Altium Designer 22基礎(chǔ)與實例教程 課件 第9章 電路仿真系統(tǒng)

第九章電路仿真系統(tǒng)

所謂電路仿真，就是用戶直接利用EDA軟件自身所提供的功能和環(huán)境，對所設計電路的實際運行情況進行模擬的一個過程。學習要點電路仿真的基本知識仿真分析的參數(shù)設置電路仿真方法9.1電路仿真的基本概念

仿真中涉及的幾個基本概念如下。（1）仿真元器件。用戶進行電路仿真時使用的元器件，要求具有仿真屬性。（2）仿真原理圖。用戶根據(jù)具體電路的設計要求，使用原理圖編輯器及具有仿真屬性的元器件所繪制而成的電路原理圖。（3）仿真激勵源。用于模擬實際電路中的激勵信號。（4）節(jié)點網(wǎng)絡標簽。對一電路中要測試的多個節(jié)點，應該分別放置一個有意義的網(wǎng)絡標簽名，便于明確查看每一節(jié)點的仿真結(jié)果（電壓或電流波形）。（5）仿真方式。仿真方式有多種，不同的仿真方式下相應有不同的參數(shù)設定，用戶應根據(jù)具體的電路要求來選擇設置仿真方式。（6）仿真結(jié)果。仿真結(jié)果一般是以波形的形式給出，不僅僅局限于電壓信號，每個元件的電流及功耗波形都可以在仿真結(jié)果中觀察到。9.2放置電源及仿真激勵源

