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

張理兵，陳付毅，陳亮亮，陶大錦，朱秀委，林曉雷

(溫州醫(yī)學(xué)院信息與工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

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 Automation)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、Multisim 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［1-2］。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［2］，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(Stimulus 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［3］: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)［4］。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(DC Sweep)。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［3］。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［5］。

(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［4］。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(AC Sweep)，其作用是計(jì)算電路的交流小信號(hào)頻率響應(yīng)特性。

圖1 差分放大電路

圖2 圖1(a)差分放大電路的電壓傳輸特性

圖3 圖1(b)差分放大電路的電壓傳輸特性

圖4 二階壓控電壓源低通濾波電路

執(zhí)行仿真，在Probe程序窗口，選擇Trace|Add，打開(kāi)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PSpice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。

圖5 圖4所示的低通濾波電路的幅頻特性曲線

圖6 圖4所示的低通濾波電路的相頻特性曲線

(3)RC正弦波振蕩電路實(shí)驗(yàn)。圖7為在PSpice軟件中畫(huà)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(VO)的波形如圖8所示。由圖8可看出，電路從0時(shí)刻開(kāi)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。

圖8 RC橋式振蕩電路輸出波形

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(huà)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)效果等方面都性能良好。

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(kāi)設(shè)驗(yàn)證性仿真實(shí)驗(yàn)外，還可開(kāi)設(shè)開(kāi)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［5］。

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［6］。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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