1-1 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。而后它改进规格成为SPICF2标准，现在世面上的SPICE兼容软件皆基于SPICE2标准。
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。
最近，EDA ( Electronic Design Automation )界的天王厂家orCAD相中了PSpice A/D高超的电路仿真能力而加以并购，因此这项程序就正式更名为。orCAD PSpice A/D了。经过重新集成过后的orCAD PSpice在整个orCAD设计环境内的地位如图所示
电路绘制程序 Capture CIS 软件仿真程序 PSPice 印刷电路板程序 Layout Plus 可编程逻辑元件程序 Express
由图可以看到，目前的OrCAD设计环境将两个公司最佳的EDA程序产品紧紧地结合在一起形成超强的阵容，其功能之完整强悍当然是不必赘述了。它的前段处理程序为OrCAD Capture CIS(component information system)，负责电路图的绘制、仿真参数的设置以及产生网络表( netlist )等报告文件，然后就是OrCAD PSpice登场，负责软件验证的工作。一旦绘制的电路图可以通过验证，就可以进入后续的Layout Plus程序进行印刷电路板(PCB>设计，或是进入Express程序进行可编程逻辑元件(PLD)的设计。
在OrCAD Capture眼中，OrCAD PSpice就像是一块软件的电路面包板，我们可以在上面放入电源与触发信号后，再根据需求来测试设计的电路是否合乎要求，然后予以必要的调整，等到仿真结果顺利通过检测，就可以转移流程到实际，接触硬件层次的过程( PCB或PLD设计)。
在OrCAD Capture准备转移到OrCAD PSpice进行仿真之前，Capture会先将绘好的电路与仿真设置转换成一系列的电路文件以供PSpice读取。这些电路文件包括使用元件种类、网络连接状态、仿真相关指令、自建仿真元件库与激励源信号等等信息。
本书的内容为OrCAD Pspice介绍。由于Capture CIS是 PSpice的前端处理程序，所以我们也将使用四章(第2章到第5章)的篇幅介绍在Capture CIS中有关于PSpice界面的功能与操作。对于完整的Capture CIS, Layout Plus和Express介绍限于篇幅，有兴趣可自行参考相关书籍。
1-2 OrCAD PSpice的特点
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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。
1-6 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。
1-6-1 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。它们将分别在本书的第6章偏压点与直流扫描分析、第7章交流扫描分析、第8章暂态分析、第15章噪声分析与第16章傅立叶分析中加以详细的介绍。
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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。
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描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。
时域信号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。
1-6-2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。它们将分别在本书的第l4章温度分析、第I7章参数分析、第18章蒙地卡罗分析、第19章最差情况分析加以详细的介绍。
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
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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。
1-8 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。
1-8-1 .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。 1-8-2 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。
1-8-2 .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
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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。
1-8-3 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。本书第8章有使用Stimulus Editor程序来编辑正弦波信号的范例。第22章、第23章有使用Stimulus Editor程序来编辑周期性数字信号的范例。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。
第6章偏压点和直流扫描分析（*DC）
(欧姆定律)
学习目的
使用电路绘制程序Capture绘制所需要的电路图，
学习偏压点分析（Bias Point Detail )和直流扫描分析(DC Sweep)的设置 学习调用电路仿真程序PSpice执行仿真并显示输出波形，再将仿真结果与欧姆定律相验证。 学习打印电路图及输出波形图。
本章的主要学习目标为电路仿真程序PSpice的基本操作。电路仿真程序PSpice的主要功能是将Capture产生的电路图形文件或是电路文本文件.CIR进行仿真，并将结果存档。另外，PSpic提供了一个附属的波形观测程序Probe ,它有能力将仿真结果快速而精准地以窗口图形显示出来，相当于电了实验室内曲线跟踪仪、示波器、网络分析仪、频谱分析仪、逻辑分析仪等观测仪器的地位。
范例为欧姆定律的验证。
范例一偏压点分析并观察文本输出文件内容
步骤一 绘制如图所示的电路图。其中电阻R1的元件名称为R,电压源V1的元件名称为VDC,直流电位属性DC设为5v。
步骤二 设置DC Bias Detail偏压点分析参数
1、在启动PSpice执行仿真之前，必须把执行何种仿真、执行范围为何等等相关数据准备好才行。OrCAD PSpice是以仿真参数文件(Simulation Profile)来管理这些数据。
如何设置偏压点分析的仿真参数文件。
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2、所谓偏压点分析就是只计算V1为5v时(因为用绘制电路图时，已经设置VDC元件V1的DC属性为5v)，电路内各节点的电压值与各分支的电流值。其功能主要在验证某一个电路在当时的直流电压或电流电源时，是否可以正常工作，尤其在设计类似晶体管放大器之电路时，这是一个必要的步骤。
3、现在要设置偏压点分析，在Analysis页的Analysis type栏内点选偏压点分析。 4、保存 5、仿真
6、查看输出文件。这里要注意，PSpice对于电压源电流的定义是流出为负，流入为正，所以记录的Vi的电流是-5.000E-02A。
提示一 除错技巧 当无法执行仿真程序时，PSpice会在Output Window内显示错误及警告信息，所以我们可先研究这里提供的信息口如果可以了解它的说明，当然就直接回电路图修改电路后重新仿真。否则也可先选取某个信息，然后使用鼠标右键调出快捷功能菜单，选择Help on...选项，这会调出一个说明本错误信息意义的窗口，再加以分析判断。
某些无法通过Capture DRC(Design Rule Check)检查的错误，会跳回绘图页编辑程序的画面，并在出现错误的电路位置上显示错误标记。
如果是分析设置下的错误，多半会在文本输出文件.OUT内有对应的错误信息说明。这时可打开文件来观察。
一个绘图或设置的错误可能会导致数个错误信息的产生，所以改完几个错误后便重新再仿真一次，可以减少很多错误信息的出现，简化问题。
范例二 直流扫描分析并观察输出波形
步骤一调出例一电路图并设置DC Sweep直流分析参数 1、打开例一电路 2、在Analysis的Analysis type中选择DC Sweep选项来设胃执行直流扫描分析：在Sweep Variable（扫描变量型式)栏选择Voltage Source(电压源)并设置name(名称)栏为V1，这是因为要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)栏改为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Vi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。
3、退出Simulation Setting
提示二直流分析设置选项说明 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时，请参考第
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17章范例四的说明。
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。 步骤二 存档并执行仿真PSpice
存档、执行仿真。屏幕上会自动打开PSpice的Probe窗口。如果嫌output Window与Simulation Status Window太占画面，可以使用View\\Output Window与View\\Simulation Status Window功能选项将它们关闭，然后将输出波形图区放至最大的状态。
这个PSpice窗口和前面偏置点的pSpice窗口有以下几个不同的地方。首先工具栏中可用的按钮多了一些，这些都是对应到输出波形操作的按钮，由于前面偏压点分析的结果只有文字输出，所以这些工具栏按钮当然就不亮了。再来可以看到输出波形区内出现一个仅有横轴与纵轴的空图，横轴变量就是我们前面设置的扫描变量V1，而且坐标值也已经按照我们的要求定为0V到5V了。至于纵轴变量则等待着我们的输入。现在注意一下Output Window的记录内容，可以见到DC Sweep分析顺利地完成了，不过其实在执行直流扫描分析之前，PSpice一定会自动先执行一次偏压点分析。目前的Simulation Status Window内有一些信息了，一看就知道它告诉我们V1将由0V开始扫描到5V为止。
PSpice窗口内的工具栏可分为File、Edit、Simulate、Probe与Cursor五大类。其对应的操作功能请参见下表的简单说明。File、Edit、Simulate与通用软件中常见的一样就不再赘述。
步骤三 观察仿真波形结果
选择（或用快捷键）Trace\\Add Trace...对话框。这个对话框相当大，很难一窥全貌。在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，显示如图
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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。在Capture窗口内选PSpice\\Markers\\Mark Current into Pin或快捷键，这会出现一个信号探针的符号，将其放入电路图中。注意，电流探针必须放在元件管脚端点上，而不可放在单纯的连线上，回PSpice窗口，一样得到以上的图形。
提示三探针的介绍
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内的PSpice\\Markers选项下，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。 提示四如何删除一条显示中的波形曲线
有时我们选错了显示曲线，或是想更换为别的显示曲线，这时就得先删除现在显示的波形曲线。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。
如果选择Trace\\Delete All Traces选项，这将把画面上所有波形曲线删除。 步骤四 打印输出波形图
要在打印PSpice输出波形图也很简单，只要先在PSpice窗口内调整好输出波形图，然后选快捷键就会按目前设置的打印控制来打印波形图。如果要更改打印控制请选File\\Print…选项或快捷键[Ctrl+P]来打开Print窗口。设置选项完毕，点击OK现在PSpice就会将选定的显示波形送至打印机输出。
步骤五 将输出波形存成图形文件
另一种打印波形结果的方式就是将它们转成标准图形文件后再打印。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，最后再放入文稿内打印。要将输出波形转成标准图形文件，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。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。
习题
1请按本章的操作步骤依次完成范例的仿真和结果观测。
2.请将本章范例的操作结果完成一份报告交给教师，报告格式如下: (1)题目与说明
简单推述本范例的学习日的及重点说明 犯)电路图
请川范围打一印的方式打印出图6-1的Capture电路图 (3)文本输出文件与输出波形图
手J印出表’b-t的偏压点输出结果 与图6-1}的直流宁_!描分析波形图 (4)讨论
描述操作过程碰到的问题、解决方法以及学习心得
3+请将本章范例的电阻值改为2i30 s}，电源电压改为8V}然后完成仿真和结果观测，
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并与按欧姆定律计算出的结果做比较。
4.请将本章范例的电阻改为电容(元件编号为C)，其值为lnF，电源电压仍为5V,
然后完成仿真并测量电容上的电压及流过电容的电流，你能按电容的直流特性来解
释测量到的结果吗?
