电路仿真软件PSPICE的应用

Pspice
仿
真
教
程
目录
1.PSPICE简介 1
2.PSPICE使用说明 7
3.PSPICE的应用实例Ⅰ 17
4.PSPICE的应用实例ⅠI 35
PSPICE简介
随着电子计算机技术的发展，计算机辅助设计已经逐渐进入电子设计的领域。

模拟电路中的电路分析、数字电路中的逻辑模拟，甚至是印制电路板、集成电路版图等等都开始采用计算机辅助工具来加快设计效率，提高设计成功率。

而大规模集成电路的发展，使得原始的设计方法无论是从效率上还是从设计精度上已经无法适应当前电子工业的要求，所以采用计算机辅助设计来完成电路的设计已经势在必行。

同时，微机以及适合于微机系统的电子设计自动化软件的迅速发展使得计算机辅助设计技术逐渐成为提高电子线路设计的速度和质量的不可缺少的重要工具。

一、PSPICE软件
在电路设计工作方面，最初使用的是Protel公司DOS版本的Tango软件，在当时这一软件被看作是多么的先进，因为在这以前没有人能像电脑那样快速、准确的画出电路图，制出电路板。

如今，随着Windows95/98及NT操作系统的出现，一些更方便、快捷的电路设计软件应运而生。

如：Tango、Protel、OrCAD、PSpice、Electronics Workbench、VeriBest、PAD2000等。

PSpice是较早出现的EDA(Electronic Design Automatic,电路设计自动化)软件之一，也是当今世界上著名的电路仿真标准工具之一，1984年1月由美国Microsim公司首次推出。

它是由Spice发展而来的面向PC机的通用电路模拟分析软件。

Spice(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是由美国加州大学伯克利分校开发的电路仿真程序，它在众多的计算机辅助设计工具软件中，是精度最高、最受欢迎的软件工具。

随后，版本不断更新，功能不断完善。

基于DOS操作系统的PSpice5.0以下版本自80年代以来在我国得到广泛应用。

目前广泛使用的PSpice5.1以后版本是Microsim公司于1996年开发的基于Windows环境的仿真程序，并且从6.0版本开始引入图形界面。

1998年著名的EDA商业软件开发商OrCAD公司与Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSpice产品正式并入OrCAD公司的商业EDA系统中,成为OrCAD/PSpice。

但PSpice仍然单独销售和使用，推出的最新版本为PSpice 9.1。

PSpice软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成网表，模拟和计算电路。

它的用途非常广泛，不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。

与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。

被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件，具有广阔的应用前景。

这些特点使得PSpice受到广大电子设计工作者、科研人员和高校师生的热烈欢迎，国内许多高校已将其列入电子类本科生和硕士生的辅修课程。

在国外，PSpice软件的使用非常流行。

在大学里，它是工科类学生必会的分析与设计电路工具；在公司里，它是产品从设计、实验到定型过程中不可缺少的设计工具。

世界各国的半导体元件公司为它提供了上万种模拟和数字元件组成的元件库，使PSpice软件的仿真更可靠，更真实。

PSpice软件几乎完全取代了电路和电子电路实验中的元件、面包板、信号源、示波器和万用表。

有了此软件就相当有了电路和电子学实验室。

二、PSpice的优越性
电路设计软件有很多，它们各有特色。

如Protel和Tango，它对单层/双层电路板的原理图及PCB图的开发设计很适合，而对于布线复杂，元件较多的四层及六层板来说OrCAD更有优势。

但在电路系统仿真方面，PSpice可以说独具特色，是其他软件无法比拟的，它是一个多功能的电路模拟试验平台，PSpice软件由于收敛性好，适于做系统及电路级仿真，具有快速、准确的仿真能力。

其主要优点有：
1. 图形界面友好，易学易用，操作简单
由Dos版本的PSpice到Windows版本的PSpice，使得该软件由原来单一的文本输入方式而更新升级为输入原理图方式，使电路设计更加直观形象。

