PSpice仿真软件在模拟电子技术教学中的应用

摘要 介绍了PSpice仿真软件的基本功能和特点。通过教学实例，论述了将PSpice仿真软件引入实验教学和实践的方法，结果表明在模拟电子技术实验教学中引入PSpice仿真软件可将理论和实践有机结合，有益于传统模拟电子技术实验教学方法的补充和改进。
关键词 PSpice仿真软件；模拟电子技术；实验教学；电路仿真

    随着计算机技术的发展，利用计算机的仿真技术对电路进行设计、分析和调试已成为趋势。一是其可替代采用简化电路模型估算电路特性进行验证的传统设计方式，同时可高效地进行电路参数确定和方案优选，并在设计初期对产品的性能进行可靠预测，从而提高设计质量、缩短设计周期、节省设计费用，因此成为了现代设计方法中重要的组成部分；二是利用仿真软件得出电路性能受电路中关键参数的影响，可更好地掌握电路的特性和指标，对实际电路调试工作具有指导意义。目前电子电路CAD(Computer Aided Design)及EDA(Electronic Design Auto mation)已成为电路分析和设计中不可或缺的工具。CAD／EDA仿真软件也将是电子类专业学生需要掌握的专业技能之一，所以必须将计算机仿真技术引入到模拟电子技术实验教学中，将传统的模拟电子技术实验教学与计算机进行的仿真实验相结合，提高课程的教学质量和实验效率。
    目前流行的电子线路仿真设计软件有EWB、Protel、PSpice、Muhisim等，由于PSpice具有高超的电路仿真能力，因此在模拟电路仿真实验教学中得到最广泛应用。在电路系统仿真方面，PSpice则独具特色，是一个多功能的电路模拟试验平台；该软件由于收敛性好，适用于系统和电路级仿真，具有快速、准确的仿真能力。因此文中将PSpice仿真软件引入模拟电子技术实验教学中，为学生提供一个积极创新的仿真实验平台，将仿真实验平台与传统的实验方式有机结合。通过教学实践表明，基于PSpice软件平台的仿真实验是对传统实验教学模式的补充和改进。

1 PSpice仿真软件简介
    PSpice (Personal Simulation Program with IC Emphasis)由Spice发展而来，是用于微机系列的通用电路分析程序，也是出现较早的电路设计自动化软件之一，可进行模拟电路分析、数字电路分析和模拟数字混合电路分析。目前，最新版本是Cadence公司的OrCAD／PSpice是众多计算机辅助设计的工具软件中精度较高的软件工具之一。
    PSpice作为一种通用电路分析程序，能分析和模拟一般条件下的各种电路特性，主要包括：Schematics、PSpice、Probe、Stmed(Stimul us Editor)、Parts、PSpice Optimizer 6大模块，具有电路图绘制、模拟仿真及图形后处理功能，可用于各种电路实验和测试，以便修改与
优化设计。其不仅支持文本输入，还支持图形输入，同时拥有庞大的元器件库、参数模型库以及种类齐全的测试仪器仪表等。随着软件自身的发展，其自动化程度更高、功能更完善、运行速度更快且操作界面清晰简洁。通常PSpice软件的主要分析功能有：直流工作点分析、瞬态分析、傅里叶分析、交流小信号分析、参数扫描、零极点、传递函数、直流灵感度、交流灵感度和蒙特卡洛法等。
    PSpice软件对电路进行模拟仿真的过程共分为8个阶段：新建设计项目、电路图生成、电路特性分析类型和分析参数设置、运行PSpice A／D程序、模拟结果的显示与分析、电路设计优化与修正以及设计结果输出等。

2 PSpice的应用
    下面通过3个具体仿真实验，阐述PSpice软件在模拟电子技术实验教学中的应用情况。
    (1)差分放大电路电压传输特性实验。在Schematics绘图编辑器中绘制的差分放大电路如图1所示，其中图1(a)中三极管Q1、Q2的发射极反馈电阻Re1=Re2=0，图1(b)中Q1、Q2的发射极反馈电阻Re1=Re2=200 Ω。差分放大电路电压传输特性是输出电压图1(a)中Vo1、Vo2或图1(b)中Vo3、Vo4和输入电压Vi1的关系曲线。根据要求分析采用直流扫描分析(DCSweep)。所谓直流扫描分析是指将电路中某一参数作为输入变量，以某一电压或电流为输出变量，对自变量在其变化范围内的每个取值，计算输出变量的变化情况。选择输入电压Vi1为自变量，令其取值从-500 mV线性增长至500 mV，步长5 mV。运行PSpice仿真软件，仿真结果可通过文本文件输出，也可由波形模块Probe窗口输出。该实验采用Probe窗口输出，能方便直观地得到图1(a)和图1(b)差分放大电路的电压传输特性曲线，如图2和图3所示。

