《模拟电子技术》课件ch8 电子线路仿真软件简介

模块8电子线路仿真软件简介

8.1Multisim10.1仿真软件简介

8.2PSpice仿真软件简介

8.3Multisim和PSpice的功能比较

Multisim是InteractiveImageTechnologies(ElectronicsWorkbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。为适应不同的应用场合，Multisim推出了许多版本，用户可以根据自己的需要加以选择。8.1Multisim10.1仿真软件简介

软件以图形界面为主，采用菜单、工具栏和热键相结合的方式，具有一般Windows应用软件的界面风格，用户可以根据自己的习惯和熟悉程度自由使用。启动Multisim10.1后，将出现图所示的界面。8.1.1Multisim10.1操作界面介绍1．主菜单主菜单主要用于进行文件的创建、打开、关闭、保存以及打印等操作，如图所示。设计工具栏主菜单2．View菜单用户在利用Multisim10.1进行电路的仿真设计时，经常需要关闭一些工具栏、状态栏，或者需要在窗口上显示某个工具栏、在屏下设计、对设计图纸进行放大或缩小等，这些都可通过View菜单中的相应命令来完成，如图所示。例如，如果要显示或关闭某个工具栏，可以执行View菜单中的Toolbars命令，在弹出的如图所示的Toolbars子菜单中，选择需要显示或关闭的菜单栏。Toolbars子菜单View菜单

设计工具栏用于管理原理图中的各种元器件，它有的三个选项卡“Hierarchy”“Visibility”和“ProjectView”。（1）Hierarchy选项卡通过该选项卡，用户可以查看所有打开的文件，如图示，移动光标到某一个打开的文件的根目录上，单击鼠标右键，会弹出右键快捷菜单，如图所示，选择Close命令可以关闭选中的文件，选择Save命令则对选中的文件进行保存。3．设计工具栏Hierarchy选项卡根目录右键快捷菜单（2）Visibility选项卡，如图8－11所示，用于设置工作区中当前设计需要显示的层，包括“SchematicCapture”（原理图捕获）和“FixedAnnotations”（固定注释）两部分。SchematicCapture包含如下选项。RefDs：本层包含工作区中所有元器件的参考注释，如R1、U1A。LabelandValue：本层包含元器件的标签和值。AttributeandVariant：本层包含元器件的特征和变量。NetName：本层包含网络的名称。PinName：本层包含元器件引脚的序号。BusEntryLabel：本层包含总线的入口标签。FixedAnnotations包含如下选项。Visibility选项卡ERCErrorMark：本层包含放置在原理图上的电器规则错误标记。StaticProbe：本层包含可以放置到原理图上的静态测量探针。Comment：本层包含用户添加在工作区的任务注释。Text/Graphics：本层包含用户放置工作区的任何图形。

仪器仪表工具栏中列出了用户在电路仿真中将会用到的各种仪器仪表，各种仪表的名称如右图所示。仪器仪表工具栏仪器仪表名称4．仪器仪表工具栏5．元器件栏元器件栏位于工具栏的下方，如图所示。该栏以元器件库按钮的形式分类集中了大量的常用仿真元器件。

元器件栏元器件名称6．仿真工具栏仿真工具栏列出了在仿真过程中可能用到的各种常用按钮，如图（a）所示，另外，用户也可以通过主窗口右上面的仿真按钮来运行、停止和暂停电路仿真，仿真按钮如图（b）示。（a）（b）

