1、第5章 电路仿真测试2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)第5章 电路仿真测试5.1 电路仿真操作步骤电路仿真操作步骤5.2 元器件仿真参数设置元器件仿真参数设置5.3 电路仿真操作初步电路仿真操作初步5.4 常用仿真方式及应用常用仿真方式及应用 “电路仿真”以电路分析理论为基础，通过建立元件器的数学模型，借助数值计算方法，在计算机上对电路功能、性能指标进行分析计算，然后以文字、表格、波形等方式在屏幕上显示出电路性能指标。第5章 电路仿真测试2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)Altium D
2、esigner电路仿真程序具有如下特点：(1)与原理图编辑(Schematic Edit)融为一体，即只要原理图中所用元器件的电气图形符号具有仿真模型，在完成原理图编辑后即可启动仿真操作，无须再次输入仿真电路，避免了重复劳动这是内嵌电路仿真功能CAD软件的优点。(2)提供了数十种仿真激励源、多种工业标准仿真元器件(即这些元器件的电气图形符号具有相应的仿真模型)，可对模拟电路、数字电路及数/模混合电路进行仿真分析。(3)提供了工作点分析、瞬态特性分析（即时域分析，在瞬态特性分析时，允许启动傅立叶分析，从而获得非正弦信号的频谱）、交流小信号分析（即频域分析，包括幅频、相频特性）、阻抗分析（通过交流
3、小信号分析获得）、直流扫描分析、温度扫描分析、参数扫描分析、极点-零点分析、噪声分析、蒙特卡罗统计分析等多种仿真分析方式。可以只执行其中的一种分析方式，也可以同时执行多种分析方式。(4)除工作点分析外，其他均以图形方式输出仿真结果，直观性强；仿真波形管理方便，能以多种方式，从不同角度观察分析结果。例如，在交流小信号分析过程中，可同时获得幅频特性、相频特性曲线。(5)智能化程度高。仿真波形纵坐标(即Y轴)刻度及单位将依据仿真波形性质自动选择；能依据绘图框尺寸自动调节仿真波形大小。第5章 电路仿真测试5.1 电路仿真操作步骤电路仿真操作步骤1.编辑原理图 在原理图中包括激励源在内的所有元器件的电气
4、图形符号均需具有仿真模型，如图5.1.1所示，否则仿真时因找不到元件模型参数（如三极管的放大倍数、C-E结反向漏电流等）给出错误提示并终止仿真过程。图图5.1.1 模型列表窗内显示出模型列表窗内显示出“仿真模型仿真模型”第5章 电路仿真测试2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)2.放置仿真激励源(包括直流电压源)在仿真测试电路中，必须包含至少一个仿真激励源。仿真激励源电气图形符号位于仿真测试专用集成库文件夹Simulation下的Simulation Sources.IntLib集成库文件中。3.放置节点网络标号 在需要观察电压波形的节点上，放
5、置网络标号，以便观察指定节点的电压波形，否则Altium Designer仿真软件自动用“net-xx”作为节点的网络标号，不够直观。4.选择仿真方式及仿真参数 在原理图编辑窗口内，单击“Design”菜单下的“SimulateMixed Sim”命令（或直接单击仿真工具栏内的“仿真设置”工具）进入“Analyses Setup”仿真设置窗口，根据被测电路特征和实际需要，选择仿真方式及仿真参数。第5章 电路仿真测试2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)5.2 元器件仿真参数设置元器件仿真参数设置5.2.1元件仿真模型元件仿真模型 与Protel
6、 99SE以前版本不同，基于DXP平台的Altium Designer取消了仿真测试专用元件库，而是将仿真模型嵌入到集成库文件(.IntLib)中。Altium Designer将原理图编辑过程中用到的元件电气图形符号、PCB设计过程中用到的元件封装图与3D视图、电路性能仿真测试过程中需要的元件仿真模型(.mdl或.ckt)以及在高速PCB板上进行信号完整性分析用到的元件信号完整性分析模型等统一存放在各类集成库文件(.IntLib)中。1.元件仿真模型数量及分布第5章 电路仿真测试2.元件仿真模型查找 当实在无法确定哪一集成库文件中含有目标元件的“仿真模型”时，可借助“元件查找”操作实现。下面
