PSpice在軟件電路設計中的應用

王 杰

(惠州出入境檢驗檢疫局綜合技術中心，廣東惠州 516000)

在設計大型集成電路和系統時，利用計算機技術可實現模擬電路中電路分析、數字電路中邏輯模擬及電路版圖印制等，且因計算機技術的輔助還可以加快設計的效率，大幅地提高了設計的成功率。PSpice軟件是1972年美國加州大學伯克利分校的計算機輔助設計小組開發而成的，用于模擬電路仿真的軟件，是最早出現的 EDA軟件之一［1］，于1984年正式由美國Microsim公司推出。這款電路仿真軟件是電子電路計算機設計輔助工具中精度最高且最受關注的軟件之一。該軟件經過不斷更新使得其在功能上越來越能夠滿足要求，且伴隨著OrCAD公司與Microsim公司正式合并，PSpice軟件更是成為OrCAD公司的商業EDA系統中一個突出的產品。

1 PSpice軟件特點及組成

1.1 PSpice軟件特點

PSpice具有圖形界面清晰簡潔、易學易用、操作簡單、實用性強、仿真效果好、集成度高等優點［2］。可對電路進行各種分析、包括直流工作點、交流掃描分析、瞬態分析、參數掃描分析、溫度分析、靈敏度分析、直流傳輸特性分析等基本電路特性分析，以及蒙特卡羅分析、最壞情況分析、優化設計等較為復雜的電路特性分析，能實現數/模混合電路進行仿真，且功能強大，可隨時分析觀察仿真結果。PSpice軟件還具有強大的電路圖繪制功能、電路模擬仿真功能、圖形后處理功能和元器件符號制作功能，以圖形方式輸入、自動進行電路檢查、生成網表、模擬和計算電路［3］。其用途廣泛，不僅可用于電路分析和優化設計，并可以用于電子線路、電路和信號與系統等課程的計算機輔助教學。與印制版設計軟件配合使用，還可實現電子設計自動化。采用PSpice軟件仿真的方法，可在計算機上虛擬設計出一個測試儀器先進、元器件品種齊全的電子工作臺，不僅能夠彌補實驗室在元器件的品種、規格和數量上的不足，避免使用中儀器損壞等不利因素［4］。總之，PSpice是一個多功能的電路模擬試驗平臺，該軟件由于收斂性好，適于做系統及電路仿真工具，具有快速、準確的仿真能力以及廣闊的應用前景。

1.2 PSpice軟件組成

PSpice 軟件包主要包括 Schematics，PSpice，Probe，Stmed(Stimulus Editor)，Parts，PSpice Optimizer等，下面分別介紹這些組件的功能。

Schematics:是PSpice軟件中的電路模擬器。其功能是直接繪制、修改電路原理圖，實現對元件的修改及編輯，且能夠調用電路分析程序及圖形后處理程序以便觀察分析結果。此外 Schematics更是將 PSpice，Probe，Stmed，PSpice Optimize集于一體，形成了具有強大功能的集成環境。

PSpice:是仿真軟件中的數據處理器，PSpice的功能是對Schematics中所繪制的電路進行模擬分析，通過運算得出相關結果且聲稱輸出文件及數據文件。

Probe:是軟件中的圖形后處理器，Probe可將PSpice的運算結果顯示在屏幕上。且模擬結果仍可以接受基本參量組成的任意表達式。

Stmed:是軟件中產生信號源的工具，使得設定不同激勵信號時可直觀便利。

Parts:是軟件中對器件建模的工具，其功能是將廠家的器件數據信息或使用者自定義的器件數據進行轉換，使其成為PSpice中所用的模擬數據，并能夠提供器件之間的關系曲線和相互作用，以便實現對元件精確度的確定。

PSpice Optimize:是軟件中的優化設置工具，其功能是對所設計的電路進行優化，以制定的參數、性能指標及全局函數作為優化的參考標準［5］。

2 PSpice軟件分析功能概述

PSpice軟件的分析功能主要有直流分析、交流掃描分析、瞬態分析、蒙特卡羅分析及最壞情況分析，以下對這些功能進行概述［6］。

直流分析:PSpice軟件的直流分析功能有直流工作點分析，直流小信號傳遞函數值分析，直流掃描分析以及直流小信號靈敏度分析。

交流掃描分析:PSpice軟件主要是對頻率響應及噪聲的分析。軟件在進行交流分析之前，首先要對電路的靜態工作點進行計算，以便決定電路中所有非線性器件的交流小信號模型參數，隨后在制定的頻率單位內實現電路的仿真分析。其中對頻率響應的分析主要是對傳遞函數的幅頻響應和相頻響應，可得到電壓、電流、互阻、互導的增益及輸入和輸出的阻抗頻率響應。且PSpice軟件可使分析結果以曲線方式來輸出。

