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[導(dǎo)讀]摘要 介紹了PSpice仿真軟件的基本功能和特點(diǎn)。通過(guò)教學(xué)實(shí)例,論述了將PSpice仿真軟件引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐的方法,結(jié)果表明在模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入PSpice仿真軟件可將理論和實(shí)踐有機(jī)結(jié)合,有益于傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)

摘要 介紹了PSpice仿真軟件的基本功能和特點(diǎn)。通過(guò)教學(xué)實(shí)例,論述了將PSpice仿真軟件引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐的方法,結(jié)果表明在模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入PSpice仿真軟件可將理論和實(shí)踐有機(jī)結(jié)合,有益于傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的補(bǔ)充和改進(jìn)。
關(guān)鍵詞 PSpice仿真軟件;模擬電子技術(shù);實(shí)驗(yàn)教學(xué);電路仿真

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,利用計(jì)算機(jī)的仿真技術(shù)對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和調(diào)試已成為趨勢(shì)。一是其可替代采用簡(jiǎn)化電路模型估算電路特性進(jìn)行驗(yàn)證的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式,同時(shí)可高效地進(jìn)行電路參數(shù)確定和方案優(yōu)選,并在設(shè)計(jì)初期對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行可靠預(yù)測(cè),從而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期、節(jié)省設(shè)計(jì)費(fèi)用,因此成為了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中重要的組成部分;二是利用仿真軟件得出電路性能受電路中關(guān)鍵參數(shù)的影響,可更好地掌握電路的特性和指標(biāo),對(duì)實(shí)際電路調(diào)試工作具有指導(dǎo)意義。目前電子電路CAD(Computer Aided Design)及EDA(Electronic Design Auto mation)已成為電路分析和設(shè)計(jì)中不可或缺的工具。CAD/EDA仿真軟件也將是電子類專業(yè)學(xué)生需要掌握的專業(yè)技能之一,所以必須將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入到模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,將傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,提高課程的教學(xué)質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)效率。
    目前流行的電子線路仿真設(shè)計(jì)軟件有EWB、Protel、PSpice、Muhisim等,由于PSpice具有高超的電路仿真能力,因此在模擬電路仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到最廣泛應(yīng)用。在電路系統(tǒng)仿真方面,PSpice則獨(dú)具特色,是一個(gè)多功能的電路模擬試驗(yàn)平臺(tái);該軟件由于收斂性好,適用于系統(tǒng)和電路級(jí)仿真,具有快速、準(zhǔn)確的仿真能力。因此文中將PSpice仿真軟件引入模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,為學(xué)生提供一個(gè)積極創(chuàng)新的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),將仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式有機(jī)結(jié)合。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐表明,基于PSpice軟件平臺(tái)的仿真實(shí)驗(yàn)是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的補(bǔ)充和改進(jìn)。

1 PSpice仿真軟件簡(jiǎn)介
    PSpice (Personal Simulation Program with IC Emphasis)由Spice發(fā)展而來(lái),是用于微機(jī)系列的通用電路分析程序,也是出現(xiàn)較早的電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件之一,可進(jìn)行模擬電路分析、數(shù)字電路分析和模擬數(shù)字混合電路分析。目前,最新版本是Cadence公司的OrCAD/PSpice是眾多計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的工具軟件中精度較高的軟件工具之一。
    PSpice作為一種通用電路分析程序,能分析和模擬一般條件下的各種電路特性,主要包括:Schematics、PSpice、Probe、Stmed(Stimul us Editor)、Parts、PSpice Optimizer 6大模塊,具有電路圖繪制、模擬仿真及圖形后處理功能,可用于各種電路實(shí)驗(yàn)和測(cè)試,以便修改與
優(yōu)化設(shè)計(jì)。其不僅支持文本輸入,還支持圖形輸入,同時(shí)擁有龐大的元器件庫(kù)、參數(shù)模型庫(kù)以及種類齊全的測(cè)試儀器儀表等。隨著軟件自身的發(fā)展,其自動(dòng)化程度更高、功能更完善、運(yùn)行速度更快且操作界面清晰簡(jiǎn)潔。通常PSpice軟件的主要分析功能有:直流工作點(diǎn)分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、交流小信號(hào)分析、參數(shù)掃描、零極點(diǎn)、傳遞函數(shù)、直流靈感度、交流靈感度和蒙特卡洛法等。
    PSpice軟件對(duì)電路進(jìn)行模擬仿真的過(guò)程共分為8個(gè)階段:新建設(shè)計(jì)項(xiàng)目、電路圖生成、電路特性分析類型和分析參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行PSpice A/D程序、模擬結(jié)果的顯示與分析、電路設(shè)計(jì)優(yōu)化與修正以及設(shè)計(jì)結(jié)果輸出等。