    对比分析图2和图3可知，图1(b)中差分电路引入负反馈后(Re1=Re2=200 Ω)增加了放大电路的线性工作区，但传输特性的斜率变小，使放大电路的增益减小。采用PSpice仿真软件可方便得出差分电路的电压传输特性曲线，若采用物理实验的方法，则需对输入电压Vi1取一系列值，列表分别测输出电压，再根据所测的数据绘制电压传输特性曲线。
    (2)二阶压控电压源低通滤波电路频率特性实验。在Schematics绘图编辑器中绘制的二阶压控电压源低通滤波器电路如图4所示，该电路中既引入了正反馈，也引入了正反馈。研究滤波器的频率特性就是对其在不同信号频率下的幅频响应和相频响应。根据要求PSpice分析类型采用交流扫描分析(ACSweep)，其作用是计算电路的交流小信号频率响应特性。

    执行仿真，在Probe程序窗口，选择Trace|Add，打开Add Traces对话框，该对话框显示电路中电压和电流变量，且还表示多个目标函数(Goal Functions)，其中包括DB()和P()。在Trace Expression编辑框中输入DB(V(U1A：OUT)／V(Vi：+))便可得到如图5所示的幅频响应。由图5可知，图4所示二阶压控电压源低通滤波器的截止频率约为16 Hz，通带增益约4 dB，均与理论值相同。在Trace Expression编辑框中输入P(V(U1A：OUT))-P(V(Vi：+))可得到如图6所示的相频响应。通过仿真结果，能直观得到该低通滤波器的幅频响应和相频响应。由此可见采用PSpiee仿真软件可方便地得出模拟电路或电路系统的频率特性和相频特性。

    (3)RC正弦波振荡电路实验。图7为在PSpice软件中画出的RC正弦波振荡电路，要求仿真分析该振荡电路的输出波形。在图7所示的电路中，R1、C1和R2、C2构成RC串并联选频网络，该网络在正弦波震荡电路中既为选频网络，又为正反馈网络；二极管D1、D2作为自动稳幅元件。振荡频率
   
    由于仿真振荡电路输出波形是为求电路的时域响应，因此采用瞬态分析方法(Time Domain／Transient)，执行Probe程序，在Probe窗口中得到输出电压V(V0)的波形如图8所示。由图8可看出，电路从0时刻开始起振，经过一段时间的振荡后，约需25 ms才可达到稳定输出，其中振荡周期约为35．530-34．445=1．085 ms，与理论计算的频率相符。即说明该振荡电路的性能较为可靠。另外，改变C1和C2的值观察输出波形，C1和C2变化将影响振荡正弦波的频率。由于起振过程较短暂，若采用实际电路进行正弦波振荡电路实验，用示波器较难观测到该过程。

    由上述实验仿真分析可见，PSpice是功能强大的电路设计与分析计算机仿真的工具，只要画出电路仿真图形便可获取并处理实验数据，形成直观的波形图，其电路仿真无论在分析精度、实验效果等方面部性能良好。

3 结束语
    文中在介绍Pspice软件的基础上指出将其引入电子技术实验仿真教学中的必要性。并例举出Pspice在模拟电子线路实验教学中的仿真实例，实践教学表明：(1)通过Pspice的模拟仿真可使复杂现象的变化过程和电路相关特性，随时以图形、曲线或波形等形式来表示。仿真过程中还可不断的通过修改电路和参数，及时观察输出结果，这有利于加深对电子电路基本概念、特性的理解。另外，也为一些不易在物理实验室进行的实验，提供有效解决途径。(2)在模拟电子实验课程中除开设验证性仿真实验外，还可开设开放性的仿真设计实验，加快设计速度，提高设计的正确性；并可发挥学生的主观能动性和创造性，增强学生的综合分析能力，启发学生的创新思维，大幅提高其分析与设计电路的能力。(3)另外，Pspice仿真实验无需任何实际的元器件和测量仪器，有效地延伸了实验时间、空间和场地，同时激发了学生的学习兴趣。
    所以，在模拟电子技术实验教学中，引入PSpice仿真实验，不仅可更新实验教学方法，激发学生的学习兴趣，培养学生的创新思维能力，提高实验教学效果和质量，且降低了实验成本；同时还可提升学生的计算机应用能力。综上所述，Pspice仿真实验是对模拟电子技术实验的一个有效补充和改进，与传统实验相比优势明显。