PSpice 6．0以上版本全部采用菜单式结构，只要熟悉Windows操作系统就很容易学，利用鼠标和热键一起操作，既提高了工作效率，又缩短了设计周期。

即使没有参考书，用户只要具备一定的英语基础就可以通过实际操作很快掌握该软件。

2. 实用性强，仿真效果好
在PSpice中，对元件参数的修改很容易，它只需存一次盘、创建一次连接表，就可以实现一个复杂电路的仿真。

如果用Protel等软件进行参数修改仿真，则过程十分繁琐。

在改变一个参数时，哪怕是一个电阻阻值的大小都需要重新建立网络表的连接，设置其他参数更为复杂。

3. 功能强大，集成度高
在PSpice内集成了许多仿真功能，如：直流分析、交流分析、噪声分析、温度分析等，用户只需在所要观察的节点放置电压（电流）探针，就可以在仿真结果图中观察到其“电压（或电流）-时间图”。

而且该软件还集成了诸多数学运算，不仅为用户提供了加、减、乘、除等基本的数学运算，还提供了正弦、余弦、绝对值、对数、指数等基本的函数运算，这些都是其他软件所无法比拟的。

另外，用户还可以对仿真结果窗口进行编辑，如添加窗口、修改坐标、叠加图形等，还具有保存和打印图形的功能，这些功能都给用户提供了制作所需图形的一种快捷、简便的方法。

因此，Windows版本的PSpice更优于Dos版本的PSpice，它不但可以输入原理图方式，而且也可以输入文本方式。

无疑是广大电子电路设计师的好帮手。

三、PSPICE的功能及应用范围
1、PSpice的组成
本文是基于PSpice for Windows（V8.0），这是一个名为MicroSim Eval 8.0的软件包。

该软件包主要包括Schematics、PSpice、Probe、Stmed（Stimulus Editor）、Parts、PSpice Optimizer等。

其中：
1.1 Schematics是一个电路模拟器。

它可以直接绘制电路原理图，自动生成电路描述文件，或打开已有的文件，修改电路原理图；可以对元件进行修改和编辑；可以调用电路分析程序进行分析，并可调用图形后处理程序（Probe）观察分析结果。

即它是集PSpice、Probe、Stmed和PSpice Optimizer于一体，是一个功能强大的集成环境。

1.2 PSpice是一个数据处理器。

它可以对在Schematics中所绘制的电路进行模拟分析，运算出结果并自动生成输出文件和数据文件。

1.3 Probe是图形后处理器，相当于一个示波器。

它可以将在PSpice运算的结果在屏幕或打印设备上显示出来。

模拟结果还可以接受由基本参量组成的任意表达式。

1.4 Stmed是产生信号源的工具。

它在设定各种激励信号时非常方便直观，而且容易查对。

1.5 Parts是对器件建模的工具。

它可以半自动地将来自厂家的器件数据信息或用户自定义的器件数据转换为PSpice中所用的模拟数据，并提供它们之间的关系曲线及相互作用，确定元件的精确度。

1.6 PSpice Optimizer是优化设置工具。

它可根据用户指定的参数、性能指标和全局函数，对电路进行优化设计。

二、PSpice的应用范围
1. PSpice用于模拟电路、数字电路及数模混合电路的分析及电路优化设计。

（1）制作实际电路之前，仿真该电路的电性能，如计算直流工作点（Bias Point Detail），进行直流扫描（DC Sweep）与交流扫描（AC Sweep），
显示检测点的电压电流波形等。

（2）估计元器件变化（Parametric）对电路造成的影响。

（3）分析一些较难测量的电路特性，如进行噪声（Noise）、频谱（Fourier）、器件灵敏度（Sensitivity）、温度（Temperature）分析等。

（4）优化设计。

2. PSpice的分析功能主要体现在以下几方面：
（1）直流分析：
包括电路的直流工作点分析（Bias Point Detail）；直流小信号传递函数值分析(Transfer Function)；直流扫描分析(DC Sweep)；直流小信号灵敏度分析(Sensitivity)。