5.请将本章范例的电租改为电感(元件编号为L)，其值为1mH，电源电压仍为} },, 然后执行仿真，这时会出现以下错误信息而中止仿真。你能按电感的直流特性来解
释发生错误的原因妈?
Voltage source ar>dlor inductor loop inyol}ing V_ V}
6.请由图G-15的电路执行偏压点分析，观察其文本输出文件。然后执行直流扫描分析。 得到如图b-l6的波形图。直流电流源元件名称为I I)C
7。请由图6-17的电路
后执行直流扫描分析，
〔需载入eval,alh)执行偏压点分析，观察其文本输出文件:然 得到如图6-- l 8的波形图。直流电流源元件名称为I aC\"
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8.请由图b-19的电路(需载入eval.olb)执行偏压点分析，观察其文本输出文件:然 后执行直流扫描分析得到如图b-20的波形图。
第7章交流扫描分析（RC电路的频率响应*AC SWEEP) 学习目的
使用交流扫描分析（AC Sweep )来验证 R-C电路频谱图。 学习如何修改Probe波形图的x轴及Y轴坐标的设置值。 学习如何增加一条Y轴坐标来显示其他波形与变更网格线。 学习如何在Probe波形图去掉分线标记并加入说明文字。 学习如何启动光标来测量数据。
学习如何将调整好的波形图存档，以供日后再度观测。
本章的范例将分析如图R-C电路充、放电时线路的频率响应。
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。 步骤一 绘出电路图
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步骤二 设置AC Sweep
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106，千万不要弄错了。
提示一AC Sweep设置窗口的各设置项目
AC Sweep Type(交流扫描类型)：可设为Linear(线性显示)、Logarithmic \\ Octave (倍频程显示)、Logarithmic/Decade(幂次显示)。 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· 步骤三 存档并执行仿真PSpice 步骤四 使用Probe观察仿真结果
1、设计的电路图形文件若是可以顺利地完成仿真，就会自动打开Probe窗口。这是一个空图，除了x轴变量已经按照我们在AC Sweep的设置为10K-10Meg Hz之外，Y轴变量则等待着我们的选择输入。
2、现在选择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\"DB (V(Vi)/V(Vo))”。退出Add Traces窗口。
3、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。
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
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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 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。
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
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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(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。
步骤八 为波形图去掉分线标记
1、在彩色电脑屏幕上，不同的曲线主要依照不同的颜色来区分，但是为了黑白打印需要，曲线上也会各自加入分线标记以便分辨。如果要去除分线标记请用Tool\\Options选项，这会打开Probe Options对话框，然后将use Symbols(分线标记设置)选项由always(永远启动)改设为Never(不显示)。
2、至于Use Symbol栏内的Attributes（属性）选项，情形就比较复杂些。首先将鼠标光标移到任何一条波形曲线下面，单击鼠标右键，应该会出现一个只有Information与Properties两个选项的功能菜单。请选Properties选项，将会出现一个trace Properties对话框。在这个对话框内可以对波形曲线的显示颜色( color )，线条样式(Pattern ) ,曲线宽度( Width)以及分线符号形式(Symbol )做一些调整。对话框最下方有一个Show symbol的选择项，默认状态下它是未打勾的。如果我们在Probe Options对话框的Use symbols栏内选择了Attributes选项，那么画面上将只有Shaw symbol选择项被打勾的波形曲线会显示出分线标记。这种功能使我们能够在许多曲线内很清楚地标示出某一条特定曲线。
步骤九 为波形图加上说明文字
如果想要在Probe图内加入适当的说明文字，可用Plot\\Label功能，其详细的设置选项请见提示五的说明。
提示五：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
2、我们现在将频率响应图加上说明文字与箭头，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。 然后选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。
3.现在选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
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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。
4.现在选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。
5.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。
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。
步骤十一 保存波形图
1、 Probe提供了保存观测屏幕的功能，以便用户反复查看结果。
2、将Probe窗口调整成满意的情况，然后选Window\\Display Control功能打开Save\\Restore Display窗口，在New Name:输入适当的文件名。然后选Save钮将之存入.PRB文件内。往后我们打开这个.DAT文件时，就可以在Save\\Restore Display窗口内找到这个文件名字符串，用鼠标左键在其上点击，就可以打开以前保存好的Probe观测屏幕。
习题
!.请按本章的操作步骤依次完成范例的仿真和结果观测。
2.请将本章范例的电阻值改为200，电容值改为0.2 a F,然后完成仿真和结果的观 测(包含本范例所有的Probe高级操作步骤)，并请与计算值做比较。
3.若将本章范例的电阻器与电容器对调位置，你认为输出频谱图会呈现什么样子?请 完成仿真和结果的观测(包含本范例所有的Probe高级操作步骤)，并请与计算值
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做比较。
4.请由图7-20的电路执行交流扫描分析，得到如图7一21的波形图。
s.请由图}-zz的电路执行交流扫描分析，得到如图7一23的波形图。
第8章 暂态分析 (OP-Amp反相放大器)
学习目的
介绍时域信号源的设置。
使用暂态分析(Transient Analysis )验证OP-Amp反相放大器电路的时域输出输入特性。 学习如何分隔显示屏幕或使用多个显示窗口以显示多个波形。
学习如何使用虚拟装置以通知PSpice将仿真结果记录于.OUT文本输出文件内。 学习如何使用激励源编辑程序(Stimulus Editor)来编辑输入信号源。
学习如何对施密特触发电路(Schmitt Trigger)仿真以产生迟滞图( Hysteresis ) (使用两种方法:直流扫描分析和暂态分析)。
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重点说明
本部分的学习目标为暂态分析(Transient Analysis)的设置及在时域(Tine Domain )上观测输入输出波形。
一般电子实验室内对信号的观测主要是真对时域信号而定，而所谓时域信号就是以时间为横轴来记录的波形。此时使用的电子仪器主要有信号发生器和示波器。信号发生器负责产生验证电路时所需的周期性时域信号，将之输入待验证的电路，然后就可用示波器将输入和输出信号显示于屏幕上观测及比较。PSpice A/D的暂态分析就是仿真这样的时域工作环境。由各式各样设置好的信号源提供待验证电路合适的输入信号，待完成仿真后就可以用Probe来观测输出波形了。
PSpice A\\D已经内建有一些常用的时域信号源，大致上可以分成两大类型。第一种是使用激励源编辑程序( Stimulus Editor)来定义的信号源(表8-1)，由于有激励源编辑程序的协助，所以可以用图形编辑的方式来定义这类信号源，既精确又方便，不过评估版限制这类自定义的信号源，仅能编辑正弦波信号(模拟)和周期脉冲信号(数字)。第二类时域信号源是采取定义元件属性的方式(表8-2)，为了应付各式各样的时域信号，PSpice分别提供出合适的元件。
为了减少学习的复杂度，本部分的重点放在模拟信号源上面，至于数字信号的定义在其他章节中介绍。模拟信号源中的电压源都需冠上V开头，电流源需冠上I开头。它们均含有DC和AC的元件属性，所以也可以用来执行前面所述的直流扫描分析和交流扫描分析本部分例一介绍一些常用的模拟信号源的设置方法:
本部分的范例二将验证OP-Amp反相放大器电路的时域输出输入特性，其电路如图所示。输出电压将与输入电压之间呈反相关系(即相位差180˚)，其闭环电压增益由Rf及Ri决定。它可以用来放大交流和直流信号。
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如果同时在屏幕上显示太多个输出波形曲线，画面就会很复杂难辨。势必要有一个方法可以让看图的人很容易就区分出各个输出信号。常见的做法除了有前一章所述的加入分线标记或加入说明文字之外，也可以采用分区显示的方式。本章范例三也将介绍两种不同的分区显示方法。
尽管Probe程序所显示的结果波形十分完美，光标的使用也十分方便。但是因为Probe程序的暂态分析记录点是由PSpice程序根据需要而自动调整。所以有时光标很难真的指定到某个要求的特定点上。况且如果我们需要很多特定点上的仿真数值结果，使用Probe程序的光标功能反而不很方便。这时就必须使用虚拟装置元件。 使用虚拟装置元件其实就和一般电路元件一样，只要将它放入电路图中我们关心的节点或电路分支中，然后适当地设置其元件属性，启动仿真，PSpice程序就会将那些特定节点上的电压或电路分支中的电流数值数据存入.OUT文本输出文件内。用户可以用文本处理程序打开文件后取得想要的数据。
PSpice A\\D的虚拟装置元件有表8-3所列的这几种。记录电压和电压差的虚拟装置元件必须和电路并联连接，记录电流的虚拟装胃元件必须和电路串联连接。
本章的范例二将把几个虚拟装置元件放入范例一的电路中，它们将指示PSpice将Vo电压信号和流过Rf的电流信号存入文本输出文件内:最后我们打开输出文本文件来观察记录下来的数据。
本章的范例四将以范例二的电路示范如何使用激励源编辑程序(Stimulus editor)来定义正弦波信号源。
最后，我们在范例五中介绍施密特触发电路( Schemitt Trigger)的仿真方法。 范例一 一些常用的电压源元件 1、正弦波信号源Vsin.
Voff:直流基准电压，现在设为1v VAMPL;幅度电压，现在设为1v FREQ:信号频率，现在设为1kHZ TD:延迟时间,现在设为1ms
DF:阻尼系数，现在设为200,单位为秒的倒数: PHASE:相位，现在设为45˚。
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2.脉波信号源Vpulse.