创建电路是分析和设计工作的第一步，用户从元器件库中选择需要的元器件放置在电路图中并连接起来,为分析和仿真做准备。8.1.2利用Multisim10.1创建电路1．基本界面的设置在创建电路前用户可以通过“Options”菜单来进行页面设置。Options菜单如图所示。Options菜单点击Options菜单下的GlobalPreferences选项，弹出Preferences对话框，Preferences对话框共有四个设置选项卡，分别是“Paths”、“Save”、“Parts”和“General”。（1）Paths选项卡通过该选项卡用户可以设置文件的默认存放路径以及数据库的文件路径等。（2）Save选项卡通过该对话框用户可以对设计进行自动保存以及仪器仿真的数据保存等进行设置。（3）Parts选项卡（4）General选项卡2．选择放置和旋转元器件选择元器件是Multisim10.1进行电路仿真的重要步骤。元器件选取最直接的方法就是通过元器件工具栏来完成，也可以通过元器件选择对话框完成元器件的选择。通过工具栏选择元器件，一般需要用户知道所需元器件所在的元器件库，并移动光标到元器件工具栏上，单击相应的元器件库，在弹出的对话框中，选择所需元器件。将元器件放置在电路原理图上时，为了满足布局和连接等操作要求，需要对元器件的位置和方向进行调整，移动光标到需要调整位置的元器件上，按下鼠标右键，移动光标可以看到在光标上黏附着选择元器件的电路图符号，移动光标到适合位置，放开鼠标右键，则选择元器件会移动到当前光标处，完成元器件的位置移动。如果用户需要对元器件进行旋转和翻转调整，应首先选中需要旋转或翻转的元器件，然后选择Edit菜单“Orientation”选项中的“FlipHorizontal”、“FlipVertical”、“90Clockwise”或“90CounterCW”命令或后面对应的快捷键来实现。3．线路连接将电路需要的元器件放置在设计窗口后，用鼠标就可以方便地将器件连接起来。方法是：用鼠标单击连线的起点并拖动鼠标至连线的终点。4．元器件属性编辑在利用Multisim10.1进行电路设计时，每一个放置在电路图上的元器件都具有一系列属性，这些属性仅仅影响放置在电路图中的元器件，而不会影响元器件数据库中的元器件。依据元器件的类型，元器件的属性通常由元器件的识别信息、标签、元器件模型、元器件值、封装等属性构成。移动光标到相应元器件上，双击鼠标左键，弹出元器件属性对话框，选择相应选项卡可对元器件的信息和元器件值等按要求进行更改。8.1.3利用Multisim10.1进行电路仿真开始仿真电路时，单击设计工具栏上的RunSimulation按钮，Multisim开始进行电路仿真运算。在仿真过程中，有关仿真结果和问题都被写到Log/audit记录中。终止仿真时，该记录自动显示出来。如果希望监视整个仿真过程，可选中Simulate/SimulationErrorLog/auditTrail，可以在整个仿真过程中一直显示该记录。暂停或结束仿真可单击设计工具栏PauseSimulation或StopSimulation按钮，也可以通过执行菜单命令来开始、暂停和结束仿真。

启动和结束仿真的另一个方法是利用仿真开关。可利用鼠标左键选中菜单命令View/Toolbars/SimulationSwitch，显示出一个电路仿真进程的开关，利用该开关可以方便地启动、结束和暂停仿真过程。

Multisim10.1的独特性能之一是进行交互式仿真。可以通过键盘简单地改变交互式元件的参数，立即就可以得到相应的仿真结果。交互式元件包括诸如电位计、可变电阻、可变电容、可变电感和多向开关等元件。对电路进行仿真分析时，首先要进行电路一致性检查，以确认电路是否符合逻辑规则，如是否接地等。系统将检查出来的错误写到错误日记中，因为该功能可以提醒用户那些原因可能导致仿真出错，使用户在进行仿真之前改正，从而加快仿真速度。

