Altium Designer 22基础与实例教程 课件 第9章 电路仿真系统

第九章电路仿真系统

所谓电路仿真，就是用户直接利用EDA软件自身所提供的功能和环境，对所设计电路的实际运行情况进行模拟的一个过程。学习要点电路仿真的基本知识仿真分析的参数设置电路仿真方法9.1电路仿真的基本概念

仿真中涉及的几个基本概念如下。（1）仿真元器件。用户进行电路仿真时使用的元器件，要求具有仿真属性。（2）仿真原理图。用户根据具体电路的设计要求，使用原理图编辑器及具有仿真属性的元器件所绘制而成的电路原理图。（3）仿真激励源。用于模拟实际电路中的激励信号。（4）节点网络标签。对一电路中要测试的多个节点，应该分别放置一个有意义的网络标签名，便于明确查看每一节点的仿真结果（电压或电流波形）。（5）仿真方式。仿真方式有多种，不同的仿真方式下相应有不同的参数设定，用户应根据具体的电路要求来选择设置仿真方式。（6）仿真结果。仿真结果一般是以波形的形式给出，不仅仅局限于电压信号，每个元件的电流及功耗波形都可以在仿真结果中观察到。9.2放置电源及仿真激励源

9.2.1直流电压/电流源直流电压源“VSRC”与直流电流源“ISRC”分别用来为仿真电路提供一个不变的电压信号或不变的电流信号。需要设置的仿真参数是相同的，双击新添加的仿真直流电压源，在出现的对话框中设置其属性参数。“Value（值）”：直流电源值。“ACMagnitude”：交流小信号分析的电压值。“ACPhase”：交流小信号分析的相位值。9.2.2正弦信号激励源正弦信号激励源包括正弦电压源“VSIN”与正弦电流源“ISIN”，用来为仿真电路提供正弦激励信号，需要设置的仿真参数是相同的。“DCMagnitude”：正弦信号的直流参数，通常设置为“0”。“ACMagnitude”：交流小信号分析的电压值，通常设置为“1V”，如果不进行交流小信号分析，可以设置为任意值。“ACPhase”：交流小信号分析的电压初始相位值，通常设置为“0”。“Offset”：正弦波信号上叠加的直流分量，即幅值偏移量。“Amplitude”：正弦波信号的幅值设置。“Frequency”：正弦波信号的频率设置。“Delay”：正弦波信号初始的延时时间设置。“DampingFactor”：正弦波信号的阻尼因子设置，影响正弦波信号幅值的变化。“PhaseDelay”：正弦波信号的初始相位设置。9.2.3周期脉冲源周期脉冲源包括脉冲电压激励源“VPULSE”与脉冲电流激励源“IPULSE”，可以为仿真电路提供周期性的连续脉冲激励，其中脉冲电压激励源“VPULSE”在电路的瞬态特性分析中用得比较多。在“Parameters（参数）”选项卡，各项参数的具体含义如下。“DCMagnitude”：脉冲信号的直流参数，通常设置为“0”。“ACMagnitude”：交流小信号分析的电压值，通常设置为“1V”，如果不进行交流小信号分析，可以设置为任意值。“ACPhase”：交流小信号分析的电压初始相位值，通常设置为“0”。“InitialValue”：脉冲信号的初始电压值设置。“PulsedValue”：脉冲信号的电压幅值设置。“TimeDelay”：初始时刻的延迟时间设置。“RiseTime”：脉冲信号的上升时间设置。“FallTime”：脉冲信号的下降时间设置。“PulseWidth”：脉冲信号的高电平宽度设置。“Period”：脉冲信号的周期设置。“Phase”：脉冲信号的初始相位设置。9.2.4分段线性激励源分段线性激励源所提供的激励信号是由若干条相连的直线组成，是一种不规则的信号激励源，包括分段线性电压源“VPWL”与分段线性电流源“IPWL”两种在“Parameters（参数）”选项卡，各项参数的具体含义如下。“DCMagnitude”：分段线性电压信号的直流参数，通常设置为“0”。“ACMagnitude”：交流小信号分析的电压值，通常设置为“1V”，如果不进行交流小信号分析，可以设置为任意值。“ACPhase”：交流小信号分析的电压初始相位值，通常设置为“0”。“Time/ValuePairs”：分段线性电压信号在分段点处的时间值及电压值设置。其中时间为横坐标，电压为纵坐标。9.2.5指数激励源指数激励源包括指数电压激励源“VEXP”与指数电流激励源“IEXP”，用来为仿真电路提供带有指数上升沿或下降沿的脉冲激励信号，通常用于高频电路的仿真分析在“Parameters（参数）”选项卡，各项参数的具体含义如下。“DCMagnitude”：分段线性电压信号的直流参数，通常设置为“0”。“ACMagnitude”：交流小信号分析的电压值，通常设置为“1V”，如果不进行交流小信号分析，可以设置为任意值。“ACPhase”：交流小信号分析的电压初始相位值，通常设置为“0”。“InitialValue”：指数电压信号的初始电压值。“PulsedValue”：指数电压信号的跳变电压值。“RiseDelayTime”：指数电压信号的上升延迟时间。“RiseTimeConstant”：指数电压信号的上升时间。“FallDelayTime”：指数电压信号的下降延迟时间。“FallTimeConstant”：指数电压信号的下降时间。9.2.6单频调频激励源单频调频激励源用来为仿真电路提供一个单频调频的激励波形，包括单频调频电压源“VSFFM”与单频调频电流源“ISFFM”两种在“Parameters（参数）”选项卡，各项参数的具体含义如下。“DCMagnitude”：分段线性电压信号的直流参数，通常设置为“0”。“ACMagnitude”：交流小信号分析的电压值，通常设置为“1V”，如果不进行交流小信号分析，可以设置为任意值。“ACPhase”：交流小信号分析的电压初始相位值，通常设置为“0”。“Offset”：调频电压信号上叠加的直流分量，即幅值偏移量。“Amplitude”：调频电压信号的载波幅值。“CarrierFrequency”：调频电压信号的载波频率。“ModulationIndex”：调频电压信号的调制系数。“SignalFrequency”：调制信号的频率。9.3仿真分析的参数设置

