PSPICE仿真软件的应用

第六章 PSpice仿真软件的应用

§6-1 SPICE的起源

SPICE 程序的全名为Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，顾名思义它是为了执行日益庞大而复杂的集成电路( Integrated Circuit IC)的仿真工作而发展出来的。最早它是由美国加州柏克莱大学发展出来的，并大力推广至各校园及企业中。

在目前个人电脑上使用的商用电路仿真软件中，以PSpice A/D系列最受人欢迎。它是1984年MicroSim公司依SPICE2标准所发展出来，可在IBM及其兼容电脑上执行的SPICE程序。因为PSpice A/D程序集成了模拟与数字仿真运算法，所以它不只可以仿真纯模拟电路或纯数字电路，更可以非常有效率地并完善地仿真模拟加数字的混合电路。历年来经过多次改版，以其强大的功能及高度的集成性而成为现今个人电脑上最受欢迎的电路仿真软件。

§6-2 OrCAD PSpice的特点

1、集成性高 在OrCAD的集成环境内，从调用电路绘制程序Capture CIS在视窗环境下完成电路图的制作及分析设置，到调用电路仿真程序PSpice完成仿真与观测结果，再到印刷电路板设计Layout Plus或可编程逻辑元件设计Express整个操作步骤完全一气呵成。用户不需要四处切换工作环境，可以省却不少麻烦。

2、完整的Probe观测功能 在观测仿真结果方面，OrCAD PSpice提供了一个Probe程序来协助用户快速而精准地观察电路特性，另外它也提供了软件测量的功能，可以测量出各式各样基本与衍生的电路特性数据，让用户能够轻易地判断出电路是否合乎要求。必要时，用户可以让PSpice显示出一些由记录数据所衍生出来的波形数据，譬如波特图、相位边限、迟滞图、上升时间等等。另外，无论是光标功能、分割画面以显示多个输出波形、放大或缩小显示的波形、

切换x轴和Y轴的变量、标注文字等等功能，PSpice均能完成如曲线跟踪仪(Curve Tracer)、示波器( Oscilloscope )、网络分析仪(Network Analyzer)、频谱分析仪(Spectrum Analyzer ) 、逻辑分析仪(Logic Analyzer )等仪器般的分析功能。而这些功能均能支持鼠标操作，十分方便。

3、各种完整的高级仿真功能 除了基本的偏压点分析( Bias Point Detail )、直流扫描分析(DC Sweep )、交流扫描分析(AC Sweep )、暂态分析(Transient Analysis)之外，更包含有温度分析（Temperature Analysis )、参数分析( Parametric Analysis) 、傅立叶分析(Fourier Analysis ) 、蒙地卡罗分析( Monte Carlo Analysis ) 、最差情况分析( Worst Case Analysis )、噪声分析(Noise Analysis ),性能分析(Performance Analysis )等等更进一步的分析工具。

4、模块化和层次化设计 随着电路日益复杂，电路设计的方法也趋向于模块化和层次化。也就是说，先将整体电路依其特性及复杂度切割成合适的子电路，然后先个别绘制及仿真每个子电路，待相关的子电路一一完成后，再将它们组合起来继续仿真，最后完成整体电路。OrCAD PSpice完全提供协助模块化和层次化设计所需的功能。

5、模拟行为模型 提供了一个简便的方式去仿真一块尚末完成或是极复杂的子电路，用户可自行定义或使用OrCAD PSpice已经内建好的模拟行为模型元件，运用描述电路特性的方式而不需要以真实电路来输入与仿真，如此可大幅精简仿真的时间及复杂度。

6、具有模拟和数字仿真能力 除了传统的模拟信号仿真之外，OrCAD PSpice A/D也集成了数字信号仿真的功能，当然它就可以更进一步执行模拟加数字的电路仿真了。

7、元件库扩充功能 尽管OrCAD PSpice A/D已经内建了很多常见的电子元件符号及其对应模型(大约11,300个模拟元件与1,600个数字元件)，但是随着制板技术的进步和新的电子元件不断地问世，又或者内建的元件库内恰好没有合

适的元件，这时我们就可以用元件编辑程序新建或修改现有元件的特性以做出合乎我们要求的新元件。

§6-3 PSpice可执行的仿真分析

PSpice A/D可以执行的电路分析，大致上可以分为基本分析与高级分析两大类。如果可以将电路的所有基本与高级分析都验证的话，当然是最安全可靠了，但是限于设计周期的压力，这是很难达到的目标。一般而言，电路最好要经过所有基本分析的验证后才可以开始考虑进入下一个设计流程。至于高级分析的部分，则是只挑一些特别关心的项目来验证就可以了。 一、基本分析

基本分析包含有三大类项目: 直流分析、交流分析与时域信号分析。 1） 直流分析

直流分析主要验证电路在直流电源(直流电压源与直流电流源)下的工作状态。包含有偏压点分析(Bias Point Detail)、直流扫描分析(DC Sweep )、直流灵敏度分析(DC Sensitivity Small-signal)以及小信号直流转移分析(Small--Signal DC Transfer)。