7、以查找2N2222双极型NPN三极管为例，介绍查找特定元件仿真模型的操作过程。(1)单击“元件库面板”窗口内的“Search”(查找)按钮，进入图5.2.1所示的“元件查找”设置窗。图5.2.1 元件查找窗口 第5章 电路仿真测试2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)(2)单击图5.2.1所示窗口内的“Advanced”按钮，在图5.2.2所示的高级查找设置窗内的“查找条件语句”文本窗内输入查找命令，并启动查找进程。其中HasModel(SIM,*2N2222*,False)或HasModel(SIM,*2N2222*,True)语句的含义是查
8、找仿真模型名中包含有“2N2222”的元件，如果去掉仿真模型名中代表任意长度字符串的通配符“*”，那么就仅查找仿真模型为2N2222的元件。当需要查找全部元件的仿真模型时，可用HasModel(SIM,*,False)作为查找条件 图图5.2.2 元件高级查找窗口元件高级查找窗口 查找对象为元件第5章 电路仿真测试 设置查找范围及查找路径后，单击图5.2.2窗口内的“Search”按钮，启动查找进程，如果找到满足条件的元件，将显示在元件库面板中，如图5.2.3所示。图图5.2.3 满足条件的查找结果满足条件的查找结果 (3)在元件库面板窗口内将找到的元件放置到原理图编辑内。2024-5-24电
9、子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)第5章 电路仿真测试2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)5.执行仿真操作 在原理图编辑窗口内，单击仿真测试工具栏内的“运行混合信号仿真”(Run Mixed Signal Simulation)工具启动仿真测试过程，等待一段时间后即可在屏幕上看到仿真测试结果。6.观察、分析仿真测试数据 仿真操作结束后，自动启动波形编辑器并显示仿真数据文件(.SDF)内容。在波形编辑器窗口内，观察仿真结果，不满意可修改仿真参数或元件参数后，再执行仿真操作。7.保存或打印仿真波形 第5章 电路仿
10、真测试2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)5.2.2物理量单位及数据格式 在设置元件仿真参数、仿真运行参数时，往往使用定点数形式输入，且不用输入参数的物理量单位，即电容容量默认为F（法拉）、阻值为（欧姆）、电感为H（亨）、电压为V(伏特)、电流为A（安培）、频率为Hz（赫兹）、功率为W（瓦）等，但可以使用如下的比例因子（大小写含义相同）：m=1E-3,即10-3；u=1E-6,即10-6；n=1E-9,即10-9；p=1E-12,即10-12；f=1E-15,即10-15。K=1E+3,即103；Meg=1E+6,即106；G=1E+9,即1
11、09；T=1E+12,即1012。例如，“22u”对电容容量来说是22F（微法），对电感来说为22H（毫亨），对电压来说为22V（微伏）、对电流来说为22A(微安)等。第5章 电路仿真测试5.2.3元件参数设置操作 在元件放置操作过程中，未单击鼠标左键固定前，可按下Tab键进入图5.2.4所示的元件属性设置窗口（如果元件固定状态，双击元件也同样会进入元件属性设置窗），指定元器件序号及仿真参数。图5.2.4 电阻元件属性窗口设置元件序号设置元件仿真参数单击Simulation设置元件仿真模型参数2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)第5章 电路仿
12、真测试5.2.4仿真信号源及参数 在电路仿真过程中需要用到各种各样的激励源，这些激励源存放在Library Simulation Sources.IntLib集成库文件中，包括了直流电压源VSRC(voltage source)与直流电流源 ISRC(current source)、正弦波电压信号源VSIN(voltage source)与正弦波电流信号源ISIN(current source)、周期性脉冲信号源VPULSE(voltage source)与 IPULSE(current source)、分段线性激励源VPWL(voltage source)与 IPWL(current sou
