第二讲ORCAD之PSPICEAD数模混合仿真模块课件.ppt

1、l培训主题：OrCAD PSpice A/Dl编写：l l1.可以进行电路的数模混合仿真，对电路进行有效适当的分析。l2.可以根据用户的需要建立自己的仿真模块，提供行为描述模块，允许对电路进行行为描述。lPspice A/D在整套软件中的位置绘制电路图绘制电路图（CAPTURE）进行电路混合仿真进行电路混合仿真（PSPICE A/D）VHDL仿真仿真（EXPRESS）编写编写VHDL（EXPRESS）设计电路板设计电路板（LAYOUT）l1.待仿真的元器件模型必须是PSpice的仿真模型l2.电路中应该含有激励源，并且符合相应的电路特性分析类型的要求l3.必须设置好合适的电路特性分析类型 一、

2、基本分析类型一、基本分析类型l直流分析（DC Sweep)l交流与噪声分析（AC Sweep/Noise)l瞬态分析，即时域分析 Time Domain（Transient)l直流工作点分析（直流偏置分析Bias Analysis)二、高级分析类型二、高级分析类型lSecond Sweepl参数分析(Parametric Sweep)l温度分析(Temperature Sweep)l最坏情况分析(Worst case)l蒙特卡洛分析(Monte Carlo)A.启动 OrCAD CaptureB.新建一个工程（FileNew Project)，o设置工程的类型为:Analog or Mixed

3、-signal Circuit o为这个工程 起一个名字o选择设计项 目的存储位置 激活管理视窗，菜单下的工具栏将会增加一排与PSpice有关的快捷键。数模混合仿真类型的capture视窗其他类型的capture视窗C.绘制电路图 绘制方法和绘制其它电路图是一样的，但必 须采用PSpice库中的元器件才可以进行仿真D.建立仿真文件 激活工程管理视窗，此时菜单下工具栏中的 的 键将会显现。点击此键建立新的仿真 文件，编辑已有的仿真文件可以点击 键E.运行仿真文件，点击 键，请看演示请看演示.l针对电路中直流电流或直流电压的变动而做出针对电路中直流电流或直流电压的变动而做出的分析的分析l例子例子：

4、D1是一个稳压二极管，可以 采用直流分析的方法，使电 压V1在一定范围内改变，同 时观察D1上电压的变化，从 而观察D1的稳压特性。source 库的VDCAnalog 库的Rdiode库的IN5225l采用如下步骤，可实现上述想法：1.绘制电路图（注意元件的来源）2.建立新的仿真文件 或者编辑旧的仿真文件3.选择分析类型:DC SWEEP4.设置中选择Primary Sweep5.设置扫描变量为电压源,本 例中电压源的名字为V16.设置扫描类型为线性 开始为 0V 结束为 5V 增量为 1V7.确定，点击 运行仿真 程序，系统将自动调用 PSpice A/D以上设置把电压源以上设置把电压源

5、V1设置为直流电压扫描变量，设置为直流电压扫描变量，扫描值从扫描值从0V到到5V，每次递增，每次递增1V请看演示请看演示l运行仿真程序后放置电压探针在D1的K脚（或者在PSpice的环境中选择菜单TraceAdd Trace 选择V(D1:K)l仿真的结果如下：定位光标在下一个采样点启动光标定位光标在下一个波峰定位光标在下一个波谷定位光标在最大值定位光标在下一个斜率最大值定位光标在下一个数字转折点定位光标在上一个数字转折点定位光标在最小值标注光标位置的坐标X轴取对数坐标Y轴取对数坐标FFT变换添加观测信号添加文本显示采样点添加复合观测信号l针对电路中交流电流或交流电压的变动（幅度、针对电路中交

6、流电流或交流电压的变动（幅度、频率、相位）而做出的分析频率、相位）而做出的分析l例子例子:R2和C1构成了低通滤波器，改变交流信号源的频率可以观察RC回路的滤波特性。source 库的VAC其它元件来自analog 库l具体操作步骤如下：1.绘制电路图（注意元件的来源）2.建立新的仿真文件 或者编辑旧的仿真文件3.设置分析类型 为AC SWEEP/NOISE4.设置中选择General Settings5.扫描类型设置为以十为底 的对数 起始频率设为 1Hz 结束频率设为 1MEGHz 每单位取样点数设为 106.先不选用噪声分析请看演示请看演示.l运行仿真程序，放置电压探针在out端（或者在