V1:起始电压(一般设为低电平电压)，现在设为-1 v, V2:脉冲电压(一般设为高电平电压)，现在设为3v.,
TD:零秒到起始电压开始爬升的延迟时间，现在设为1ms TR:由起始电压上升至脉波电压所需时间。现在设为0.5ms
TF;由脉波电压下降至起始电压所需时间。现在设为1ms PW:脉波宽度，即脉波电压存在的时间长度。现在设为1ms PER:信号周期，现在设为4ms
3.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
4、周期性折线波信号源Vpwl
FIRST-NPAIRS:第一转折点坐标，现在设为(0，-2V)
SECOND-N PAIRS:第二转折点坐标，现在设为（1ms, 2V) THIRD-NPAIRS:第三转折点坐标，现在没为(2ms，-1V) REPEAT VALUE:重复次数，现在设为2。
5、指数波信号源Vexp
V1:起始电压（一般设为低态电压)，现在设为一1V V2:峰值电压，现在设为2V
TC1:电压上升的时间常数，现在设为0.5mS
TD1:由零秒到起始电压开始上升的延迟时间，现在设为1ms TC2:电压下降的R时间常数，现在设为0.2ms
TD2:由峰值电压开始下降的延迟时间，现在设为4ms
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时间常数的含义
在
中，令τ=RC，因R单位是Ω，C单位是F，故τ的单位是秒，具有
时间的量纲，τ称为RC串联电路的时间常数。由指数函数性质可知，其衰减的快慢，即电路暂态过程的快慢，取决于时间常数τ。因
时间常数 等于电压衰减到初始值的36.8%时所需时间，由此确定 值大小，理论上讲，指数函数要到t→∞时才衰减为零，在工程上，经过3τ~5τ后，指数函数已衰减为初始值的0.5%~0.7%，一般可以认为它已衰减为零，电路的暂态过程已告结束。所以τ值大小反映一阶电路暂态过程的快慢，τ值愈小，暂态过程愈短，τ值愈大，暂态过程愈长。 6、单频调频波信号源
VOFF:直流基准电压，现在设为1v VAMPL:幅度电压，现在设为2v。 FC:载波信号频率，现在设为3kHz: MOD:调制系数，现在设为2
FM:被调制信号频率，现在设为500Hz Vo=VOFF+VAMPL·sin (ωct+MOD·sin(ωmt)) ωc=2π FC ωm=2π FM
范例二 反相放大器电路的时域特性 步骤一 绘出电路图
建立如图电路图。输入交流信号源为正弦波电压源，
其元件编号为VSIN,属性VOFF（直流准位)设为0, VAMPL〔电压幅度)设为1V , FREQ(频率)设为10kHZ。
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2. OP-Amp电路另外需要产生正负电压的直流电压源V1, V2，其元件编号为VDC,其DC属性均设为12V。也就是说，我们令μA741工作于士12V的环境下。
3.电阻Ri电阻值维持内定的1kΩ，而将负回授电阻Rf的电阻值由内定的1kΩ改为2kΩ由公式可知，本电压放大器的增益为-Rf /Ri= - 2倍。
4.然后将输入连线命名为Vi,输出连线命名为Vo，如此有利于Probe观测时可以容易地找到这几个我们关心的信号。
步骤二 设置暂态分析参数、存档并执行仿真PSpice
1.将Maximum step Size栏设置0.2μs, Run to Time:设为0.2ms
2.存档一次，启动PSpice程序执行仿真。屏幕会自动打开Probe窗口。 提示一Simulation Setting: 暂态分析参数对话框的各设置项目 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均不予以记录
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800600分辨率时，这个值最好设为Run to Time参数的1/1000较适宜。
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。另外，还有一些傅里叶分析的设置项目。在其它章节介绍。 步骤三 使用Probe观察仿真结果
在同一个窗口屏幕、同一个X轴坐标、同一个Y轴坐标下，同时显示V (Vi)和V( Vo )两个信号的波形曲线。
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 范例三在电路中加上虚拟装置 步骤一 绘出电路图
在如图OP-Amp反相放大器电路上放上IPRINT, IPLOT, VPRINT和VPLOT这四个虚拟装置元件，它们将把记录的结果存入.OUT文本输出文件内。这四个文件存在于Special.olb元件库内。注意，记录电压的虚拟装置元件(VPRINT ,VPLOT)必须和电路并联连接，而记录电流的虚拟装置元件(IPRINT, IPLOT)必须和电路串联连接。IPRINT将负责记录流过反馈电阻Rf的电流数值。IPLOT将负责记录流过反馈电阻Rf的电流数值，并以文字符号绘制图形。
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VPRINT将负责记录节点Vo上的电压数值，VPLOT将负责记录节点Vo上的电压数值，并以文字符号绘制图形。由于现在执行暂态分析，所以将这些虚拟装置元件的TRAN元件属性均设为YES，为了标示得更清楚，我们设置将它们均显示出来。
步骤二 设置暂态分析、存档并执行仿真PSpice
将Run to Time设置为0.2ms，Maximum Step Size栏设置为0.2 u s 。执行仿真。 步骤三 观察四个虚拟装置元件所对应的文本输出文件内容 2.在Probe窗口下选View\\Output File选项，就可以把本范例的文本输出文件内容显示出来。如下表所示。
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范例四 使用信号编辑程序设置激励源信号 步骤一 绘出电路图、编辑激励源信号
下面我们示范如何使用激励源编辑程序(Stimulus Editor)来编辑输入信号，将上个电路的VSIN元件改为VSTIM元件，修改此元件序号为Vstim
现在编辑输入信号。用鼠标左键在VSTIM元件符号上按一下来选取它，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，请在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。我们令Vi信号为正弦波信号，所以选择SIN(sinusoidal )选项。PSpice完整版的信号编辑功能十分完整而强大，在模拟信号方面可以编辑指数波、脉冲波、折线波、单频调频波以及正弦波信号，但评估版的信号编辑功能则仅限于编辑正弦波。
3.画面会出现SIN Attributes对话框，设置本正弦波的直流偏置(Offset value栏)为0，电压幅度(Amplitude栏)为1V,频率(Frequency栏)设为10 kHz。
4.画面上显示出我们设置好的正弦波波形。使用File\\Exit功能选项关闭5timufus Editor窗口，将信号的编辑设置值保存。我们可以在绘图页内见到现在VSTIM元件的Implementation属性已设为Vi
步骤二 设置暂态分析、存档并执行仿真PSpice
1.设置暂态仿真参数，Maximum step size:栏设置0.2μs, Run to Time:栏设为0.2ms 2.存档后，启动PSpice程序执行仿真。屏幕上会自动打开Probe窗口 步骤三 使用Probe观察仿真结果
本范例的Probe输出图与文本输出文件结果和范例二完全一模一样。这表示使用Editor也可以设置出我们满意的输入触发信号。 范例五 施密特触发器电路的分析
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步骤一 绘出电路图
建立OP-Amp施密特触发器电路图。输入信号源为VPWL元件，设置其属性值T1为0s , V 1为-10V , T2为1ms, V2为10V，T3为2ms, V3为-10V，T4为3ms, V4为10V。这是一个三角波信号。
2、本OP-Amp施密特触发器其VT+与VT-分别为:
3、以本范例电路而言，R1=R2=1kΩ, Vo+约为+10V, Vo-约为-10V,所以VT+约为+5v, VT-约为-5v
（方法一 用直流扫描分析）
步骤二 设置直流扫描仿真参数、存档并执行仿真PSpice
1.先我们示范如何使用直流扫描分析的方式来得到输出迟滞图。由于迟滞图中，当输入信号由低电压扫到高电压时，输出信号走的路径与输入信号由高电压扫到低电压时并不相同，但是直流扫描分析一次却只能扫描一个方向。所以我们必须先执行一次由高到低的直流扫描分析，然后再执行一次由低到高的直流扫描分析。
2.选择DC Sweep选项来设置执行直流扫描分析。在Sweep Variable栏选择Voltage Source最后将几次分析结果叠在一起观测。Source Name:栏为Vi, Sweep Type栏选择Linear模式，Start Value设为10, End Value:栏设为-10，Increment:(增加量)栏设为0.01，这是说我们将要求Vi的电压由10V开始下降直到-10V为止，每次线性下降0.01 V。
3.保存，执行仿真。屏幕上会自动打开Probe窗口，目前将这个Probe窗口关闭。 4.！！！！将仿真输出的波形数据文件.DAT文件改名（如down.DAT ）。
5.现在回到Simulation Settings框，修改Start Vaiue:为-10, end Value:为10我们将要求Vi的电压由-10V开始上升扫描直到Vi为10V为止。 6.用File\\Save功能选项或快捷键存档
7.启动PSpice程序执行仿真。屏幕上会打开Probe窗口 步骤三使用Probe观察直流扫描分析仿真结果
1.我们将上升扫描和下降扫描的输出结果放在同一张图内观测。在打开的Probe窗口，使用File\\Append Waveform (.DAT)选项或使用“打开”钮打开Append对话框调入down.DAT 文件。
2.用Trace\\Add Trace，输入VO现在的Probe窗口如图所示，我们特别加几箭头来清楚地表示出曲线的走向。图中可以清楚地看到VT+约为+5v，而VT-约为-5V。
（方法二 用暂态分析）
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步骤四 设置暂态仿真、存档并执行仿真PSpice 1.现在改用暂态分析方法来求得迟滞图。将分析类型切换为Transient选项来设置执行暂态分析。请将Run to Time:栏设为3ms, Maximum Step size:栏设置3μs。 2.保存后，启动PSpice程序执行仿真，屏幕上会自动打开Probe窗口。 步骤五 使用Probe观察暂态分析仿真结果
1.用Add Traces，在Trace expression栏分别输入V(Vi),V(VO)。Probe窗口显示如图。
2.由图中，可以见到输入信号Vi上升过程中触发转态的电压VT+约为十5V,而输入信号V;下降过程中触发转态的电压VT-约为-5V，表示这个施密特触发器电路的确具备迟滞现象。不过，上图不是一般定义的迟滞曲线图，所以我们准备要将坐标x轴变量有以前的时间切换为输入信号Vi。
3.将仿真数据转为迟滞图波形。首先删去Vi信号曲线，然后在x轴或Y轴坐标处双击鼠标左键，或是使用P1ot\\Axis Settings功能选项调出Axis Settings对话框。
4.点击X Axis后，点击X Axis Variable钮。和Add Traces对话框一模一样，只不过现在设置在Trace Expression栏内的变量或描述将成为新的X轴坐标。
5.请在Trace Expression:栏输入V (Vi)，关闭X Axis Variable对话框，关闭Axis Settings对话框。现在Probe窗口如图。加上箭头来表示出曲线的走向。
6.这个迟滞图和前面使用直流扫描分析做出的迟滞图有些差异，这里的转换线比较倾斜，倾斜度与三角波输入信号的频率有关，输入信号的频率越高迟滞波形愈倾斜。这是因为输出信号受到μA741转换速率（slew rate）的限制之故。不过由图仍然可以清楚地看到VT+约为+5v，而VT-约为-5V。 习题
请按本章的操作步骤依次完成各范例的仿真和结果观测。
请在图8-16电路图中再另外加上一个虚拟装置元件来记录节点V;的电压值，然后在.4UT 文本输出文件内读出'I和Vo信号的频率及幅度大小。并请由文件内的数据数据验证本电 路的输入信号VI是否合乎设置情况，井验证增益和相位关系是否符合预期的结果。 a，请由图8-?7的R-C充放电线路完成图8-z 8的Probe观测图、须加上分线标记及说明 文字)，并启动光标来测量其上升时间t。及下降时间t t.。所谓上升时间t，就是指输出信
号由高电压的旧%电压〔现在是}V)上升至高电压的90 `ie电压(现在是叭『，所消耗 的时间，而下降时间t,就是输出信号由高电压的，)()%电压下降至高电压的l (1 };:电压所
消耗的时间。由图8-28中，可以见到目前电路的上升时间t:约为} ,(1924s
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4，请在同一个Prabe窗口的不同显示区域分别显示习题3电路的V.、l}a信号波形，如 图$ 29所示。然后请在不同的Prabe窗口内分别显示习题s电路的v，、Vo信号波形， 如图8一30所示。
请将习题3的电路加上虚拟装置元件，启动仿真后，请由。UUT文本输出文件内计算出 上升时间t，及下降时间tf}
若将习题3的输入信号改为幅度2V}直流偏压为OV>频率为200kHz的正弦波信号， 在暂态仿真完毕后，请自行调整出最满意的Prone观测图。现在启动光标来测量输入信 号和输出信号之间的相位差是多少?并与公式的推导值比较。
请将习题6的电路加上虚拟装置元件，启动暂态仿真后，请由.DLi}i\"文本输出文件内计 算出输入信号和输出信号之间的相位差是多少?并与公式的推导值比较。
请将频率1kH}、直流偏压为OV、幅度1V的三角波输入到如图8 --31的滤波器线路。 并完成图8 -32的Probc观测图(须加上分线标记及说明文字)。
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请将本章范例五电路(图S-;'1)的输入信号改为!aaf}z幅度!a}的正弦波。启动暂
态仿真后，观察其迟滞图曲线的倾斜情况是否较轻微了呢?若是改用Illkl}z*幅度i}l} 的正弦波。结果又是如何呢?