在原理图编辑环境中，选择菜单栏中的“Simulink（仿真）”→“SimulationDashboard（仿真仪表）”命令，或单击状态栏中的“Panels（面板）”按钮选择快捷命令“SimulationDashboard（仿真仪表）”命令，系统将弹出如图所示的“SimulationDashboard（仿真仪表）”面板。

Affect（范围）选项用于设置仿真分析的作用范围，包括以下两个选项：Sheet（积极的原理图）：当前的电路仿真原理图。Project（积极的项目）：当前的整个项目。9.3.1常规参数的设置1.Verification（确认信息）选项组：2.Preparation（准备）选项组（1）SimulationSources（仿真源）：（2）Probes（探针）3.Results（结果）选项组“SimulationDashboard（仿真仪表）”面板检查结果无误“SimModel（仿真模型）”对话框探针颜色列表

Results（结果）选项组9.3.2仿真方式

上面讲述的是在仿真运行前需要完成的常规参数设置，而对于用户具体选用的仿真方式，还需要在AnalysisSetup&Run（分析设置和运行）选项组进行一些特定参数的设定。1.工作点分析2.传递函数分析3.零-极点分析4.直流扫描分析5.瞬态特性分析6.交流信号分析7.噪声分析8.温度扫描分析9.参数扫描10.蒙特卡罗分析工作点分析方式传递函数分析的仿真参数零-极点分析的仿真参数直流传输特性分析的仿真参数

添加输出表达式“AddOutputExpression（添加输出表达式）”对话框瞬态特性分析的仿真参数周期瞬态特性分析的仿真参数交流信号分析的仿真参数噪声分析的仿真参数温度扫描分析的仿真参数参数扫描分析的仿真参数蒙特卡罗分析的仿真参数9.3.3全局参数设置电路设计中，电压源、电流源、温度、全局参数或者模型参数都可以进行参数扫描分析。全局参数需要用户自定义添加，本节介绍如何设置全局参数。单击“Setting（设置）”按钮，弹出“AdvancedAnalysisSettings（高级分析设置）”对话框，打开GlobalParameters选项卡，如图所示。该选项卡中可以添加、删除全局参数。9.3.4高级仿真设置单击“Setting（设置）”按钮，弹出“AdvancedAnalysisSettings（高级分析设置）”对话框，打开Advanced选项卡，用于设置仿真的高级参数，如图所示。该选项卡中的选项主要提供了设置Spice变量值、仿真器和仿真参考网络的综合方法。在实际设置时，这些参数建议最好使用默认值。9.4特殊仿真元器件的参数设置

9.4.1节点电压初值节点电压初值“.IC”主要用于为电路中的某一节点提供电压初值，与电容中的“IntialVoltage”参数的作用类似。设置方法很简单，只要把该元件放在需要设置电压初值的节点上，通过设置该元件的仿真参数即可为相应的节点提供电压初值，如图示。需要设置的“.IC”元件仿真参数只有一个，即节点的电压初始值。双击节点电压初始值元件，系统将弹出如图所示的“Component（元件）”对话框。

放置的“.IC”元件“Component（元件）”对话框设置“.IC”元件仿真参数设置参数后的“.IC”元件9.4.2节点电压

设置方法很简单，只要把该元件放在需要设置电压预收敛值的节点上，通过设置该元件的仿真参数即可为相应的节点设置电压预收敛值，如图所示。需要设置的“.NS”元件仿真参数只有一个，即节点的电压预收敛值。双击节点电压元件，系统将弹出如图所示的“Component（元件）”对话框来设置“.NS”元件的属性。