偏压点分析主要在用户给定了直流电源的情况下，求出电路上各节点电压与分支电流的数值。在执行其他任何分析之前，PSpice均会自动执行一次偏压点分析。

直流扫描分析主要是将一个或两个直流电源、模型参数或是温度作为输出波形图的横轴变量，扫描过一定范围的数值，取出稳态电压或电流数值作为输出波形图的纵轴变量。

直流灵敏度分析主要是计算在偏压点数值改变下，某个节点电压数值的变化程度。

小信号直流转移分析主要是计算出在偏压点数值改变下，小信号直流增

益、输入阻抗与输出阻抗的改变量。 2） 交流分析

交流分析主要验证电路在小信号交流电源下的工作状态。包含有交流扫描分析(AC Sweep )与噪声分析(Noise )，相当于实验室内频率分析仪的地位。

交流扫描分析主要是将一个或二个交流电源扫描过一定范围的频率，将电路在偏压点附近线性化，然后求出小信号电压或电流的幅度与相位频率响应。

噪声分析主要在求出在交流扫描分析中所指定的频率中 ，输出信号中属于各个电路噪声源的比例、输出信号的噪声RMS总合以及等效的输入噪声源。 3） 时域信号分析

时域分析主要验证电路在时域信号下的工作情况。包含有暂态分析（Transient）与傅立叶分析(Fourier )。

暂态分析主要在求出各个时间点上电路的节点电压、分支电流或是数字状态，相当于实验室的示波器与逻辑分析仪的地位。

傅里叶分析主要求出暂态分析结果中某个输出信号的直流与其傅里叶成分的比例。 二、高级分析

高级分析包含有以下几类可多次执行( multi-run)的分析项目：温度分析( Temperature )、参数分析(Parametric)、蒙地卡罗分析(Monde Carlo )、灵敏度最差情况分析（Sensitivity worst-case )。所谓多次执行指的就是这些分析通常会对某一些特定的输出信号产生一系列输出结果。另外这些高级分析都必需伴随在直流扫描分析、交流扫描分折或是暂态分析之后才能执行。

执行温度分析时，PSpice A/D会依用户的设置逐步更改工作温度值，依次调整各元件的值，然后在每个温度数值的状态下记录一次输出结果。

执行参数分析时，PSpice A/D会依用户的设置逐步更改某个电路特性值，然后在每个电路特性值的状态下记录一次输出结果。可更改的电路特性值有全

局参数、模型参数、元件值、直流电源与工作温度。

蒙地卡罗分析与灵敏度/最差情况分析是有统计性质的分析类型。PSpice A/D根据元件的误差范围每改变一次元件值就执行一次要求的基本分析，再将结果记录下来，只不过蒙地卡罗分析采取的是随机式的改变方式，而灵敏度/最差情况分析则是先执行一次灵敏度分析，找出使输出有最差情况的组合，然后用这些数值找出最差情况时的真正输出结果，也就是说，蒙地卡罗分析是以随机取样及统计的形式呈现批量生产时合格率的分布情形，而最差情况分析则较适用于找出极端情况下的输出波形及当时的元件值组合。

如果是仿真数字电路的话,可以设置使用最低延迟时间、标准延迟时间或最高延迟时间来仿真。如果已经使能数字最差情况时序分析(Digital Worst-Case Timing )， PSpice A/D将会考虑所有最低延迟时间与最高延迟时间的混合状态，求出可能出现最危险时序时的输入组合。

§6-4 Capture与PSpice文件

要使电路可以执行某种分析，PSpice A/D至少必须知道以下这些事情:电路内的元件与它们之间的连接状况、执行何种分析、对应电路元件的仿真模型以及激励源信号。这些数据分别存放在不同的资源文件内。某些文件会由Capture自动产生，某些会由元件库送来，某些得由用户自行定义。 一、 .DSN .OPJ .CIR .NET .ALS文件

在Capture中，原则上每一份设计(Design)作品的电路图都存于一个扩展名为.DSN的文件内。而一个OrCAD项目应该要包含整个设计流程中会动用到的资源文件，当然也包含了一个.DSN文件。项目文件的扩展名为.OPJ

在执行PSpice仿真程序之前、OrCAD Capture程序会先自动产生扩展名为.CIR .NET和.ALS的一个文件供PSpice程序使用。其中.CIR是电路主文件，内容包含SPICE规格要求的固定形式和仿真指令，并会调用.NET和.ALS两个

文件。.NET文件内容为一连串元件名称、元件值、元件连接状祝的文字式描述。.ALS内容为元件端点连线在电路中的别名。 二、 .OLB .L IB文件

PSpice A/D的每个元件都必须有对应的符号定义和模型定义。所谓符号定义就是代表本元件的几何图形，存在于.OLB元件库文件(OrCAD Library)内。所谓模型定义就是一组描述元件特性的参数值，存在于.LIB元件库文件内。

PSpice A/D内已经建好的元件库文件应该足够用来描述大部分的电路场合了，但是必要的话，用户也可以自己建立或修改元件库文件。 三、 .OUT .DAT文件

输出文件.OUT是一个ASCII文本文件，可用记事本程序或用PSpice A/D文件观察程序来打开阅读。其内容包含有电路的网络连接描述、PSPice指令与选项、仿真结果、仿真过程中所产生的各式各样错误信息。另外如果有经过设置的话，它也包含有一些仿真后的输出结果。

.DAT是一个二进制数据文件，是由仿真程序PSpice所产生的。内容为仿真完后的输出结果，主要是供Probe程序来观测仿真结果之用，配合用户所下的指令产生各式的输出曲线图及图表。 四、 .PRB .STL .STM .INC文件

就算是使用PSpice来观测输出波形，往往也需要一些操作步骤才能得到一个满意的屏幕波形，. PRB文件内就是记录操作完后的PSpice波形图数据，用户可以在需要时调出，免去重复操作的麻烦。PSpice程序会自动记录最后一次的屏幕波形，当然用户也可以自行设置存档。

执行电路仿真之前，我们必须准备好输入电路的各式模拟或数字信号，有时就得使用激励源编辑程序(Stimulus Editor)来作信号编辑的工作。而.STL文件内就是放置这些编辑后的输入信号数据。如果使用模型编辑程序（Model editor)的Model Text View来产生的文字式输入信号描述，其扩展名为.STM。