7、Probe 演示窗口中加入V(out)波形)l仿真结果如下：l噪声分析噪声分析是针对电路中固有噪声（如电阻和半导体的工作是针对电路中固有噪声（如电阻和半导体的工作噪声）所做的分析，它的计算结果时所求节点相对于输入噪声）所做的分析，它的计算结果时所求节点相对于输入独立源的等效噪声。独立源的等效噪声。l伴随AC交流分析而进行l所涉及的噪声种类：热噪声：电子的无序运动引起 散弹噪声：单位时间通过PN结的载流子数目变化造成 闪烁噪声：能量主要集中在低频段，由于生产工艺的缺陷而引起l等效噪声：将整个电路中的噪声源都集中折算到选定的独立源处，然后计算在等效的噪声源的激励下，所求节点处产生的噪声。lPSpi

8、ce可以分析每个频率点上指定节点的等效输出噪声电压和指定输入端的等效输入噪声电压。噪声电压的单位是 或 ，即把噪声电平对噪声带宽的均方根进行归一化HzVHzAl例子例子：差分电路 激励源必须选用source 库的VAC（否则不能进行AC Sweep），如下图所示：l设置步骤如下：1.分析类型选择 AC SWEEP/NOISE2.设置中选择General Settings3.扫描类型为以10为底对数 起始频率设为 10K 结束频率设为 10G 每单位取样点数设为104.选中Noise Analysis 输出端为：V(OUT2)参考电源为：V1 噪声报告点频间隔为：30 l5.确定后，运行仿真。在

9、PSpice A/D窗口中加入波形V(INOISE)和V(ONOISE)（菜单（菜单 TraceAdd Trace或或 快捷快捷键键 )INOISE 即INPUT NOISEONOISE 即OUTPUT NOISE噪声的计算方法:输出节点的总噪声除以相对输入激励源的电路的总增益l电路的瞬态分析即电路的时域响应 1.可以在给定激励信号的情况下求电路输出的 时间响应、延迟特性；2.可以在没有任何激励信号的情况下求振荡波 形、振荡周期。l瞬态分析是运用最多，最复杂的分析，也是消耗计算机资源最多的分析。l瞬态分析的关键在于设置合理的激励源、采样点数和观察时间。l例子例子：低通滤波电路 V1为激励源，型

10、号为VSIN（电压型正弦波）在V1的属性编辑中 设置 Voff=0v，(直流偏置)Vampl=5V，(交流信号幅值)Freq=100KHzsource 库的VSINl具体操作步骤如下：1.绘制电路图，并且设置V1的参数2.建立新的仿真文件或者编辑旧的仿真文件3.分析类型选择 Time Domain（Transient）4.具体分析类型选择 General Settings5.运行时间设为50 us6.数据开始采集时间 设为 07.最大采集时间间隔用 系统默认值（不填写）l运行仿真程序后放置电压探针在观测点可以观察其时域波形，例子中的波形为：l可以在PSpice环境中对时域 的波形进行快速傅里叶

11、分 析(FFT点击FFT快捷按钮）FFT后的频域图波形如图：请看演示请看演示.l瞬态分析中常用的激励源1、脉冲波 VPULSE，IPULSE2、正弦波 VSIN，ISIN3、指数波VEXP，IEXP4、分段线形波 VPWL，IPWL(piece-wise liner)5、周期的折线波VPWL_ENH,IPWL_ENH6、单频调频波VSFFM，ISFFM属性名代表的意思默认单位V1或I1初始值V或AV2或I2脉动值V或ATD初始延迟时间STR上升延时间STF下降延时间SPW脉冲的宽度时间SPER周期Sl脉冲波 VPULSE，IPULSE中属性的设定 例子：以VPULSE为例 设置V1=0，V2=

12、2V，TD=2ms,TR=1ms,TF=2ms,PW=4ms,PER=10ms;则VPULSE的波形为：l正弦波 VSIN，ISIN中属性的设定属性名代表的意思默认单位VOFF或IOFF直流偏移量V或AVAMPL或IAMPL振幅V或AFREP频率HzTD延迟时间SDF阻尼系数1/SPHASE相位延迟度例子：以VSIN为例 设置VOFF=1V，Frep=1meg VAMPL=2V，TD=1us,DF=100K，PHASE=0;则VSIN的波形为：属性名代表的意思默认单位V1 或 I1初始值V 或 AV2 或 I2脉动值V 或 ATD1起始延迟时间STC1上升时间常数()STD2持续延迟时间STC