9.2.1直流電壓/電流源直流電壓源“VSRC”與直流電流源“ISRC”分別用來為仿真電路提供一個不變的電壓信號或不變的電流信號。需要設置的仿真參數(shù)是相同的，雙擊新添加的仿真直流電壓源，在出現(xiàn)的對話框中設置其屬性參數(shù)。“Value（值）”：直流電源值。“ACMagnitude”：交流小信號分析的電壓值?！癆CPhase”：交流小信號分析的相位值。9.2.2正弦信號激勵源正弦信號激勵源包括正弦電壓源“VSIN”與正弦電流源“ISIN”，用來為仿真電路提供正弦激勵信號，需要設置的仿真參數(shù)是相同的?！癉CMagnitude”：正弦信號的直流參數(shù)，通常設置為“0”。“ACMagnitude”：交流小信號分析的電壓值，通常設置為“1V”，如果不進行交流小信號分析，可以設置為任意值。“ACPhase”：交流小信號分析的電壓初始相位值，通常設置為“0”?！癘ffset”：正弦波信號上疊加的直流分量，即幅值偏移量。“Amplitude”：正弦波信號的幅值設置。“Frequency”：正弦波信號的頻率設置。“Delay”：正弦波信號初始的延時時間設置。“DampingFactor”：正弦波信號的阻尼因子設置，影響正弦波信號幅值的變化?！癙haseDelay”：正弦波信號的初始相位設置。9.2.3周期脈沖源周期脈沖源包括脈沖電壓激勵源“VPULSE”與脈沖電流激勵源“IPULSE”，可以為仿真電路提供周期性的連續(xù)脈沖激勵，其中脈沖電壓激勵源“VPULSE”在電路的瞬態(tài)特性分析中用得比較多。在“Parameters（參數(shù)）”選項卡，各項參數(shù)的具體含義如下?！癉CMagnitude”：脈沖信號的直流參數(shù)，通常設置為“0”。“ACMagnitude”：交流小信號分析的電壓值，通常設置為“1V”，如果不進行交流小信號分析，可以設置為任意值?！癆CPhase”：交流小信號分析的電壓初始相位值，通常設置為“0”?！癐nitialValue”：脈沖信號的初始電壓值設置?！癙ulsedValue”：脈沖信號的電壓幅值設置?！癟imeDelay”：初始時刻的延遲時間設置?！癛iseTime”：脈沖信號的上升時間設置?！癋allTime”：脈沖信號的下降時間設置?！癙ulseWidth”：脈沖信號的高電平寬度設置?！癙eriod”：脈沖信號的周期設置?！癙hase”：脈沖信號的初始相位設置。9.2.4分段線性激勵源分段線性激勵源所提供的激勵信號是由若干條相連的直線組成，是一種不規(guī)則的信號激勵源，包括分段線性電壓源“VPWL”與分段線性電流源“IPWL”兩種在“Parameters（參數(shù)）”選項卡，各項參數(shù)的具體含義如下?！癉CMagnitude”：分段線性電壓信號的直流參數(shù)，通常設置為“0”?！癆CMagnitude”：交流小信號分析的電壓值，通常設置為“1V”，如果不進行交流小信號分析，可以設置為任意值?！癆CPhase”：交流小信號分析的電壓初始相位值，通常設置為“0”?！癟ime/ValuePairs”：分段線性電壓信號在分段點處的時間值及電壓值設置。其中時間為橫坐標，電壓為縱坐標。9.2.5指數(shù)激勵源指數(shù)激勵源包括指數(shù)電壓激勵源“VEXP”與指數(shù)電流激勵源“IEXP”，用來為仿真電路提供帶有指數(shù)上升沿或下降沿的脈沖激勵信號，通常用于高頻電路的仿真分析在“Parameters（參數(shù)）”選項卡，各項參數(shù)的具體含義如下?！癉CMagnitude”：分段線性電壓信號的直流參數(shù)，通常設置為“0”?！癆CMagnitude”：交流小信號分析的電壓值，通常設置為“1V”，如果不進行交流小信號分析，可以設置為任意值?！癆CPhase”：交流小信號分析的電壓初始相位值，通常設置為“0”?！癐nitialValue”：指數(shù)電壓信號的初始電壓值?！癙ulsedValue”：指數(shù)電壓信號的跳變電壓值?！癛iseDelayTime”：指數(shù)電壓信號的上升延遲時間?！癛iseTimeConstant”：指數(shù)電壓信號的上升時間。“FallDelayTime”：指數(shù)電壓信號的下降延遲時間。“FallTimeConstant”：指數(shù)電壓信號的下降時間。9.2.6單頻調(diào)頻激勵源單頻調(diào)頻激勵源用來為仿真電路提供一個單頻調(diào)頻的激勵波形，包括單頻調(diào)頻電壓源“VSFFM”與單頻調(diào)頻電流源“ISFFM”兩種在“Parameters（參數(shù)）”選項卡，各項參數(shù)的具體含義如下?！癉CMagnitude”：分段線性電壓信號的直流參數(shù)，通常設置為“0”?！癆CMagnitude”：交流小信號分析的電壓值，通常設置為“1V”，如果不進行交流小信號分析，可以設置為任意值。“ACPhase”：交流小信號分析的電壓初始相位值，通常設置為“0”?！癘ffset”：調(diào)頻電壓信號上疊加的直流分量，即幅值偏移量?！癆mplitude”：調(diào)頻電壓信號的載波幅值。“CarrierFrequency”：調(diào)頻電壓信號的載波頻率?！癕odulationIndex”：調(diào)頻電壓信號的調(diào)制系數(shù)?！癝ignalFrequency”：調(diào)制信號的頻率。9.3仿真分析的參數(shù)設置

在原理圖編輯環(huán)境中，選擇菜單欄中的“Simulink（仿真）”→“SimulationDashboard（仿真儀表）”命令，或單擊狀態(tài)欄中的“Panels（面板）”按鈕選擇快捷命令“SimulationDashboard（仿真儀表）”命令，系統(tǒng)將彈出如圖所示的“SimulationDashboard（仿真儀表）”面板。

Affect（范圍）選項用于設置仿真分析的作用范圍，包括以下兩個選項：Sheet（積極的原理圖）：當前的電路仿真原理圖。Project（積極的項目）：當前的整個項目。9.3.1常規(guī)參數(shù)的設置1.Verification（確認信息）選項組：2.Preparation（準備）選項組（1）SimulationSources（仿真源）：（2）Probes（探針）3.Results（結(jié)果）選項組“SimulationDashboard（仿真儀表）”面板檢查結(jié)果無誤“SimModel（仿真模型）”對話框探針顏色列表

Results（結(jié)果）選項組9.3.2仿真方式

上面講述的是在仿真運行前需要完成的常規(guī)參數(shù)設置，而對于用戶具體選用的仿真方式，還需要在AnalysisSetup&Run（分析設置和運行）選項組進行一些特定參數(shù)的設定。1.工作點分析2.傳遞函數(shù)分析3.零-極點分析4.直流掃描分析5.瞬態(tài)特性分析6.交流信號分析7.噪聲分析8.溫度掃描分析9.參數(shù)掃描10.蒙特卡羅分析工作點分析方式傳遞函數(shù)分析的仿真參數(shù)零-極點分析的仿真參數(shù)直流傳輸特性分析的仿真參數(shù)

