《电路仿真初步》PPT课件.ppt
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1、第7章 电路仿真初步,教学提示:本章介绍电路仿真的概念和操作步骤。重点讲解常用仿真元件与激励源的参数设置方法,对仿真分析的选择和参数设置的方法要详细介绍,启用仿真器以及运行电路仿真部分可在演示操作中进行,并结合专业知识对两个仿真实例的结果进行分析。教学目标:了解仿真的定义和操作流程,掌握常用仿真元件及激励源的设置方法,重点掌握仿真分析的选择与参数设置方法,学会使用静态工作点分析、瞬态分析及交流小信号分析等仿真方法进行电路仿真。,7.1 仿真的概念和操作步骤,原理图仿真模块是Protel 2004的重要组成模块之一,原理图绘制结束后,可以利用电路仿真功能,对所设计的电路进行估算、测试和校验,以检
2、验电路的正确性并验证电路的功能是否达到设计的预期目的。,7.1.1 仿真的概念,随着计算机技术的飞速发展,电子设计自动化成为可能,目前绝大多数实验都可通过电路仿真进行验证。电路仿真是以电路分析理论为基础,通过建立元件数学模型,借助数值计算方法在计算机上对电路性能指标进行分析运算,然后以文字、表格及图形等方式在屏幕上显示出来。电路仿真可以提高电子线路的设计质量和可靠性,降低开发费用,减轻设计者的劳动强度,并缩短产品开发周期。设计者设计完电路后,可以用电气规则检查ERC的方法检查电路编辑中是否有错误缺陷,但不能对其性能做出判断。Protel 2004内嵌的仿真软件与PSPICE电路仿真软件基本兼容
3、,可以综合分析电路性能,如采用瞬态分析法观察测试点的波形,采用交流小信号分析法分析电路的幅频特性等。仿真结果以数值或波形显示的方式表达,清晰直观。,7.1.2 仿真的操作步骤,在Protel 2004中进行电路仿真的操作步骤如下:(1)建立原理图文件。可以在工程项目中建立原理图文件,也可以建立自由的原理图文件。(2)装入所需的元件库。元件库中拟使用的元件要包含仿真信息,即该元件具有Simulation属性。Protel 2004自带的Altium2004LibrarySimulation目录下的5个元件库的元件都具有仿真属性,它们分别是数学函数模块元件库Simulation Math Func
4、tion.IntLib、激励源元件库Simulation Sources.IntLib、特殊功能模块元件库Simulation Special Function.IntLib、传输线元件库Simulation Transmission Line.IntLib和电压源元件库Simulation Voltage Source.IntLib。另外元件库Miscellaneous Devices.IntLib中包含的常用元件都有仿真信息,只有具有Simulation属性的元件才能进行电路仿真。,7.1.2 仿真的操作步骤,(3)在电路图上放置元件,并设置元件的仿真参数。(4)绘制仿真电路原理图。其绘制
5、方法与绘制普通电路原理图的方法相同。(5)放置仿真激励源。仿真过程中要使用的激励源可从激励源元件库Simulation Sources.IntLib或电压源元件库Simulation Voltage Source.IntLib中提取,常用的信号源也可以从仿真激励源工具栏中选取。放置后还要设置激励源的仿真参数,如直流电源电压大小,正弦交流信号的幅值、频率及相位等。(6)设置电路的仿真节点。通常通过放置网络标号的方法来设置要分析的电路节点。(7)启动仿真器。打开仿真参数设置对话框即启动仿真器。(8)选择仿真方式并设置仿真参数。(9)运行电路仿真,获得仿真结果。(10)根据仿真结果对电路原理图进行改