在进行直流工作点分析时，电路中的电感全部短路，电容全部开路，分析结果包括电路每一节点的电压值和在此工作点下的有源器件模型参数值。

这些结果以文本文件方式输出。

直流小信号传递函数值是电路在直流小信号下的输出变量与输入变量的比值，输入电阻和输出电阻也作为直流解析的一部分被计算出来。

进行此项分析时电路中不能有隔直电容。

分析结果以文本方式输出。

直流扫描分析可作出各种直流转移特性曲线。

输出变量可以是某节点电压或某节点电流，输入变量可以是独立电压源、独立电流源、温度、元器件模型参数和通用（Global）参数（在电路中用户可以自定义的参数）。

直流小信号灵敏度分析是分析电路各元器件参数变化时，对电路特性的影响程度。

灵敏度分析结果以归一化的灵敏度值和相对灵敏度形式给出，并以文本方式输出。

（2）交流扫描分析(AC Sweep)：
包括频率响应分析和噪声分析。

PSpice进行交流分析前，先计算电路的静态工作点，决定电路中所有非线性器件的交流小信号模型参数，然后在用户所指定的频率范围内对电路进行仿真分析。

频率响应分析能够分析传递函数的幅频响应和相频响应，亦即，可以得到电压增益、电流增益、互阻增益、互导增益、输入阻抗、输出阻抗的频率响应。

分析结果均以曲线方式输出。

PSpice用于噪声分析时，可计算出每个频率点上的输出噪声电平以及等效的输入噪声电平。

噪声电平都以噪声带宽的平方根进行归一化。

（3）瞬态分析(Transient)：
即时域分析，包括电路对不同信号的瞬态响应，时域波形经过快速傅里叶变换（FFT）后，可得到频谱图。

通过瞬态分析，也可以得到数字电路时序波形。

另外，PSpice可以对电路的输出进行傅里叶分析，得到时域响应的傅里叶分量（直流分量、各次谐波分量、非线性谐波失真系数等）。

这些结果以文本方式输出。

（5）蒙特卡罗分析（Monte Carlo）和最坏情况分析（Worst Case）：
蒙特卡罗分析是分析电路元器件参数在它们各自的容差（容许误差）范围内，以某种分布规律随机变化时电路特性的变化情况，这些特性包括直流、交流或瞬态特性。

最坏情况分析与蒙特卡罗分析都属于统计分析，所不同的是，蒙特卡罗分析是在同一次仿真分析中，参数按指定的统计规律同时发生随机变化；而最坏情况分析则是在最后一次分析时，使各个参数同时按容差范围内各自的最大变化量改变，以得到最坏情况下的电路特性。

（5）度特性分析（Temperature）和数字电路分析（Digital Setup）
2、分析电路的流程
3.1 用分析电路的过程可以用以下的流程来描述：
（1）绘制电路图。

（2）输入元器件及模型参数。

（3）定义分析类型和输出变量。

（4）保存电路图文件。

（5）运行电路分析程序。

（6）检查分析是否出错。

（7）如果出错，检查电路输出文件，查明出错原因修改电路图文件后再运行电路分析程序；若没有出错，查看电路分析结果（包括输出波形和
输出文件）。

（8）确定电路是否需要进一步修改，如果需要，可以修改电路图文件后再运行电路分析程序，直到认为分析结果满意为止。

3.2 整个电路分析过程大致可以分为两个阶段：
第一阶段：从绘制电路图到保存电路图文件。

第二阶段：运行电路分析程序。

三、电路仿真软件PSPICE的应用举例
MicroSim公司出版的基于Windows平台的PSPICE可以对电路进行以下一些工作：
1.制作实际电路之前，仿真该电路的电性能，如计算直流工作点（Bias
Point），进行直流扫描（DC Sweep）与交流扫描（AC Sweep），显示
检测点的电压电流波形等。

2.估计元器件变化（Parametric）对电路造成的影响。

3.分析一些较难测量的电路特性，如进行噪声（Noise）、频谱（Fourier）、
器件灵敏度（Sensitivity）、温度（Temperature）分析等。

4.优化设计。

PSPICE主要包括Schematics、Pspice、Probe、Stmed（Stimulus Editor）、Parts等5个软件包。

其中：
1.Schematics是一个电路模拟器。

它可以直接绘制电路图，自动生成电
路描述文件；并可对电路进行直流分析、交流分析、瞬态分析、傅立
叶分析、环境温度分析、蒙特卡罗分析和灵敏度分析等多种分析；而
且还可以对元件进行修改和编辑。

