計(jì)算機(jī)輔助電路設(shè)計(jì)課件：Altium Designer仿真入門與應(yīng)用

AltiumDesigner仿真

入門與應(yīng)用7.1電路仿真概述7.2電路仿真入門7.3電路仿真應(yīng)用舉例習(xí)題

內(nèi)容提要：

本章將以三極管放大器、濾波器、計(jì)數(shù)器等電路為例，介紹仿真的基本概念和具體應(yīng)用，以達(dá)到以下學(xué)習(xí)目標(biāo)：

理解電路仿真的基本概念

了解電路仿真的基本操作步驟

掌握工作點(diǎn)分析、瞬態(tài)仿真分析、參數(shù)掃描、交流小信號(hào)分析的操作和應(yīng)用

7.1電路仿真概述

在電子線路仿真軟件問世之前，當(dāng)完成原理圖構(gòu)思和設(shè)計(jì)后，必須使用實(shí)際元器件、導(dǎo)線，根據(jù)原理圖中規(guī)定的連接關(guān)系在面包板或萬能板上搭接實(shí)驗(yàn)電路，然后借助有關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器儀表，在特定的環(huán)境下對(duì)電路的功能、性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。這種方法工作量非常大，設(shè)計(jì)周期長，而且需要專業(yè)的、設(shè)備齊全的實(shí)驗(yàn)室才能完成，成本很高。

7.1.1仿真的基本概念

電路仿真，是以電路理論、數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用仿真模型和仿真算法，借助計(jì)算機(jī)仿真軟件(如：AltiumDesigner、EWB、OrCAD等)分析計(jì)算，模擬出實(shí)際電路的基本工作過程，并把電路工作時(shí)的各種參數(shù)(如功率、頻率、各節(jié)點(diǎn)的電壓值、各支路的電流值等)以波形、圖表等形式顯示出來。

一個(gè)電路仿真軟件就相當(dāng)于一個(gè)設(shè)備齊全的電子實(shí)驗(yàn)室，這樣無需元器件、面包板和電子儀器儀表，設(shè)計(jì)者就可以對(duì)整個(gè)電子系統(tǒng)進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)和參數(shù)分析。它把硬件工程師從面包板上復(fù)雜的導(dǎo)線中解脫出來，提高了電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和可靠性，降低了開發(fā)費(fèi)用，縮短了開發(fā)周期。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)得到了普及，出現(xiàn)了很多電路仿真軟件，其中具有代表性的有Microsim公司的PSPICE，InteractiveImageTechnologies公司的EWB。這些都是專用的仿真軟件。由于電路仿真已經(jīng)是電子線路設(shè)計(jì)過程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，因此很多電子CAD軟件中都包含了電路仿真功能，AltiumDesigner當(dāng)然也不例外，其仿真程序具有如下特點(diǎn)。

1.簡(jiǎn)單的編輯環(huán)境

仿真電路的編輯環(huán)境與原理圖是融為一體的，唯一的區(qū)別在于仿真電路中的所有元器件必須具有仿真屬性。

2.豐富的仿真器件

AltiumDesigner提供了豐富的仿真激勵(lì)源和仿真元器件，能夠?qū)δM電路、數(shù)字電路及數(shù)字/模擬混合電路進(jìn)行仿真分析。

3.多樣的仿真方式

AltiumDesigner提供了十多種仿真方式，如靜態(tài)工作點(diǎn)分析、瞬態(tài)分析等。不同的仿真方式從不同的角度對(duì)電路的各種電氣特性進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)者可以只執(zhí)行其中一種仿真方式，也可以同時(shí)進(jìn)行多種仿真方式。

4.直觀的仿真結(jié)果

仿真結(jié)果以圖形方式輸出，直觀性強(qiáng)。仿真結(jié)果管理方便，能以多種方式從不同的角度觀察分析仿真結(jié)果。

7.1.2電路仿真的操作步驟

使用AltiumDesigner進(jìn)行電路仿真的步驟如下。

1.繪制仿真原理圖

利用原理圖編輯器繪制仿真測(cè)試電路圖。在繪制仿真電路圖的過程中，除了導(dǎo)線、電源、接地等符號(hào)外，電路圖中的所有元器件必須具有【Simulation】(仿真)屬性。

在放置仿真元器件的過程中，元器件未固定之前，一般要按下【Tab】鍵對(duì)元器件進(jìn)行屬性設(shè)置，此時(shí)就可以修改元器件的仿真參數(shù)，如電阻的阻值等。