添加輸出表達式“AddOutputExpression（添加輸出表達式）”對話框瞬態(tài)特性分析的仿真參數(shù)周期瞬態(tài)特性分析的仿真參數(shù)交流信號分析的仿真參數(shù)噪聲分析的仿真參數(shù)溫度掃描分析的仿真參數(shù)參數(shù)掃描分析的仿真參數(shù)蒙特卡羅分析的仿真參數(shù)9.3.3全局參數(shù)設置電路設計中，電壓源、電流源、溫度、全局參數(shù)或者模型參數(shù)都可以進行參數(shù)掃描分析。全局參數(shù)需要用戶自定義添加，本節(jié)介紹如何設置全局參數(shù)。單擊“Setting（設置）”按鈕，彈出“AdvancedAnalysisSettings（高級分析設置）”對話框，打開GlobalParameters選項卡，如圖所示。該選項卡中可以添加、刪除全局參數(shù)。9.3.4高級仿真設置單擊“Setting（設置）”按鈕，彈出“AdvancedAnalysisSettings（高級分析設置）”對話框，打開Advanced選項卡，用于設置仿真的高級參數(shù)，如圖所示。該選項卡中的選項主要提供了設置Spice變量值、仿真器和仿真參考網(wǎng)絡的綜合方法。在實際設置時，這些參數(shù)建議最好使用默認值。9.4特殊仿真元器件的參數(shù)設置

9.4.1節(jié)點電壓初值節(jié)點電壓初值“.IC”主要用于為電路中的某一節(jié)點提供電壓初值，與電容中的“IntialVoltage”參數(shù)的作用類似。設置方法很簡單，只要把該元件放在需要設置電壓初值的節(jié)點上，通過設置該元件的仿真參數(shù)即可為相應的節(jié)點提供電壓初值，如圖示。需要設置的“.IC”元件仿真參數(shù)只有一個，即節(jié)點的電壓初始值。雙擊節(jié)點電壓初始值元件，系統(tǒng)將彈出如圖所示的“Component（元件）”對話框。

放置的“.IC”元件“Component（元件）”對話框設置“.IC”元件仿真參數(shù)設置參數(shù)后的“.IC”元件9.4.2節(jié)點電壓

設置方法很簡單，只要把該元件放在需要設置電壓預收斂值的節(jié)點上，通過設置該元件的仿真參數(shù)即可為相應的節(jié)點設置電壓預收斂值，如圖所示。需要設置的“.NS”元件仿真參數(shù)只有一個，即節(jié)點的電壓預收斂值。雙擊節(jié)點電壓元件，系統(tǒng)將彈出如圖所示的“Component（元件）”對話框來設置“.NS”元件的屬性。

放置的“.NS”元件

設置“.NS”元件屬性設置“.NS”元件仿真參數(shù)設置參數(shù)后的“.NS”元件9.4.3仿真數(shù)學函數(shù)