请由图8-:3 3的电路使用直流扫描分析的方式完成图8一j}的!'rob。观测图、再由暂态分 析的方式完成图8 35的Pro be观测图。这是一个非反相施密特触发器线路.其迟滞图 白勺V:十与V〕一约为:
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第14章 温度分析
学习目的
学习根据需要编辑元件的温度系数。
学习温度分折(Temperature Analysis)的设置。 观测温度效应对元件及电路所造成的影响。
重点说明
以前的范例里，我们使用的工作温度匀为默认的27℃，但事实上电子元器件的值II会受温度影响而改变，进而影响到电路的工作状态，所以电路设计必须考虑电路是否可以在规定限定内的所有温度状况均能正常工作，也就是说，电路仿真的过程中必须加入温度的考虑才是完整的设计流程。在商业用途的元件，其额定的工作温度范围一般为0到70度,军事用途其额定工作范围更宽些。
对于电子元器件受温度影响的情况，一般是以温度系数来描述的，温度系数并不是一个固定不变的常数值，必要时可用一组方程来表示。如果电子元器件的值随温度的上升而变大，我们称它具有正温度系数效应，如果电子元件的值随温度上升而变小，我们则称它具有负温度系数效应，
PSpice内建元件库的电阻（R)、电容（C)和电感（L)，其元件值并不受温度变化的影响，也就是说，这三个基本元件无法设置温度系数所以要作温度分析的电路必须改用具有温度系数的元件，它们分别是电阻r break ,电容C`break ,电感Lbreak。这三个元件的温度系数默认为零，但是可以由用户另外设置。而且可以设置两个温度系数，分别为一次项系数tc1和二次项系数tc2。至于其它的半导体器件(二极管、晶体管等)其模型参数之中大部分已含有温度效应的考虑，无需用户再作设置。
我们以RC充放电线路的时间轴输出波形来观察温度效应对电路所造成的影响。
步骤一绘出电路图
1、特别注意现在的电阻和电容元件必须选择Rbreak和Cbreak元件编号的元件，因为编号R和C的电阻和电容无法设置温度系数(也就是说其元件参数不会随温度改变而变化)。
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Rbreak和Cbreak 元件定义于Breakout.olb元件库内。
2、将电压源Vpulse的各项元件属性做如图设置，使用暂态分析(Transient Analysis)来观察不同的工作温度情况下，这个信号通过RC充放电线路时，在时间轴上的输入和输出波形有何变化。
3、设置电阻、电容的温度系数。首先在Rbreak元件上单击鼠标左键，选中元件。然后选Edit\\Model选项以打开Model Editor窗口。键入tc1 =0.01 tc2=0.02这些文字。然后保存退出Model Editor窗口。
4、在Model Editor窗口键入的文字其意义如下: R=1 R表示电阻值的倍数值，一般设为1 tc1 =0.01一次项温度系数 tc2=0.02二次项温度系数
最后等效电阻值就由以下公式算出:
等效电阻值=设置电阻值R（1+tc1(T-Tnom) +tc2 (T-Tnom)2) T:该次仿真时的工作环境温度
Tnom:默认的工作环境温度，一般为27℃。可在Simulation Settings对话框的options页内将Default nominal temperature: (Tnom)参数重新定义。
5、如上面所述的操作方式，在Cbreak的Model Editor窗口内输入tc1 =0.02 tc2=0.05 这些值的意义和Rbreak一样。
步骤二 设置暂态分析和温度分析的参数
本范例将令PSpice同时完成暂态分析与温度分析这两种分析。 1、在Transient选项中设置执行暂态分析。将Run to time栏设为6u s, Maximum step size栏设为6ns。
2、再将Temperature 选项打勾。并在Temperature 选项中输入30, 35, 40这些数值。
3、我们现在已设置在30℃, 35℃, 40℃这几个温度各完成一次暂态分析。暂态分析则由0s开始，直到6 u s,每隔6ns记录一点。 步骤三存档并执行仿真
存档，启动PSpice程序执行仿真。 步骤四使用Probe观察仿真结果
由于设置了温度分析，所以Probe窗口会出现选项窗口，询问现在要观察何种温度的暂态分析。用户可根据需要选择想观测的温度。默认状况下是全部都选到。现在单击ALL键，要求显示所有设置过的温度分析，显示暂态分析结果。由图可以看到温度愈高，输出的波形失真度愈大。这是因为我们所键入的温度度系数均为正值，也就是说，温度愈高，R、C值
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就愈大，当然波形失真就愈明显了。R、C值因温度而改变的值可由文字输出文件.OUT看到。 习题
i.请按本章的操作步骤依次完成范例的仿真和结果观测。并由表14-1读出工作温度为3o0c. 35℃、40它时，本范例中的电阻及电容值分别是多少?