2 PSpice的應(yīng)用
   
下面通過(guò)3個(gè)具體仿真實(shí)驗(yàn),闡述PSpice軟件在模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用情況。
    (1)差分放大電路電壓傳輸特性實(shí)驗(yàn)。在Schematics繪圖編輯器中繪制的差分放大電路如圖1所示,其中圖1(a)中三極管Q1、Q2的發(fā)射極反饋電阻Re1=Re2=0,圖1(b)中Q1、Q2的發(fā)射極反饋電阻Re1=Re2=200 Ω。差分放大電路電壓傳輸特性是輸出電壓圖1(a)中Vo1、Vo2或圖1(b)中Vo3、Vo4和輸入電壓Vi1的關(guān)系曲線。根據(jù)要求分析采用直流掃描分析(DCSweep)。所謂直流掃描分析是指將電路中某一參數(shù)作為輸入變量,以某一電壓或電流為輸出變量,對(duì)自變量在其變化范圍內(nèi)的每個(gè)取值,計(jì)算輸出變量的變化情況。選擇輸入電壓Vi1為自變量,令其取值從-500 mV線性增長(zhǎng)至500 mV,步長(zhǎng)5 mV。運(yùn)行PSpice仿真軟件,仿真結(jié)果可通過(guò)文本文件輸出,也可由波形模塊Probe窗口輸出。該實(shí)驗(yàn)采用Probe窗口輸出,能方便直觀地得到圖1(a)和圖1(b)差分放大電路的電壓傳輸特性曲線,如圖2和圖3所示。


    對(duì)比分析圖2和圖3可知,圖1(b)中差分電路引入負(fù)反饋后(Re1=Re2=200 Ω)增加了放大電路的線性工作區(qū),但傳輸特性的斜率變小,使放大電路的增益減小。采用PSpice仿真軟件可方便得出差分電路的電壓傳輸特性曲線,若采用物理實(shí)驗(yàn)的方法,則需對(duì)輸入電壓Vi1取一系列值,列表分別測(cè)輸出電壓,再根據(jù)所測(cè)的數(shù)據(jù)繪制電壓傳輸特性曲線。
    (2)二階壓控電壓源低通濾波電路頻率特性實(shí)驗(yàn)。在Schematics繪圖編輯器中繪制的二階壓控電壓源低通濾波器電路如圖4所示,該電路中既引入了正反饋,也引入了正反饋。研究濾波器的頻率特性就是對(duì)其在不同信號(hào)頻率下的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)。根據(jù)要求PSpice分析類型采用交流掃描分析(ACSweep),其作用是計(jì)算電路的交流小信號(hào)頻率響應(yīng)特性。


    執(zhí)行仿真,在Probe程序窗口,選擇Trace|Add,打開Add Traces對(duì)話框,該對(duì)話框顯示電路中電壓和電流變量,且還表示多個(gè)目標(biāo)函數(shù)(Goal Functions),其中包括DB()和P()。在Trace Expression編輯框中輸入DB(V(U1A:OUT)/V(Vi:+))便可得到如圖5所示的幅頻響應(yīng)。由圖5可知,圖4所示二階壓控電壓源低通濾波器的截止頻率約為16 Hz,通帶增益約4 dB,均與理論值相同。在Trace Expression編輯框中輸入P(V(U1A:OUT))-P(V(Vi:+))可得到如圖6所示的相頻響應(yīng)。通過(guò)仿真結(jié)果,能直觀得到該低通濾波器的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)。由此可見(jiàn)采用PSpiee仿真軟件可方便地得出模擬電路或電路系統(tǒng)的頻率特性和相頻特性。