2.放置仿真激勵(lì)源

仿真激勵(lì)源是用來模擬實(shí)際電路的輸入信號(hào)的。在仿真電路中，必須包含至少一個(gè)仿真激勵(lì)源。AltiumDesigner為我們提供了多種仿真激勵(lì)源，包括信號(hào)源(如正弦波、矩形波)和直流電源(直流穩(wěn)壓電源)。激勵(lì)源如同一個(gè)特殊的仿真元器件，其放置和屬性設(shè)置方法與一般元器件基本相同。

3.放置節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)

在需要觀察信號(hào)電壓波形的電路節(jié)點(diǎn)處放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，以便直觀地觀察指定節(jié)點(diǎn)的電壓波形。

4.選擇仿真方式和設(shè)置仿真參數(shù)

設(shè)計(jì)者根據(jù)仿真電路的特征與性質(zhì)，選擇不同的仿真方式。除靜態(tài)工作點(diǎn)分析不需要設(shè)置仿真參數(shù)外，其他仿真方式均需設(shè)置仿真參數(shù)。

5.運(yùn)行仿真

設(shè)置完仿真參數(shù)后，在原理圖編輯窗口內(nèi)執(zhí)行菜單命令【Design】/【Simulation】/【MixedSim】就可以啟動(dòng)仿真程序了。當(dāng)仿真電路或仿真參數(shù)存在錯(cuò)誤時(shí)，則自動(dòng)彈出錯(cuò)誤信息窗口，設(shè)計(jì)者要根據(jù)錯(cuò)誤提示進(jìn)行更正，直到仿真原理圖中沒有錯(cuò)誤為止。

6.管理分析仿真結(jié)果

在仿真測(cè)試過程中，仿真程序會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建*.SDF文件(仿真數(shù)據(jù)文件)，設(shè)計(jì)者可以利用波形編輯器窗口內(nèi)的工具，將信號(hào)顯示幅度進(jìn)行調(diào)整，然后進(jìn)行仿真結(jié)果的測(cè)量與分析。若仿真結(jié)果不理想，可修改元器件參數(shù)或仿真參數(shù)，再進(jìn)行仿真。

7.2電路仿真入門

為了讓讀者對(duì)電路仿真有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)，了解仿真操作的具體過程，下面介紹一個(gè)簡(jiǎn)單的仿真電路——固定偏置放大電路仿真實(shí)例。

按照如下步驟完成固定偏置放大電路仿真實(shí)例(請(qǐng)讀者在閱讀時(shí)打開計(jì)算機(jī)，依據(jù)例子中的敘述一步一步做下去)：

繪制仿真原理圖→放置仿真激勵(lì)源→放置節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)→選擇仿真方式和設(shè)置仿真參數(shù)→運(yùn)行仿真→管理仿真結(jié)果。

7.2.1繪制仿真原理圖

電路仿真的第一步就是繪制仿真原理圖，讀者已經(jīng)有了繪制原理圖的基礎(chǔ)，這一部分難度不是很大，但應(yīng)當(dāng)注意的是電路圖中的所有元器件必須具有【Simulation】屬性。

1.原理圖繪制

仿真原理圖繪制步驟如下：

(1)新建項(xiàng)目文件sim.PrjPcb并保存。

(2)建立一個(gè)新的原理圖文件“amp.SCHDOC”并保存。

(3)加載仿真電路需要的元器件庫。

AltiumDesigner不提供專門的仿真元器件庫，而是為仿真元器件添加一個(gè)【Simulation】屬性。這些元器件分布在各個(gè)元器件庫中。

在原理圖編輯窗口下，執(zhí)行菜單命令【Design】/【Add/RemoveLibrary】，彈出如圖7-1所示的對(duì)話框。

圖7-1加載仿真原理圖庫

單擊

按鈕，在彈出的對(duì)話框中分別選擇如圖7-2所示的兩個(gè)元器件庫，然后單擊

按鈕

，即可完成仿真原理圖庫加載的操作。

在這里添加兩個(gè)元器件庫：分立元器件庫(MiscellaneousDevices.IntLib)和仿真信號(hào)源元器件庫(SimulationSources.IntLib)。

