为负。 Net r1-2表示电阻R1第2引脚节点电压。对于没有定义的节点电压，Protel仿真程序用Net 元件名-元件引脚编号表示节点电压信号。第第4章章 电路仿

23、真测试电路仿真测试 1. 选择仿真分析方式选择仿真分析方式 在“General”标签窗口中，单击相应仿真方式前的选项框，允许或禁止相应仿真方式。本例仅选择“Operating Point Analyses”（工作点分析）和“Transient/Fourier Analysis”（瞬态特性/傅立叶分析）。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 2. 选择计算及可立即观察的信号选择计算及可立即观察的信号 1) 选择仿真过程需要计算的信号类型 仿真过程中仅计算“有效信号”列表窗内的信号，设置过程如下： 在如图4-12所示的窗口内，单击“Collect Data For”(收集数据类型)下拉按钮，选择仿

24、真过程中需要计算的数据类型 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 3. 设置仿真参数并执行仿真操作设置仿真参数并执行仿真操作 除了“Operating Point Analyses”仿真方式不需要设置仿真参数外，选择了某一仿真方式后，尚需要设置仿真参数。 在本例中，单击“Transient/Fourier Analysis”标签，在如图4-13所示的“Transient/Fourier Analysis”（瞬态特性/傅立叶分析）参数设置窗口内，设置相应的参数。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图4-13 “Transient/Fourier Analysis”（瞬态特性/傅立叶分析）参数设置

25、 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 4. 高级选项设置（可选）高级选项设置（可选） 必要时，在如图4-12所示的仿真方式设置窗口内，单击“Advanced”(高级选项)按钮。在如图4-14所示的高级选项设置框内，选择仿真计算模型、数字集成电路电源引脚对地参考电压、瞬态分析参考点、缺省的仿真参数等。但必须注意，一般并不需要修改高级选项设置，尤其是不熟悉Spice电路分析软件定义的器件参数含义、取值范围以及仿真算法的初学者，更不要随意修改高级选项设置，否则将引起不良后果。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-14 高级选项设置高级选项设置第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 5. 启动仿

26、真计算过程启动仿真计算过程 设置了仿真参数后，可立即单击“Run Analyses”按钮，启动仿真计算过程。当然，也可以单击“Close”按钮关闭仿真设置窗口，需要仿真时，再单击原理图编辑窗口内主工具栏中的“运行仿真”工具（或执行“Simulate”菜单下的“Run”命令），启动仿真过程。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 运行仿真后，将按.cfg文件设定的仿真方式及参数，对电路进行一系列的仿真计算，以便获得相应的仿真结果。仿真结果记录在.sdf（Simulation Data File）文件内，该文件以文本（如工作点仿真分析）或图形方式（如瞬态特性、直流传输特性分析等）记录了仿真计算结果，

27、如图4-15所示。 在仿真计算过程中，当发现设定的仿真方式或参数不正确时，可随时单击仿真窗口内主工具栏中的“停止仿真”工具，中断仿真计算过程。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-15 仿真波形观察窗口仿真波形观察窗口第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 4.3.3 仿真结果观察及波形管理仿真结果观察及波形管理 在仿真数据文件（.sdf）编辑窗口内，通过如下方式观察仿真结果： 1) 调整仿真波形观察窗口内信号的显示幅度 将鼠标移到仿真输出信号下方横线上，当鼠标箭头变为上下双向箭头时，按下左键不放，拖动鼠标器，松手后即可发现横线上方仿真输出信号幅度被拉伸或压缩。第第4章章 电路仿真测试电路

28、仿真测试 2) 调整仿真波形窗口内信号的显示位置 将鼠标移到波形窗口内相应的仿真输出信号名上，按下鼠标左键不放，拖动鼠标器，即可发现一个虚线框（代表信号名）随鼠标的移动而移动。当虚线框移到另一信号显示单元格内时松手，即可发现两个信号波形出现在同一显示单元格内，如图4-16所示。 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-16 信号波形重叠显示信号波形重叠显示第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 3) 改变显示刻度 在“Scaling”（刻度）选择框内，单击相应刻度（如X轴）文本框右侧上下(增加或减小)按钮，即可改变X轴、Y轴或偏移量大小（当然也可以在文本框中直接输入相应的数值）。 4) 在仿