13、2下降时间常数()Sl指数波 VEXP，IEXP中属性的设定例子：以VEXP为例 设置V1=0V，V2=2V，TD1=1us,TC1=0.2us,TD2=5us,TC2=0.5us波形为：/teyl分段线形波 VPWL，IPWL中属性的设定属性名代表的意思默认单位T1第一个样点的时间SV1第一个样点的取值V 或 AT2第二个样点的时间SV2第二个样点的取值V 或 AT3第三个样点的时间SV3第三个样点的取值V 或 ATn第 n 个样点的时间SVn第 n 个样点的取值V 或 A分段线形波通过设定的分段线形波通过设定的样点值，采用插值的方样点值，采用插值的方法勾画出整个脉冲法勾画出整个脉冲例子：以

14、VPWL为例设置 T1=0,V1=0V;T2=2us,V2=1V;T3=3us,V3=4V;T4=6us,V2=0V;l周期性折线波 VPWL_ENH，IPWL_ENH中属性的设定属性名代表的意思默认单位TSF时间基准值SVSF 或 ISF电压或电流基准值V 或 AFIRST NPAIRS第一个转折点的坐标对(TSF,ISF)SECOND NPAIRS第二个转折点的坐标对(TSF,ISF)THIRD NPAIRS第三个转折点的坐标对(TSF,ISF)REPEAT VALUE重复次数次数例子：例子：以VPWL_ENH为例 TSF=1us,VSF=1V;FIRST NPAIRS=(0,-5)SEC

15、OND NPAIRS=(1,5)THIRD NPAIRS=(2,-5)REPEAT VALUE=2l单频调频波 VSFFM，ISFFM中属性的设定属性名代表的意思默认单位VOFF或IOFF直流偏移量V或AVAMPL或IAMPL振幅V或AFC载波频率HzMOD调制指数无FM调制信号频率HzValue=Voff+Vampl*sin(2*Fc*t+Mod*sin(2*Fm*t)例子：例子：以以VSFFM为例为例 Voff=1v,Vampl=5v Fc=2k,Fm=300Hz Mod=5波形如下波形如下:l直流工作点分析即直流偏置分析(Bias point analysis)l采用直流偏置分析可以得到

16、以下信息:1.电路的直流工作点 2.电路的直流灵敏度 3.电路的直流传输特性（Transfer Function)包括电路的增益、输入输出等效阻抗等l例子：共发射极放大电路运用偏置分析的方法，求出电路中每一点的直流性能和电路的等效输入和输出阻抗SOURCE库VSINBIPOLAR库40235操作步骤如下：1.分析类型选中Bias Point2.具体分析类型 选择General Setting3.是否包含非线性器件 和半导体元件4.是否进行灵敏度 分析（需要填写分 析谁的灵敏度）5.是否计算小信号直流增益（即进行传输特性分析,需要填写输入输出点)l仿真后需要在输出文件中看到分析的结果（PSpic

17、e A/D环境中菜单viewoutput file)元件灵敏度元件灵敏度S 是指电路特性参数T对元器件值X的绝对变化的灵敏度。相对灵敏度相对灵敏度Sn 是指电路特性参数T对元器件值X的相对变化为1%情况下的灵敏度。XTS100XSSnl1.Second Sweep是和直流分析（DC SWEEP）中的Primary Sweep一起使用的l例子例子：分析三极管共发射极连接时的输出特性输出特性的绘制方法：A.改变V1 使它从0V到5V进行扫描B.改变输入电流 Ib 使它从0uA到40uA改变C.以V1为横轴，观察输出 电流Ic的变化。l仿真文件编辑如下1.分析类型选择 DC SWEEP2.设置中首先