圖7-2原理圖庫加載完成

(4)編輯原理圖。原理圖的繪制過程這里就不再贅述。我們要用到的器件有電阻RES2、電解電容CAPPol1以及三極管2N3904。電路圖如圖7-3所示。

圖7-3固定偏置放大電路

2.元器件參數(shù)設(shè)置

1)電阻(以R1為例，其他電阻可同樣設(shè)置)的設(shè)置

在原理圖中雙擊電阻R1的符號(hào)，彈出圖7-4所示電阻屬性設(shè)置對(duì)話框，按對(duì)話框中的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置，該電阻阻值為100kΩ。這里需要修改兩處：①?Comment；②?Value。

圖7-4電阻屬性設(shè)置對(duì)話框

將鼠標(biāo)移到【Simulation】選項(xiàng)欄上，雙擊鼠標(biāo)左鍵，彈出如圖7-5所示的對(duì)話框，單擊圖7-5中的【Parameters】標(biāo)簽，得到圖7-6所示的對(duì)話框，按對(duì)話框的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置。

圖7-5電阻仿真屬性設(shè)置圖7-6電阻仿真參數(shù)設(shè)置

元器件庫中提供了兩類電阻：RES(固定電阻)和RESSEMI(半導(dǎo)體電阻)。兩種電阻的仿真參數(shù)是不同的。下面介紹這兩類電阻參數(shù)如何設(shè)置。

固定電阻只有一個(gè)參數(shù)：

【Value】：電阻阻值。

半導(dǎo)體電阻的阻值是由其長度、寬度和環(huán)境溫度決定的，所以有如下參數(shù)：

【Value】：電阻阻值；

【Length】：電阻長度；

【W(wǎng)idth】：電阻寬度；

【Temperature】：溫度系數(shù)。

2)電容(以C1為例，其他電容可同樣設(shè)置)的設(shè)置

在原理圖中雙擊電容C1符號(hào)，彈出圖7-7所示的電容屬性設(shè)置對(duì)話框，按對(duì)話框中的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置。C1電容值為10μF。將鼠標(biāo)移到【Simulation】選項(xiàng)欄上，雙擊鼠標(biāo)左鍵，彈出如圖7-8所示的對(duì)話框，單擊圖7-8中的【Parameters】標(biāo)簽，得到圖7-9所示的對(duì)話框。按照對(duì)話框的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置，將初始時(shí)刻電容端電壓InitialVoltage設(shè)為“0V”。

圖7-7電容屬性設(shè)置對(duì)話框圖7-8電容仿真屬性設(shè)置圖7-9電容仿真參數(shù)設(shè)置

元器件庫中提供了兩種類型的仿真電容：CAP(無極性電容)和CAPPol(有極性電容)，其仿真參數(shù)設(shè)置方法如下：

【Value】：電容值，單位為F(法拉)。

【InitialVoltage】：初始時(shí)刻電容兩端電壓，缺省值為“0V”。

三極管的仿真參數(shù)采用默認(rèn)值，這里不做敘述。

請(qǐng)注意，在設(shè)置元器件參數(shù)、仿真參數(shù)時(shí)，都可以不用輸入物理量的單位，系統(tǒng)默認(rèn)電阻為Ω，電容為F，電感為H，電壓為V，電流為A，頻率為Hz，功率為W；m表示10-3，u表示10-6，n表示10-9，p表示10-12，f表示10-15，K表示103，M表示106，G表示109。

7.2.2放置仿真激勵(lì)源

本實(shí)例中需要兩個(gè)仿真激勵(lì)源：直流電壓源和正弦波電壓源。首先將仿真激勵(lì)源元器件庫SimulationSources.IntLib設(shè)置為當(dāng)前元器件庫，如圖7-10所示，然后放置仿真激勵(lì)源，電路如圖7-11所示。

圖7-10元器件庫菜單圖7-11固定偏置放大電路

下面修改激勵(lì)源的仿真屬性，仿真激勵(lì)源屬性的修改與其他器件基本相同。

1.直流電壓源(VSRC)

在原理圖中雙擊直流電壓源符號(hào)，彈出的屬性設(shè)置對(duì)話框與電阻、電容相同，將鼠標(biāo)移到【Simulation】選項(xiàng)欄上，雙擊鼠標(biāo)左鍵，在彈出的對(duì)話框中單擊【Parameters】標(biāo)簽，得到如圖7-12所示的對(duì)話框，按對(duì)話框的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置。直流電壓源的輸出電壓為15V。圖7-12所示的對(duì)話框中各選項(xiàng)的功能如下：

