PSpice仿真軟件在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

摘要 介紹了PSpice仿真軟件的基本功能和特點(diǎn)。通過教學(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)對電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和調(diào)試已成為趨勢。一是其可替代采用簡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)初期對產(chǎn)品的性能進(jìn)行可靠預(yù)測，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仿真軟件簡介
    PSpice (Personal Simulation Program with IC Emphasis)由Spice發(fā)展而來，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、參數(shù)模型庫以及種類齊全的測試儀器儀表等。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軟件對電路進(jìn)行模擬仿真的過程共分為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線性增長至500 mV，步長5 mV。運(yùn)行PSpice仿真軟件，仿真結(jié)果可通過文本文件輸出，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，則需對輸入電壓Vi1取一系列值，列表分別測輸出電壓，再根據(jù)所測的數(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其在不同信號頻率下的幅頻響應(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對話框，該對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)，用示波器較難觀測到該過程。

    由上述實(shí)驗(yàn)仿真分析可見，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
    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Pspice的模擬仿真可使復(fù)雜現(xiàn)象的變化過程和電路相關(guān)特性，隨時(shí)以圖形、曲線或波形等形式來表示。仿真過程中還可不斷的通過修改電路和參數(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)無需任何實(shí)際的元器件和測量儀器，有效地延伸了實(shí)驗(yàn)時(shí)間、空間和場地，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)勢明顯。