2.Pspice是一个数据处理器。

它可以对在Schematics中所绘制的电路进
行模拟分析，运算出结果并自动生成输出文件和数据文件。

3.Probe是后处理器，相当于一个示波器。

它可以将在Pspice运算的结
果在屏幕或打印设备上显示出来。

模拟结果还可以接受由基本参量组
成的任意表达式。

4.Stmed是产生信号源的工具。

它在设定各种激励信号时非常方便直观，
而且容易查对。

5.Parts是对器件建模的工具。

它可以半自动地将来自厂家的器件数据信
息或用户自定义的器件数据转换为Pspice中所用的模拟数据，并提供
它们之间的关系曲线及相互作用，确定元件的精确度。

下面我们就以模拟电子线路中的最为简单的二极管整流电路为例，详细介绍其操作过程，希望借此使读者大致了解PSPICE在模拟电子电路仿真中的应用方法，并举一反三，进一步学习该软件并探索其应用技巧。

1.编辑原理图
首先在Windows界面下的PSPICE程序组中双击Schematics，进入原理图编
辑。

用鼠标单击绘制(Draw)中的取新元件( Get New Part)项，再单击对话框中元件库(Libraries)的浏览(Browse)。

从Analog．slb中取出电阻R，系统自动命名为R1；从Sourse．slb中取出正弦电压源VSIN，系统自动命名为V1；从Eval．slb中取出二极管D1N914，系统自动命名为D1；从Port．slb中取出地线EGND，系统自动设置为0点。

把元件放在所需位置，在Draw对话框里选择(Wire),用鼠标画线将元件连接起来，这样电路图的初绘就完成了。

然后进行元件参数设置。

用鼠标双击相应元件或在编辑(EDIT)菜单中用鼠标单击性质(Attribute)对话框，对相应的参数进行修改（也可以用鼠标双击相应元件处的参数框进行修改）。

其中，正弦电压源(Vsin)：起始电压(Voff)为0；幅值电压(Vamp1)为10；频率(Freq)10K；电阻R1：Value电阻值为100。

其中，电压、电阻、频率的单位缺省值分别为伏特、欧姆和赫兹。

参数确定后，可用鼠标双击需要标注的节点连线，在LABEL内输入数字（节点数）即可。

至此，原理图编辑就结束了。

2.仿真计算
首先进行仿真分析的设置。

本例的仿真内容为瞬态分析，在Schematics主菜单下，用鼠标单击分析(Analysis)中的设置(Setup)，选中瞬态分析Transient 设置（在选项前的小框内打勾），并将打印步长Print Setup设为20ns，最终时间Final Time设为1ms，计算步长设为2μs；然后退出，再用鼠标单击Analysis 中的Library and Include s，将二极管所在的元件库Eval．lib加入Library s 一栏中，这样设置就完毕了。

接着就可以点中Analysis中的Creat Netlist建立电路网络表，此时，会要求你存盘，并自动进行电路检查（Electrical Rule Check），如有错误将给出提示。

最后就可以点中Analysis中的仿真计算Simulate（或按快捷键F11）进行仿真。

在仿真过程中，会看到界面。

计算结束，可点中该界面的下的Examine Output检查仿真结果。

3.波形显示
计算结束后，进入Probe（可通过主菜单的选项Opition设置自动进入，也可在Analysis中点中Run Probe运行），选择增加（Add）曲线（Trace），在给出的菜单中选ID1（电流）、V1和V2（分别为节点1、2的电压），就可以看到它们的波形。

这些波形可以拷贝在贴板上，供用户使用。

从上述例子可见，PSPICE是一个模拟的“实验台”。

在它上面，你可以做各种电路实验和测试，以便修改与优化设计。

它为我们分析与设计电路提供了强大的计算机仿真工具，利用它对电路、信号与系统进行辅助分析和设计，对电子工程、信息工程和自动控制等领域工作的人员具有很高的实用价值。

Pspice 使用说明
此版本的pspice有包含两种方式来编辑所要仿真的电路，一种是MicroSim schematics，另一种是OrCAD Capture。

所以现列出各自的说明文件：
一、 using MicroSim Schematics
现在若要仿真整流器应要经过哪些步骤：
1.开始将电路图组出来
按上图所示的「组件浏览器」按钮，会出现如下所示的窗口：
上图所选的组件是二极管。