圖7-12直流電壓源仿真參數(shù)設(shè)置

【Value】：直流電壓值，此處為15V；

【ACMagnitude】：交流小信號(hào)分析電壓值，通常為1V，只在交流小信號(hào)分析時(shí)有用；

【ACPhase】：交流小信號(hào)分析相位，通常為0，只在交流小信號(hào)分析時(shí)有用。

直流電壓源的波形如圖7-13所示。直流電流源的設(shè)置與直流電壓源基本相同。圖7-13直流電壓源的波形

2.正弦波電壓源(VSIN)

正弦波電壓源在模擬電路仿真中使用較多，所以了解正弦波激勵(lì)源的仿真參數(shù)設(shè)置是非常有必要的。在原理圖中雙擊正弦波電壓源符號(hào)，彈出屬性設(shè)置對(duì)話框，將鼠標(biāo)移到【Simulation】選項(xiàng)欄上，雙擊鼠標(biāo)左鍵，在彈出的對(duì)話框中單擊【Parameters】標(biāo)簽，得到如圖7-14所示對(duì)話框，按對(duì)話框的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置。

圖7-14正弦波電壓源仿真參數(shù)設(shè)置

【DCMagnitude】：直流參數(shù)，可忽略，通常設(shè)置為0；

【ACMagnitude】：交流小信號(hào)分析電壓值，通常為1V，只在交流小信號(hào)分析時(shí)有用；

【ACPhase】：交流小信號(hào)分析相位，通常為0，只在交流小信號(hào)分析時(shí)有用；

【Offset】：正弦波信號(hào)上疊加的直流分量；

【Amplitude】：正弦波信號(hào)振幅；

【Frequency】：正弦波信號(hào)頻率；

【Delay】：初始時(shí)刻的延時(shí)時(shí)間。

正弦波電壓源的波形如圖7-15所示。正弦波電流源的設(shè)置與正弦波電壓源基本相同。圖7-15正弦波電壓源的波形

7.2.3放置節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)

按如圖7-11所示放置節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，以便直觀地觀察指定節(jié)點(diǎn)的電壓波形。在這里我們添加了4個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)：IN、OUT、VB、VC。

7.2.4選擇仿真方式和設(shè)置仿真參數(shù)

在完成上述步驟之后，接下來就是根據(jù)電路的具體特點(diǎn)、性能以及需要測(cè)試的元器件要求，選擇合適的仿真方式和設(shè)置仿真參數(shù)。

AltiumDesigner提供的仿真方式包括如下幾類。

1.?OperatingPointAnalysis(靜態(tài)工作點(diǎn)分析)

在進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)分析時(shí)，仿真程序?qū)㈦娐分械碾姼性骷暈槎搪?，電容視為開路，然后計(jì)算出電路中各節(jié)點(diǎn)的對(duì)地電壓及各支路(每一元器件)的電流值。

2.?TransientAnalysis(瞬態(tài)特性分析)

TransientAnalysis是最基本、最常用的仿真分析方式之一，屬于時(shí)域分析，用于獲得節(jié)點(diǎn)電壓、支路電流或元器件功率等信號(hào)的瞬時(shí)值，即信號(hào)隨時(shí)間變化的瞬態(tài)關(guān)系，仿真結(jié)果直觀，易于分析。

3.?FourierAnalysis(傅立葉分析)

傅立葉分析是頻域分析，用來分析非正弦激勵(lì)源和節(jié)點(diǎn)電壓波形的頻譜。

除了上述3種仿真方式，還有DCSweepAnalysis(直流掃描分析)、ACSmallSignalAnalysis(交流小信號(hào)分析)、NoiseAnalysis(噪聲分析)、TransferFunctionAnalysis(傳輸函數(shù)分析)、TemperatureSweepAnalysis(溫度掃描分析)、ParameterSweepAnalysis(參數(shù)掃描分析)、MonteCarloAnalysis(蒙特卡羅分析)?7種方式。

根據(jù)本例電路的特點(diǎn)，選擇OperatingPointAnalysis(靜態(tài)工作點(diǎn)分析)和TransientAnalysis(瞬態(tài)特性)兩種仿真方式。

在原理圖編輯窗口下，執(zhí)行菜單命令【Design】/【Simulate】/【MixedSim】，進(jìn)入如圖7-16所示的仿真方式設(shè)置對(duì)話框。圖7-16仿真方式設(shè)置對(duì)話框

