第8章 电路仿真

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第8章 电路仿真 章

8.1 电路仿真的基本概念

仿真中涉及到的几个基本概念如下： （1）仿真元器件：用户在做电路仿真时用到的元器件，要求具有仿真 属性。 （2）仿真电路图：用户根据具体电路的设计要求，使用原理图编辑器 及具有仿真属性的元器件所绘制成的电路原理图。 （3）仿真激励：用于模拟实际电路中的信号。 （4）仿真方式：仿真方式有多种，不同的仿真方式对应不同的参数设 定，用户应根据具体的电路要求选择设置仿真方式。 （5）仿真结果：一般以波形的形式给出。

8.2 电路仿真的基本步骤

1.编辑仿真原理图 绘制仿真原理图时，图中所使用的元器件都必须具有Simulation属性。 如果某个元器件不具有仿真属性，则在仿真时将出现错误信息 2.设置仿真激励源 所谓仿真激励源就是输入信号，使电路可以开始工作。仿真常用激励 源有直流源、脉冲信号源及正弦信号源等。 3.放置节点网络标号 将网络标号放置在需要测试的电路位置上。 4.设置仿真方式及参数 用户应当根据具体电路的仿真要求，设置合理的仿真方式和相应的参 数。不同的仿真方式显示的仿真结果也不同。 5.执行仿真命令 将以上设置完成后，执行菜单命令Design→Simulate→Mixed Sim命令， 启动仿真命令。 6.分析仿真结果 用户可以在*.sdf的文件中查看、分析仿真的波形和数据。若对仿真结 果不满意，可以修改电路仿真原理图中的参数，再次进行仿真，直到 满意为止。

8.3 常用电路仿真元器件

Altium Designer 6.0的主要仿真电路元器件有分离元器件、特殊元器件 等。下面分别介绍这些仿真元器件。 1.分离元器件 Altium Designer 6.0系统为用户提供了一个常用分离元器件集成库 Miscellaneous Devices.IntLib，该库中包含了常用的元器件，如电阻、 电容、电感、三极管等，它们大部分都具有仿真属性，可以用于仿真。 2.特殊元器件 （1）节点电压初始值元器件 节点电压初值“.IC”是存放在Simulation Sources.IntLib元器件库内的 特殊元器件。 （2） 仿真数学函数元器件 在Altium Designer 6.0仿真器中，系统还提供了若干仿真数学函数。它 们作为一种特殊的仿真元器件，主要用来将两路信号进行合成，以达 到一定的仿真目的。这就需要数学函数元器件来完成电路中信号的加、 减、乘、除等数学运算，也可以用来对一个节点信号进行各种变换， 如正弦变换、余弦变换等。

8.4 电源和仿真激励源

8.4.1 直流电压源和直流电流源

直流电压源和直流电流源在仿真原理图中分别为仿真电路提供一个不 变的直流电压信号和直流电流信号。双击放置的直流电源，打开元器 件属性设置对话框，在对话框的 栏中双击Simulation，然后 在打开的对话框中单击Parameters标签，切换到Parameters选项卡。 ▲ Value：用于设置直流电源值。 ▲ AC Magnitude：用于设置交流小信号分析的电压值。 ▲ AC Phase：用于设置交流小信号分析的初始相位值。

8.4.2 正弦信号激励源

正弦信号激励源包括正弦电压源VSIN和正弦电流源ISIN。它们主要用 来产生正弦电压和正弦电流，用以交流小信号分析和瞬态分析。 在该对话框中，需要设置的参数比较多，各项参数的具体意义如下： ▲ DC Magnitude：用于设置正弦信号的直流参数，它表示正弦信号 的直流偏置，通常设置为0。 ▲ AC Magnitude：用于设置交流小信号分析的电压值，通常设置为 1V。 ▲ AC Phase：用于设置交流小信号分析的初始相位值，通常设置为0。 ▲

Offset：用于设置正弦信号波上叠加的直流分量。 ▲ Amplitude：用于设置正弦信号的振幅。

▲ Frequency：用于设置正弦信号的频率。 ▲ Delay：用于设置正弦信号的初始延时时间。 ▲ Damping Factor：用于设置正弦信号的阻尼因子，当设置为正值时， 正弦波的幅值随时间的变化而衰减；当设置为负值时，正弦波的幅值 随时间的变化而递增。 ▲ Phase：用于设置正弦波的初始相位。

8.4.4 随机信号激励源

随机信号激励源用来提供随机信号，此信号是由若干条相连的直线组成 的不规则的信号，包括两种：随机信号电压源VPWL和随机信号电流源 IPWL。仿真参数如下。 ▲ DC

Magnitude：用于设置随机信号激励源的直流参数，通常设置为0。 ▲ AC Magnitude：用于设置交流小信号分析的电压值，通常设置为1V。 ▲ AC Phase：用于设置交流小信号分析的初始相位值，通常设置为0。 ▲ Time/Value Pairs：用于设置在分段点处的时间值和电压值。单击 按钮，可以增加一个分段点；单击 按钮，可以删除一个所选的分 段点。

8.4.5 调频波激励源

调频波激励源用来为仿真电路提供一个频率可变化的仿真信号，一般在 高频电路仿真时使用，包括两种：调频电压源VSFFM和调频电流源 ISFFM。仿真参数如下。 ▲ DC Magnitude：用于设置调频波激励源的直流参数，通常设置为0。 ▲ AC Magnitude：用于设置交流小信号分析的电压值，通常设置为1V。 ▲ AC Phase：用于设置交流小信号分析的初始相位值，通常设置为0。 ▲ Offset：用于设置叠加在调频信号上的直流分量。 ▲ Amplitude：用于设置调频信号的载波幅值。 ▲ Carrier Frequency：用于设置调频信号载波频率。 ▲