6、进。,7.2 常用的仿真元件与激励源,元件库Miscellaneous Devices.IntLib中包含的常用元件和Altium2004LibrarySimulation目录下的5个元件库的元件都能进行电路仿真,其他元件库里凡具有Simulation属性的元件也能进行电路仿真。若不知道元件所在的元件库,可以利用查找功能进行快速搜索。找到所需要的元件后,还要进行元件仿真参数设置,这样才能满足仿真的要求。仿真电路图绘制完毕,还要添加所需的仿真激励源,仿真激励源可以视为一个特殊的元件,其放置、属性设置及位置调整等操作方法与一般元件相同。对无稳态电路或双稳态电路进行仿真分析时,常需要设置电路的初始值
7、,通常采用两类特殊的元件,即.NS元件和.IC元件,来设置电路的初始状态。,7.2.1 常用的仿真元件,1.电阻 电阻仿真元件在Miscellaneous Devices.IntLib元件库中,常用的有以下几种,其中第一行电阻图形符号为国际标准,第二行电阻图形符号为美国标准,如图7.1所示。,图7.1 常用的电阻仿真元件,7.2.1 常用的仿真元件,以上电阻均具有Simulation属性,都可用于进行电路仿真。以固定电阻为例说明如何进行仿真参数的设置,双击固定电阻的原理图符号即可进入电阻仿真属性设置对话框。在对话框中包括5个选项组:【属性】、【子设计项目链接】、【图形】、Parameters
8、for R?-Res2(参数列表)和Models for R?-Res2(模式列表)。,7.2.1 常用的仿真元件,图7.2 设置电阻仿真属性,属性选项组,图形选项组,模式列表选项组,【子设计项目链接】选项组用于对子设计项目的管理。,参数列表选项组显示元件的制造商等信息,用于仿真的一些参数也在其中显示。其中该选项组中最后一行显示的是电阻的阻值大小、电阻的数值类型等。,(1)模式列表选项组对元件所具有的属性予以说明,包括Simulation、Signal Integrity(信号完整性分析属性)以及Footprint等,此处关注仿真属性的设置。将鼠标移到模式列表选项组中的Simulation选项
9、,双击或单击Simulation选项后,单击【编辑】按钮,将弹出Sim Model-General/Resistor(固定电阻常规设置)对话框。,7.2.1 常用的仿真元件,图7.3 固定电阻常规设置对话框,(2)在该对话框中,可以对【模式种类】、【模式子种类】、【Spice 前缀】、【模式名】、【描述】和【模型位置】等选项进行设置,此处采用默认设置。单击参数标签,弹出电阻仿真参数设置对话框。,7.2.1 常用的仿真元件,(3)单击参数标签,弹出电阻仿真参数设置对话框。在此对话框中可对电阻阻值大小进行设置,如1k,单位无需输入。设定完成后选中Component parameter复选框,可在参
10、数列表区显示其内容,单击【确认】按钮确定,至此,固定电阻仿真参数设置结束。,图7.4 固定电阻仿真参数设置对话框,7.2.1 常用的仿真元件,对于可变电阻中,Value文本框中显示的是可变电阻的最大阻值,Set Position文本框设置可调系数,输入范围为01,而且对电位器和中心抽头电阻的仿真参数设置同样有效。可变电阻的实际电阻值为Value文本框中的数值乘以Set Position文本框中的数值,如在Value文本框中输入1k,而Set Position文本框中输入0.5,那么该可变电阻的实际电阻值为500。对于电位器,上述的计算值是指元件引脚2和3之间的电阻值,在电位器元件属性设置对话框
11、的Graphical选项组中,选中Show Hidden Pins复选框就可以看到隐藏的引脚和编号。在图7.5的设置中,可变电阻的用法如图7.6所示。,图7.5 可变电阻仿真参数设置对话框,7.2.1 常用的仿真元件,7.2.1 常用的仿真元件,2.电容电容仿真元件位于Miscellaneous Devices.IntLib元件库中,有两种类型:无极性电容、电解电容(有极性电容)。无极性电容和电解电容的仿真参数设置方法相同,在电容仿真参数设置对话框里,Value项用于设置电容值的大小;Initial Voltage项用于设置仿真初始时刻电容两端的电压值,默认值为0V,如图7.8所示。,7.2.