    (3)RC正弦波振蕩電路實(shí)驗(yàn)。圖7為在PSpice軟件中畫出的RC正弦波振蕩電路,要求仿真分析該振蕩電路的輸出波形。在圖7所示的電路中,R1、C1和R2、C2構(gòu)成RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)在正弦波震蕩電路中既為選頻網(wǎng)絡(luò),又為正反饋網(wǎng)絡(luò);二極管D1、D2作為自動(dòng)穩(wěn)幅元件。振蕩頻率
   
    由于仿真振蕩電路輸出波形是為求電路的時(shí)域響應(yīng),因此采用瞬態(tài)分析方法(Time Domain/Transient),執(zhí)行Probe程序,在Probe窗口中得到輸出電壓V(V0)的波形如圖8所示。由圖8可看出,電路從0時(shí)刻開始起振,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的振蕩后,約需25 ms才可達(dá)到穩(wěn)定輸出,其中振蕩周期約為35.530-34.445=1.085 ms,與理論計(jì)算的頻率相符。即說(shuō)明該振蕩電路的性能較為可靠。另外,改變C1和C2的值觀察輸出波形,C1和C2變化將影響振蕩正弦波的頻率。由于起振過(guò)程較短暫,若采用實(shí)際電路進(jìn)行正弦波振蕩電路實(shí)驗(yàn),用示波器較難觀測(cè)到該過(guò)程。


    由上述實(shí)驗(yàn)仿真分析可見(jiàn),PSpice是功能強(qiáng)大的電路設(shè)計(jì)與分析計(jì)算機(jī)仿真的工具,只要畫出電路仿真圖形便可獲取并處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),形成直觀的波形圖,其電路仿真無(wú)論在分析精度、實(shí)驗(yàn)效果等方面部性能良好。

3 結(jié)束語(yǔ)
   
文中在介紹Pspice軟件的基礎(chǔ)上指出將其引入電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)中的必要性。并例舉出Pspice在模擬電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的仿真實(shí)例,實(shí)踐教學(xué)表明:(1)通過(guò)Pspice的模擬仿真可使復(fù)雜現(xiàn)象的變化過(guò)程和電路相關(guān)特性,隨時(shí)以圖形、曲線或波形等形式來(lái)表示。仿真過(guò)程中還可不斷的通過(guò)修改電路和參數(shù),及時(shí)觀察輸出結(jié)果,這有利于加深對(duì)電子電路基本概念、特性的理解。另外,也為一些不易在物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)驗(yàn),提供有效解決途徑。(2)在模擬電子實(shí)驗(yàn)課程中除開設(shè)驗(yàn)證性仿真實(shí)驗(yàn)外,還可開設(shè)開放性的仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),加快設(shè)計(jì)速度,提高設(shè)計(jì)的正確性;并可發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性,增強(qiáng)學(xué)生的綜合分析能力,啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維,大幅提高其分析與設(shè)計(jì)電路的能力。(3)另外,Pspice仿真實(shí)驗(yàn)無(wú)需任何實(shí)際的元器件和測(cè)量?jī)x器,有效地延伸了實(shí)驗(yàn)時(shí)間、空間和場(chǎng)地,同時(shí)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
    所以,在模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,引入PSpice仿真實(shí)驗(yàn),不僅可更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和質(zhì)量,且降低了實(shí)驗(yàn)成本;同時(shí)還可提升學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力。綜上所述,Pspice仿真實(shí)驗(yàn)是對(duì)模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)有效補(bǔ)充和改進(jìn),與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比優(yōu)勢(shì)明顯。

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