Modulation Index：用于设置调制系数。

8.4.6 指数函数信号激励源

指数函数信号激励源为仿真电路提供指数形状的电流或电压信号，常 用于高频电路仿真中，包括两种：指数电压源VEXP和指数电流源 IEXP。 指数函数信号激励源的仿真参数设置对话框仿真参数如下。 ▲ DC Magnitude：用于设置指数函数信号激励源的直流参数，通常设 置为0。 ▲ AC Magnitude：用于设置交流小信号分析的电压值，通常设置为1V。 ▲ AC

Phase：用于设置交流小信号分析的初始相位值，通常设置为0。 ▲ Initial Value：用于设置指数函数信号的初始幅值。 ▲ Pulsed Value：用于设置指数函数信号的跳变值。 ▲

Rise Delay Time：用于设置信号上升延迟时间。 ▲ Rise Time Constant：用于设置信号上升时间。 ▲ Fall Delay Time：用于设置信号下降延迟时间。 ▲ Fall Time Constant：用于设置信号下降时间。

8.5 仿真模式设置

Altium Designer 6.0的仿真器可以完成各种形式的信号分析。在仿真 器的分析设置对话框中，通过通用参数设置页面，允许用户指定仿真 的范围和自动显示仿真的信号，每一项分析类型可以在独立的设置页 面内完成。 Altium Designer 6.0中允许的分析类型包括： ▲静态工作点分析（Operating Point Analysis） ▲瞬态分析和傅里叶分析（Transient/Fourier

Analysis） ▲直流扫描分析 （DC Sweep Analysis DC Analysis） ▲交流小信号分析 （AC

Small Signal Analysis） ▲噪声分析 （Noise Analysis） ▲零-极点分析（Pole-Zero

Analysis） ▲传递函数分析（Transfer Function Analysis） ▲蒙特卡罗分析（Monte Carlo

Analysis） ▲参数扫描( Parameter Sweep) ▲温度扫描（Temperature Sweep）

8.5.1 通用参数设置

在原理图编辑环境中，执行菜单命令Design→Simulate→Mixed Sim， 弹出Analyses

Setup（分析设置）对话框。 在该对话框左侧Analyses/Options栏中列出了需要设置的仿真参数和模 型，右侧显示了与当前所选项目对应的仿真模型的参数设置。系统打开 对话框后，默认的选项为General Setup，即通用参数设置页面。 （1）仿真数据结果可以通过Collect

Data For下拉列表框中指定。 （2）在Sheets to Netlist下拉列表框中，可以指定仿真分析的是当前原 理图还是整个项目工程。 （3）在SimView Setup下拉列表框中，用户可以设置仿真结果的显示。 （4）在Available Signals栏中列出了所有可供选择的观测信号。通过 改变Collect Data For下拉列表框的设置，该栏中的内容将随之变化。 （5）在Active

Signals列表框中列出了仿真结束后，能立即在仿真结果 中显示的信号。

8.5.3 瞬态分析和傅里叶分析

瞬态分析和傅里叶分析（Transient/Fourier Analysis）是电路仿真中经常 用到的仿真方式，在分析设置对话框中选中Transient/Fourier Analysis项，即可在右面显示瞬态分析和傅里叶分析参数设置，如图 8-26所示。 1.瞬态分析 瞬态分析在时域中描述瞬态输出变量的值。在未使用Use Initial Conditions参数时，对于固定偏置点，电路节点的初始值对计算偏置 点和非线性元件的小信号参数时节点初始值也应考虑在内，因此有初 始值的电容和电感也被看作是电路的一部分而保留下来。 2.傅里叶分析 一个电路设计的傅里叶分析是基于瞬态分析中最后一个周期的数据完 成的。 ▲ Enable Fourier：若选中该复选框，则在仿真中执行傅里叶分析。 ▲ Fourier Fundamental Frequency：用于设置傅里叶分析中的基波频率。 ▲ Fourier Number of Harmonics：傅里叶分析中的谐波数。每一个谐波 均为基频的整数倍。 ▲ Set Defaults：单击该按钮，可以将参数恢复为默认值。 在执行傅里叶分析后，系统将自动创建一个.sim 数据文件，文件中包 含了关于每一个谐波的幅度和相位的详细信息。

8.5.4 直流扫描分析

直流扫描分析（DC Sweep Analysis）就是直流转移特性，当输入在一 定范围内变化时，输出一个曲线轨迹。通过执行一系列静态工作点分 析，修改选定的源信号电压，从而得到一个直流传输曲线。用户也可 以同时指定两个工作源。 ▲ Primary Source：电路中独立电源的名称。 ▲ Primary Start：主电源的起始电压值。 ▲ Primary Stop：主电源的停止电压值。 ▲ Primary Step：在扫描范围内指定的主电源步长值。 ▲ Enable Secondary：在主电源基础上，执行对从电源值的扫描分析。 ▲ Secondary Name：在电路中独立的第二个电源的名称。 ▲ Secondary Start：从电源的起始电压值。 ▲ Secondary Stop：从电源的停止电压值。 ▲ Secondary Step: 在扫描范围内指定的从电源步长值。 在直流扫描分析中必须设定一个主源，而第二个源为可选源。通常第 一个扫描变量（主独立源）所覆盖的区间是内循环，第二个（从独立 源）扫描区间是外循环。