12、1 常用的仿真元件,3.电感电感仿真元件位于Miscellaneous Devices.IntLib元件库中,主要有两种类型:无铁芯电感;加铁芯电感。无铁芯电感和加铁芯电感的仿真参数设置方法相同,在电感仿真参数设置对话框里,Value项用于设置电感值的大小;Initial Current项用于设置仿真初始时刻流过电感的电流值,默认值为0A。,7.2.1 常用的仿真元件,4.二极管在Miscellaneous Devices.IntLib库中有多种可用于仿真的二极管,常用的有普通二极管、发光二极管、光电二极管、齐纳二极管、肖特基二极管、变容二极管等。在仿真参数设置对话框里,Area Factor
13、用于设置面积因子;Starting Condition用于设置初始条件,在静态工作点分析中,若选择OFF,在仿真开始时,二极管两端的电压为0;Initial Voltage用于设置二极管的初始电压值;Temperature用于设置二极管的工作温度,默认值为27度。,7.2.1 常用的仿真元件,5.三极管在Miscellaneous Devices.IntLib元件库中或其他生产商的*BJT.IntLib元件库中含有多种可以用于仿真的三极管,常用的有NPN型和PNP型。在仿真参数设置对话框中Initial B-E Voltage用于设置仿真初始时刻三极管基极-发射极上的电压值;Initial C
14、-E Voltage用于设置仿真初始时刻三极管集电极-发射极上的电压值。,图7.14 三极管仿真参数设置对话框,7.2.1 常用的仿真元件,6.整流桥整流桥的作用是把交流信号变成直流信号,在Miscellaneous Devices.IntLib元件库中有两种形式的整流桥,其功能相同,使用时不要接错,2、4端接输入的交流信号,1、3端为输出的直流信号。整流桥的仿真参数设置均采用默认设置,如图7.15所示。,图7.15 整流桥仿真元件,7.2.1 常用的仿真元件,7.晶振在Miscellaneous Devices.IntLib元件库中含有晶振仿真元件,如图7.16所示。在晶振元件的仿真参数设置
15、对话框中,前面5项是元件的版本信息,FREQ项用于设置晶振频率,单位为Hz,默认值为2.5MHz;RS项用于设置等效串联电阻值;C项用于设置等效电容值;Q项用于设置品质因数,如图7.17所示。,7.2.1 常用的仿真元件,8.变压器在Miscellaneous Devices.IntLib元件库中含有变压器仿真元件,如图7.18所示。在变压器的仿真参数设置对话框中,前面5项是一些版本信息,Ratio项用于设置次级绕组与初级绕组的变比,Rp是初级绕组的阻抗,Rs是次级绕组的阻抗,Leak是泄漏电感(单位是亨),Mag是磁化电感(单位是亨),如图7.19所示。,7.2.1 常用的仿真元件,9.集成
16、仿真元件在各个生产商的元件库中,存放有多种74系列的TTL和4000系列CMOS集成元件,凡是具有Simulation属性都可以进行电路仿真,可利用查找功能进行快速搜索所需要的元件。,7.2.2 常用的仿真激励源,仿真电路绘制结束后,需添加仿真激励源,进行电路仿真。1.直流电源直流电源有两种,即直流电压源和直流电流源,都位于Simulation Sources.IntLib元件库中。在参数设置对话框中,Value项用于设置直流电源输出电压或电流的大小;AC Magnitude项用于设置交流信号的幅值,此处是指当进行交流小信号分析来获得电路的频率特性时,输入信号的幅值,典型值为1;AC Phas
17、e 项用于设置进行交流小信号分析时输入电压或电流的相位,单位为“度”。,7.2.2 常用的仿真激励源,2.正弦波交流电源 正弦波交流电源有两种,即交流电压源和交流电流源,都位于Simulation Sources.IntLib元件库中。,7.2.2 常用的仿真激励源,在参数设置对话框中,DC Magnitude用于设置直流幅值,默认为0,一般无需更改;AC Magnitude和AC Phase 用于设置交流幅值和相位,进行交流小信号分析时必须正确设置;Offset用于设置直流偏移量;Amplitude用于设置电压或电流的峰值,瞬态分析时要正确设置,注意要与AC Magnitude区分开;Fre
18、quency用于设置频率;Delay用于设置信号延迟;Damping Factor用于设置衰减因子,即正弦波幅值每秒下降的百分比,正值为衰减,负值为增大,默认为0,即输出为等幅正弦波;Phase用于设置的初始相位。,7.2.2 常用的仿真激励源,3.周期脉冲电源周期脉冲电源常用于获得矩形波或方波。周期脉冲电源有两种,即周期脉冲电压源和周期脉冲电流源,都位于Simulation Sources.IntLib元件库中,如图7.24所示。,7.2.2 常用的仿真激励源,在周期脉冲设置中,DC Magnitude、AC Magnitude、AC Phase 的含义与正弦波交流电源相同;Initial
19、Value用于设置初始值的大小;Pulsed Value用于设置幅值;Time Delay用于设置延迟时间;Rise Time用于设置上升时间,此项设置不能为0,其值越小,波形越陡;Fall Time用于设置下降时间;Pulse Width项用于设置脉冲宽度,单位为“秒”;Period用于设置周期,单位为“秒”;Phase项用于设置初始相位。,4.分段线性电源分段线性电源有两种,电压源和电流源,都位于Simulation Sources.IntLib元件库中。在参数设置中,DC Magnitude项、AC Magnitude和AC Phase 项的设置与正弦波的设置相同;【时间/数值对】中,每
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