圖7-16對(duì)話框左邊是【Analyses/Options】分組框，可以看到這里選擇了OperatingPointAnalysis和TransientAnalysis兩種仿真方式。右邊是公共參數(shù)設(shè)置分組框，其含義已在圖7-16中標(biāo)出，設(shè)計(jì)者可根據(jù)圖7-16進(jìn)行設(shè)置。注意，

【GeneralSetup】和【AdvancedOptions】并非仿真方式。

【GeneralSetup】：用來設(shè)置仿真方式的公共參數(shù)；

【AdvancedOptions】：用來設(shè)置仿真方式的高級(jí)設(shè)置內(nèi)容，一般選擇用默認(rèn)值。

選擇好仿真方式，設(shè)置完公共參數(shù)后，就要對(duì)所選仿真方式所特有的一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置了，其中靜態(tài)工作點(diǎn)分析不需要設(shè)置仿真參數(shù)，其他仿真方式均需設(shè)置仿真參數(shù)。

在圖7-16中單擊【TransientAnalysis】選項(xiàng)，得到圖7-17所示對(duì)話框。按對(duì)話框的內(nèi)容設(shè)置參數(shù)。

圖7-17瞬態(tài)特性分析設(shè)置

圖7-17是瞬態(tài)特性/傅立葉分析仿真設(shè)置對(duì)話框，圖中已對(duì)各參數(shù)的含義做了標(biāo)注，若要修改參數(shù)只需用鼠標(biāo)選中，即可修改。下面介紹其中幾個(gè)主要參數(shù)的設(shè)置方法。

【TransientStartTime】：仿真起始時(shí)間，一般為0；

【TransientStopTime】：仿真終止時(shí)間，一般比瞬態(tài)分析所需時(shí)間稍長；

【TransientStepTime】：時(shí)間步長，如果選得過大，則仿真結(jié)果波形太粗糙，反之，仿真時(shí)間就會(huì)很長；

【TransientMaxStepTime】：最大時(shí)間步長；

【UseInitialConditions】：使用初始設(shè)置條件，可在有儲(chǔ)能元器件的電路中使用；

【UseTransientDefaults】：選中此項(xiàng)后所有灰色的選項(xiàng)不可修改。

7.2.5運(yùn)行仿真并管理仿真結(jié)果

1.運(yùn)行仿真

在圖7-17中單擊

按鈕，即可運(yùn)行仿真，如果上述所有步驟正確無誤，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)如圖7-18所示的仿真結(jié)果。

圖7-18瞬態(tài)分析仿真結(jié)果

2.管理仿真結(jié)果

1)添加新的顯示波形圖

執(zhí)行菜單命令【Plot】/【NewPlot】，彈出新建波形圖向?qū)?duì)話框，如圖7-19(a)所示，單擊

按鈕，直到出現(xiàn)如圖7-19(b)所示對(duì)話框，單擊

按鈕，得到如圖7-20所示的對(duì)話框，選擇需要顯示的波形，如q1[ib]，繼續(xù)單擊

按鈕，直到完成，可以發(fā)現(xiàn)新的波形圖q1[ib]被添加到仿真結(jié)果中，如圖7-21所示。

(a)

(b)

圖7-19新建波形圖向?qū)?duì)話框圖7-20選擇添加新的波形圖

Time/s

圖7-21新的波形圖

2)刪除顯示波形

在圖7-18中單擊需要?jiǎng)h除的波形，然后執(zhí)行菜單命令【Plot】/【DeletePlot】，即可刪除已顯示的波形。

3)給圖表添加標(biāo)題

執(zhí)行菜單命令【Chart】/【ChartOptions】，彈出的對(duì)話框如圖7-22所示，按對(duì)話框中的內(nèi)容輸入標(biāo)題。這里添加的標(biāo)題是ampsim。

圖7-22繪圖表選項(xiàng)

4)修改Y軸坐標(biāo)范圍

在圖7-18中單擊需要修改Y軸坐標(biāo)的波形，執(zhí)行菜單命令【Plot】/【FormatYAxis】，彈出如圖7-23所示的對(duì)話框，按對(duì)話框中的內(nèi)容修改參數(shù)。請(qǐng)讀者自行嘗試。

5)疊加顯示波形

在分析仿真結(jié)果時(shí)，往往需要比較兩個(gè)信號(hào)波形，此時(shí)就希望將兩個(gè)波形疊加到一起，以達(dá)到更加直觀的效果。