扩展名为.INC是所谓的包含文件，内容是一些用户定义的PSpice指令或是用户想要在输出文件.OUT内出现的文字注解。由于它是一个ASCII文本文件，所以可以使用记事本程序之类的文字编辑程序或是使用Model Editor的Model Text View来产生。

§6-5 PSpice 仿真基本步骤

本节中对PSpice软件的菜单系统不做集中介绍，而是在仿真举例的过程通过实例进行逐步消化，通过有针对性的应用，加深对菜单系统内容及功能的认识。

PSpice 仿真基本步骤

使用PSpice软件进行仿真的基本步骤是：画电路图→设置元件参数→安放测试点→设置分析类型及参数→运行仿真→查看仿真波形。其中除安放测试点可不进行以外，其他步骤是必不可少的。 一、 绘制电路图及元件参数设置

PSpice软件的绘制电路图是在Schematics程序项中进行的，在Schematics程序项是PSpice程序的主程序窗口，在此窗口可以画电路图、设置元件参数、设置分析类型及参数、运行仿真，并调用probe程序查看波形。

Schematics程序项窗口如图6-1所示：

图6-1 Schematics程序项窗口

绘制电路图时，可在器件名称搜索栏键入器件型号名称，或点击查找器

件键进行查找，把所需器件放置在绘图页，然后用电气连接线连接,双击需要进行参数设置的元件进行参数设置，并保存。完成电路图绘制。

元件查找与放置

方法一 在器件名称搜索栏键入器件型号名称，然后回车，此时移动鼠标移动器件，左击鼠标将所器件放置在界面合适的位置。如还需此元件，可继续放置相同器件。右击鼠标取消所选器件。如图6-2所示：

图6-2 器件放置在界面

方法二 图6-3为点击查找器件键

进行查找界面，在此界面元件名单

中点中所需器件，然后点place或place&close钮，进行放置。

图6-4 器件查找界面

器件参数设置

对器件参数进行设置时，只需双击器件，即可进入设置界面，键入所需参数。并点击Save Attr键保存即可。下图为Rbreak的参数设置界面。点击

可选择将参数显示在电路原理图中，如图6-5所示：

图6-5 Rbreak参数设置界面

其中显示选项的意义如下：

：只显示数值 ：只显示名称

：显示名称与数值

：当定义数值时显示名称与数值

：不显示

元件的值可以用下面的度量因子指定（大小写均可）：

T or Tera (= 1E12) U or Micro (= E-6) G or Giga (= E9) N or Nano (= E-9) MEG or Mega (= E6) P or Pico (= E-12) K or Kilo (= E3) F of Femto (= E-15) M or Milli (= E-3)

在Pspice 和Hspice 中都允许大写和小写字母。例如，可以下面的方法指定一个225pF

的电容：225P，225p，225pF；225pFarad；225E-12；0.225N。

注意：兆被写为MEG，例如一个15 兆欧姆的电阻可以被指定为15MEG，15MEGohm，15meg 或15E6。小心M 与Mega！如果你写15Mohm 或15M，Spice 将会把它们读为15milliOhm！

连接电路

连线时，先点击电气连接线按钮，鼠标移至起始点左击一下，拖动鼠标遇拐点左击，至终点左击鼠标，然后右击鼠标结束画线。

图6-6为一BUCK电路电路图及参数设置

图6-6 一BUCK电路电路图及参数设置

特别提示：新建电路图保存时，保存名称及路径不能使用汉字。

电路图中至少要有一个地。

图中不得有未连接即漂浮（floating）的器件、线段。仿真出错显示---is floating时，注意检查电路中没有连接或与地之间没有连接通路的部分。 二、分析类型设置

进行仿真运行之前，必须进行分析类型设置，才能进行仿真。点击分析类型设置按钮

，进入分析类型设置界面。对所进行的分析进行勾选。然后

进入分析类型选择界面

点击进入，进行参数设置。点击分析类型设置按钮如图6-7：

图6-7 分析类型选择界面

PSpice主要常用分析类型参数设置如下： 1、AC Sweep参数设置

点击AC Sweep按钮进入交流扫描分析参数设置界面如下图：

图6-8 交流扫描分析参数设置界面

AC Sweep Type(交流扫描类型)：Linear(线性)、 Octave (倍频程)、

Decade(幂次)。

Total Points：如果采线性显示时总记录点数。 Points/Octave：倍频程显示时每倍频程记录点数。 Points/Decade：幂次显示时每幂次记录点数。

Star Frequency：仿真起始频率，注意这个值不可以为0。 End Frequency：仿真终点频率。

Noise Analysis(噪声分析)：在噪声分析举例中介绍。 2、 DC Sweep参数设置

点击DC Sweep按钮进入直流扫描参数设置界面如下：

图6-9 直流扫描参数设置界面

在Sweep Variable栏可设置扫描变量为Voltage Source(电压源)、Current Source(电流源)、Global Parameter(全局参数)、Model Parameter(模型参数)、Temperature(温度)。这是多选一的选项。

Sweep Type设置扫描类型为Linear(线性)、Logarithmic(对数)或Value List(数值列表)，其中Logarithmic形式又可分为Octave(二倍频程)和Decade(幂次、十倍频程)。如果选择Value List类型，需单独输入扫描变量值。这也是多选一的项目。