29、真波形窗口内添加未显示的信号波形 在“Waveforms”（波形列表）窗口内找出并单击需要显示的信号，如VB，然后再单击“Show”（显示）按钮，即可在仿真波形观察窗口内显示出指定的信号，如图4-17所示。 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图4-17 添加了VB信号的仿真波形窗口第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 5) 隐藏仿真波形观察窗口内的信号波形 将鼠标移到波形观察窗口内需要隐藏的信号名上，单击左键使目标信号处于选中状态（选中后信号波形线条变宽，同时信号名旁边出现一个小黑点，如图4-16中的ui），然后再单击“Hide”（隐藏）按钮，相应仿真信号即从波形观察窗口内消失。第第4章章

30、电路仿真测试电路仿真测试 6) 波形测量 单击如图4-15所示的窗口内“Measurement Cursors”(测量曲线)框中“A”右侧的下拉按钮，选择被测量信号名（如uo），“A”框下方即显示出被测信号点X、Y的值，同时波形窗口上方出现测量标尺，如图4-18所示。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-18 测量标尺测量标尺第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 7) 只观察一个单元格内的信号 将鼠标移到某一信号单元格内，单击左键，然后执行“View”选择框内的“Single Cells”选项（或将鼠标移到某一信号单元格内，单击右键，调出快捷菜单，指向并单击“View Single Ce

31、ll”命令），即可显示该单元格内的信号，如图4-19所示。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-19 仅显示一个单元格内的信号仅显示一个单元格内的信号第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 8) 选择X、Y轴刻度单位及Y轴度量对象 根据观察信号的类型，必要时可执行“View”菜单下的“Scaling”命令，在如图4-20所示的窗口内，重新选择X、Y轴度量单位。 可供选择的X轴度量单位：Linear(线性)、Log(对数)。 9) 设置波形窗口其他选项背景颜色、显示计算点等 必要时，可执行“View”菜单下的“Options”命令，在如图4-21所示的窗口内，重新选择波形窗口背景、前景以及栅

32、格线颜色等。 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图4-20 刻度选择第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图4-21 波形窗口选项设置第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 10) 切换到另一仿真方式波形窗口 如果在仿真时，同时执行了多种仿真操作，例如在如图4-12所示的仿真方式设置窗口内，同时选择了“Operating Point Analyses”（静态工作点）和“Transient Analysis”（瞬态特性），则仿真波形窗口下方将列出相应仿真结果波形标签，单击相应的仿真波形标签，即可观察到对应仿真方式的结果。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 11) 设置窗口的显示方式 当需要在屏幕

33、上同时显示多个文件窗口时，如同时显示原理图文件窗口和仿真波形窗口时，可将鼠标移到当前文件窗口的文件图标上（如图4-19中的“Sheet1.sdf”），单击右键，指向并单击如下命令之一，即可重新设定窗口的显示方式: 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试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 单击窗口上的“关闭”按钮或执行“F

34、ile(文件)”菜单下的“Close”命令即可关闭当前窗口。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试4.4 常用仿真方式及应用常用仿真方式及应用 4.4.1 工作点分析工作点分析(Operating Point Analyses) 在进行工作点分析时，仿真程序将电路中的电感元件视 为短路，电容视为开路，然后计算出电路中各节点对地电压、各支路（每一元件）电流这就是常说的静态工作点分析。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 在如图4-12所示的仿真方式设置窗口内，单击“Operating Point Analyses”选项前的复选框，选中“工作点分析”选项；执行仿真操作后，单击如图4-15所示的仿真波

35、形观察窗口下方“仿真结果列表”栏内的“Operating Point”，即可在仿真波形窗口内观察到工作点计算结果，如图4-22所示。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-22 工作点分析结果工作点分析结果第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 4.4.2 瞬态特性分析瞬态特性分析(Transient Analysis)与傅立叶分析与傅立叶分析(Fourier Analysis) 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