较常用的组件像是：capacitance﹝代号：C﹞, inductance﹝L﹞, diode﹝D1N4002﹞,模拟电路接地﹝AGND﹞, Transient sine voltage source﹝VSIN﹞…‧
2. 在选完组件后，就要将他们用电线兜起来。

按快速键“ctrl + w”，光标变
成笔状，就来代表可以画线了。

最后就会成下图的电路。

﹝注意：一定要有一个接地点﹞
3. 设定组件的值。

像图中的C1设为100n ﹝不用包括单位，其单位为F ﹞。

R1设为1k 。

只要直接在该组件上按两下，就可以修改其值。

最后就是有关于电源的设定。

在你双按电源后，会出现下图：
其中有三个一定要设定的值。

VOFF ：offset voltage 。

VAMPL ：amplitude 。

FREQ ：frequency 。

不同的电源的设定有点不同，请看文件。

4. 最后一定要在你要观察波形的点加上probe ，有点像我们在做实验时的探针。

如下图：
5.。

在窗口上选出设定窗口，如下图：
接着就是要设定输出波形图的一些参数，按上图中的”transient …”按钮。

会出现下图：
因为我们将电源的frequency 设为1kHz ，所以设输出波形输出10ms （Final Time = 10ms ）即可。

至于Print Step 参数是控制将simulation output 写至 output file 的频率。

Step Ceiling
是控制输出波形打印的间距，也就是
说当你觉得你的波形不太平滑时，你可尝试将此参数缩小。

6. 最后就是将波形仿真出来，按下图所示的钮：
即可产生出波形，如下图：
图上由红色所圈出的工具列可协助你观察波形，由蓝色所圈出的部分可用来选择要观察你一个波形。

二、. Using OrCAD Capture 也是以仿真整流器为例：
1. 选程序集 → pspice student → Capture ，即可开始将电路图组出来‧再叫出capture 窗口后，选File → New → Project 会出现下一窗口，来开出一个新的project 。

如下图：
在开出 project 后，由 project 窗口中将电路板叫出。

如下图：
2.将电路组出。

按下图所示的按钮：
就会出现下图：
注意，在 OrCAD Capture 中，要自己自行加入定义组件的library。

此例中的capacitance 及resistance 组件在“analog.olb”中，VSIN 在“source.olb”中，diode 在“eval.olb”中。

其它的动作跟在 MicroSim schematics 中大同小异…。

（注意：在每完成一个动作后，按鼠标右键即可选择结束。

例如：在接线完成后，按鼠标右键选择”End Wire”，才能进行下一个不同的动作）
比较要注意的是接地（ground）。

由下图所示的工作列按钮即可加入接地点。

要自行加入 library（source.olb），再选择“source.olb”中的组件“0”。

如下图：
3.设定组件的值，方法类似 MicroSim schematics。

在要修改组件的数值上双
按，即可修改。

在完成设定后如下图：
4.同理，要在你要观察波形的点加上probe。

由工具列中选择加入，如下图：
方法类似 MicroSim schematics。

5.设定要做何仿真。

在此例中是做 transient simulation。

选择选项中的
pspice
，
即会出现下图：
即会跑出下图窗口：
选”time domain
(transient)”
输出波形画到10ms即可。

6. 最后就是将波形仿真出来，按下图所示的钮：
即可产生出波形，如下图：
同理，可以试试工具列上的东西，可以帮助你了解波形。

PSPICE的应用实例Ⅰ
例一、在图16-1所示电路中，当电阻Rl的阻值以10Ω为间隔，从1Ω线性增大到1KΩ时，分析电阻Rl上的电压变化情况。

1.目的：通过本例的介绍，将详细说明如何运用PSpice软件绘制电路图，初步
掌握符号参数、分析类型的设置，并会从Probe窗口看输出结果。

2.开始模拟电路之前，必须先用[Schematic]将电路图画出来。

选择程序项[Schematics]进入绘制电路图窗口如图16-1所示。

图16-1绘制电路图窗口
窗口顶部第一行为窗口标题栏，显示当前程序项名称和所编辑的文件名称，新建电路图必须以某个名称保存以后才有文件名。

第二行为主菜单栏，[Schematics]的所有操作都可通过选择菜单中相应的栏目来完成。

第三行为图标工具栏，每个图标代表菜单中一项最常用的操作，点中图标即可完成相应的操作，提高了操作效率。

各图标对应的菜单项如图16-2所示，
图16-2 图标工具栏
其功能分别为新建、打开、存盘、打印、剪切、复制、粘贴、撤消、恢复、重画、放大、缩小、部分放大、部分缩小、画线、画总线、画框、选择元器件、属性编辑、元件符号编辑（第一行为常用快捷按钮）。