Name：扫描变量名称。

Model Type：模型类型(如BJT为Q，MOS为M，二极管为D等等)。 Model Name：模型名称。

Parameter Name：模型参数名称。以上三个设置参数多用于模型参数的扫

描Start Value:扫描起始值。

End Value：扫描结束值。

Increment：每次扫描时扫描变量的增加量。 ３、暂态分析(Transient Analysis )参数设置

点击Transient Analysis按钮进入暂态（瞬态）分析参数设置界面如下：

图6-10 暂态（瞬态）分析参数设置界面

暂态分析参数对话框的各设置项目：

Maximum step Size设置各记录点间的时间间隔, 由于PSpice默认状态下在执行模拟信号的暂态分析时，会使用自定义的内部时间间隔来计算，以持续维持信号的准确度。也就是说，当计算点不是主要周期时，内部时间间隔会自动变大，而当计算点为主要周期时，内部时间间隔就会自动变小。使用这种方式产生的信号波形，有时会不够平滑，这时就可以设置本参数强迫PSpice以此设置值作为内部时间间隔。一般而言，在屏幕为800?600分辨率时，这个值最好设为Run to Time参数的1/1000较适宜。但对于高频信号，还要根据信号频率进行调整。

Run to Time：本暂态分析的终止时间。

Start saving data after：由0秒起到本设置值之前的计算数据不予以记录。 Skip the initial transient bias point calculation：如果打勾，将跳过起始暂态偏压点计算，而直接使用各元件的起始条件来做暂态分析。

打开Transient Output File Qptions对话框，可在Print values in the output

file every栏内设置每隔多少时间才将一个记录点数据存入文本输出文件内。如果将Include detailed bias point information for nonlinear controlled sources and semiconductors(/OP)选项打勾，则会将非线性控制电源与半导体元件的偏压点数据也存入文本输出文件内。

Parametric(参数分析)、temperatrue（温度分析）在后续内容进行介绍。 三、查看波形

点击仿真按钮显示界面：

，仿真进行完毕，程序自动调用probe程序，进入波形

图6-11 波形显示界面

此窗口各工具栏功能如下所示：

A：放大显示 B：缩小显示 C：区域性放大显示

D：调整至显示所有波形和说明文字 E：切换X轴为线性轴或对数轴 F：切换傅立叶分析显示 G：切换性能分析显示

H：切换Y轴为线性轴或对数轴 I：加入新波形 J：回应目标函数的值 K：加入文字说明 L：切换显示数据记录点 M：切换光标显示 N：光标定位于下一次高点 O：光标定位于下一次低点 P：光标定位于下一最大斜率点 Q：光标定位于极低点 R：光标定位于极高点 S：光标定位于下一数据记录点 T：键入光标搜寻命令 U：光标定位于下一转态边缘 V：光标定位于上一转态边缘 W：将光标值定位于图上

以上内容对Pspice软件的基本环境进行了介绍，对于元件及PROBE程序的其他菜单功能项在后续举例应用中会逐渐接触到。

§6-6 仿真举例

由于电源对于电力电子电路是必不可少的，它们在电路中发挥着激励、

控制、扰动等作用，在搭建电路之前，首先介绍一下电力电子电路中的常用的各种电源的参数设置方法。

根据基本性质可以简单地把电源分为电压源和电流源，在Pspice软件中，以V打头的电源为电压源，以I打头的电源为电流源，它们的参数设置方法区别不大，所以本书就以电压源为例介绍电源的参数设置。

§6-6-1 常用的电源元件：

一、正弦波信号源Vsin. 正弦波的设定由以下参数组成： Voff：直流基准电压 VAMPL：幅度电压 FREQ：信号频率 TD：延迟时间

DF：阻尼系数，单位为秒的倒数: PHASE：相位，单位为?。

按照图6-12所示的参数进行设置，所得正弦波电源的波形可参看仿真结果：

4.0V2.0V0V0s2msV(V1:+,V1:-)4ms6ms8ms10ms Time12ms14ms16ms18ms20ms

图6-12 正弦波信号源Vsin及其参数

二、脉冲信号源Vpulse，其设定由以下参数组成： V1：起始电压 V2：脉冲电压

TD：零秒到起始电压开始爬升的延迟时间 TR：由起始电压转变至脉波电压所需时间

TF：由脉波电压转变至起始电压所需时间 PW：脉波宽度，即脉波电压存在的时间长度 PER：信号周期

3.0V2.0V1.0V0s0.5msV(V2:+,V2:-)1.0ms1.5ms2.0ms2.5ms3.0ms Time3.5ms4.0ms4.5ms5.0ms5.5ms6.0ms

图6-13脉冲信号源Vpulse及其参数

三、折线波信号源Vpwl主要是依据用户设置的坐标值表格而建立的，各坐标间的信号就是这些点间的直线连线电压。现在我们设置坐标为T1=0时VI=-1V, T2=1ms时V2=2V， T3=3ms时V3=1V,其对应的输出波形如图6-14

2.0V1.5V1.0V0s0.5msV(V1:+,V1:-)1.0ms1.5ms2.0ms2.5ms3.0ms Time3.5ms4.0ms4.5ms5.0ms5.5ms6.0ms

图6-14 折线波信号源Vpwl及其参数

四、周期性折线波信号源Vpwl，其设定由以下参数组成： FIRST-NPAIRS：第一转折点坐标 SECOND-N PAIRS：第二转折点坐标 THIRD-NPAIRS：第三转折点坐标 REPEAT VALUE：重复次数

2.0V0V-2.0V0s1msV(V2:+,V2:-)2ms3ms4ms5ms Time6ms7ms8ms9ms10ms

图6-15 周期性折线波信号源Vpwl及其参数

五 使用激励源编辑器编辑激励源。器件名称为Vstim

Vstim可以设定为多种激励源，鼠标左击Vstim元件，将其选中，然后使用Edit\\PSpice Stimulus功能选项打开一个空白的Stimulus Editor信号编辑窗口以及New Stimulus对话框，