36、最基本、最常用的仿真分析方式。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 在设置Fourier Analysis参数时，对于周期信号来说，基波就是被分析信号周期的倒数，分析的最大谐波与信号性质有关，对于方波信号来说，取10次谐波已足够；而对于调幅、调频波来说，为了获得正确结果，基波按下列关系选择：基波=载波频率/调制信号频率第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 4.4.3 参数扫描分析参数扫描分析(Parameter Sweep 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

37、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。 在如图4-12所示的仿真参数设置窗口内，单击“Parameter Sweep”标签，即可获得如图4-23所示的Parameter Sweep（参数扫描）设置窗口。 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图4-23 参数扫描设置窗口 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 参数扫描设置过程如下： (1) 单击“Parameter Sweep First”（主扫描参数）选择框内“Parameter”下拉列表盒右侧的下拉按钮，选择参数变化的元件，如R1、C1、Q1（BF）等，其中Q1（BF）表示三

38、极管Q1的电流放大倍数。 (2) 在“Start Value”文本盒内输入元件参数的初值；在“Stop Value”文本盒内输入元件参数的终值；在“Step Value”文本盒内输入参数变化增量。 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图4-24 三极管Q1放大倍数变化对应的输出信号第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 从图4-24中可以看出：在如图4-11所示的放大电路中，三极管Q1放大倍数对电路性能指标的影响不大，即当50后，放大器输出信号Vout基本重叠。 当选择R5作为主扫描参数时，即可获得交流负反馈电阻对放大器放大倍数的影响，例如R5从10增加到时100（增量为10），输出信号Vout

39、振幅如图4-25所示。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图4-25 电阻R5变化时对应输出信号 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 4.4.4 交流小信号分析（交流小信号分析（AC Small Signal Analysis） 1. AC小信号分析的主要功能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。一般来说，电路中的器件参数，如三极管共发射极电流放大倍数并不是常数，而是随着工作频率的升高而下降。 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 2.AC小信号分析参数设置小信号分析参数设置 单击“Simulate”菜单，指向并单击“Setup”命令，在“Anal

40、yses Setup”对话框内，单击“AC Small Signal”标签，即可进入如图4-26所示的“AC Small Signal”设置框。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-26 AC小信号分析参数设置小信号分析参数设置第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 Start Frequency：扫描起始频率。 Stop Frequency：扫描终了频率。 Test Points：分析频率点的数目，当“Sweep Type”按线性变化时，则测试点数就是总的测试点数；当“Sweep Type”按级数（10倍频，即取对数刻度）变化时，则Test Points为每10倍频内测试点的个数，总测试

41、点个数是Test Points*（Stop Frequency-Start Frequency）/10，如上图中，如果每10倍频测试点取1 000个，则总测试点约为4 700个。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 图4-27给出了低通滤波电路及AC小信号分析结果。 对于如图4-28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4-29所示（其中AC小信号分析参数为：Start Frequency=1Hz，Stop Frequency=1 MHz，Test Points=1000）。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试VinVin5 kHzC10.1 Vout

42、R1 图4-27 低通滤波器幅频特性 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试100 kISINIsRsVout5R1VLL11m0.01 C1 图4-28 并联谐振电路 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-29 谐振特性曲线谐振特性曲线第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 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4-11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，终值取2，增量为0.3），并将AC小信号分析参数设为：Start Frequency=1 Hz，Stop Frequency=10 k

43、Hz，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4-30所示。 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-30 电容电容C3对放大器低频特性的影响对放大器低频特性的影响第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 4.4.5 阻抗特性分析（阻抗特性分析（Impedance Plot Analysis） 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。 由于电路输入阻抗是前一级电路或信号源的负载，而电路输出阻抗体现

44、了电路输出级的负载驱动能力，因此在电路设计中常需要了解电路的输入、输出阻抗。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 1. 求输入阻抗求输入阻抗Ri 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4-11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，如图4-31所示（中频段约为7.1 k）。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图4-31 输入阻抗Ri特性曲线第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 在输入阻抗、放大倍数估算过程中，将三极管B-E极电阻rbe近似为常数，但实际上rbe随发射极电流IE(引起re变