18、选中 Primary SweepA.扫描变量选择电压源 电压源的名字为V1B.扫描类型选择线性 开始为 0V 结束为 5V 增量为 0.1V3.在设置中选中 Second SweepA.扫描变量选择 电流源 电流源的名字为I1B.扫描类型选择线性 开始为 0uA 结束为 40uA 增量为 10uA4.确认后可以进行仿 真并用电流探针观 察电流Ic结果如下：结果如下：l参数分析是分析电路中,某一个参数（如电阻值、电容值等）在一定范围内的改变对整个电路的影响l下面以一个滤波器电路为例介绍参数分析的使用l设置步骤：1.绘制电路图A.添加参数元件PARAM 在SPECIAL 库中）B.双击PARAM，

19、编辑它 的属性 点击 New加入新的属性R，并设置R的值为1K，点击Disply.选择 Name And Value 点击 New加入新的属性L，并设置L的值为50mH，点击Disply.选择 Name And Value C.编辑R2的属性，设置其Value 为RD.编辑L2的属性，设置其Value 为L2.编辑仿真文件（分析类型采用交流分析，参数扫描对象使 用刚才新建的R）2.1分析类型选择 AC Sweep/Noise2.2选中General Setting2.3扫描类型选择 以十为底对数 开始为 1Hz 结束为 10MEG 增量为 10Hz 以上设置相当于以上设置相当于普通的交流分析设

20、置普通的交流分析设置2.4再选中Parametric Sweep A.扫描变量选择 Global parameter B.参数名设为R C.扫描类型选择线性 开始为 1K 结束为 20K 增量为 5K确定后可以运行仿真程确定后可以运行仿真程序，如电路图一样放置序，如电路图一样放置电压探针在电压探针在R2上运行结上运行结果如下图果如下图仿真后观察R2上的电压结果如右图从仿真的结果可以看出当R2为1K时，电路相当于一个低通滤波器。当R2逐渐变大时，电路变成了陷波器（即带阻滤波器）l刚才的例子是以R为参数进行分析。在刚才的参数设置中，我们还创建了另一个参数L，因此我们也可以以L为参数进行分析，请大家

21、自己实现，仿真结果如下：lL的值从10 mh到 100mh，增量为20mhl温度分析是对电路在不同温度条件下的工作状态进行分析l在进行其他类型的分析时都可以加入温度分析l例子：以前面的直流分析为例，在进行直流分析的同时，加入温度分析步骤：步骤：1.画电路图2.编辑仿真文件 2.1首先设置直流分析，设置方 法同前 V1扫描起始电压为0V 终止电压为5V 递增量为0.1V 2.2设置温度分析 A.在Option中选择 Temperature(Sweep)B.可以选择电路在特定 温度下运行，也可以 选择电路在多种温度 下运行。选择后者，运行温度分别设置为 20，100，200 摄氏度3.运行仿真程序

22、。放置电压探针在D1上，仿真的结果如右图温度=20摄氏度温度=100摄氏度温度=200摄氏度l最坏情况分析是指电路中的元件在其容差域边界点上取某种组合时引起的电路性能的最大偏差分析l蒙特卡洛分析是指电路中的元件在其容差域内取随机组合，多次测试，估计出电路的平均性能l运行条件:分析的元件应该设置好容差范围l准备工作:1.把电路中需要进行分析的器件用BREAKOUT库中相应的器件代替 如R 改为 RBREAK）。2.编辑器件的仿真模型，改写模型的仿真语句（选中器件，菜单EDIT PSpice model)带容差的仿真语句书写格式如下：参数名 =参数值 DEV/lot#/分布规律%+LOT/lot#

23、/分布规律%例子：R=1 dev 5%R=1 dev/4/gauss 1%+lot/uniform 5%用于两种分析的完整仿真模型语句 格式：.MODEL 模型名 模型类型(模型取值）例：.model rc res(R=1 dev 5%)DEV,LOT表示变化模式/lot#表示采用哪一个随机数发 生器分布规律：高斯分布gauss和 均匀分布uniforml二极管限幅电路 在上述学习的基础上，通过这一限幅电路，具体讲述如何在同一设计中，完成各种不同的Pspice分析。本里综合分析中，包括的各种分析如右所示：lDC sweep analysislTransient analysislAC swee

24、p analysislParametric analysislPerformance analysislDC sweep 在这一分析中，设输入信号为从-10v到+15v，以1v为步长变动的直流电压扫描源。从分析结果中可以看到，V(out)始终保持在0v上，而V(mid)则清晰的表现出了两个二极管在扫描过程中分别的限幅作用。lTransient 将输入信号换为一个正弦信号源（振幅为10v，频率1kHz,利用信号源编辑器来编辑）。在2ms内，观察时域输出波形。可以看到，1kHz信号的正向输出被限定在4v左右，而反向输出则被限定在-2v左右。lAC sweep 进一步更换激励信号源，将输入信号中的直