点击Stimulus，在Name:栏输入信号名称，我们现在输入Vi和Vstim输出的网路别名一样。

点击OK打开激励源编辑窗口

从图中看出通过Vstim可以编辑指数源、脉冲源、分段线性源、单频调频波信号源和正弦源。点选所要设置的类型后点击OK，按照前面介绍的激励源参数数值的含义，设定各参数，即可得到所期望的激励源。

另外还有指数波信号源Vexp和单频调频波信号源VSFFM以及一系列数字信号源，在这里不再赘述。

练习：使用Vpulse设置如图锯齿波、三角波、梯形波及脉冲波。

§6-6-2基本分析举例及仿真波形的处理

在本部分中，通过实例对Pspice软件所能进行的瞬态分析(transient) 、直流扫描（DC Sweep）、交流扫描（AC Sweep）、参数分析（parametric）及温度分析(temperature)这几种电力电子电路常用的分析类型 的设置及仿真方法进行介绍，并且在例子中会涉及到波形处理，及一些元器件的使用等方面的知识。

首先进行的是电力电子电路中最常使用的瞬态分析（或时域分析）举例，也即电路中各量随时间变化而变化的趋势分析。直接得到的是以时间为横轴的波形。

例一：二极管半波整流电路（瞬态分析print step:1us, run to time:100ms）

瞬态分析即电路中各量随时间变化而变化的趋势分析。直接得到的是以时间为横轴的波形。电路原理图绘制如下，所使用的元件分别为：Vsin、Dbreak、

Cbreak、Rbreak，各元件参数设置如图中所示：

如要打印或保存波形结果，就要将它们转成标准图形文件后再打印或保存。这样的图形文件可以按需要适当地放大或缩小，也可以由图形处理程序(如Photoshop, PhotoImpact等)作适当的图案处理，最后再放入文稿内。操作如下：首先要在PSpice窗口调整好输出波形，然后选Window\\Copy to Clipboard...选项，设置好选项后按OK键即可将目前工作窗口内的波形送至剪贴板内，可用图形处理程序再行处理。

300V200V0V-200V-300V0sV(C1:2)5msV(D1:1,D1:2)10ms15ms20ms Time25ms30ms35ms40ms

在PSpice窗口下，如果按下键盘右上方的Print Screen键，会将目前电脑屏幕所看到的全部显示数据送至剪贴板内。

例二：可控整流（瞬态分析print step:1us, run to time:100ms） 电路原理图绘制如下，所使用的元件分别为：Vsin、Vpulse、2n1595、Lbreak、Rbreak，各元件参数设置如图中所示：

400-400sV(R1:2)I(X1:A)5msV(X1:G,V2:+)10ms15ms Time20ms25ms30ms35ms

步骤四 同一窗口内多个显示区域

步骤五 在不同窗口分别显示不同波形

20A0A-20AI(X1:A)10V5VSEL>>0VV(V2:-) - V(V2:+)40V0V-40V0sV(R1:2) Time5ms10ms15ms20ms25ms30ms35ms

例三 直流扫描分析（DC Sweep）

这里通过欧姆定律的验证进行直流扫描分析举例。欧姆定律描述的是电阻两端电压与流过电阻的电流的关系。这时所得特性的横坐标不再是时间，而是电流或电压。

首先绘制电路图，电路图如下：

设置DC Sweep直流分析参数

在该设置中执行扫描的电源是电压源V1， Sweep Type(扫描模式)栏选择Linear线性模式，Start Value(起始值)栏设为0，End Value(结束值)栏为5, Increment(增加量)栏设为0.1，这是说我们将要求V1的电压由0V开始上升直到5V为止，每次线性上升0.1 V,所以PSpice执行后储存的计算点就是V1由0、0.1、0.2 , 0.3 …...4.8、4.9、5.0。等共5l个点。由于我们预期输出结果会是一条直线（若电阻为一个固定量时，电压和电流是成正比的关系），所以51个点就很足够了。如果我们所预期的输出结果会是个曲线，那么当然设置点数就要多一点了，以免显示波形失真。一般情况，设置点数在1000点左右，显示波形就很漂亮了。点击

点击

键，退出设置。

执行仿真。屏幕上会自动打开PSpice的Probe

保存文件、点击

窗口，观察和显示仿真波形结果。

Probe窗口中没有希望观察的波形时，需要添加波形，方法是：选择菜单Trace\\Add Trace.. 或使用快捷键

打开添加波形对话框。从Simulation Output

Variables栏内选中I (R1)，或在窗口下方的Trace Expression栏键入I (R1)，点OK键，这时选择显示R1的电流作为纵坐标，显示波形如图

50mA25mA0A0VI(R1) V_V10.5V1.0V1.5V2.0V2.5V3.0V3.5V4.0V4.5V5.0V

由PSpice窗口内所显示的斜线，我们可以知道流过电阻的电流会随着加在电阻上的电压而正比例地增加，这完全符合我们根据欧姆定律所做的预期结果。

要显示波形的另外一种作法就是回Capture窗口用放探针的方式。把探针放在电路中所要测量的位置即可，探针的用途主要是在电路图上标记出待观测信号的类型及位置。在Capture窗口内选PSpice\\Markers中提供了以下这些探针:

Voltage Level:测量电压或逻辑基准的探针。 Voltage Differential提供一组测量电压差的探针。 Current into Pin:测量电流的探针，只能放在元件脚上。

Advanced:会打开一个子菜单，提供一些高级测量(如测量dB值、相位差等等)的探针。

如要删除某条波形，其操作如下:先用鼠标在波形显示区的下方选取待处理的波形变量名称，它会变为红色，然后直接按Delete键或选Edit\\Delete就可在显示屏幕下删除这一条曲线。