用鼠標(biāo)單擊一個(gè)需要比較的波形，執(zhí)行菜單命令【W(wǎng)ave】/【AddWave】，彈出圖7-20所示的對(duì)話框，在對(duì)話框中選擇要比較的另一個(gè)波形，單擊

按鈕，可以看到兩個(gè)波形疊加在一起了。圖7-24就是“in”和“out”兩個(gè)信號(hào)疊加在一起的結(jié)果。

圖7-23修改Y軸坐標(biāo)

Time/s

圖7-24信號(hào)波形疊加

6)改變顯示范圍

在圖7-18的仿真結(jié)果中，各波形為周期函數(shù)，實(shí)際只需分析其中的2、3個(gè)周期，但由于仿真的TransientStopTime(終止時(shí)間)已經(jīng)設(shè)置為5ms，因此仿真結(jié)果嚴(yán)格按照設(shè)定的終止時(shí)間顯示。下面我們將顯示時(shí)間范圍修改為0～2ms。

執(zhí)行【Chart】/【ChartOptions】命令，彈出對(duì)話框如圖7-22所示，在該對(duì)話框中選擇【Scale】標(biāo)簽，得到圖7-25所示對(duì)話框，按對(duì)話框中的內(nèi)容修改，可得仿真結(jié)果如圖7-26所示。

圖7-25修改顯示范圍

Time/s

圖7-26改變顯示范圍后的結(jié)果

3.靜態(tài)工作點(diǎn)分析仿真結(jié)果

在圖7-16中設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)仿真，在圖7-18選擇【OperatingPoint】標(biāo)簽，即可得到靜態(tài)工作點(diǎn)分析仿真結(jié)果，如圖7-27所示。

圖7-27靜態(tài)工作點(diǎn)分析仿真結(jié)果

7.3電路仿真應(yīng)用舉例

在前一節(jié)中，以固定偏置放大電路為例介紹了電路仿真中工作點(diǎn)分析和瞬態(tài)分析的全過程，有了這些基礎(chǔ)之后，就可以學(xué)習(xí)其他幾種仿真方式以及數(shù)字電路、模數(shù)混合電路的仿真方法了。

7.3.1參數(shù)掃描分析

參數(shù)掃描分析(ParameterSweepAnalysis)用于研究電路中某一元器件參數(shù)變化時(shí)，對(duì)電路性能的影響，常用于確定電路中某些關(guān)鍵元器件參數(shù)的取值。在AltiumDesigner中，啟動(dòng)參數(shù)掃描分析前，必須至少進(jìn)行瞬態(tài)特性分析、交流小信號(hào)分析或直流傳輸特性分析中的一種仿真方式。

下面以圖7-28所示的共射極分壓式偏置放大電路為例，介紹AltiumDesigner的參數(shù)掃描分析的仿真操作過程。圖7-28共射極分壓式偏置放大電路

1.繪制如圖7-28所示的原理圖

繪制原理圖的步驟如下：

(1)新建項(xiàng)目文件offset.PrjPcb并保存。

(2)建立一個(gè)新的原理圖文件“offset.SCHDOC”并保存。

(3)加載仿真電路需要的元器件庫。

添加兩個(gè)元器件庫：分立元器件庫(MiscellaneousDevices.IntLib)和仿真信號(hào)源元器件庫(SimulationSources.IntLib)。

(4)繪制原理圖。

(5)放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)。

2.放置激勵(lì)源

1)直流電壓源

【Value】：直流電壓值，此處為18V，其余參數(shù)使用默認(rèn)值。

2)正弦電壓源

【Amplitude】：1MV；【Frequency】：1k；其余參數(shù)使用默認(rèn)值。

3.選擇仿真方式和設(shè)置仿真參數(shù)

選擇OperatingPointAnalysis(靜態(tài)工作點(diǎn)分析)、TransientAnalysis(瞬態(tài)特性)和ParameterSweepAnalysis(參數(shù)掃描分析)?3種仿真方式。其中靜態(tài)工作點(diǎn)分析不用設(shè)置仿真參數(shù)，瞬態(tài)分析的仿真參數(shù)設(shè)置方法前面已經(jīng)介紹，下面對(duì)參數(shù)掃描分析的仿真參數(shù)設(shè)置做詳細(xì)說明。

在如圖7-16所示的仿真方式設(shè)置對(duì)話框內(nèi)，將“ParameterSweep”標(biāo)簽后的復(fù)選框勾選上，然后單擊“ParameterSweep”標(biāo)簽，即可顯示如圖7-29所示的參數(shù)掃描仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。圖7-29參數(shù)掃描仿真參數(shù)設(shè)置