2.请将R】的温度系数改为tct=O.D?, tc}=0.}4, }l的温度系数改为tcI=D,D3, tc2二0.0.E , 并将仿真温度改为20℃、30℃、40℃和sc} c然后重做本章范例。
3.请由图14-8的电路图完成如图14-9的输出波形图。我们由C'}1}5反相器电分析其转 态电压Vt受温度效应的影响。本习题的主要学习目的在于介绍半导体元件的温度分析:
由于半导体元件的模型内已有温度效应的考虑，所以无须另外设置其温度系数，直接 设置各类分析的参数即可了。
请启动光标分别测量2} C , 40 C . fiU℃时，本CMQS反相器转态电压Vt的值。
请由图14-10所示的B1T放大器电路完成如图14-11所示的增益频率响应图与如图】}1- 1 `'所示的相位频率响应图。各电阻温度系数tc 1= D.1, tc2=0.2 0并请打开.QU\"f文字输 出档，观察U0C, 270C, 41)℃与60℃时，观察各电阻值、Q2N2222各元件模型参数以 及各节点偏压点电压的改变置。
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第15章 噪声分析
学习目的
学习噪声分析(noise Analysis)的设置。
以BJT放大器执行噪声分析，并观察其输出结果。
重点说明
电阻等半导体元件都会自然而然地产生噪声，这对电路工作当然会产生相当程度的影响，PSpice提供的噪声分析(Noise Analysis )就是将噪声对输出信号所造成的影响给以数值化，以供设计师评估电路性能之用。
元件自然产生的噪声一般称为白噪声( White Noise )或是热噪声(Thermal Noise )。它所涵盖的频率范围由0Hz延伸至频率无限大。由于它是随机产生的，无法知道其确切的大小及发生时间，而且无法避免，所以只能用统计的方式估算它。这种噪声能量会因为温度的升高而变大，也就是说，电路在高温状态下较易受白噪声的影响。 噪声分析的设置是在交流分析的设置对话框之中，也就是说，噪声分析的输出数据其横轴坐标为频率。它将每个元件在某些频率范围内产生的噪声，合并于某一输出节点，然后做均方根计算。噪声分析也会产生一个等效的噪生输入信号源，也就是说，若将此噪声信号置于输入端，就可以于输出端得到等效的噪声输出。输出噪声信号规定以ONOISE命名，而等效输入噪声信号则以INOISE命名。
本章范例一将以一个简单的BJT放大电路来观察噪声分析的设置及其输出结果。范例二将把范例一的电路加上温度分析，以观察温度改变对电路的噪声分析有些什么影响。 范例一BJT放大电路的噪声分析 步骤一 绘出电路图、设置交流分析 1、绘出电路图。由于输入信号需同时具有直流和交流的特性，所以使用元件编号为VSRC的电压元件，并令其元件名称为VSRC。
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2、在Analysis页选择AC Sweep选项来设置执行交流扫描分析。交流部分请将Start Frequency栏设为10，End Frequency栏设为1G，AC Sweep Type栏设为Decade，Points\\Decade栏设为101。也就是说设置分析频率为10Hz到1GHz，每一幂次记录101点，然后设置噪声分析。
Noise Analysis(噪声分析)的设置内容说明如下： Enabled:噪声分析使能。请用鼠标打勾。
output Voltage:指定对此输出电压节点或二节点间的电压差执行噪声分析，现设为V (Vo)。 I/V Source:指定等效输入噪声信号源。其实就是将各元件的噪声以均方根形式合并到本信号源，如此可简化分析。它可为电压源或电流源类型。现在设为VSRC。
Interval:这里设置在文字输出文档中每隔多少个频率计算点就记录一次数据。若是不设置或设置为0则不会产生输出记录。现在设为l0。 步骤二 存档并执行仿真
步骤三 使用Probe观察仿真结果 1、在Add Traces对话框，选择V(INOISE)和V(ONOISE)，并将横轴坐标范围调整为10Hz到100MHz。
2.在图中也可看到等效输入噪声信号源(INOI SE)的频谱分布图。
3.至于输出噪声(ONOISE )的频谱分布图，很明显地可以看出曲线在高频时会下弯，也就是噪声振幅会变小。这是由于BJT元件有输出频宽的限制，因此高频时输出噪声会受到压制。但是因为高频时正常的输入信号也是受到限制的，所以这时比较有意义的评拈标准应该是信噪声比(SNR )。当然SNR愈大，电路受噪声影响的情况就愈低。
4. 现在观察SNR频谱分布图。删除V(INOISE)和V( ONOISE)波形，打开Add Trace对话框，在Trace Expression:栏处输入表达式DB(V(VO) /V(ONOISE)，得到信号对噪声比(SNR)的分析曲线。可以看到在高频时SNR曲线会下降，也就是它的值变小了，所以本电路在高频时就比在低频时更容易受噪声干扰。
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5.可查看文本输出文件内容，记录了噪声分析的结果。 范例二 加上温度效应的噪声分析
步骤一 设置温度分析参数、存档并执行仿真
1、温度升高时噪声能量也会跟着增加，所以SNR也随之下降，也就是说，在高温时，电路较容易受噪声影响。现在我们来观察一下这样的现象。
2、设置温度分析参数。勾选Temperature项，然后增加仿真真温度为27, 50, 75 3、保存后，启动仿真。
步骤二 使用Probe观察仿真结果
1. Add Traces对话框，在Trace Expression栏处输入DB(V(Vo)/V(ONOI SE ))。 2.由于下条曲线几乎重叠在一起，所以清调整坐标轴数值范围
3.由图可以见到，在同一频率情况下，温度上升，SNR即会随之下降，也就是说，在高温时，电路受噪声影响的程度会变大。 习题
S二请按本章的操作步骤依次完成范例的仿真和结果观测。
2.请将本范例使用的8JT晶体管Q2N2222改为Q2N39f14,然后按照本童范例的操作步骤 依次完成仿真和结果观测。
3.完成图15-5的电路图，这是一个使用电阻分压来提供偏压的BJT共射极放大器电路甲 请针对输出电压V。执行噪声分析。温度分析请设置为25 0C . 50℃和7; `C二仿真得到
的Probe结果应如图}5-7所示。请观察.DL1T文本输出文件的内容，指出频率为】O}CHz
时各个电阻和BJT晶体管的噪声成分为多少?哪个元件所产生的噪声成分最多了
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第16章 傅立叶分析
学习目的
学习傅立叶分析(Fourier Analysis)的设置。
以电阻分压来偏压的BJT共射极放大器电路为范例观察其时间轴下的输出波形，并分析谐波失真对电路输出结果所造成的影响。
重点说明
晶体管元件并不是一个完全线性的电子元件，因此由晶体管所构成的电路也会具有非线性的输出输入转移（传递)特性。也就是说，即使输入信号是一个很单纯的固定频率信号，输出信号也会因为含有此频率的谐波(输入频率的倍数值)成份而产生某种程度的失真。尤其在输出信号进入饱和范围时，谐波失真现象就会更明显。
要观察谐波失真的现象可以从时域信号的变形程度来判断，但是若将其转为频域信号观察则更具有实质意义。将时域信号转为频域信号表示，然后可以此来分析其谐波成份，这就是本章所要讨论的主题---傅立叶分析(Fourier Analysis )。将时域信号转为频域信号所使用的数学工具可用连续傅立叶变换（Continuous FourierTransform: CFT ) ,它适用于所有连续性的信号。而经过取样及量化过程的数字信号则使用离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transform: DFT)。如果信号在时域下具有周期性，则其计算过程可再加以简化，这时可用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform: FFT)的技巧，将可大幅缩减计算的时间。
PSpice使用DFT对指定电压或指定电流输出的最后一个完整周期做计算分析，并将详细的谐波成份及总谐波失真列在.OUT输出文件内。Probe则使用FFT对任何一个指定的暂态期间做计算分析，并以图形方式显示结果。
本章以电阻分压来偏压的BJT共射极放大器电路为范例，并以其时间轴上的输出波形来观察谐波失真对电路输出结果所造成的影响。输入信号有意灌入大信号，使得输出信号产生明显的饱和失真，如此可增加输出信号的谐波成份，以利于观察， 练习范例
步骤一 绘出电路图、设置交流分析 1、绘出电路图。其中输入电压源Vsin的元件编号为VSIN，我们有意灌入幅度为800mV的大输入信号。
2、傅里叶分析的设置附在暂态分析(Transient Analysis)设置之内，所以打开 Transient对话框，然后在Maximum step size栏输入0.4us，在Run to time栏输入0.4ms。 3.使能傅立叶分析，Center Frequency:(中心频率)栏设为10KHz，这是输入和输出信号的主
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要频率成份。Number of Harmonics:栏设为5。我们准备只分析一次到五次谐波的成份即可。Output Variables:栏设为V (Vo)，这是待分析信号的变量名称，我们现在要分析输出信号Vo的电压成分。
步骤二 存档并执行仿真 1、存档
2.执行仿真。自动打开 Probe窗口。 步骤三 使用Probe观察仿真结果
1、Add Traces对话框，选择V ( Vi)和V（Vo ）。现在的Probe窗口应如图。可以看到输出信号有严重的饱和失真现象，所以可预期其10kHz的多次谐波成份必定不小。
2、将Probe转为傅立叶分析的显示结果。先删去V( Vi)与V(Vo)波形，然后选P1ot\\Axis Settings选项打开Axis Settings对话框，将其X Axis范围设为0-60KHz，将processing Options设置为Fourier，令Probe现在转为傅立叶分析的显示结果，横轴以线性（Linear)方式分割。
3、调整Y轴坐标范围为-1V到5V。用Trace\\Add Trace...选择V(Vo),。现在的Prohe窗口应如图。
4、可以看到主信号频率10kHz当然拥有最强的信号成份，但二次谐波(20kHz)和三次谐波（30kHz)的成份也不容忽视，而且三次谐波的成份还强过二次谐波。
5、我们也可以直接使用工具栏的快捷钮来切换暂态分析波形与傅立叶分析波形。
6、可查看.OUT文本输出文件的内容，记录有各次谐波的分析值。由仿真出的数值结果也可和Probe显示波形做印证。
习题
请按本章的操作步骤依次完成范例的仿真和结果观测口
请由表16-1读出若一次谐波(l ()kHz)的谐波成份为i时，二次谐波20kHz )、三次 谐波(30kHz )、四次谐波〔40kHz)和五次谐波(S}kHa)的谐波成份各有多少?请问 总谐波失真比例有多少?
请将本章范例的输入信号幅度由SQOmV减为1 OOm V ,然后按照操作步骤依次完成范例
的仿真和结果观测。再由文本输出文件读出各次谐波的成份及总谐波失真比例各有多少?
请将F3,iT晶体管Q2N2222改为Q2N39U4,然后按照本章的操作步骤依次完成范例的仿
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真和结果观测。再由文本输出文件读出各次谐波的成份及总谐波失真比例各有多少? 请由图16-b的电路图完成如图t6-7的输出波形图及图i6-8的傅立叶分析波形。再由 文本输出文件读出各次谐波的成份及总谐波失真比例各有多少?