13、rce)以及各种受控源等。1.直流电压源直流电压源VSRC与直流电流源与直流电流源 ISRC 双击仿真信号源，进入信号属性设置窗，在属性设置窗内，单击模型列表窗内的“Simulation”类型，接着再单击“Edit”按钮，进入图5.2.7所示的仿真模型参数设置窗口，设置仿真参数。2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)第5章 电路仿真测试选择仿真模型进入激励源属性设置窗选择仿真模型第5章 电路仿真测试2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)图图5.2.7 直流电源参数设置窗直流电源参数设置窗 选择“
14、simulation”模型后，再单击“Edit”按钮进入图5.2.7所示信号源仿真参数设置窗，设置信号源的参数。第5章 电路仿真测试2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)2.正弦波信号源（正弦波信号源（Sinusoid Waveform）正弦波信号源在电路仿真分析中常作为瞬态分析、交流小信号分析的信号源，仿真参数如图5.2.8所示。图图5.2.8 正弦信号源仿真参数正弦信号源仿真参数 第5章 电路仿真测试2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)3.脉冲激励源（脉冲激励源（Pulse）脉冲激励源主要
15、用在瞬态分析中，也是数字脉冲电路重要的激励源，脉冲激励源仿真参数如图5.2.10所示。图图5.2.10 脉冲信号激励源参数脉冲信号激励源参数 第5章 电路仿真测试2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)5.3 电路仿真操作初步电路仿真操作初步 在介绍了电路仿真操作步骤、元件及激励源属性设置方法后，下面以图5.3.1所示的共发射极放大电路为例，说明Altium Designer仿真操作过程。图图5.3.1 分压式偏置电路分压式偏置电路 第5章 电路仿真测试2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)5.3
16、.1 编辑电原理图编辑电原理图 在仿真操作前，先建立原理图文件。原理图编辑方法第2章已介绍过，这里不再重复。在编辑原理图过程中，唯一需要注意的是：电路图中所有元件电气图形符号一定具有仿真模型；在元件未固定前必须按下Tab键，在元件属性窗口内，设置元件的属性选项(Designate、仿真模型及参数)，然后放置相应的仿真激励源；接着在需要观察电压信号的节点上，放置网络标号。此外，电路图中不允许存在没有闭合的回路，必要时可通过高阻值电阻，使回路闭合；也不允许存放电位差不确定的节点，例如必须在变压器、光耦等输入/输出回路之间加接地符号。再就是只能在仿真项目文件(.PrjPcb)“Source Docu
17、ment”文件夹下创建一个原理图文件，即只能对一个原理图文件(.SchDoc)进行仿真操作，否则仿真时可能会遇到元件标号重复错误。第5章 电路仿真测试2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)5.3.2选择仿真方式并设置仿真参数选择仿真方式并设置仿真参数 在完成原理图编辑后，下一步就是根据电路性质及具体测试要求，选择仿真方式并设置仿真参数：在原理图编辑窗口内，指向并单击“Mixed-Sim”工具栏内的“Setup Mixed-Singal Simulation”(混合信号仿真设置)按钮，进入如图5.3.3所示的“Analyses Setup”仿真设
18、置窗口，选择仿真方式及仿真参数。图图5.3.3 仿真方式设置窗仿真方式设置窗 第5章 电路仿真测试2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)1.选择仿真分析方式选择仿真分析方式 在“General Setup”标签窗口，单击相应仿真方式后面的选项框，即可允许或禁止相应仿真方式。本例仅选择“Operating Point Analyses”（工作点分析）和“Transient Analyses”（瞬态特性/傅立叶分析）。可以只选择其中的一种仿真分析方式。但为了获得更多的电路参数，往往需要根据被测电路特征、性质同时执行多种仿真分析方式，例如当被测电路为