【ParameterSweepVariable】：掃描參數(shù)即變化的元器件參數(shù)，如R1、C1、Q1[bf]等，Q1[bf]表示三極管Q1的電流放大倍數(shù)β?！綪rimaryStartValue】表示元器件參數(shù)的初值；【PrimaryStopValue】表示元器件參數(shù)的終值；【PrimaryStepValue】表示參數(shù)變化增量。請(qǐng)讀者按照?qǐng)D7-29所示進(jìn)行設(shè)置?？梢姡藚?shù)仿真實(shí)例是以三極管的放大倍數(shù)β作為掃描參數(shù)的。

Time/s

圖7-30β參數(shù)掃描仿真結(jié)果

4.運(yùn)行仿真并分析仿真結(jié)果

在圖7-29中單擊

按鈕，即可運(yùn)行仿真，若操作無誤，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)如圖7-30所示的仿真結(jié)果。

在如圖7-28所示的放大電路中，三極管Q1放大倍數(shù)β對(duì)電路放大性能的影響不大，在圖7-30中，當(dāng)β＞70后，放大器輸出信號(hào)Vout基本重疊。

若選擇R5作為主掃描參數(shù)，即可獲得負(fù)載電阻對(duì)放大器放大性能的影響，例如R5從500?Ω增加到6.5kΩ(增量為2kΩ)時(shí)，輸出信號(hào)Vout的振幅如圖7-31所示。

Time/s圖7-31R5參數(shù)掃描仿真結(jié)果

7.3.2交流小信號(hào)分析

在電子線路中我們學(xué)習(xí)過濾波電路，濾波電路的功能是讓指定頻段的信號(hào)能比較順利地通過，而對(duì)其他頻段的信號(hào)起衰減作用，例如帶通濾波器。交流小信號(hào)分析能夠非常直觀地將濾波器的這種特性顯示出來。

交流小信號(hào)分析(ACSmallSignalAnalysis)用于獲得電路中如放大器、濾波器等的頻率特性。簡(jiǎn)單地說，電路中的某些器件參數(shù)，如放大電路的放大倍數(shù)等并不是常數(shù)，而是隨著工作頻率的升高而下降的。

圖7-32所示的電路就是一個(gè)帶通濾波器，可以利用“ACSmallSignalAnalysis”來分析該電路的頻率特性。

1．繪制如圖7-32所示的原理圖

繪制原理圖的步驟如下：

(1)新建項(xiàng)目文件BPF.PrjPcb并保存。

(2)建立一個(gè)新的原理圖文件“BPF.SCHDOC”并保存。

(3)加載仿真電路需要的元器件庫。添加3個(gè)元器件庫，分別為TIOperationalAmplifier.IntLib、MiscellaneousDevices.IntLib和SimulationSources.IntLib。

(4)繪制原理圖。

圖7-32帶通濾波電路

2.放置激勵(lì)源

1)直流電壓源

【Value】：直流電壓值，圖7-32中使用了兩個(gè)直流電壓源，V1為?-15V，V2為?+15V，其余參數(shù)使用默認(rèn)值。

2)正弦電壓源

【Amplitude】：1V；【Frequency】：1k；其余參數(shù)使用默認(rèn)值。

3.選擇仿真方式和設(shè)置仿真參數(shù)

選擇OperatingPointAnalysis(靜態(tài)工作點(diǎn)分析)和ACSmallSignalAnalysis(交流小信號(hào)分析)兩種仿真方式。

在如圖7-16所示的仿真方式設(shè)置對(duì)話框內(nèi)，將“ACSmallSignalAnalysis”標(biāo)簽后的復(fù)選框勾選上，然后單擊“ACSmallSignalAnalysis”標(biāo)簽，即可顯示如圖7-33所示的交流小信號(hào)分析仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。圖7-33交流小信號(hào)分析仿真參數(shù)設(shè)置【StartFrequency】：掃描起始頻率；

【StartFrequency】：掃描起始頻率；

【StopFrequency】：掃描結(jié)束頻率；

【TestPoints】：分析頻率點(diǎn)的數(shù)目。

請(qǐng)按圖7-33所示設(shè)置各參數(shù)。

4.運(yùn)行仿真并觀察仿真結(jié)果

在圖7-33中單擊

按鈕，即可運(yùn)行仿真，若操作無誤，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)如圖7-34所示的仿真結(jié)果。