启动Multisim菜单中的Analysis命令，可出现如图所示的菜单项，Multisim10.1共有18种分析功能。模拟电路中常用的分析功能主要有直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、直流扫描分析等。分析子菜单1．直流工作点分析直流工作点分析用于分析电路的直流工作点。在进行直流分析时，交流源被视为零输出，固定状态保持不变，电容被视为开路，电感被视为短路。【例8－2】单管放大电路图如图所示。利用直流工作点分析电路中的电压。操作步骤如下：①按照图连接电路。②点击Simulate菜单下的Analysis项目中的DCOperatingPoint命令，弹出DCOperatingPointAnalysis对话框。③打开Output选项卡。④在Variablesincircuit列表中选择V(1)，然后点击add按钮，将Variablesincircuit列表中的V(1)添加到SelectVariablesforAnalysis列表中，按照同样的方法依次将V(2)、V(3)、V(4)、V(5)从Variablesincircuit列表添加到SelectVariablesforAnalysis列表中，意思就是要对V(1)、V(2)、V(3)、V(4)、V(5)网络进行直流工作点分析。⑤单击DCOperatingPointAnalysis对话框的Simulate按钮，开始直流工作点分析。⑥分析结束，弹出GrapherView窗口，如图所示。⑦从图示仪窗口中可以看出网络1至网络6处的直流工作电压，所的结果和计算的结果是一致的。2．交流分析交流分析用于计算线性电路的频率响应。在交流分析过程中，对所有非线性元器件的小信号模型，都要首先计算它们的直流工作点，然后创建一个复杂的矩阵，直流电源的输出会设定为0，交流电源、电容、电感按照它们的交流模型进行响应，非线性元器件都按照它们的交流小信号模型响应，然后由直流工作点的分析结果得到矩阵。所有的输入源都认为是正弦信号而不考虑信号的频率。如果函数发生器设置为输出方波或三角波，在分析过程中会自动切换为正弦波，然后交流分析会作为频率的响应函数对交流电路进行分析。【例8－3】对下图的电路进行交流分析。操作步骤如下：①按照图连接电路。②点击Simulate菜单下的Analysis项目中的ACAnalysis命令，弹出ACAnalysis对话框。③打开对话框中的FrequencyParameters选项卡，对扫描频率的起始值进行设置，如图所示。④在Output选项卡中，设置分析参数V（3）。⑤单击ACAnalysis对话框的Simulate按钮，开始进行交流分析。分析结果如图所示。FrequencyParameters选项卡设置交流分析结果3．瞬态分析瞬态分析又称时域瞬态分析，作为时间的函数计算电路的响应，每一个输入周期被分割成时间间隔，然后计算周期中每一个时间点的直流分析。对于节点中的电压波形，则由在一个完整时间周期上每个时间点的电压来确定。【例8－4】对右图的电路进行瞬态分析。①按照图连接电路。②点击Simulate菜单下的Analysis项目中的TransientAnalysis命令，弹出TransientAnalysis对话框。③打开对话框中的AnalysisParameters选项卡，对瞬态分析参数的起始值进行设置，如右图所示。④在Output选项卡中，设置分析参数V(3)。⑤单击AnalysisParameters对话框的Simulate按钮，开始进行交流分析。分析结果如下图所示。4.直流扫描分析直流扫描分析允许用户多次仿真电路，在预定义的范围内扫描直流值，其目的是观察直流转移特性。当输入直流在一定范围内变化时，分析输出的变化情况。下面通过一个实际例子，介绍直流扫描分析的操作过程。【例8－5】对右图的电路进行直流扫描分析。操作步骤如下：①按照图连接电路。②点击Simulate菜单下的Analysis项目中的DCSweepAnalysis命令，弹出直流扫描分析DCSweepAnalysis对话框。③打开对话框中的AnalysisParameters选项卡，对瞬态分析参数的起始值进行设置。④设置Output选项卡的输出变量为V(1)、V(2)、V(3)、V(4)、V(5)。⑤单击DCSweepAnalysis对话框的Simulate按钮，开始进行交流分析。AnalysisParameters选项卡设置直流扫描分析结果8.1.4Multisim10.1在模拟电子线路基础中的应用Multisim提供了众多仿真分析方法和模拟测试仪表，以及几乎占据了一大半元件库的模拟元器件模型，为模拟电路的分析设计带来了极大的方便。1．测量晶体管的输出特性曲线2．放大电路的直流、交流分析及电路仿真Multisim10.1还可以对基本元器件、两级放大电路、负反馈电路、差分放大电路、集成电路、有源滤波电路等模拟电子线路进行分析和仿真8.2PSpice仿真软件简介

PSpice是由Spice发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。Spice（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）软件是由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组于1972年开发的电路仿真程序，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。Spice的正式版SPICE2G在1975年正式推出。1985年，加州大学伯克利分校用C语言对Spice软件进行了改写，并由MicroSim公司推出。1988年Spice被定为美国国家工业标准。Spice最初用于小型计算机，随着个人电脑的快速发展，美国MicroSim公司于1984年1月在Spice的基础上推出了能在个人电脑上运行的Spice软件，即PSpice软件。PSpice自80年代以来在我国得到广泛应用，并且从6.0版本开始引入图形界面。1998年著名的EDA商业软件开发商ORCAD公司与Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSpice产品正式并入ORCAD公司的商业EDA系统中。不久之后，ORCAD公司已正式推出了ORCADPSPICERelease10.5，与传统的Spice软件相比，PSpice10.5在三大方面实现了重大变革：首先，在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；第二，不但能够对模拟电路进行，而且能够对数字电路、数/模混合电路进行仿真；第三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并且可以随时分析观察仿真结果。