19、模拟放大电路时，可组合使用Operating Point Analyses、Transient analysis、Parameter Sweep analysis、AC Small Signal analysis、Temperature Sweep analysis等多种仿真分析方式。2.选择计算和立即观察的信号选择计算和立即观察的信号 第5章 电路仿真测试2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)3.设置仿真模型文件目录设置仿真模型文件目录 单击图5.3.3 仿真方式设置窗口内的“Preferences”(选项设置)按钮，在图5.3.4所示窗口内
20、将仿真模型文件目录设为“LibrarySim”，否则在仿真操作过程中，将无法找到数字IC元件的仿真模型。图图5.3.4 设置仿真模型文件所在目录设置仿真模型文件所在目录 第5章 电路仿真测试4.设置仿真参数并执行仿真操作设置仿真参数并执行仿真操作 除了“Operating Point Analyses”仿真方式不需要设置仿真参数外，选择了某一仿真方式后，尚需要设置其仿真参数。在本例中，单击“Transient Analyses”仿真方式，在如图5.3.5所示的“Transient Analyses Setup”（瞬态特性/傅立叶分析）参数设置窗口内，设置相应的参数。图图5.3.5“Transi
21、ent Analyses”（瞬态特性（瞬态特性/傅立叶分析）参数设置傅立叶分析）参数设置 第5章 电路仿真测试5.高级选项设置高级选项设置（可选）必要时，在图5.3.3所示的“仿真方式设置”窗口内，单击“Advanced Options”(高级选项)按钮，在图5.3.6所示的高级选项设置框内，选择仿真计算模型、数字集成电路电源引脚对地参考电压、瞬态分析参考点、缺省的仿真参数等，但必须注意，一般并不需要一般并不需要修改高级选项设置，尤其是不熟悉修改高级选项设置，尤其是不熟悉Spice电路分析软件定义的器件参数含义、取值范围以电路分析软件定义的器件参数含义、取值范围以及仿真算法的初学者，更不要随意
22、修改高级选项设置，否则将引起不良后果。及仿真算法的初学者，更不要随意修改高级选项设置，否则将引起不良后果。图图5.3.6 高级选项设置高级选项设置 2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)第5章 电路仿真测试6.启动仿真计算过程启动仿真计算过程 设置了仿真参数后，单击“OK”按钮关闭仿真设置窗口，在原理图编辑状态下，指向并单击“Mixed-Sim”工具栏内的“Run Mixed-Singal Simulation”按钮，启动仿真过程。运行仿真操作时，将自动创建高级仿真网络表文件.nsx，该文件包含了一系列Spice仿真命令语句。运行仿真后，将按.
23、nsx文件设定的仿真方式及参数，对电路进行一系列的仿真计算，以便获得相应的电路参数、曲线。仿真结果记录在.SDF（Simulation Data File）文件内，该文件以文本或图形方式记录了仿真计算结果，如图5.3.7所示。图图5.3.7 仿真波形观察窗口仿真波形观察窗口 第5章 电路仿真测试 为方便管理仿真数据及波形，可单击控制面板上的“仿真数据”(Sim Data)按钮，进入如图5.3.8所示的“仿真数据”面板窗口。图图5.3.8“仿真数据仿真数据”面板面板 第5章 电路仿真测试5.3.3仿真操作常见错误与纠正仿真操作常见错误与纠正 在原理图编辑过程中，违反原理图绘制规则的错误，在编译时
24、会发现。这里简要介绍在仿真设置、操作过程中常见的错误。1.卸载或禁用了原理图中元件集成库文件卸载或禁用了原理图中元件集成库文件(.IntLib)在仿真操作时，原理图中除RLC元件、激励源外的元件，如二极管、双极型三极管、MOS管、可控硅、IC等所在集成库文件(.IntLib)必须处于打开状态，否则仿真时将找不到对应元件的仿真模型文件。例如，在元件库面板中，禁用或卸载LibraryFairchild Semiconductor FSC Discrete BJT.IntLib后，单击“Mixed-Sim”工具栏内的“Run Mixed-Singal Simulation”按钮，对图5.3.1所示放
