1、1 PSPICE概述PSpice 是一個電路通用分析程序，是 EDA中的重要組成部分， 它的主要任務是對電路進行模擬和仿真。該軟件的前身是SPICE（ SimulationProgram with IntegratedCircuitEmphasis） , 由美國加州大學伯克萊分校于1972 年研制。 1975 年推出正式實用化版本SPICE2G，1988 年被定為美國國家標準。 1984 年 Microsim 公司推出了基于 SPICE的微機版本 PSpice(Personal-SPICE), 此后各種版本的 SPICE不斷問世，功能也越來越強。進入20 世紀 90 年代，隨著計算機軟件的發展

2、，特別是Windows操作系統的廣泛流行， PSpice又出現了可在Windows環境下運行的5.1 、6.1 、 6.2 、8.0 等版本，也稱為窗口版，采用圖形輸入方式， 操作界面更加直觀， 分析功能更強， 元器件參數庫及宏模型庫也更加豐富。1998 年 1 月，著名的 EDA公司、 OrCAD公司與開發 PSpice 軟件的 Microsim 公司實現了強強聯合，于 1998 年 11 月推出了最新版本 OrCAD/PSpice 9。為了迅速推廣普及 OrCAD/PSpice9 軟件， OrCAD公司提供了一試用光盤OrCAD/PSpice 9 Demo，它與商業版是完全一致的，不同之處

3、只是在元器件上受一定的限制，因此又被稱為普及版。OrCAD/PSpice 9 可模擬以下 6 類常用的電路元器件：1基本無源元件，如電阻、電容、電感、傳輸線等。2常用的半導體器件，如二極管、雙極晶體管、結型場效應管、MOS管等。3獨立電壓源和獨立電流源。4各種受控電壓源、受控電流源和受控開關。5基本數字電路單元，如門電路、傳輸門、觸發器、可編程邏輯陣列等。6常用單元電路，如運算放大器、555 定時器等。在這里集成電路可作為一個單元電路整體出現在電路中，而不必考慮該單元電路的部結構。OrCAD/PSpice 9 可分析的電路特性有6類 15種：1直流分析，包括靜態工點、直流靈敏度、直流傳輸特性、

4、直流特性掃描分析。2交流分析，包括頻率特性、噪聲特性分析。3瞬態分析，包括瞬態響應分析，傅立葉分析。4參數掃描，包括溫度特性分析，參數掃描分析。5統計分析，包括蒙托卡諾分析、最壞情況分析。6邏輯模擬，包括邏輯模擬、數模混合模擬、最壞情況時序分析。OrCAD/PSpice 9 的配套軟件OrCAD是一個軟件包，進行電路模擬分析的核心軟件是PSpice A/D ，為使模擬工作做得更快更好， OrCAD軟件包還提供了以下5 個配套軟件與之相配合。1電路圖生成軟件：其主要功能是人機交互方式在屏幕上繪制電路圖，設置電路中元器件的參數，生成多種格式要求的電連接網表。在該程序中可直接運行PSpice 及其它

5、配套軟件。2激勵信號編輯軟件：其主要功能是以人機交互方式生成電路模板中需要的各種激勵信號源。包括瞬態分析中需要的脈沖、分段線性、調幅正弦、調頻、指數等5 種信號波形和邏輯模擬中需要的時鐘、脈沖、總線等各種信號。3模型參數提取軟件：其主要功能是提取來自廠家的器件的數據信息，生成PSpice模擬時所需要的模型參數。因為盡管PSpice A/D模型庫中提供了一萬多種元器件和單元集成電路的模型參數，但在實際應用中仍有用戶需要采用未包括在模型參數庫中的元器件，這時 ModelED軟件就顯得至關重要。4波形顯示和分析模塊：其主要功能是將PSpice 的分析結果用圖形顯示出來。不僅能顯示電壓、電流這些基本電

6、路參量的波形，還可以顯示由基本參量組成的任意表達式的波形，所以有“示波器”之稱。該模塊還能對模擬結果進行再加工，以提取更多的信息。5優化程序：其主要功能是自動調整元器件的參數設計值，使電路的特性得到改善，實現電路的優化設計。PSPICE仿真軟件的優越性： (1) 圖形界面友好，易學易用，操作簡單；(2) 實用性強，仿真效果好； (3) 功能強大，集成度高；另外，用戶還可以對仿真結果窗口進行編輯，如添加窗口、修改坐標、疊加圖形等，還具有保存和打印圖形的功能，這些功能都給用戶提供了制作所需圖形的一種快捷、簡便的方法。因此，Windows版本的 PSPICE更優于 Dos版本的 PSPICE，它不但