范例四 交流扫描分析（AC Sweep）及基本波形处理

由于交流分析输出波形图的横轴为频率，故又称为频率响应图或频谱图。本例分析如图R-C电路充、放电时线路的频率响应。同时，在本例中介绍一些关于波形处理的内容，包括增加一条Y轴坐标、为波形图添加上说明文字和去

除网格线及分线标。

绘出电路图后，分析类型选择AC Sweep。设置AC Sweep如下： AC Sweep(交流扫描类型)设为Logarithmic的Decade(按幂次显示)类型，Start Frequency:（仿真起始频率）设为10kHz。End Frequency:(仿真终止频率)设为10MHz。Points/Decade:设为101(每幂次记录101个点)。这里特别强调1件事情，在Simulations Settings对话框设置仿真参数时，小写m和大写M均代表103，而106的幂次代号为MEG(大小写均可);而在Probe窗口内处理波形数据时小写m代表103, 而大写M或Meg则代表106。

保存后执行仿真，程序自动打开Probe窗口。除了x轴变量已经按照我们在AC Sweep的设置为10K-10Meg Hz之外，窗口没有显示波形。接下来添加波形：选择Trace/Add Trace，打开Add Trace对话框。请先在窗门右边的Functions or Macros栏处选取DB( )，然后在窗口下方的Trace Expression栏处用鼠标选择或直接由键盘输入完成这样的字符串\(V(Vi)/V(Vo))”以及P(v(vo)/v(vi))。退出Add Traces窗口。

0-50-10010HzDB(V(vo)/V(vi))100HzP(V(vo)/V(vi))1.0KHz10KHz Frequency100KHz1.0MHz10MHz100MHz

前面我们使用的DB（）就是所谓的目标函数( Goal Function )。这是一种用来在输出数据中搜寻出某些特定值及其坐标值的函数。在Probe程序中，经由Gaul Function的协助，我们可以很容易地取得诸如低通响应的频宽、带通响应的-3dB频率或中心频率、时域信号的上升或下降时间等等这些特定量的数值及其发生的场合。另外，Gaul Function也可以协助我们在做性能分析(Performance Analysis)时观察多次仿真中某个特定量的变化情形。详情请见附录的介绍。

增加一条Y轴坐标以显示相位频谱图

1、如果我们想在同一张图上显示两种不同的输出波形，有时会因为波形大小相差太多或是因为它们的单位完全不同(比如现在我们想同时观察增益和相位的频率响应图，但是增益的单位为DB,而相位的单位却为?，以至于显示的波形结果十分不理想，这时就必须要让每个波形各自对应一条Y轴。

2、首先使用Trace/Delete All Traces功能选项或快捷键[Ctrl-Del]删除所有曲线，再使用P1ot\\AC功能选项，这会重新打开一个空的Probe窗口。现在选择Trace\\add Trace或快捷图钮片或[insert]键打开Add Traces对话框，然后在Trace Expression栏处输入DB (V(Vi)/V(Vo))。再请用Plot\\Add Y Axis选项(或ctrl+Y键)打开另一个Y轴，然后打开Add Traces对话框，在Trace Expression栏处输入P(v(vo)/v(vi))。鼠标选OK退出Add Traces窗口。Probe窗口如图。

若想删除多余的Y轴坐标，请先用鼠标选到欲删除的Y轴，符号”》”会移到这个Y轴旁，然后选Plot\\Delete Y Axis选项或按(Ctrl+Shift+Y]键就可以了。

为波形图添加上说明文字、去除网格线及分线标

有些情况下，我们需要在Probe图内加入适当的说明文字，此时可使用

Plot\\Label功能。希望波形图中不显示网格线、分线标可以通过Tools\\Options..来实现。

在plot菜单中选择label项，会出现如图界面，这时可根据需要，在波形图中添加选项内的各种标记。

Text输入说明文字 Line绘出直线 Poly-1ine绘出折线 Arrow绘出有箭头的直线 Box绘出方块 Circle绘出圆形

Ellipse先输入倾斜角后，绘出椭圆形 Mark将光标位置显示在图内 Plot\\Label的功能说明

要把界面中的网格线、分线标去除，以更清晰地显示波形，首先选Tools\\Options..选项，将Probe options窗口的Use Symbols选项改回Never，如此将会关闭分线标记，再由P1ot\\Axis Settings…选项打开Axis Settings对话框，

将X Grid页与Y Grid页中Major与Minor栏中的Grids选项全设为none，关闭横轴与纵轴网格线。

我们现在将频率响应图加上说明文字与箭头，选择Plot\\Labe1\\Text...或快捷图钮打开Text Label窗口，输入Gain (dB)，选OK关闭窗口。这时的Probe窗口会有一个可用鼠标移动的字符串，将其移至合适的位置，单击鼠标左键定位，输入Phase ( Degree )的说明文字。

选Plot\\Labe1\\Arrow选项，Probe窗口的鼠标光标会变成铅笔形状，在箭头起点按鼠标左键一下，然后将鼠标光标移至箭头终点处，再按鼠标左键一下就完成箭头了。

选Plot\\Labe1\\Ploy-line, Probe窗口的鼠标光标也会变成铅笔形状，在折线起点单击鼠标左键，然后将鼠标光标移至折线转折点处，再单击鼠标左键，依次绘下去。在折线终点处单击鼠标右键就完成折线了。

在说明文字、箭头、折线上单击鼠标左键，它们将转为红色显示，这时可以用鼠标左键拖曳它们到新的位置上，如果按del 键就可以删除它们。如果在说明文字上双击鼠标左键，将可以再度进入Text Label对话框内作修改。 例五 参数分析举例

电路如图所示，这时我们要对R1进行参数分析，希望R1的数值从1K取值，每次增加1K，到5K为止，每取一次值电路仿真一次，以观察R1阻值的变化对电路运行的影响。参数分析必须挂靠其他分析类型。即进行其他分析时，进行参数的变化。