25、大电路进行仿真操作时，将显示“Errors Occurred during netlist Generation”(创建仿真列表文件发现错误)，如图图5.3.9所示。图图5.3.9 创建列表文件发生错误创建列表文件发生错误 单击“OK”按钮后，在图5.3.10所示的“Messages”(消息)窗口内，将看到具体错误原因为“Q1-Could not find SIM Model 2N5551”(未找到2N5551的仿真模型)。图图5.3.10“Messages”(消息消息)窗口内提示的错误原因窗口内提示的错误原因 第5章 电路仿真测试2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium De
26、signer平台(第七版)2.元件仿真模型类型指定错误导致仿真结果异常元件仿真模型类型指定错误导致仿真结果异常 如果电路连接无误、参数正确，但仿真结果异常，原因可能是原理图中某一元件模型种类选择错误所致。例如，误将NPN型三极管的“Model Sub-Kind”设为“JEFT”，则仿真结果就不正确。所幸的是，这类错误，一般会给出提示信息，如图5.3.14所示。图图5.3.14 错误提示错误提示 第5章 电路仿真测试2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)5.3.4仿真结果观察及波形管理仿真结果观察及波形管理 本内容要求学生自学，可参阅教材中实例。
27、第5章 电路仿真测试2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)5.4 常用仿真方式及应用常用仿真方式及应用 Altium Designer仿真器提供了12种仿真分析方式：Operating Point Analyses：工作点分析（即计算电路静态工作点：工作点分析（即计算电路静态工作点Q）。）。Transient Analysis(包含了包含了Fourier Analysis)：瞬态特性分析：瞬态特性分析(包含了傅立叶分析包含了傅立叶分析)。DC Sweep Analysis：直流扫描分析（也称为直流传输特性分析）。：直流扫描分析（也称为直流传输特
28、性分析）。AC Small Signal Analysis：交流小信号分析，常用于获取电路幅频、相频特性曲线。：交流小信号分析，常用于获取电路幅频、相频特性曲线。Impedance Plot analysis：阻抗分析（不单独列出，通过：阻抗分析（不单独列出，通过AC小信号分析获得）。小信号分析获得）。Noise analysis：噪声分析。：噪声分析。Pole-Zero Analysis：极点：极点-零点分析。零点分析。Transfer Function analysis：传递函数分析。：传递函数分析。Temperature Sweep analysis：温度扫描分析。：温度扫描分析。Par
29、ameter Sweep analysis：参数扫描分析。：参数扫描分析。Monte Carlo analysis：蒙特卡罗统计分析。：蒙特卡罗统计分析。第5章 电路仿真测试5.4.1工作点分析工作点分析(Operating Point Analyses)在进行工作点分析时，仿真程序将电路中的电感元件视为短路，电容视为开路，然后计算出电路中各节点对地电压、各支路（每一元件）电流这就是常说的静态工作点分析。在图5.3.3所示的仿真方式设置窗口内，单击“Operating Point Analyses”选项前复选框，选中“工作点分析”选项；执行仿真操作后，单击图5.3.6所示仿真波形观察窗口下方“
30、仿真结果列表”栏内的“Operating Point”，即可在仿真波形窗口内观察到工作点计算结果，如图5.4.1所示。图图5.4.1 工作点分析结果工作点分析结果 第5章 电路仿真测试2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)5.4.2瞬态特性分析瞬态特性分析(Transient analysis)与傅立叶分析与傅立叶分析(Fourier analysis)Transient analysis属于时域分析，用于获得电路中各节点对地电压、支路电流或元件功率等信号的瞬时值，即被测信号随时间变化的瞬态关系，相当于在示波器上直接观察各节点电压(对地)信号的