45、化)的增大而减小、随集电结偏压VCB（引起rbb变化）的增大而增大。例如，在如图4-11所示的分压式偏置电路中，基极电压基本保持不变，当发射极电阻R4增大时，发射极电流IE减小，导致发射结电阻re增大，结果输入阻抗Ri增大，如图4-32所示。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图4-32 R4变化对输入阻抗Ri的影响第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 由于VCE=VCC-IC*R3-IE*(R4+R5)，因此当集电极电阻R3增大时，VCE将减小，即集电结反向偏压VCB变小，使集电结耗尽层减小，导致基区厚度增加，使rbb减小，最终使输入阻抗Ri减小，如图4-33所示。第第4章章 电路仿真测试电

46、路仿真测试图图4-33 R3变化对输入阻抗变化对输入阻抗Ri的影响的影响第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 2. 求输出阻抗求输出阻抗Ro 根据输出阻抗的定义，求输出阻抗时，需要按以下步骤修改电路结构： (1) 用导线将输入信号源短路，但要保留输入信号源的内阻。 (2) 负载RL开路。在操作上，可先删除RL，将输入信号源移到RL位置，用导线连接与输入信号源相连的两个节点。 (3) 在输出端接一信号源，这样信号源两端电压与流过该信号源的电流之比，就是输出电阻Ro。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 (4) 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。 求如

47、图4-11所示的放大电路的输出阻抗电路如图4-34（a）所示，而输出阻抗特性曲线如图4-34（b）所示。 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试VCCR32.7 kR168 kR220 kR41.5 kR582C3C210 C110 Q12N222222 VeVbVcVCCVCC18 V1 kHzV1Vout4-34图图4-34 输出阻抗求解电路及结果输出阻抗求解电路及结果(a) 求输出阻抗电路；(b) 输出阻抗曲线第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-34 输出阻抗求解电路及结果输出阻抗求解电路及结果(a) 求输出阻抗电路；(b) 输出阻抗曲线第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 4.4

48、.6 直流扫描分析直流扫描分析(DC Sweep Analysis) 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。 在原理图编辑窗口内，单击“SimulateSetup”命令，在“Analyses Setup”对话框内，单击“DC Sweep”标签，即可进入如图4-35所示的直流扫描仿真设置框：第第4章章 电

49、路仿真测试电路仿真测试图4-35 直流扫描分析参数设置第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试各参数含义如下：DC Sweep Primary主变化信号源Secondary第二变化信号源，在直流扫 描仿真分析中，允许两个信 号源同时变化，然后分别计 算工作点Source Name 变化的信号源Start Value初始电压值Stop Value终止电压值Step Value电压变化步长第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 例如，利用直流扫描分析即可获取如图4-36所示的运算放大器的直流传输特性曲线，操作过程如下：第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-36 运算放大器运算放大器第第4章章 电路

50、仿真测试电路仿真测试 (1) 在原理图编辑窗口内，执行“Simulate”菜单下的“Setup”命令。 (2) 在“Analyses Setup”窗口内，单击“DC Sweep”标签，在如图4-35所示的窗口内设置直流扫描参数，如图4-37所示。 (3) 启动仿真分析后，打开.sdf文件，并选择“DC Sweep”，即可观察到仿真结果，如图4-38所示。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图4-37 直流扫描分析设置窗第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-38 直流传输特性曲线直流传输特性曲线第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 利用直流扫描分析，将非常容易获得如图4-39所示的74LS

51、00与非门电路的直流传输特性曲线，如图4-40所示，可以看出：74LS系列门电路最大输入低电平电压小于0.9 V，最小输入高电平电压必须大于1.2 V。 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-39 由由74LS00组成的与非门电路组成的与非门电路第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图4-40 74LS门电路的直流传输特性曲线第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 利用“直流扫描分析”即可获得如图4-41（a）所示的N沟道结型场效应管2N3684的转移特性曲线，如图4-41（b）所示（对V1电压源进行扫描，初始电压为-3.5 V，终了电压为0，步长为10 mV）。 第第4章章 电路仿真测试电