PSPICE软件的使用已经非常流行，它的仿真波形与试验电路的测试结果相近，在模拟实际电路的波形方面比较准确，对电路设计有着重要指导意义。本节所有与PSpice有关的仿真都是基于PSpice9.1学生版的。8.2.1PSpice9.1学生版的基本组成PSpice9.1学生版由以下7个基本程序模块组成：1．电路原理图编辑程序Schematics2．激励源编辑程序StimulusEditor3．模拟计算程序是PSPICEA/D4．输出结果绘图程序Probe5．模型参数提取程序ModelEditor6．电路优化设计程序Optimizer7．设计管理程序DesignManager8.2.2PSpice9.1学生版及其可执行的仿真分析

PSpice9.1学生版可执行仿真的电路限制在下列范围之内。

64个节点；10个晶体管；65个数字电路器件；10个理想或非理想的传输线和4组耦合传输线；电路原理图中做多包含50个组成部分；提供的元件库样本仅有39个模拟元件与134个数字元件；元件编辑程序仅限于处理二极管；自定义激励源仅限于编辑正弦波信号（模拟）和时钟信号（数字）；电路优化设计仅限于一个目的、一个参数或一个限制条件；无法建立CSDF格式的数据文件；波形显示仅能处理由学生版仿真程序产生的数据。PSpice9.1学生版可以执行的电路分析，包括以下几种。（1）交流扫描分析（ACSweep）：将一个或两个交流信号源扫过一定范围的频率，并使电路在静态工作点附近线性化后求出小信号电压或电流的幅度或相位的频率响应。交流扫描分析中还包含噪声分析（NoiseAnalysis）。（2）直流扫描分析（DCSweep）：将一个或两个直流电压源、模型参数或温度作为输出波形的横轴变量，扫描过一定范围的数值，取出稳态电压或电流作为输出波形图的纵轴变量。（3）蒙托卡罗/最坏情况分析（MonteCarlo/WorstCase）：蒙特卡罗分析是分析电路元器件参数在它们各自的容许误差范围内，以某种分布规律随机变化时电路特性的变化情况，这些特征包括直流、交流或瞬态特性；最坏情况分析则用于找出极端情况下的输出波形及当时的元件值组合。（4）偏压点分析（BiasPointDetail）：即电路静态工作点分析，在给定直流电源情况下，求出电路上各节点电压与分支电流。（5）参数分析（Parametric）：分析各参数对电路性能的影响，这里的参数可以是电压源、电流源、温度、元器件模型参数和全局变量参数等。（6）灵敏度分析（Sensitivity）：当电路某参数发生变化时，分析电路性能的变化程度。（7）温度分析（Temperature）：按照用户设置逐步更改电路工作温度，并改变元件的参数值，记录每一个温度对应的输出结果。（8）转移函数分析（TransferFunction）：求出电路的转移函数，用户可以指定输入变量和输出变量。（9）瞬态分析（Transient）：求出各个时间点上电路的节点电压、支路电流或数字状态，瞬态分析中包含了傅立叶分析。8.2.3利用PSpice9.1学生版进行模拟电子电路的仿真和Multisim10.1类似，可以利用PSpice9.1学生版提供的各类分析功能完成电路性能参数的仿真，下面逐一介绍。

1．NMOS场效应管的特性曲线（模型参数扫描分析）上一节介绍了利用Multisim观测晶体三极管的输出特性曲线，下面利用PSpice来观测NMOS场效应管的转移特性曲线和输出特性曲线，并求出NMOS管的开启电压