仿真數(shù)學函數(shù)存放在“Math.Lib”只需要把相應的函數(shù)功能模塊放到仿真原理圖中需要進行信號處理的地方即可，仿真參數(shù)不需要用戶自行設置。如圖所示，是對兩個節(jié)點電壓信號進行相加運算的仿真數(shù)學函數(shù)“ADDV”。9.4.4實例：使用仿真數(shù)學函數(shù)本例中，我們設計使用相關(guān)的仿真數(shù)學函數(shù)，對某一輸入信號進行正弦變換和余弦變換，然后疊加輸出。1．新建一個項目文件、原理圖文件，另存為“仿真數(shù)學函數(shù).PrjPcb”、“仿真數(shù)學函數(shù).SchDoc”。2．在系統(tǒng)提供的集成庫中，找到“SimulationSourees.IntLib”和“SimulationMathFunction.IntLib”，并進行加載。3．在“Component（元件）”面板中，打開集成庫“SimulationMathFunction.IntLib”，找到正弦變換函數(shù)“SINV”、余弦變換函數(shù)“COSV”及電壓相加函數(shù)“ADDV”，分別放置在原理圖中，如圖所示。4．在“Component（元件）”面板中，打開集成庫“MiscellaneousDevices.IntLib”，找到元件Res2，在原理圖中放置兩個接地電阻，并完成相應的電氣連接5．雙擊電阻，系統(tǒng)彈出屬性設置對話框，相應的仿真參數(shù)即電阻值均設置為1K。6．左鍵雙擊每一個仿真數(shù)學函數(shù)，進行參數(shù)設置，在彈出“Component（元件）”對話框中，只需設置標識符，如圖所示。設置好的原理圖如圖所示。7．在“Component（元件）”面板中，打開集成庫“SimulationSourees.IntLib”，找到正弦電壓源“VSIN”，放置在仿真原理圖中，并進行接地連接，如圖所示。8．雙擊正弦電壓源，彈出相應的元件屬性面板，設置其基本參數(shù)及仿真參數(shù)，如圖所示。標識符輸入為“V1”，其他各項仿真參數(shù)均采用系統(tǒng)的默認值即可。9．單擊“OK（確定）”按鈕返回后，仿真原理圖如圖9-53所示。10．在原理圖中需要觀測信號的位置處添加網(wǎng)絡標簽。11．在狀態(tài)欄“Panel（面板）”上單擊彈出快捷菜單，選擇“SimulationDashboard（仿真儀表）”命令，彈出“SimulationDashboard（仿真儀表）”面板，設置仿真參數(shù)，如圖所示。12．在“3.AnalysisSetup&Run（分析設置和運行）”選項組中打開“OperatingPoint”下拉選項，在“Dispayonschematic（原理圖顯示）”列表框中，單擊選中“Voltage（電壓）”按鈕，如圖所示。13．設置完畢后，單擊菜單欄中的“設計”→“仿真”→“MixedSim（混合仿真）”命令，系統(tǒng)進行電路仿真，靜態(tài)工作點分析結(jié)果、瞬態(tài)仿真分析的仿真結(jié)果如圖所示。9.5電路仿真的基本方法

下面結(jié)合一個實例介紹電路仿真的基本方法：電路原理圖快捷菜單選擇仿真庫

添加仿真激勵源連接激勵源并接地設置仿真激勵源的參數(shù)

添加仿真電源仿真波形1仿真波形29.6操作實例

9.6.1帶通濾波器仿真本例要求完成如圖所示仿真電路原理圖的繪制，同時完成脈沖仿真激勵源的設置及仿真方式的設置，實現(xiàn)瞬態(tài)特性、直流工作點、交流小信號及傳輸函數(shù)分析，最終將波形結(jié)果輸出。實例操作步驟如下：1．選擇菜單命令“文件”→“新的”→“項目”，建立新工程，并保存更名為“BandpassFilters.PRJPCB”。為新工程添加仿真模型庫，完成電路原理圖的設計。2．設置元件Vin的參數(shù)。3．單擊菜單欄中的“設計”→“仿真”→“MixedSim（混合仿真）”命令，系統(tǒng)將彈出“SimulationDashboard（仿真儀表）”面板，使用默認參數(shù)進行仿真分析。4．在“3.AnalysisSetup&Run（分析設置和運行）”選項組中打開“DCSweep（直流信號分析）”項，取消勾選V1復選框，不進行直流信號分析，如圖所示。5．在“3.AnalysisSetup&Run（分析設置和運行）”選項組中打開“Transient（瞬態(tài)特性分析）”選項，根據(jù)需要觀察的節(jié)點IN、OUT添加輸出參數(shù)v(IN)、v(OUT)，設置瞬態(tài)特性分析相應的參數(shù)，如圖所示。6．在“3.AnalysisSetup&Run（分析設置和運行）”選項組中打開“ACSweep（交流信號分析）”選項，根據(jù)需要觀察的節(jié)點IN、OUT添加輸出參數(shù)MAG(v(IN))、MAG(v(OUT))，設置交流信號分析選項參數(shù)如圖所示。7.設置完畢后。單擊菜單欄中的“設計”→“仿真”→“MixedSim（混合仿真）”命令，系統(tǒng)先后進行直流工作點分析、瞬態(tài)特性分析、交流信號分析，其結(jié)果分別如圖所示。直流工作點分析結(jié)果