设置方法如下：其他参数照常设置，对于R1的阻值设置为：{r}。然后调用参数设定器件PARAM，放置在电路中，如上图。双击PARAM器件进行设置，如下图：

NAME1项设置为r，表示参数分析的对象为r，VALUE1项设置为1K此值没有具体意义，只要给定一个值就可。通过这个步骤对电路中进行参数分析的参数进行选定。

接下来对参数分析进行设定，选择分析类型Parametric，点击进入设置界面：

按照分析要求进行参数设置。点击OK。选定瞬态分析进行仿真。

8.0V4.0V0V0V1VV(vo)2V3V4V5V V_V16V7V8V9V10V

从图中可看出，仿真输出了五个波形，分别对应R1为1K、2K、3K、4K、5K时的仿真结果。波形中并没有标明各波形所对应的参数，可在波形上右击鼠标，选中Information查看每条波形所对应的参数条件。选择Properties可对波形线型及颜色进行设置。

例六 温度分析举例

Pspice仿真环境下，如果不特别设定温度， 系统默认系统的工作温度为27oC，而温度分析可以使电路在其他指定温度下进行仿真。温度分析需要与其他分析类型配合使用。另必须使用Break模型进行温度参数的设定。通过下面的例子对温度分析的设定方法进行说明：

电路如图所示，输入为脉冲电压，在脉冲电压的作用下，电容上的电压呈现充电和放电的过程。在这里我们假设温度对电阻值是有影响的，温度的变化

电路中电阻值的变化从而导致电容充放电波形的变化。

Pspice中温度对电阻（电感、电容同样参考此式）的影响由下式模拟：

R(T)?R(T0)[1?TC1?(T?T0)?TC2?(T?T0)2]

其中T为设定的仿真温度，T0为标称温度（27 oC），TC1、TC2为一阶和二阶温度系数，表示元件参数随温度变化的程度。

此电路的仿真步骤：

第一步：搭建如图电路后，鼠标左击Rbreak选中该器件（器件变为红色），从Edit\\Model选择

或

对该

器件模型进行修改，键入TC1?0.01 TC2?0.02后保存修改，退出模型编辑。

第二步：设置分析类型

勾选温度分析和瞬态分析（前面我们说过温度分析必须配合其他分析类型使用，这里我们配合瞬态分析使用）

点击

进行温度分析参数设置：键入27 30 35 40数值之间加空格。

表示该电路分别在27、30、35 和40摄氏度下工作。 瞬态分析设置：print step设置为6ns，final time设置为6us。 仿真结果如下：

6.0V4.0V2.0V0V0sV(vo,C1:1) Time1.0us2.0us3.0us4.0us5.0us6.0us

§6-6-2电力电子电路仿真举例

对于电力电子电路的仿真，本书假设读者已学习过相关的电路的工作原理的知识，故对于电路工作原理分析不再涉及，只针对仿真步骤进行。 例一 BUCK电路的仿真（瞬态分析print step:10ns, run to time:1ms）

电路原理图及各元器件参数如图

例二BOOST电路的仿真

例三 正激电路的仿真（瞬态分析print step:1us, run to time:8ms） 电路原理图如下：所用元件：输入直流电源VDC，XFRM-NONLINEAR,

IRF460,vpulse,Dbreak,L,C,R参数如下图所示。

输出电压波形

20V10V0V0sV(R1:2,0) Time2.0ms4.0ms6.0ms8.0ms

变压器副边波形

50V0V-39V6.775ms6.800msV(TX1:3,TX1:4)6.850ms Time6.900ms

例四 半桥电路（瞬态分析print step:1us, run to time:8ms）

电路原理图如下所示：所用元件VDC，C,R,vpulse, IRF460, XFRM-NONLINEAR,Dbreak,L 参数设置如下图所示。

M1和M2驱动信号

15V10V5V0VV(V6:+,V6:-)15V10VSEL>>0V6.800msV(V4:+,V4:-)6.900ms Time6.992ms

变压器原边电压

20V0V-20V7.3086ms7.3500msV(TX1:1,TX1:2) Time7.4000ms7.4423ms

输出电压

20V10V0V0s2msV(L1:2,R3:1)4ms6ms8ms10ms Time

例五 移向全桥电路（瞬态分析print step:10us, run to time:8ms）

电路原理图绘制如下，所使用的元件主要有：Vdc、Vpulse、TN33_20_11_2P90、IRF150、MUR5020等，各元件参数设置及仿真设置如图中所示：

主要波形：

M1、M2、M3、M4的驱动波形：

15V0VV(M1:g,V1:-)20V0VV(M2:g,V2:-)SEL>>0VV(M3:g,V3:-)20V0V0sV(V4:+,V4:-) Time200us400us600us

变压器原、副边波形：

200V0VSEL>>-400VV(TX1:1,M4:d)200V0V-200V4.248ms4.300msV(TX1:3,D4:2)4.400ms Time4.500ms4.550ms

输出电压波形：

60V50V40V30V0sV(L2:2,0) Time2.0ms4.0ms6.0ms8.0ms

例六 线性闭环稳压电路（瞬态分析print step:2ns, run to time:20ms） 电路原理图绘制如下，所使用的元件主要有：Vdc、IRF150、E、OPA2107/BB、Sw_tClose等，各元件参数设置及仿真设置如图中所示：

主要波形： 输入输出电压波形：

40V30V20V10V0sV(U4:2,E1:2)5msV(V6:+,0)10ms Time15ms20ms

例七 反激电路：(瞬态分析print step:10us, run to time:50ms)