31、波形，因此Transient analysis是一种最基本、最常用的仿真分析方式。第5章 电路仿真测试5.4.3 参数扫描分析参数扫描分析(Parameter Sweep analysis)参数扫描分析用于研究电路中某一元器件参数变化时，对电路性能的影响，常用于确定电路中某些关键元件参数的取值。在进行瞬态特性分析、交流小信号分析或直流传输特性分析时，同时启动“参数扫描”分析，即可非常迅速、直观地了解到电路中特定元件参数变化时，对电路性能的影响。在如图5.3.3所示的仿真参数设置窗口内，单击“Parameter Sweep”标签，即可获得如图5.4.2所示的Parameter Sweep（参数扫
32、描）设置窗口。图图5.4.2 参数扫描设置窗口参数扫描设置窗口 第5章 电路仿真测试2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)5.4.4交流小信号分析（交流小信号分析（AC Small Signal）AC小信号分析用于获得电路，如放大器、滤波器等的幅频特性、相频特性曲线。AC交流小信号分析属于线性频域分析，仿真程序首先计算电路的直流工作点，以确定电路中非线性器件的线性化模型参数。然后在设定的频率范围内，对已线性化的电路进行频率扫描分析，相当于用扫频仪观察电路的幅频特性。交流小信号分析能够计算出电路的幅频及相频特性，或频域传递函数。第5章 电路仿真测
33、试5.4.5 阻抗特性分析（阻抗特性分析（Impedance Plot analysis）Altium Designer仿真程序提供阻抗特性分析功能，只是不单独列出，而是放在AC小信号分析方式中，即在AC小信号波形窗口内选择激励源阻抗，如Vin(z)、Vcc(z)等作为观察对象，即可得到电路的输入、输出阻抗曲线。1.求输入阻抗Ri 根据电路输入阻抗Ri的定义（即Ri=ui/ii），求电路输入阻抗Ri时，无须改动电路结构，在AC小信号分析窗口内，选择输入信号源阻抗，如图5.3.1中的V1(z)作为观察对象即可获得放大器输入阻抗Ri曲线，如图5.416所示（中频段约为7.4K）。图图5.4.16
34、输入阻抗输入阻抗Ri特性曲线特性曲线 第5章 电路仿真测试2.求输出阻抗Ro 根据输出阻抗的定义，求输出阻抗时，需要修改电路结构：(1)用导线将输入信号源短路，但要保留输入信号源的内阻。(2)负载RL开路（即输出阻抗Ro与负载无关）。在操作上，可先删除RL，将输入信号源移到RL位置，用导线连接与输入信号源相连的两个节点，删除因连线改变后与GND短路的节点标号，如本例中的Vin标号。(3)在输出端接一信号源，这样信号源端电压与流过该信号源电流之比，就是输出电阻R0。(4)执行AC小信号分析，在AC小信号分析窗口内，选择信号源阻抗作为观察对象即可。按上述原则对图5.3.1放大电路改动后获得了图5.
35、4.19所示的输出阻抗仿真电路，而输出阻抗特性曲线如图5.4.20所示。图5.4.19 输出阻抗仿真电路 第5章 电路仿真测试2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)图图5.4.20 输出阻抗曲线输出阻抗曲线 根据电路分析理论可知，在中频段该电路输出阻抗近似等于R3，即2.7K，而仿真分析结果给出的输出阻抗为2.69K，与理论近似值非常接近。第5章 电路仿真测试2024-5-24电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台(第七版)5.4.6直流扫描分析直流扫描分析(DC Sweep analysis)直流扫描分析(DC Sweep)方法是在指定范围内，输入信号源电压由小到大或由负到正逐渐增加时，进行一系列的工作点分析以获得直流传输特性曲线，常用于获取运算放大器、TTL、CMOS等电路的直流传输特性曲线，以确定输入信号的最大范围和噪声容限。“直流扫描分析”也常用于获取场效应管的转移特性曲线，但直流扫描分析不适用于获取阻容耦合放大器的传输特性曲线。
