第二讲、OR-CAD 之PSPICE A/D 数模混合仿真模块

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1 第二讲、OR-CAD 之PSPICE A/D 数模混合仿真模块
编写：

2 Pspice A/D 的主要功能 1.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。
2.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。 Pspice A/D在整套软件中的位置 编写VHDL （EXPRESS） 绘制电路图 （CAPTURE） VHDL仿真（EXPRESS） 进行电路混合仿真 （PSPICE A/D） 设计电路板 （LAYOUT）

3 运用 PSpice 的基本条件 1.待仿真的元器件模型必须是PSpice的仿真模型
2.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 3.必须设置好合适的电路特性分析类型

4 Pspice 中的分析类型 一、基本分析类型 直流分析（DC Sweep) 交流与噪声分析（AC Sweep/Noise)
瞬态分析，即时域分析 Time Domain（Transient) 直流工作点分析（直流偏置分析Bias Analysis)

5 Pspice 中的基本分析方法 二、高级分析类型 Second Sweep 参数分析(Parametric Sweep)
温度分析(Temperature Sweep) 最坏情况分析(Worst case) 蒙特卡洛分析(Monte Carlo)

6 运行Pspice的基本步骤 启动 OrCAD Capture 新建一个工程（File>New >Project …)，
设置工程的类型为: Analog or Mixed-signal Circuit 为这个工程 起一个名字 选择设计项 目的存储位置

7 运行Pspice的基本步骤 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。 其他类型的capture视窗

8 请看演示…. ... 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…. ...

9 PSpice 直流分析 D1是一个稳压二极管，可以 针对电路中直流电流或直流电压的变动而做出的分析 例子： 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VDC Analog 库的R diode库的IN5225

10 请看演示…… 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
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 SWEEP 4.设置中选择Primary Sweep 5.设置扫描变量为电压源,本 例中电压源的名字为V1 6.设置扫描类型为线性 开始为 0V 结束为 5V 增量为 1V 7.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 V1设置为直流电压扫描变量， 扫描值从0V到5V，每次递增1V 请看演示……

11 PSpice 直流分析 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Trace>Add Trace 选择V(D1:K) ) 仿真的结果如下：

12 PSpice A/D 界面 显示采样点 启动光标 添加文本 X轴取对数坐标 定位光标在下一个采样点 标注光标位置的坐标 FFT变换
Y轴取对数坐标 添加观测信号 添加复合观测信号 定位光标在最小值 定位光标在下一个波峰 定位光标在最大值 定位光标在下一个波谷 定位光标在下一个数字转折点 定位光标在下一个斜率最大值 定位光标在上一个数字转折点

13 PSpice 交流分析 针对电路中交流电流或交流电压的变动（幅度、频率、相位）而做出的分析 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

14 PSpice 交流分析 请看演示……. 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
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/NOISE 4.设置中选择General Settings 5.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 10 6.先不选用噪声分析 请看演示…….

15 PSpice 交流分析 运行仿真程序，放置电压探针在out端（或者在Probe 演示窗口中加入V(out)波形 ) 仿真结果如下：

16 PSpice 中的噪声分析 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。 伴随AC交流分析而进行 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 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。 PSpice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

17 PSpice 中的噪声分析 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：

18 PSpice 中的噪声分析 设置步骤如下： 1.分析类型选择 AC SWEEP/NOISE 2.设置中选择General Settings
3.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10 4.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

19 PSpice 中的噪声分析 5.确定后，运行仿真。在PSpice A/D窗口中加入波形V(INOISE)和V(ONOISE) （菜单 Trace>Add Trace…或 快捷键 ) INOISE 即INPUT NOISE ONOISE 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

20 PSpice 瞬态分析 电路的瞬态分析即电路的时域响应 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。
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。 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。 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。