圖7-34交流小信號(hào)分析仿真結(jié)果

7.3.3數(shù)字電路仿真

計(jì)數(shù)器是用來實(shí)現(xiàn)累計(jì)電路輸入CP脈沖個(gè)數(shù)功能的時(shí)序電路。在計(jì)數(shù)功能的基礎(chǔ)上，計(jì)數(shù)器還可以實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)、定時(shí)、分頻和自動(dòng)控制等功能，應(yīng)用十分廣泛。下面將以圖7-35所示的同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器為例來仿真分析計(jì)數(shù)器電路的特點(diǎn)。

圖7-35同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器

1.繪制如圖7-35所示的原理圖

繪制原理圖的步驟如下：

(1)新建項(xiàng)目文件count.PrjPcb，建立新的原理圖文件“count.SCHDOC”并保存。

(2)加載仿真電路需要的元器件庫。

添加3個(gè)元器件庫，分別為TILogicFlip-Flop.IntLib、TILogicGate2.IntLib和SimulationSources.IntLib。

(3)繪制原理圖。

2.放置激勵(lì)源

1)直流電壓源(VSRC)

【Value】：直流電壓值，V1為5V，其余參數(shù)使用默

認(rèn)值。

2)脈沖電壓源(VPULSE)

在原理圖中雙擊脈沖電壓源符號(hào)，彈出元器件屬性設(shè)置對(duì)話框，將鼠標(biāo)移到【Simulation】選項(xiàng)欄上，雙擊鼠標(biāo)左鍵，在彈出的對(duì)話框中單擊【Parameters】標(biāo)簽，得到如圖7-36所示的對(duì)話框，按對(duì)話框的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置。

圖7-36脈沖電壓源仿真參數(shù)設(shè)置

【PulsedValue】：脈沖波電壓幅度；

【TimeDelay】：初始時(shí)刻延時(shí)時(shí)間；

【RiseTime】：上升時(shí)間；

【FallTime】：下降時(shí)間；

【PulseWidth】：脈沖寬度；

【Period】：脈沖周期。

3)分段線性電壓源(VPWL)

分段線性電壓源的波形由幾條直線段組成，是非周期信號(hào)激勵(lì)源。為了描述這種激勵(lì)源的波形特征，需給出線段各轉(zhuǎn)折點(diǎn)的時(shí)間-電壓坐標(biāo)。

雙擊分段線性電壓源符號(hào)，彈出元器件屬性設(shè)置對(duì)話框，將鼠標(biāo)移到【Simulation】選項(xiàng)欄上，雙擊鼠標(biāo)左鍵，在彈出的對(duì)話框中單擊【Parameters】標(biāo)簽，得到如圖7-37所示的對(duì)話框，按對(duì)話框的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置。

【Time/ValuePairs】：轉(zhuǎn)折點(diǎn)的“時(shí)間-電壓”，第一點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)應(yīng)為0；/用來添加/刪除時(shí)間坐標(biāo)。

圖7-37分段線性電壓源仿真參數(shù)設(shè)置

3.選擇仿真方式和設(shè)置仿真參數(shù)

選擇TransientAnalysis(瞬態(tài)特性)仿真方式。

在如圖7-16所示的仿真方式設(shè)置對(duì)話框內(nèi)，將“TransientAnalysis”標(biāo)簽后的復(fù)選框勾選上，然后單擊“TransientAnalysis”標(biāo)簽，即可顯示瞬態(tài)特性分析仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。

【TransientStartTime】：仿真起始時(shí)間，設(shè)為0；

【TransientStopTime】：仿真終止時(shí)間，設(shè)為60ms；

【TransientStepTime】：時(shí)間步長設(shè)為20μs；

【TransientMaxStepTime】：最大時(shí)間步長，也設(shè)為20μs。

4．運(yùn)行仿真并觀察仿真結(jié)果

在圖7-17中單擊

按鈕，即可運(yùn)行仿真，若操作無誤，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)如圖7-38所示的仿真結(jié)果。圖7-38同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器仿真結(jié)果

7.3.4模數(shù)混合電路仿真

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，通常要將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的模擬量參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，處理的結(jié)果又要轉(zhuǎn)換為模擬量去控制現(xiàn)場(chǎng)。所以在很多實(shí)際電路中既有模擬信號(hào)，又有數(shù)字信號(hào)。

例如，比較兩個(gè)信號(hào)V1和V2的大小，并統(tǒng)計(jì)V1