7、可以輸入原理圖方式，而且也可以輸入文本方式。無疑是廣大電子電路設計師的好幫手。2 理論分析零狀態響應就是電路在零初始狀態下 （動態元件初始儲能為零） 由外施激勵引起的響應。 2.1 一階 RC電路的零狀態響應如圖所示的 RC串聯電路，開關 S 閉合前電路處于零初始狀態，即uc(0 - )=0 。在 t=0 時刻，開關 S 閉合，電路直接接入直流電流源iC duCUS。根據 KVL,有 uR+uC=US。將 uR=Ri，dt帶入，得電路的微分方程RC duCuCU S。此方程為一階線性非齊次方程。方程的解由dt非齊次方程的特解 uC 和對應的齊次方程的通解uC 兩個分量組成，即 uC= u C+

8、 u C。根據高等數學中求解非齊次微分方程的方法不難求得特解為uC =US 而對應齊次方程RC du CuC0ttdt的通解為： uCAe。其中RC 。所以原方程全解為 uCU SAe 。tt將初始條件代入上式得 A=- US。所以原方程的解為： uC U SU S e RCU S(1e ) ，顯然，iC duCtU S e RCuC和 iuC充電電流可表示為：dtR。的波形如下圖所示，圖中還表示了的兩個分量 uC 和 uC ：i , uCuCU SU SuCRiotuCU S圖 1 RC 電路零狀態響應圖 2u C 和 i 的波形2.2一階 RL電路的零狀態響應電路如圖3 所示，設開關S 原

9、來處于斷開位置，且電感電流i L (0)0 。在 t0 時，將開關 S 閉uRRi L,uLdi L合，電路的響應為零狀態響應。根據KVLL代入上式，解電路的方程，有。又將dtdi LRiL UL di LU SLSi L微分方程為dt， 即 R dtR ，根據換路定則，上述方程的初始條件為i L i L ，顯然 i LU SRti L (0)i L (0 )0 。令原方程的全解為i LR。令通解 iLAe L，則根據初Ai L ( 0 )U SR 。所以有始條件很容易確定積分常數US (1ti Le )Rtdi LLuLU S e其中i和 uL 的波形，圖中還表示了 i L 的L為 RL 電

10、路的時間常數， 圖 4 表示dttRuRRiLUS(1e )兩個分量 iL 和 i L 。i L , uLi LU SRU SiLuLotiLU SR圖 3 RL 的零狀態響應圖 4 i和 uL 的波形2.3當電源為方波電源時一階RL和 RC電路的零狀態響應本課程設計要求的時用方波電源分析一階 RC和 RL 電路的零狀態響應，前面已經介紹了電源為直流源時的零狀態響應，當電源換為方波電源后，無非是等價于交替變換的直流源，我使用的方波是一段時間保持為峰值然后另一段時間保持為 0，即相當于在峰值時是一個直流源對電容或者電感充電，將電能轉換為磁場能，到后一段時間時直接變成了電容或者電感對外放電的過程，

11、又將磁場能轉換為熱能等形式，此時就是一階 RC或者 RL 的零輸入響應，在此不多做介紹。所以，總的過程就時電容或者電感不斷充放電的過程，零狀態響應和零輸入響應交替出現。一階 RC零狀態響應電路如下圖：R11220V1= 0vV22V2= 10vTD = 0nsC1TR = 0ns11nTF = 0ns一階 RL 零狀態響應電路如下圖：R1121001V1= 0vV1V2= 10vL1TD = 0nsTR = 0ns10uHTF = 0nsPW = 1us2PER = 2us3 程序運行結果及圖表分析和小結3.1 RC 電路運行結果及圖表分析原電路一個周期電容充放電過程中電壓和電流的時域圖像（其

12、他周期的只是這個周期的相同重復 ）電源電壓圖像電容電壓圖像電容電流圖像* 12/28/08 14:41:08 * PSpice Lite (Mar 2000) * Profile: "SCHEMATIC1-2us" G:pspicewaterblue828-schematic1-2us.sim * CIRCUIT DESCRIPTION*WARNING:THISAUTOMATICALLYGENERATEDFILEMAYBESUBSEQUENT SIMULATIONS*Libraries:OVERWRITTENBY* Local Libraries :* From PSPIC

13、E NETLIST section of C:Program FilesOrcadLitePSpicePSpice.ini file:.lib "nom.lib" *Analysis directives:.TRAN0 2us 0.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*).INC ".waterblue828-SCHEMATIC"* INCLUDING waterblue828-SCHEMATIC * source WATERBLUE828R_R1N02858 N01297 20V_V2N02858 0+PULSE 0v 10

14、v 0ns 0ns 0ns 1us 2usC_C10 N01297 1n.END改變 R 值對波形的影響（將原電路的電阻阻值改為 500 歐姆后的電壓電流圖像）電容電壓圖像電容電流圖像* 12/28/08 15:00:35 * PSpice Lite (Mar 2000) * Profile: "SCHEMATIC1-1000us" G:pspicewaterblue828-SCHEMATIC1-1000us.sim * CIRCUIT DESCRIPTION*WARNING:THISAUTOMATICALLYGENERATEDFILEMAYBEOVERWRITTENSUB

15、SEQUENT SIMULATIONS*Libraries:BY* Local Libraries :* From PSPICE NETLIST section of C:Program FilesOrcadLitePSpicePSpice.ini file:.lib "nom.lib"*Analysis directives:.TRAN0 100us 0.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*).INC ".waterblue828-SCHEMATIC"* INCLUDING waterblue828-SCHEMATIC *