21 PSpice 瞬态分析 例子：低通滤波电路 V1为激励源，型号为VSIN（电压型正弦波） Voff=0v，(直流偏置)
设置 Voff=0v，(直流偏置) Vampl=5V，(交流信号幅值) Freq=100KHz source 库的VSIN

22 PSpice 瞬态分析 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 Settings 5.运行时间设为50 us 6.数据开始采集时间 设为 0 7.最大采集时间间隔用 系统默认值（不填写）

23 PSpice 瞬态分析 请看演示…... 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：
的波形进行快速傅里叶分 析(FFT点击FFT快捷按钮） FFT后的频域图波形如图：

24 PSpice 瞬态分析中的信号源 瞬态分析中常用的激励源 1、脉冲波 VPULSE，IPULSE 2、正弦波 VSIN，ISIN
3、指数波VEXP，IEXP 4、分段线形波 VPWL，IPWL(piece-wise liner) 5、周期的折线波VPWL_ENH,IPWL_ENH 6、单频调频波VSFFM，ISFFM

25 PSpice 瞬态分析中的信号源 脉冲波 VPULSE，IPULSE中属性的设定 例子：以VPULSE为例
设置V1=0，V2=2V，TD=2ms, TR=1ms, TF=2ms,PW=4ms, PER=10ms; 则VPULSE的波形为：

26 PSpice 瞬态分析中的信号源 正弦波 VSIN，ISIN中属性的设定 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：

27 PSpice 瞬态分析中的信号源 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：

28 PSpice 瞬态分析中的信号源 分段线形波 VPWL，IPWL中属性的设定 分段线形波通过设定的 样点值，采用插值的方 法勾画出整个脉冲
设置 T1=0,V1=0V; T2=2us,V2=1V; T3=3us,V3=4V; T4=6us,V2=0V;

29 PSpice 瞬态分析中的信号源 周期性折线波 VPWL_ENH，IPWL_ENH中属性的设定 例子： 以VPWL_ENH为例
TSF=1us, VSF=1V; FIRST NPAIRS=(0,-5) SECOND NPAIRS=(1,5) THIRD NPAIRS=(2,-5) REPEAT VALUE=2

30 PSpice 瞬态分析中的信号源 单频调频波 VSFFM，ISFFM中属性的设定 例子： 以VSFFM为例 Voff=1v,Vampl=5v
Fc=2k,Fm=300Hz Mod=5 波形如下: Value =Voff +Vampl * sin(2π* Fc * t + Mod*sin(2π* Fm * t) )

31 PSpice 中的直流工作点分析 直流工作点分析即直流偏置分析(Bias point analysis) 采用直流偏置分析可以得到以下信息:
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

32 PSpice 中的直流工作点分析 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VSIN BIPOLAR库40235

33 PSpice 中的直流工作点分析 操作步骤如下： 1.分析类型选中 Bias Point 2.具体分析类型
选择General Setting 3.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)

34 PSpice 中的直流工作点分析 仿真后需要在输出文件中看到分析的结果（PSpice A/D环境中菜单view>output file) 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。

35 PSpice 中的Second Sweep 1.Second Sweep是和直流分析（DC SWEEP）中的Primary Sweep一起使用的

36 PSpice 中的Second Sweep 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。

37 PSpice 中的Second Sweep 仿真文件编辑如下 1.分析类型选择 DC SWEEP 2.设置中首先选中
Primary Sweep A.扫描变量选择电压源 电压源的名字为V1 B.扫描类型选择线性 开始为 0V 结束为 5V 增量为 0.1V

38 PSpice 中的Second Sweep 3.在设置中选中 Second Sweep A.扫描变量选择 电流源 电流源的名字为I1
B.扫描类型选择线性 开始为 0uA 结束为 40uA 增量为 10uA 4.确认后可以进行仿 真并用电流探针观 察电流Ic