放置的“.NS”元件

设置“.NS”元件属性设置“.NS”元件仿真参数设置参数后的“.NS”元件9.4.3仿真数学函数

仿真数学函数存放在“Math.Lib”只需要把相应的函数功能模块放到仿真原理图中需要进行信号处理的地方即可，仿真参数不需要用户自行设置。如图所示，是对两个节点电压信号进行相加运算的仿真数学函数“ADDV”。9.4.4实例：使用仿真数学函数本例中，我们设计使用相关的仿真数学函数，对某一输入信号进行正弦变换和余弦变换，然后叠加输出。1．新建一个项目文件、原理图文件，另存为“仿真数学函数.PrjPcb”、“仿真数学函数.SchDoc”。2．在系统提供的集成库中，找到“SimulationSourees.IntLib”和“SimulationMathFunction.IntLib”，并进行加载。3．在“Component（元件）”面板中，打开集成库“SimulationMathFunction.IntLib”，找到正弦变换函数“SINV”、余弦变换函数“COSV”及电压相加函数“ADDV”，分别放置在原理图中，如图所示。4．在“Component（元件）”面板中，打开集成库“MiscellaneousDevices.IntLib”，找到元件Res2，在原理图中放置两个接地电阻，并完成相应的电气连接5．双击电阻，系统弹出属性设置对话框，相应的仿真参数即电阻值均设置为1K。6．左键双击每一个仿真数学函数，进行参数设置，在弹出“Component（元件）”对话框中，只需设置标识符，如图所示。设置好的原理图如图所示。7．在“Component（元件）”面板中，打开集成库“SimulationSourees.IntLib”，找到正弦电压源“VSIN”，放置在仿真原理图中，并进行接地连接，如图所示。8．双击正弦电压源，弹出相应的元件属性面板，设置其基本参数及仿真参数，如图所示。标识符输入为“V1”，其他各项仿真参数均采用系统的默认值即可。9．单击“OK（确定）”按钮返回后，仿真原理图如图9-53所示。10．在原理图中需要观测信号的位置处添加网络标签。11．在状态栏“Panel（面板）”上单击弹出快捷菜单，选择“SimulationDashboard（仿真仪表）”命令，弹出“SimulationDashboard（仿真仪表）”面板，设置仿真参数，如图所示。12．在“3.AnalysisSetup&Run（分析设置和运行）”选项组中打开“OperatingPoint”下拉选项，在“Dispayonschematic（原理图显示）”列表框中，单击选中“Voltage（电压）”按钮，如图所示。13．设置完毕后，单击菜单栏中的“设计”→“仿真”→“MixedSim（混合仿真）”命令，系统进行电路仿真，静态工作点分析结果、瞬态仿真分析的仿真结果如图所示。9.5电路仿真的基本方法

下面结合一个实例介绍电路仿真的基本方法：电路原理图快捷菜单选择仿真库

添加仿真激励源连接激励源并接地设置仿真激励源的参数

添加仿真电源仿真波形1仿真波形29.6操作实例

9.6.1带通滤波器仿真本例要求完成如图所示仿真电路原理图的绘制，同时完成脉冲仿真激励源的设置及仿真方式的设置，实现瞬态特性、直流工作点、交流小信号及传输函数分析，最终将波形结果输出。实例操作步骤如下：1．选择菜单命令“文件”→“新的”→“项目”，建立新工程，并保存更名为“BandpassFilters.PRJPCB”。为新工程添加仿真模型库，完成电路原理图的设计。2．设置元件Vin的参数。3．单击菜单栏中的“设计”→“仿真”→“MixedSim（混合仿真）”命令，系统将弹出“SimulationDashboard（仿真仪表）”面板，使用默认参数进行仿真分析。4．在“3.AnalysisSetup&Run（分析设置和运行）”选项组中打开“DCSweep（直流信号分析）”项，取消勾选V1复选框，不进行直流信号分析，如图所示。5．在“3.AnalysisSetup&Run（分析设置和运行）”选项组中打开“Transient（瞬态特性分析）”选项，根据需要观察的节点IN、OUT添加输出参数v(IN)、v(OUT)，设置瞬态特性分析相应的参数，如图所示。6．在“3.AnalysisSetup&Run（分析设置和运行）”选项组中打开“ACSweep（交流信号分析）”选项，根据需要观察的节点IN、OUT添加输出参数MAG(v(IN))、MAG(v(OUT))，设置交流信号分析选项参数如图所示。7.设置完毕后。单击菜单栏中的“设计”→“仿真”→“MixedSim（混合仿真）”命令，系统先后进行直流工作点分析、瞬态特性分析、交流信号分析，其结果分别如图所示。直流工作点分析结果