瞬態分析:PSpice軟件的瞬態分析包括電路對不同信號的瞬態響應，時域波形經過快速傅里葉變化后得到頻譜圖。PSpice軟件能夠實現對電路的輸出進行傅里葉分析從而得到時域響應的傅里葉分量。通過PSpice軟件的瞬態分析還可得到對數字電路時序波形。

蒙特卡羅分析:PSpice軟件的蒙特卡羅分析主要是對電路元器件參數在各自容許誤差范圍內的分布規律及變化時電路特性的變化情況進行分析，特性是指直流、交流或瞬態特性。

最壞情況分析:PSpice軟件的最壞情況分析與蒙特卡羅分析均屬于統計分析，但與蒙特卡羅分析不同的是，最壞情況分析是在最后一次分析時使各個參數同時以容許誤差范圍內最大變化量來改變，這就可得到最壞情況下的電路特性，而蒙特卡羅分析則是在同一次仿真分析中參數由制定的統計規律同時發生隨機變化。

3 PSpice軟件的應用及實例分析

PSpice軟件是一種功能強大，較受歡迎的電路仿真軟件，利用PSpice軟件可實現模擬電路、數字電路及數模混合電路的分析及電路優化設計，實現在制作實際電路之前仿真該電路的電性能，進行電路優化設計。PSpice軟件應用于電路設計可大幅提高設計效率，具體使用PSpice軟件進行仿真可分為以下步驟。(1)是繪制電路圖。(2)需要對設置電路的特性分析類型和仿真參數文件。(3)需要啟動程序進行仿真。(4)是利用Probe將仿真結果進行顯示。(5)是進行分析并輸出相關的實驗結果。以下實例對PSpice軟件的功能及電路設計中的具體應用進行了說明。

實例1 利用PSpice軟件實現對限幅電路的仿真分析。如圖1顯示的是二極管限幅電路，圖2顯示的是該限幅電路直流掃描的分析結果［7］。

通過圖2顯示的結果可看出，當輸入的電壓超過8 V時其幅度會限制在6.7 V，而當輸入的電壓低于－8 V時其幅度則是限制在－6.7 V，實現了限幅。

如圖3所示限幅電路的瞬態分析結果，可看出該電路能夠實現限幅要求，當輸入的電壓超過一定值時，其超出部分就會被截平，這就保證了信號的電壓可在一定的幅度范圍內，避免了電路因信號電壓過大而使電路產生問題。

圖3 瞬態分析結果

實例2 利用PSpice軟件實現對考比茲振蕩器電路如圖4所示的瞬態分析，并繪制出波形如圖5所示。

4 結束語

PSpice軟件是當前應用最為廣泛的電路設計軟件之一，也被認為是電路模擬程序中的最佳程序。其強大的功能效率大大地改善和優化了電子電路的設計，尤其是PSpice軟件在系統仿真方面的優越性，更使得PSpice軟件成為設計師不可或缺的實用工具。

［1］ 汪漢新.電路設計的 PSpice仿真分析［J］.現代電子技術，2003(15):42－44.

［2］ 賈新章，郝躍.OrCAD/Pspice9實用教程［M］.西安:西安電子科技大學出版社，1999.

［3］ 任青蓮，高文華，張平.基于PSpice的電路性能分析與優化設計［J］.太原重型機械學院，2003，24(2):136 －139.

［4］ 祁云飛.基于小信號S參數的功率放大器設計［J］.電子科技，2010，23(8):72 －73，76.

［5］ 邵清亮，張振川.VHDL設計電路優化探討［J］.現代電子技術，2004(9):15－16.

［6］ 竺瓊，胡志忠，浦建開.基于SLPS的模擬電路故障樣本自動獲取技術［J］.電子設計工程2012(1):42－44.

［7］ 薛延俠.PSpice在電子技術基礎教學中的應用［J］.西安郵電學院學報，2011(S1):106－108.