39 PSpice 中的Second Sweep 结果如下：

40 PSpice 中的参数分析 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
下面以一个滤波器电路为例介绍参数分析的使用

41 PSpice 中的参数分析 设置步骤： 1.绘制电路图 点击 New…加入新的属性R， A.添加参数元件PARAM 在SPECIAL 库中）
B.双击PARAM，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， C.编辑R2的属性，设置其Value 为{R} D.编辑L2的属性，设置其Value 为{L}

42 PSpice 中的参数分析 2.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） 以上设置相当于 2.1分析类型选择
AC Sweep/Noise 2.2选中General Setting 2.3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 普通的交流分析设置

43 PSpice 中的参数分析 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 序，如电路图一样放置 电压探针在R2上运行结 果如下图

44 PSpice 中的参数分析 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。
路变成了陷波器（即 带阻滤波器）

45 PSpice 中的参数分析 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，请大家自己实现，仿真结果如下： L的值从10 mh到 100mh， 增量为20mh

46 PSpice 中的温度分析 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 在进行其他类型的分析时都可以加入温度分析 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： 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

47 PSpice 中的温度分析 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。

48 PSpice 中的温度分析 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

49 PSpice 中的最坏情况分析和 蒙特卡洛分析
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 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 运行条件: 分析的元件应该设置好容差范围

50 PSpice 中的最坏情况分析和 蒙特卡洛分析
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]<变化值>[%]] +[LOT[/lot#][/分布规律]<变化值>[%]] 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uniform

51 Pspice综合分析案例 二极管限幅电路 DC sweep analysis Transient analysis
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： DC sweep analysis Transient analysis AC sweep analysis Parametric analysis Performance analysis

52 Pspice综合分析案例 DC 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。

53 Pspice综合分析案例 Transient 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。

54 Pspice综合分析案例 AC sweep 进一步更换激励信号源，将输入信 号中的直流电压源去掉，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。

55 Pspice综合分析案例 Parametric 为便于进一步观察，可 保持激励信号源不变， 以单独的观察各组信号。 将输入电阻的阻值改为变
如观察第一组信号和第二 们的差值。 Parametric 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。

56 Pspice综合分析案例 Performance 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
3db带宽Bandwidth(V(out),3) 和最大的电压db输出值 Max(Vdb(out))。

57 Pspice综合分析案例 小结 从上面的各个例子中可 以看出，完成一个Pspice分 另外，Orcad还为电路分 析需要如下四个必要步骤：
完成Capture中原理图的绘制； 设置元器件的值和其他各种属性； 设置合理的偏置电源和输入激励信号； 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： 应用Capture中的各种观察器，可以方便的观察各点信号。 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。

58 PSpice 中的数字分析 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 值 例如 0us 0 1us 1 在每一个command 中都可以写一组 时间—取值

59 PSpice 中的数字分析 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:\mydesign\reset.stm signalname 指明引用仿真文件中仿真信 号的名字 例如:reset 例子：reset.stm中的内容为： 则仿真波形为： 注意空行 reset clear 0ns 01 5ns 10 8ns 00

60 PSpice 中的SOURCESTM库 sourcestm.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edit>pspice stimulus 1.digstimn（n表示位数） 2.vstim

61 PSpice 中的数字分析 Digclock: ontime=0.5us offtime=0.5us filestim1:
filename=clear.stm signalname=clear Reset中的内容为: clear 0us 1 1us 0

62 PSpice 中的ABM ABM-Analog behavioral modeling
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。 online manuals >PSpice A/D>Analog behavioral modeling

63 PSpice 中的常见错误 1. ERROR -- Node node_name is floating
原因：a.没有放置地（ground）(source库) 错误, 来自capsym库的GND_Power 正确,来自source库的0 Error: Node GND_Power is floating

64 PSpice 中的常见错误 b.由于和地 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

65 PSpice 中的常见错误 原因： 2.WARNING: Part part_name has no simulation model
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)

66 本讲结束 参考资料 1.联机手册 online manuals 2.公司网址 http://www.orcad.com
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