25、流电压源去掉，改为交流电压源（振幅为1v)。在Mid和Out两节点处分别放置电压db观察器。输出结果波形表明，前级分压电阻与限幅二极管的分布电容构成低通回路，而输出滤波电容与输出电阻构成高通回路，从而整个电路为一个带通滤波电路。配合使用电压相位观察器，可以全面的观察输出端的频率响应。lParametric 保持激励信号源不变，将输入电阻的阻值改为变量rval，并放置变量编辑器Parameters，添加新项rval。从输出信号波形图中可以看出，随着输入电阻阻值rval从100欧到10k欧的增大，电压输出db值由-0.7db变化到-19db，带宽也逐渐变窄。为便于进一步观察，可以单独的观察各组信号

26、。如观察第一组信号和第二十一组信号，即vdb(out)1和vdb(out)21，并观察它们的差值。lPerformance 为观察节点的输出信号及其函数值随变量参数变化的趋势，可以进一步调用Performance模块，分析3db带宽Bandwidth(V(out),3)和最大的电压db输出值Max(Vdb(out)。l小结 从上面的各个例子中可以看出，完成一个Pspice分析需要如下四个必要步骤：l完成Capture中原理图的绘制；l设置元器件的值和其他各种属性；l设置合理的偏置电源和输入激励信号；l设定一个或多个分析程序。另外，Orcad还为电路分析提供了很多方便应用：l应用Capture中

27、的各种观察器，可以方便的观察各点信号。l对同一个电路原理图进行不同类型的电路分析时，可以分别存储分析参数的设置和观察器的设置，便于调用。l数字信号源 source.olb库中的数字信号源 1.DigClock主要属性：ontime高电平持续时间 offtime低电平持续时间 2.STIM n主要属性：(n表示位数，例如stim1)COMMAND 格式：时间时间 值值 例如例如 0us 0 1us 1 在每一个command 中都可以写一组 时间时间取值取值 3.FILESTMn主要属性（n表示位数）filename 指明仿真文件的名字，可以带路径，例如 ：c:mydesignreset.stm

28、 signalname 指明引用仿真文件中仿真信 号的名字 例如:reset 例子：例子：reset.stm中的内容为：中的内容为：则仿真波形为：reset clear0ns 015ns 108ns 00 注意空行注意空行lsourcestm.olb库中的数字信号源 sourcestm中的信号源均可以用Pspice stimulus editor来编辑 方法：选中要编辑的信号源 菜单editpspice stimulus1.digstimn（n表示位数）2.vstimfilestim1:filename=clear.stm signalname=clearDigclock:ontime=0.5

29、us offtime=0.5usReset中的内容为:clear 0us 11us 0lABM-Analog behavioral modelinglPspice 中提供了一个模拟电路行为模型库ABM，使用这个库里的元件，可以构建自己需要的仿真模型。ABM库中的元件有两种类型：基本元件和控制单元元件。前者包括基本的加法器、乘法器、及增益单元等。后者具有两种基本类型：电压控制电压源和电流控制电压源，包括限幅器、契比雪夫滤波器、拉普拉斯变换器、运算器和行为描述元件等。lonline manuals PSpice A/DAnalog behavioral modeling 1.ERROR-Node

30、node_name is floating 原因：a.没有放置地（地（ground）(source库库)正确,来自source库的0错误,来自capsym库的GND_PowerError:Node GND_Power is floatingb.由于和地地 没有构成回路而造成 例子：ERROR：Node 1 is floating可以添加一个大的电阻解决可以添加一个大的电阻解决2.WARNING:Part part_name has no simulation model 原因：1.取用的元件没有建立仿真模型 （察看属性Implementation type和 PSpice Template是否已经被设置)2.自定义的仿真模型不完全 3.相关的库文件没有在设置 列表中（或者默认库的搜 索路径不对），在编辑仿真文件中可以选中Libraries页进行设置(simulation settings)l 参考资料 l1.联机手册 online manualsl2.公司网址 http:/ 在线讨论区http:/