第17章 参数分析
学习目的
学习参数分析(Parametric Analysis)的设置。
使用参数分析来验证分压法则、最大功率转移定理。
使用参数分析来验证整流二极管的正向偏压V-I特性曲线受饱和电流Is的影响
重点说明
在设计电路的过程中，有时我们会想要比较电路中某个元件值或某个模型参数改变所引起的效应。最直接的作法当然是先将电路图复制数份，分别更改成不同元件值或模型参数，然后分别执行仿真，最后用将数份输出结果用File\\Append Waveform„功能选项重叠在一起观察。这么做虽然可以达到观测和比较结果的目的，但是却相当费事耗神。 PSpice提供了一种参数分析(Parametric Analysis )的功能，可以大幅改善上面复杂的操作过程。只要按要求绘制电路图，并设置好欲改变的元件值或模型参数，只需一个图形文件、一次仿真，就可得到想要的结果，既快速又便捷。
本章范例一说明使用参数分析(Parametric Analysis)的操作过程，范例二介绍参数分析的
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嵌套扫描的操作。最后范例三介绍如何对模型参数作参数分析。 范例一和范例二欲验证的电路原理为分压法则。电路如图：
范例三欲验证的电路原理为最大功率转移定理。所谓最大功率转移定理就是说当负载电阻等于由输出端看回电路的戴维南(诺顿)等效电阻时，输出端将接受到最多比例（50%）的电功率。
范例四欲验证整流二极管的正向偏压V-I特性曲线受饱和电流Is的影响。由于正向电流I=Is(eV/VT-1)（Is为反向饱和电流，它与半导体的温度和材料有关，VT是电压当量VT=KT/q，q为电子的电荷量，K为玻尔兹曼常数，T为热力学温度）。所以如果我们将二极管的模型参数Is加大时，正向电流会变大，因而V-I特性曲线正向偏压的部分将会整个向左偏移。本范例和第9章范例二的要求和结果是类似的，只是第9章的范例一是使用分别保存电路文件及仿真，然后合并观测的做法，而本章范例则是直接启动PSpice参数扫描的功能。两者比较之下，读者可以很轻易地看出参数扫描功能的方便性。 范例一分压法则
步骤一 绘出电路图，设置直流分析并存档
1、首先看如何将电路图复制数份，分别修改成不同元件值或模型参数，然后分别执行仿真，最后将数份输出结果重叠在一起观察。
2、绘出如图电路图，其中电压源的元件编号为Vdc。保存
3、将刚才建立的电路图复制，新建电路图，粘贴过来，将R1的电阻值修改为2k。保存
4、分别设置两个电路的分析类型为DC Sweep直流扫描分析。将Sweep Variable栏设置为Voltage source，Sweep type栏设置为Linear，Name栏设置为Vi ，StartValue栏设置为0，End Value栏设置为10, Increment:栏设置为0.1。 步骤二 执行仿真
1、分别存档，分别启动PSpice程序执行仿真。屏幕自动打Probe窗口。 步骤三 使用Probe观察仿真结果
1、现在打开的Probe窗口是一个电路图的，我们把另一个电路图的仿真结果也调进来一起显示及比较。请选File\\Append Wayeform功能选项或快捷键，选中另一电路文件。 2.用Trace\\Add Trace。选择v(vo)。现在的Probe窗口如图。
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3、可以看到满足分压法则。
4、由以上操作可以知道，这种做法如果在元件值变化很多次时，操作很繁琐，可以改用以下介绍的参数分析( Parametric Analysis )方式，既省时又省力。 范例二 分压法则(参数分析)
步骤一 绘出电路图、设置直流分析 1、绘出电路图，其中电阻R1的值（value)设为{rval }，{rval }是个全局变数(global valuable ),可以根据喜好给不一样的名称，但是大括号一定要保留。
2、选择PARAM元件(需载入S pecial.olb元件库)放置到绘图框内，然后在PARAM元件双击鼠标左键，设置Name and Value，Name1= rval，Value1=1KΩ。这个值只在偏压点分析时用到，可随便设置一个值，但一定要设置。
3、DC Sweep的设置：选择DC Sweep选项来设置执行直流扫描分析，Sweep Variable栏设置为Voltage source，Sweep type栏设置为Linear，Name栏设置为V1，StartValue栏设置为0，End Value栏设置为10, Increment栏设置为0.l。目前我们设置了直流扫描分析的扫描参数为电压源V1,由0V开始增加，每0.1V记录一点，直到V1为10V为止。
4、进入分析类型中的Parametric选项，并设置Sweep variable为Global parameter选项，Parameter name:栏设为rval，并令其值由1 kΩ( Start Value栏)增加到5kΩ(End Value栏)，每次改变1kΩ( Increment:栏)。
步骤二 存档、执行仿真并使用Probe观察仿真结果
1、存档后，启动PSpice程序执行仿真，屏幕上会自动打开Probe窗口。
2、由于设置了参数分析，所以Probe刚打开时会出现Available Selections对话框，询问要观察何种R1电阻值的直流分析。用户可以依需要选择想观测的R1电阻值，默认状况下是全部都选到。现在单击ALL键，要求显示所有参数分析设置过的R1电阻值。 3、打开Add Traces对话框，选择V (Vo)。现在的Probe窗口显示如图
4、可以看到当V1增加时，Vo也跟着增加。而任何一个V1值，各R1值所对应的Vo值也确实符合分压定理。和那种分别绘图、仿真的作法比较，可以看到参数分析确实是一种很省时省力的分析方法。
范例二最大功率转移定理
最大功率转移定理就是说当负载电阻等于由输出端看回电路的戴维南等效电阻时，输出端将接受到最多比例的电功率（即50%）。 步骤一 绘出电路图、设置直流分析 也可设置两个全局变量，然后执行嵌套扫描分析。以下我们举最大功率转移定理为例来看看该怎么做。
1、绘出如图电路图。其中电阻R1的值( Value )设为{rval1}，电阻R2的值( Value )设为
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{rval2}。注意V1电压给10V。
2、选PARAM元件，然后如范例一所述的方法建立rvall与二rval2这二个属性，将。rvall与rval2都给值1kΩ。
3、设置DC Sweep： Sweep variable选择Global parameter, Name:栏设为rval2, Sweep type栏设置为Linear, Start Value:栏设为10, End Value:栏设为10k，Increment:设为10。即设扫描变量rva12的值从10增加到l0k。每次改变10。 4、继续点击nested Sweep键，进行嵌套扫面设置。Sweep variable栏选择Global parameter, Name:栏设为rval1，Sweep Type设为Linear, Start Value:栏设为1k, EndValue:栏设为3k, Increment:栏设为1k。我们设置副扫描变量rvall的值1k增加到3k，每次改变1k。 步骤二 存档、执行仿真并使用Probe观察仿真结果
1、存档后，启动PSpice程序执行仿真。屏幕上会自动弹出Probe窗口。
2、打开add Traces对话框，然后在Trace Expression后输入功率公式I(R1)V (Vo)。Probe窗口如图。
4、为了能精确地取得坐标值，刻以用Trace\\Cursor\\Display或快捷进行观测。
5、可以看到每一条对应曲线都有一个最高点，用光标定位后，可发现这点的X轴值(R2值)都恰好等于R1的值。也就是说，在功率曲线的最高点（就是发生最大功率转移的时候)，无论这时的R1、R2值为多少，均会复合R1=R2的条件。 范例三 二极管V-I特性曲线(参数分析) 步骤一 绘出电路图、设置参数分析
1、参数分析不只可以应用于全局变量上，也可以直接对元件的模型执行参数分析，本范例就介绍对二极管的Is模型参数作参数分析的操作、第9章也有改变二极管的Is模型参数仿真后比较的范例，当时是采用分开绘图、仿真、合并观测的做法，比较麻烦。 2、绘出电路图
3、设置DC Sweep：Sweep variable选择Voltage Source，Name项设为V1，SweepType设为Linear，Start Value设为0，End Value设为2，Increment设为0.01。
4、设置Parameter： Sweep variable选择Model parameter, Model Type栏输入D，表示这是二极管模型类型。Model Name栏设为DIN4002,这是模型名称，Parameter Name:栏没为IS,
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这是参数名称,其值由Start Value栏的14.11E-10增加到End Value的14.11E-6为止，每次.改变一个十幂次( Sweep Type设为Decade). Points\\Decade设为1，也就是说，当副扫描变量为Is=14.11 E-10 , I =14.11 E-9, I =14.11 E-8, I =14.11 E-7, I =14.11 E-6 时会各记录一条曲线。
步骤二 存档、执行仿真并使用Probe 观察仿真结果
1、存档一次后，执行仿真。屏幕上会自动弹出 Prohe窗口。 2、打开Add Traces对话框，选择I (D1)显示曲线。
3、可以看到相同的V1值时，当IS增加，正向电流I (D1)也跟着增加，所以整个V-I曲线的正向偏压部分往左偏移。
习题
1.请按本章的操作步骤依次完成范例的仿真和结果观测。