16、 source WATERBLUE828R_R1N02858 N01297 500V_V2N02858 0+PULSE 0v 10v 0ns 0ns 0ns 1us 2usC_C10 N01297 1n觀察電容電壓和電流的圖像發現，將與電容串聯的電阻的阻值加大之后，電源對電容的充電速度變慢了，使得開始時在電容充電未完成之前方波電源已經過了半個周期，從而電源電壓變為零，馬上變成了零輸入響應，電容開始放電，但是在電容放電完成之前，時間又過了半個周期，從而電源電壓又回到峰值，馬上又變成了RC 串聯電路的全響應，電容繼續充電，但是充電過程仍然無法完成，時間又過了半個周期，又回到了零輸入響應，就這樣周而

17、復始地充電放電，零輸入響應和全響應兩個狀態交替地出現。雖然這樣，但是在每次的充電和放電過程中，電容電壓和電流的最大值和最小值均不一樣。3.1.3改變 C 值對波形的影響（將原電路的電阻阻值恢復為20 歐姆并將電容值改為 1法拉時電壓電流圖像）電容電壓圖像電容電流圖像* 12/28/08 15:30:57 * PSpice Lite (Mar 2000) * Profile: "SCHEMATIC1-1000us" G:pspicewaterblue828-SCHEMATIC1-1000us.sim * CIRCUIT DESCRIPTION* WARNING: THIS A

18、UTOMATICALLY GENERATED FILE MAY BE OVERWRITTEN BY SUBSEQUENT SIMULATIONS*Libraries:* Local Libraries :* From PSPICE NETLIST section of C:Program FilesOrcadLitePSpicePSpice.inifile:.lib "nom.lib"*Analysis directives:.TRAN 0 10us 0.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*).INC ".waterblue828-S

19、CHEMATIC"* INCLUDING waterblue828-SCHEMATIC * source WATERBLUE828R_R1N02858 N01297 20V_V2N02858 0+PULSE 0v 10v 0ns 0ns 0ns 1us 2usC_C10 N01297 1f觀察電容電壓和電流的圖像發現，將電容值增大后可以提高電容的充放電速度，經驗證，電容值改為 1 法拉后，電容的充電過程幾乎是在瞬間完成的，因為電容電壓的圖像軌跡和電源方波地圖像軌跡是完全重合的，此結論也可以通過電容電流地圖像得出，經仔細觀察，充放電時間約為 0.1 微秒。3.2 RL 電路運行結果及圖

20、表分析原電路中的有關電壓和電流的圖像電源電壓圖像同RC電路中的電源電壓圖像，在此不再重復顯示。電感電流圖像電感電壓圖像* 12/28/08 15:59:34 * PSpice Lite (Mar 2000) * Profile: "SCHEMATIC1-2" G:rldeguobing-schematic1-2.sim * CIRCUIT DESCRIPTION*WARNING:THISAUTOMATICALLYGENERATEDFILEMAYBESUBSEQUENT SIMULATIONS*Libraries:OVERWRITTENBY* Local Libraries

21、:* From PSPICE NETLIST section of C:Program FilesOrcadLitePSpicePSpice.ini file:.lib "nom.lib"*Analysis directives:.TRAN0 10us 0.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*).INC ".guobing-SCHEMATIC"* INCLUDING guobing-SCHEMATIC * source GUOBINGV_V1N00165 0+PULSE 0v 10v 0ns 0ns 0ns 1us 2usR

22、_R1N00165 N00219100L_L1N00219 010uH.END改變R 值對波形的影響（ 將原電路中的電阻阻值該為5 歐姆后有關電壓和電流的圖像）電感電流圖像電感電壓圖像* 12/28/08 16:11:59 * PSpice Lite (Mar 2000) * Profile: "SCHEMATIC1-2" G:rldeguobing-schematic1-2.sim * CIRCUIT DESCRIPTION*WARNING:THISAUTOMATICALLYGENERATEDFILEMAYBESUBSEQUENT SIMULATIONS*Librarie

23、s:OVERWRITTENBY* Local Libraries :* From PSPICE NETLIST section of C:Program FilesOrcadLitePSpicePSpice.ini file:.lib "nom.lib"*Analysis directives:.TRAN0 50us 0.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*).INC ".guobing-SCHEMATIC"* INCLUDING guobing-SCHEMATIC * source GUOBINGV_V1N00165 0+PULSE 0v 10v 0ns 0ns 0ns 1us 2usR_R1N00165 N00219 5L_L1N00219 0 10uH.END觀察電感電壓和電流的圖像可以發現，當把電阻阻值降低之后，在電感上的電能和磁場能的轉換加速了 。改變 L 值對波形的影響（ 將原電路中的電阻阻值恢復為100 歐姆并將電感值改為500 微亨后有關電壓電流的圖像）電感電流圖像電感電壓圖像* 12