启动PSpice下的电路原理图编辑程序Schematics，绘制如右图所示的电路图，各元件名称和参数按图中所示设置。

启动菜单Analysis/Setup，出现如下图所示的窗口，单击DCSweep按钮，在弹出的窗口上进行如图所示的设置，设置完成后单击窗口下面的“OK”按钮，然后再单击“Close”按钮。（1）转移特性曲线及开启电压

启动菜单栏Analysis/Simulate，PSpice自动启动图形后处理程序Probe，弹出如下图所示窗口。本窗口主要由三部分组成：结果显示部分、仿真电路文件部分和分析信息部分。结果显示一般默认显示仿真曲线，也可通过View选择显示电路文件和输出文件，再利用标签选择显示。仿真电路文件部分会显示仿真过程中的出错信息，使用户可对电路进行有效修改。分析信息部分可以显示分析对话框中设置的所有信息。

在该窗口上启动菜单栏Trace/AddTrace，在弹出的窗口中添加变量ID(M1)，即可得到如图8－53所示的IRF150转移特性曲线，从该图中可以读出IRF150的开启电压为。

单击Analysis/Setup窗口的Parametric按钮，弹出如图8－54所示的对话框，并依照该图进行设置，即观察跨导不同时转移特性曲线的变化。

启动Analysis/Simulate菜单，弹出参数分析选择窗口，默认选择全部，单击OK按钮，即可得到跨导KP为不同值时的IRF150转移特性曲线，和理论分析结果一致。执行Probe窗口下的Plot/Label命令添加曲线说明。（2）输出特性曲线单击Analysis菜单下的Setup选项，单击DCSweep按钮，在弹出的窗口上进行如图所示的设置，将扫描对象改为VDS，从而观察输出特性曲线。单击Nestedsweep，弹出副扫描（DCNestedSweep）对话框，按照下图所示设置，并选中EnableNestedSweep左边的小方框，使嵌套扫描有效。

启动Analysis/Simulate菜单，在Probe窗口得到ID(M1)～VDS曲线，如图所示，利用菜单命令Plot/Label添加曲线说明。

因为该曲线图中X坐标表示的是电源电压VDS，而不是场效应管的漏极电压Vd，所以还不能称其为NMOS管的输出特性曲线。在Probe窗口下启动Plot/AxisSettings命令，在弹出的对话框中单击AxisVariable，选择NMOS管的漏极电压V(M1：d)作为X轴变量，即可得到如图所示的曲线，这就是NMOS管的IRF150的输出特性曲线，利用菜单命令Plot/Label添加曲线说明。

三极管是模拟电路中最基本的元件，掌握单管放大电路的各种性能，是分析和设计电子电路的基础。单管放大电路如图右图所示，试利用PSpice对这个单管放大电路进行分析。2．三极管放大电路的分析

在图中正弦波电压Vi的设置如下图所示：AC=1V；DC=0V；VOFF=0V；VAMPL=0.02V；FREQ=10kHz。其它电压源、电阻、电容按照图中所标数值进行设置。（1）对静态工作点的分析首先对电路进行规则检查和网单文件生成，单击Analysis菜单下的Setup选项，在弹出的对话框中选中BiasPointDetail按钮，单击Close按钮关闭该窗口。点击Analysis菜单下的Simulat选项（此时系统会自动在电路中标出各支路电流和节点电压如图（a）所示）。在出现的Probe界面选择显示输出文件.out，或在Schematics界面启动菜单Analysis/ExamineOutput，也可查看输出文件。输出文件详细记录了以下内容：电路中所有元件中的每个元件连接在哪两个节点之间；所使用的三极管的参数设置；每个节点的直流电压，如图（b）所示；每个电源的直流电流；三极管的直流状态等。

电路静态工作点分析各节点的直流电流（2）交流性能参数分析点击Analysis菜单下的Setup选项，单击Transient按钮，在弹出的对话框中设置打印步长为200ns，终止时间为200us。单击OK按钮并关闭Setup对话框，然后启动Analysis菜单下的Simulat命令，在打开的Probe窗口中启动Plot/AddPlottoWindow，增加一个波形观察窗口，打开Trace/AddTrace命令，分别选中V(1)和V(5)得到输入输出波形如图（a）所示，利用菜单命令Trace/Lable添加曲线说明。打开Trace/AddTrace命令，在TraceExpression中选择输入表达式：MAX(V