52、路仿真测试图图4-41 结型场效应管转移特性结型场效应管转移特性(a) 转移特性测试原理图；(b) 转移特性曲线第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-41 结型场效应管转移特性结型场效应管转移特性(a) 转移特性测试原理图；(b) 转移特性曲线第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 4.4.7 温度扫描分析温度扫描分析(Temperature Sweep Analysis) 一般说来，电路中元器件的参数随环境温度的变化而变化，因此温度变化最终会影响电路的性能指标。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、

53、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。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 温度扫描分析应用举例：分析环境温度对如图4-42所示的基本放大电路放大倍数的影响。 操作过程如下： (1) 编辑电路图。 ( 2 ) 在 “ A n a l y s e s S e t u p ” 窗 口 内 ， 单 击“Temperature Sweep”标签，在如图4-43所示的窗口设置温度扫描参数。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试VCCRc2.7 kRb510 kRLC210C110Q12N2222VbVcV11 kHzVCCVCC18 VVout图4-42 共发射极基

54、本放大电路 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-43 温度扫描参数设置窗口温度扫描参数设置窗口第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 (3) 设置了温度扫描参数后，启动仿真过程，结果如图4-44所示。 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图4-44 输出电压Vout随温度变化的情况 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 4.4.8 传输函数分析传输函数分析(Transfer Function Analysis) 传输函数分析用于获得模拟电路直流输入电阻、直流输出电阻以及电路的直流增益等，这里不进行详细介绍。 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 4.4.9 噪声分析噪声分析(Noise

55、Analysis) 1. 噪声分析功能噪声分析功能 电路中每个元器件在工作时都要产生噪声，由于电容、电感等电抗元件的存在，不同频率范围内，噪声大小不同。例如运算放大器对直流噪声比较敏感，而对频率变化较快的高频噪声反映迟钝。为了定量描述电路中噪声的大小，仿真软件采用了一种等效计算方法，具体计算步骤如下：第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 (1) 选定一个节点作为输出节点，在指定频率范围内，将电路中每个电阻和半导体器件等噪声源在该节点处产生的噪声电压均方根(RMS)值做叠加。 (2) 选定一个独立电压源或独立电流源，计算电路中从该独立电源（电流源）到上述输出节点处的增益，再将第 (1) 步计算得

56、到的输出节点处总噪声除以该增益就得到在该独立电压源（或电流源）处的等效噪声。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 2. 噪声分析的参数设置噪声分析的参数设置 在“Analyses Setup”窗口内，单击“Noise”标签，在如图4-45所示的窗口设置噪声分析参数。 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-45 噪声分析参数设置窗口噪声分析参数设置窗口第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 当参考节点(Reference Node)为0时，以接地点作为计算参考点，即输出节点噪声大小相对地电平而言。 如图4-36所示的运算放大器噪声分析结果如图4-46所示，可见该电路在低频段噪声输出电压均方值

57、较大。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-46 运算放大器噪声特性曲线运算放大器噪声特性曲线第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试4.5 仿真综合应用举例仿真综合应用举例 4.5.1 数字电路仿真实例数字电路仿真实例 对如图4-47（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4-47（b）所示。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试&VCCRL2.1 kVout74LS00V1VPULSEVin12U1AV35 V34-47(a)图图4-47 74LS系列集成电路高电平负载能力系列集成电路高电平负载能力(a) 输出高电平测

58、试电路；(b) 输出高电平随负载电阻的变化第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-47 74LS系列集成电路高电平负载能力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第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 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。 第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 (2) 单击主工具栏内的“仿真设置”工具或执行“Simulate”菜单下的“Se

59、tup”命令，在如图4-12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 k，增量为500），然后运行仿真操作，即可得到如图4-47(b)所示的结果，可见负载越重，输出高电平电压越小。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试&VCCVCCRL2.1 kVout74LS00V1VPULSEVin12U1AV35 V3图4-48 74LS系列TTL电路输出低电平负载 能力测试电路第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-49 74LS系列系列

60、TTL电路输出低电平负载能力电路输出低电平负载能力第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 4.5.2 模拟、数字混合电路仿真分析实例模拟、数字混合电路仿真分析实例 图4-50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。第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试图图4-50 MCS-51单片机系统常用的掉电、复位电路单片机系统常用的掉电、复位电路第第4章章 电路仿真测试电路仿真测试 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.