`' .请由图17-16的电路图按本章的操作步骤完成图17-17与图17-1$的仿真输出波形图: 这是一个RC'充放电线路，我们用参数扫描的方式分析当R的值分别为10(1?, 'D}o 及_il)f)。时的频谱输出图及暂态输出图
3.请由图17-19的电路图按本章的操作步骤完成图17-2U的仿真输出波形图这是一个 CMQS反相器线路，我们用参数扫描的方式分析当nM}S IRFi 50的模型参数KP值分
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别为20 u、}0 u和60 }时的输入输出转换电压图。
第18章 蒙地卡罗分析与性能分析
学习目的
学习蒙地卡罗分析(Monte Carlo Analysis)的设置。
以RC充放电线路的频率轴输出波形来观察误差效应对电路输出结果造成的影响。
学习用性能分析(Performance Analysis)将蒙地卡罗分析记录数据转成统计图表以供分析。
重点说明
实际电子元件的各特性值并不是固定不变的，定会存在某些程度的误差范围，比如电阻 元件是以四环或五环色码标示其电阻值，而最后一个色环就是用来标示误差范围的，由于电子元件存在误差，当然会因此造成电路特性的偏移，设计工程师必须确认其偏移范围是否仍在规格范围之内，蒙地卡罗分析主是分析元件误差对电路特性的影响程度。 PSpice执行蒙地卡罗分析的作法，就是在执行直流分析、交流分析或暂态分析时在元件误差范围内用随机数方式来变化元件值，然后将其仿真结果记录下来，分析的次数可由用户自行定义，但第一次的记录结果为所有元件均为理想值(零误差值)时的仿真结果。 PSpice蒙地卡罗分析的随机数是通过内建的软件随机数发生器作出来的，由于所产生的随机数顺序每一批都会一样，所以各位的操作结果仍会和这里的结果一样，如果想作出一批不一样的随机数顺序，可以通过设置随机数产生器的种子值(Seed)而达成。 随机式的随机数有时不太合乎我们的要求，一般来说，元件的误差分布状态均呈一种高斯曲线的形式，故对线路特性的影响大致也应该是呈现高斯曲线的形式。所谓高斯曲线的形式，也就是像一座山的形状，中间高起而两边平缓下降的曲线。PSpice蒙地卡罗分析的随机数也可以设置为高斯曲线分布，所得到的统计结果将更接近真实的情况。 蒙地卡罗分析输出结果可用Probe观测，另外.OUT文件内也存有仿真结果的数据记录。 对于电子元件值受误差影响的情况，一般是以Lot和dev(device)这两个误差系数来描述的。Lot误差会使所有使用相同模型的元件一起变化，故其较适用于集成电路（Integrated Circuit设计，dev会令使用相同模型的元件分别地变化，故其较适用于分立元件电路(Discrete
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Circuit)设计。PSpice元件库内的大部分元件均可依需要指定lot和dev误差系数。
本章范例以RC充放电线路的频率轴输出波形来观察误差效应对输出结果所造成的影响。范例内将定义电阻(Rbreak)元件的误差系数，电容、电感元件可比照处理。
本章的最后一个重点就是学习如何使用Probe窗口内的性能分析〔PerFormance Analysis )功能，它将蒙地卡罗分析的结果转成统计图表。透过统计图表上曲线分布的解析，设计师更能掌握线路因元件误差而造成动作失败的机率。 练习范例
步骤一 绘出电路图、设置交流分析
1、绘出电路图。其中电压源VAC的元件编号为VAC。电阻元件必须选元件编号Rbreak的元件（所以必须载入Breakout.oib元件库)，因为编号R的电阻元件无法设置误差系数(也就是说，其值绝对为理想值)。
2、选中Rbreak元件，选Edit\\Model，打开Model Editor窗口。输入dev=20% lot=5%这一串字符。保存后，返回Capture窗口。现在已经设置电阻的电阻值倍数R为1 , dev和lot误差系数分别为20%和5%。 3、AC Sweep设置：
4、蒙地卡罗分析的设置
提示一 蒙地卡罗分析的设置说明
Monte Carlo(蒙地卡罗分析)选项与Worst-case (最差情况分析)选项二者只能二选一。 Output variable为执行蒙地卡罗分析的输出变量名称，现在设为V (Vo) Monte Carlo Option栏下有以下一些选项:
Number of runs:设置为执行蒙地卡罗分析的次数，现在设为5次。
Use distribution:蒙地卡罗分析使用的随机数分布类型有Uniform(单调分布)与Gaussian(高斯分布)二种。可打开Distrihutions对话框，在此自行建立新的随机数分布状态。 Aandam number seed:为随机数产生器的种子值，可为1到32767间的奇数。 Save data from:设置只有某些蒙地卡罗分析结果才被储存，有以下这些选项:none不储
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存、All全部储存、First储存前面几次、Every每隔几次分析才存一次结果、Runs(lis)只存后面列表分析次数的结果。使用First, Every和Runs(list )选项需在右方的空白栏内输入合适的数值。
步骤二 存档并执行仿真 1、存档。
2、执行仿真，屏幕自动打开Probe窗口。 步骤三 使用Probe观察仿真结果
1、由于将蒙地卡罗分析次数设置为5次，所以Probe刚打开时会出现选项窗口，询问现在要观察第几次蒙地卡罗分析的结果。用户可根据需要选择想观测的分析结果，默认状况是全部选到。
2、用Trace\\Add Trace对话框，选择V(Vo)显示曲线。
3、可以看到各次蒙地卡罗分析的结果，设计师可从中看出输出结果是否超出规格要求。如果有多次分析结果不合要求，就得将现在的元件更换为误差范围更小的元件。 4、可查阅文本输出文件的部分内容
步骤四 修改蒙地卡罗分析次数并执行仿真
1、现在回Capture窗口，到蒙地卡罗设置。面(参考图1$-4 ) ,将Number of runs:选项(蒙地卡罗分析次数)5改为100因为我们以下要讨论性能分析(Performance Analysis ), 记录的仿真次数愈多，则所作出来的统计图表就愈精细。所以必须将分析次数增加至数十次至数百次的范围才合适。
2、完成存档步骤后，启动PSpice仿真程序。 步骤五 使用Probe观察性能分析的仿真结果 1、在Probe窗口刚打开时出现的选项窗口，选择显示所有分析结果。然后Plot\\Axis Settings功能选项调出Axis Settings对话框，在X Axis页勾选Performance Analysis，或是直接使用快捷键，将Probe画面转成性能分析画面。
2、然后用Tracc\\Add Trace，在Trace Expression栏处输入LPBW (V (Vo), 3)。现在Probe窗口显示如图
3.我们在Trace Expression栏输入LPBW (V (Vo), 3)，其意义就是针对V ( Vo)的-3dB频率作统计图表，由于本电路频率响应为低通滤波器型式，所以选LPBW目标函数( GoalFunction ) 。LPBW就是Low Pass filter Band Width(低通滤波器频宽)的意思。这里所使用的目标函数是可自行设计定义的，但PSpice已经为我们设计好很多常用功能的目标函数，就列于Tracc\\Add Trace窗口右侧部分Functions or Macros栏，用户可直接运用。有关目标函数更详细的介绍请见附录D的内容。
4.性能分析结果的输出画面下方记录有一些分析数据，其意义请见提示二的说明。
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提示二性能分析结果的参数说明
n samples:执行蒙地卡罗分析的次数，目前设为100次。
n divisions:区分结果的条数，目前设为10。此值越大，条状统计图越精细。此值的定义在Tools\\Options功能选项所打开Probe Options对话框下Numbers of Histogram Divisions栏前的空格内。
Mean:输出值的平均值，目前约为320.372kHz。 Sigma:输出值的平均偏差值，目前约为38647.8。
Minimum、maximum、median:输出值的最小值、最大值、中间值。
10th %ile, 90th %ile:所有输出结果中处于前10%(目前约为274944)和90%的输出值(目前约为378621)。
步骤六 修改为高斯误差并执行蒙地卡岁分析（！！！！！！未找到）
1、元件误差的分布情况一般是呈现高斯曲线的形式，故对线路特性的影响应该也是呈现高斯曲线的形式。而上图的结果似乎和大家直觉的想法不太一致。这是因为以随机数产生的元件误差值太随机了，并非按照元件误差的高斯曲线而定。现在我们要求元件的误差限定以高斯曲线比例产生，然后看看仿真结果如何。
2、首先回Capture窗口，到蒙地卡罗设置，将蒙地卡罗分析使用的随机数分布类型Use distribution:栏改为Gaussian(高斯分布)。存档后，启动仿真。 步骤七 使用Probe观察性能分析的仿真结果 如步骤五的操作，并将Tools\\Options,..功能选项所打开的Probe Options对话框的Numbers of Histogram Divisions栏的1改为20，这个栏负责设置性能分析时直条的分割个数，如此就会产生如图的性能分析Probe窗口。我们可以由此图看到更合乎实际情况的输出特性统计分布图。
习题
请按本章范例的操作步骡依次完成范例的仿真和结果观测。
请将范例的元件C改为Cbreak元件，并设置其模型参数为C- 1 dev=100/a lat二
2}0/0}然后按范例的操作步骤依次完成范例的仿真和结果观测。(元件Rbreak维持范例的 设置)
请修改图]8-12电路中的BJT晶体管的模型参数BF，将Q2N29}7A的误差参数设为dev 二3U0J lat=50%(如图18-13)t将Q2N2222的误差参数设为dev=2Q0r lot-}Or6.