屏幕中间主要区域为原理图编辑区，也就是原理图页面。

它是一块均匀划分的网格区域，用户可以选择Options=>Display Options…显示方式设置，打开或关闭网格开关（Grid On），也可重新设置网点之间间隔（Grid Size）。

窗口底部是辅助信息提示栏，显示当前光标位置、操作功能提示和操作命令。

通过操作功能提示栏，用户可得知每一菜单项的功能。

3.步骤：
3.1绘制电路原理图（所要绘制图如16-3所示）
图16-3电路原理图
1）. 从符号库中提取元器件符号或端口符号
先开启[Schematic],点选[Draw/Get New Part],或单击工具栏上的取元件图标，即可打开如图16-4对话框。

该对话框列出了全局符号库中的所有符号。

可以在Part Name文本框中键入需要的元件符号，对于不熟悉的元件也可以通过符号名列表的滚动条浏览。

单击[<<Basic]按钮可以选择是否显示符号图形。

找到所需的电路符号后，单击该符号，则该符号的名称便显示在Part Name 文本框中，同时Description文本框中出现一行文字，说明该符号的含义。

单击[Place]键可取出元件但不关闭对话框；单击[Place&Close]键取出并关闭对话框；也可双击符号名列表中某一符号将其取出。

在本例中不仅需要取出三个电阻、两个直流电压源和一个接地端，还要取出符号PARAM将电阻的阻值定义为全局变量，因本例是一个以电阻阻值为扫描变量的例子。

图 16-4符号提取对话框
3.2 摆放元件
（1）摆放前取出电路符号后，鼠标将自动指向符号的某一个端子，连成电路后，这个端子代表符号的正节点，因此这个端子又称为符号的正端子。

水平摆放时，通常使正端子在左侧；垂直时，在上。

因此，在摆放符号前通常需将符号旋转一个角度。

在执行[Edit/Rotate]菜单命令或[Ctrl+R]可以将符号逆时针旋转90度，执行[Edit/Flip]菜单命令或[Ctrl+F]可将其沿垂直方向对折。

（2）摆放符号
取出符号后，单击绘图工作区中的某一点，按一下鼠标左键，符号将沿该点摆放一次。

可多次摆放，单击右键结束。

（3）摆放后
摆好后，选中相应的符号（为红色）可对其进行各种操作，如拖动、删除、拷贝及旋转等，也可同时选择多个符号（按住[Shift]键）。

3.3 连线
PSpice有两种连线方式：水平和垂直折线连接，斜线连接。

采用哪种方式取决于直角连线开关的设置情况。

（1）利用连线工具[Draw Wire]画导线。

（2）点选画线工具后，即可看到一个铅笔状的指示。

将画笔移到起始端，按鼠标左键，开始引线，要转弯时可按以下鼠标左键，画笔移到终点后在按以下鼠标左键，完成接线。

继续画线，直到全部完成后，按鼠标右键结束画线。

（3）你可和双击如何一段导线，即会出现LABEL的对话框，可以给这条线段一个名称。

在模拟后很有用。

（4）及时保存电路图。

3.4 定义或修改元器件符号及导线属性
下面以R1为例，介绍两种修改符号属性值的方法。

方法一：利用电阻R1的属性表修改其值。

（1）双击R1符号，打开R1属性表，如图16-5所示。

（2）单击属性项VALUE=1K，属性名VALUE和值1K分别出现在Name和Value 文本框中。

（3）将Value文本框中1K改为100，并单击[Save Attr]，保存新属性。

单击[OK]确认退出。

方法二：单独修改R1的各属性值。

（1）单击R1的编号R1，打开图16-6所示符号参考编号对话框。

（2）将对话框中的R1改为修改的编号，并按[OK]。