电路原理图绘制如下，所使用的元件主要有：Vdc、Vpulse、IRF450、K_Linear等，各元件参数设置及仿真设置如图中所示：

变压器原、副边电压：

200V0V-200VV(L1:1,L1:2)100V0VSEL>>-100V46.3082ms46.3200msV(L2:2,L2:1)46.3400ms Time46.3600ms46.3794ms输出电压波形：

40V20V0V0sV(D1:2,0) Time10ms20ms30ms40ms50ms

例八 三相逆变电路的仿真

波形处理

步骤五 改交X轴和Y轴坐标的设置值

1.如果对于显示波形图的X轴或Y轴范围不满意，或是想放大某段范围来仔细观察的话，可以直接在X轴位置双击鼠标左键或是用Plot\\Axis Settings选项打开Axis Settings对话框，选择X Axis来更改设置值，各设置项目的说明请见提示二。

2.也可以直接在Y轴位置双击鼠标左键或是用Axis Settings对话框选择Y Axis来更改Y轴的设置值，各设置项目的说明请见提示三的说明。

提示二Axis Settings对话框X Axis页的各设置项目

Data Range轴数据范围:可设为Auto Range(自动设置)、User Defined(用户自行设置，需输入上下限)。

Scale(显示类型):可设为Linear(线性显示)、Log(对数显示)。

Use Data(使用的数据):可设为Full(完全使用)、Restricted (analog) (限制只使用某些数据，需输入上下限)

Processing Options(处理选项):可设为Fourier(傅里叶变换后显示，详见以后章节的说明)、Performance Analysis(性能分析，详见以后章节的说明)。

提示三Axis Settings对话框Y Axis页的各设置项目 Data Range ( Y轴数据范围):可设为Auto Range(自动设置)、User Defined(用户自行设置，须输入上下限)。

Scale(显示型式):可设为Linear(线性显示)、Log(对数显示)。 Y Axis Numbers:选择待更改设置值的Y轴编号。 Axis Title: Y轴的标头文字。

注意，Probe程序中的小写m代表103，而大写M或Meg则代表106。 步骤六

步骤七 变更网格线

默认状况下，Probe会自动为波形图的横轴与纵轴方向加上网格线，这些网格线是可以修改的。如果要修改纵轴网格线。可以直接在Y轴位置双击鼠标左键或是用Plot\\Axis Settings选项打开Axis Settings对话框选择Y Grid页来更改设置值，各设置项目的说明请见提示四。如果要修改横轴网格线，可以直接在X轴位置双击鼠标左键或是用Plot\\Axis Settings选项打开Axis Settings对话框选择x Grid页来更改设置。x Grid页只比Y Grid页少了Y Axis number这个设置项目。

提示四Axis Settings对话框的Y Grid页的功能说明 Automatic:如果打勾，Probe将自动为我们调整主轴间隔与主轴间的副轴个数。

Y Axis Number:选择下面要设置的是哪个Y轴。这个选项在X Grid内不存在。

Major栏内为一些关于主轴显示状态的选项，Minor栏内为一些关于副轴显示状态的选项。

Spacing栏:如果以Linear线性间隔来显示; ,可输入主轴之间的间隔宽度。如果以Log ( # of Decade)对数间隔来显示，可选择每幂次内主轴的个数。

Grids栏:选择网格线线型，可设为Lines(线状)，Dots(交义处点状)、+(交叉处+字状)，或是None(不显示)。如果选择Dots或+，我们还可以选择with other major grids(只在与其他主轴交叉处显示)，with other minor grids（只在与其他副轴交叉处显示)，或是二者都选，或是二者都不选。

Ticks inside plot edge栏:如果打勾，波形图边缘的内侧也会标记主轴刻度。

不过如果网格线设为Lines形式时，通常是看不见它们的。

Numbers outside plot edge栏:当被打勾时(这是默认状态)，每个主轴刻度都会显示出标记。

Intervals between Major栏:定义将主轴与主轴之间切割为2. 4, 5或10块区域。只能在Automatic栏未打勾的情况下才能设置。

步骤十、 启动光标功能作测量

1、波形图只是提供一个宏观的影像而己，实际的物理量还是要透过测量来得到。Probe窗口内提供了很好的光标功能使我们很容易地就可以得到波形上的记录值。启动光标请用Trace\\Cursor\\Display或快捷键选项，这会在屏幕上出现一个Probe Cursor窗口，它显示了目前光标1和光标2在横轴及纵轴上的记录值。

2、刚启动光标功能时，光标1和光标2都用于指示第一个变量DB (V(Vo)/V(Vi))的值。用鼠标右键在Probe窗口下方第二个变量P (V(Vo)/V(Vi))前的红色空心三角形上点一下，这空心三角形就会被一个虚线框圈绕。现在我们就可以使用鼠标左键来移动光标1在DB (V(Vo)/V(Vi))波形的位置，使用鼠标右键来移动光标2在P (V(Vo)/V(Vi))波形的位置了。

3、将两个光标都移至如图7-18所示的位置，然后选Trace\\Cursor\\Freeze功能来冻结光标位置。现在我们由Probe Cursor窗口的数据可以知道当增益为-3.0069dB时，此时的频率(转折频率fc)为318.040kHz，这和我们前面所计算的-3dB频率为318kHz已经十分接近了。另外我们也可读出当频率为551.180kHz时，相位为- 5 9.993?

4、必要时，可用Plot\\Labe1\\Mark功能或快捷键直接将坐标值显示在Probe内

5、除了可以使用鼠标来调整光标位置之外，也可以使用键盘的左与右箭头键来微调光标位置。

6.因为记录点有限的关系，有时很难将光标真正地定位在某一个特定点上，这时只好使用这个有点误差的记录值。否则就得回到分析设置对话框，将记录点增加到满意的地步后重新仿真及观测了。

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