将分析次数设为lOD次，设置为L)nifarm分布，Find栏设为YMAX, Save data frqm栏 设为All。执行蒙地卡罗分析后〔历时需数十秒)做出如图1$-l4的Probe曲线图。另 外取( Max十Min) 12的值执行性能分析做出如图18-15的条状统计图。
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第19章最差情况分析
学习目的
学习最差情况分析(Worst Case Analysis)的设置。
以OP-Amp反相放大器的时间轴输出波形来观察何种元件误差值的组合会造成电路的输出结果产生最大的偏移量。
重点说明
本章讨论的最差情况分析（Worst Case Analysis ）和前一章的蒙地卡罗分析(Monte Caro Analysis )，主要的目的都是分析元件误差对电路特性的影响程度，这两者之间的最主要的区别在于最差情况分析是在执行直流分析、交流分析或暂态分析时，在元件误差范围内找出使输出信号有最大偏移量时的对应元件值。然后将结果记录下来，而蒙地卡罗分析是在
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元件误差范围内内用随机数方式来变化元件值。也就是说，最差情况分析适用于找出极端情况下的输出波形及当时的元件组合，而蒙地卡罗分析则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。
最差情祝分析的执行流程中包含两种主要的分析步骤。首先PSpice会执行灵敏度分析（Sensitivity Analysis )，针对每一元件的每一个误差参数做一次仿真，然后再将这些灵敏度数据综合完成最差情况分析。输出结果可用Prnbe观测，另外.OUT输出文件中也记录其计算值。
本章范例将以OP-Amp反相放大器电路来执行最差情况分析，观察最差情况时输出结果有多少的偏移量，并求出当时元件误差值的组合。
练习范例
步骤一 绘出电路图、设置暂态和最差情况分析
1、绘出如图电路图。其中输入交流信号源Vpwl的元件编号为Vpwl OP-Amp电路另外需要直流电压源V1, V2来产生正负电压，其元件编号为VDC。由于我们将V1和V2的直流属性VDC)均设为12W，所以现在。UA741是工作在士12 V的直流电压下。电阻元件必须选Rbreak元件编号的元件(所以需载入Breakout.olb元件库)，因为编号R的电阻元件无法设置误差系数〔也就是说，其值不会随误差改变而变化)。
2、现在设置Rbreak元件的误差参数。首先选中元件，待其变为红色后，选Edit\\Model功能选项打开Model Editor窗口。然后输入dev = 20% lot=5%这一串字符。保存，返回Capture窗口。 3、由于电阻Ri和Rf共用同一个电阻模型，所以对于电阻Ri和Rf都是电阻值倍数为1, dev lot误差系数分别为20%和5%（lot误差会使所有使用相同模型的元件一起变化dev误差会令使用相同模型的元件个别地变化）。
4、Vpwl信号即是所谓Piece Wise Linear折线信号，设置方式前以有说明。现在我们设置坐标为T1=0时V1=-1V, T2=0.lms时V2=1V， T3=0.15ms时V3=-1V，T4=0.25ms时V4=1V。 5、设置执行暂态分析：将Run to time栏设为200us、，Maximum Step Size栏设为200ns。再勾选Monte CarIo\\Worst Case选项，设置最差情况分析的参数。
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提示一最差情况分析的设置说明
Monte Carlo(蒙地卡罗分析)选项与Worst case (最差情况分析)选项二者只能二选一，这里选Worst Case选项。选中Worst Case选项以后设置选框如上图 Output variable为执行分析的输出变量名称，现在设为V (Vo) Worst-case栏下有以下一些选项:
Vary栏负责选择误差类型：DEV(仅分别变动误差)、LOT(仅整体变动误差)、both (二者皆取)。
devices栏可输入一串想包含在分析中的特定元件类型。
Direction栏:HI和LO选项决定最差情况往理想值的高向偏移或低向偏移。 步骤二 存档并执行仿真 1、存档。
2、启动PSpice程序执行仿真。屏幕自动打开Probe窗口。 步骤三 使用Probe观察仿真结果
1、Probe窗口刚打开时会出现Available Sections对话框，询问现在要观察MINAL(Nominal理想值)或.. . LDEVICES(最差情况分析)的结果。用户可根据需要选择想观测的分析结果，默认状况是显示全部分析结果。
2、用Trace\\Add Trace...打开Add Traces对话框，选择V(Vo)现在的Probe窗口如图
3、可看到理想值和最差情况的分析结果， 设计师可从中看出最差情况时输出偏移量的大小，并判断是否超出规格要求，如果分析结果不合要求，就得更换为误差范围更小的元件。
4、由于我们设置的误差形式为DEV比例为20%（Vary栏选择的是DEV(仅分别变动误差)）。另外要求记录的最差情况为Vo信号为最大值时(因为Founction栏设为YMAX )，所以现在仿真的最差情况其电阻值变化量为Rf变大20%（由1 k变为1.2k）, Ri变小20% (由1k变为800 )。因此增益变化量(-Rf/Ri)就由-1变为-1.5。
5、观察.OUT文本输出文件的部分内容，记录有仿真最差情况时使用的电阻值及输出结果的偏移量。可以见到最差情况时MEW VALUE(新值) 栏内记录的Rf变为1.2k，Ri变为800。而最后的150%of Nominal信息告祈我们, 输出信号最大值(YMAX)与NOMINAL(标准值)相较之下，变化量为125%。
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习题
l.请按本章的操作步骤依次完成范例的仿真和结果观测
2.将本范例的误差形式(lrarv derrices that have栏)改为only1 LO`I}} Find栏也改设为1iin: 请预测最差情况时的电阻值变异量及增益变化量为何?然后请按本章的操作步骤依次
完成仿真和结果观测，并和预测结果相验证。
3完成图19-7的电路图，这是一个CMQS反相器电路，我们将分析其转态电压\\1't的最 差情况。请将nM05元件IRF15d的模型参数Kp由2}卜5 3u改为20.}iu dev= z0了‘，
将pMOS元件fRF914Q的Kp由10.15u改为iD.lSu dev=5}0s-然后设置直流分析及
最差情况分析(Worst-Case direction设为Hi?，仿真得到如图19-8的Prnbe结果:并观
察.ou丁文本输出文件的内容，指出最差情况分析时这两个Mos-I:F-r的Kp新值是多
少’2
4.若将习题3设置最差情况分析时的Direction设为Lo,重作习题3，并比较其输出Probe 结果及文本输出文件内容的差异。
第20章模块化和层次化设计
学习目的
学习Capture的模块化和层次化设计的观念和操作。 介绍如何以跨页连接端口来完成平坦式电路图。
介绍如何以层次输入/输出端口、层次方块、层次管脚来完成层次式电路图。
重点说明
Capturc将每个设计作品( Design )都视为一个项目（Project ) ,而且每个项目文件.opj内
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只能含有一个设计文件(.dsn ) ，而设计文件内至少必须包含有一个绘图页文件夹与一张绘图页。不过由于复杂一点的设计电路往往不能在一张绘图页内绘完，这时只好将电路拆成多张彼此相连接的绘图页，因此一个实用的项目(设计)内通常会有很多张的绘图页。这时我们往往会使用模块化和层次化的电路设计概念来处理并解决问题。
使用多张绘图页设计的工作方式，才能令一群工程师同时为同一个设计而工作。以达到分工合作的目的。而且如果用这种工作方式来预先建好一些常用的电路模块，以后就可以在新的设计工作中重复使用它们，节省设计所需的精力和时间。这些独立的电路模块可以分别地维护及升级，在管理上十分便利。另外，如果工作场地内只有能打印小尺寸纸张的印刷设备(例如激光打印机)时，使用多张绘图页设计的作业方式就变成必须的选择了。
OrCAD Capture中提供了许多协助制作多张绘图页设计的工具程序，包含有项目管理程序( Project Manager ) ，浏览与建立父层与子层绘图页、建立层次方块及转换层次结构等等。
所谓模块化和层次化设计就是先将整体电路依其特性及复杂度分割成合适的子电路。然后先分别绘制及仿真每一个子电路，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。
由于各个子电路都经过完整的设计过程，因此这个了电路就可以用一个块（Block)代表，以后可以在同一设计作品或其它作品内重复使用它，就像是用已做好的积木堆出各种不同的城堡一样。所以我们说这个子电路己被模块化了。
当电路大到某种程度，为了设计方便又不容易出错，我们通常必须将整个电路拆成几个模块以便工作。如果将电路在水平方向分割，以类似拼图的方式模块化，就是所谓平坦式( Flat)结构，在OrCAD Capture中，是以跨页连接端口(off-Page Connectors )来完成逻辑上的连通性。这种方式在应付不算太大的设计电路还可以胜任，但是在设计大型的电路时。这种设计方式可能会造成相当程度的困扰。最主要是因为这种设计方式必须依赖设计者一一去标明每个跨页连接端口的接通情况，工程相当繁琐又容易出差错。
如果我们将电路在垂直方向做分割，而此处的模块也可能是由几个更基层的模块所组成，一路延续下去，就形成像金字塔型的层次化(Hierarchy )结构。在OrCAD Capture中，是透过层次输入/输出端口（Hierarchical port）、层次方块(Hierarchical Block)与层次管脚(Hierarchical Pin )来完成逻辑上的连通性。当电路越来越复杂时，由于层次化设计较容易管理整体电路，所以成为现今设计方式的主流。
网络标号
网络(Net )就是在一个设计中有电气性连接的电路。而网络标号( Net Identifier)是一种对象，负责提供一张绘图页内或不同绘图页间逻辑上的网络连接。使用它就可以将某个网络给予某个独一无二的代号。它们经常用来指示一些没有实际连线的电气连接网络。譬如，在一个多张绘图页的设计中，就必须使用网络标号将一个网络从一张绘图页连接到另一张绘图页。
在本章的介绍范围内，会使用到以下这些网络标号对象：
网络别名(Net Alias)：识别在一个绘图页内连通的网络。适用于独立的单张绘图页场合。
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跨页连接端口(off-Page Connectors)：识别数个绘图页间连接的网络。适于平坦式结构场合。 层次输入/输出端口(Hierarchical port)：经由层次方块〔Hierarchical B1ock)的层次管脚（Hierarchical Pin)，用以识别进入一个子层绘图页的网络连接。适用于层次式结构的场合。
了解层次结构
第一次接触到多张层次式电路的人，总会先入为主地以为它是很复杂的观念，然而一旦了解一些基本原理后，我们会发现使用层次结构的观念来组织一个设计作品。其实一点也不困难。
在Capture内，所有层次式结构的设计中至少都包含了一个最高层次的绘图页文件夹，我们称之为主绘图页文件夹。而所谓层次式结构〔Hierarchy)指的就是组成一个设计作品的主绘图页文件夹和它的子层绘图页文件夹之间的关系，这里的主绘图页文件夹与子层绘图页文件夹内都可以容许数张绘图页存在(这时一绘图页文件夹内使用的是平坦式结构)。主绘图页文件夹的绘图页内至少会包含一个层次方块(Hierarchical Block)。层次方块是一种特别的对象，负责提供一个子层绘图页的图形表示，信号透过层次方块符号上的层次管脚( Hierarchical Pin)连接到子层绘图页文件夹的层次输入/输出端口(Hierarchical port )上。 在如同金字塔形的层次结构中，目前工作绘图页文件夹的上层绘图页称为父层绘图页文件夹（所以最上层的父层绘图页文件夹就是主绘图页文件夹)，而由层次方块所代表的绘图页文件夹就是次绘图页文件夹或是子层绘图页文件夹。延伸这种垂直性的结构，子层绘图页也能有它们自己更低一级的子层绘图页文件夹，一直延续下去。在Capture内，对于项目中层次的数目并无特殊限制，只受环境的可用内存所限制。通常我们都用树状结构图来描述层次结构，其基本观念和做法都颇类似Windows 95/98中文件夹(Folder )结构的观念。
以上有关层次结构的文字说明，如果以图形方式来表示就如下两图所示：
在Capture 中,如果每个绘图页文件夹所对应的层次方块只在整个设计中使用到一次。就称之为简单的层次结构(Simple Hierarchy )。如果在层次结构中，某个绘图页文件夹对应的层次方块使用了数次，则称之为复杂的层次结构(Complex Hierarchy )，这种层次结构多半出现在整个设计中具有重复性电路的应用场合。
在Capture中，如果要从某个父层绘图页的层次方块切换到其对应的子层绘图页，请先选取这个层次方块(转变为紫色并有虚线外框环绕)，然后使用View\\Descent Hierarchy功能选
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项或快捷键[Ctrl+D]就可以了，也可以使用鼠标右键调出快捷功能菜单，然后选择Descent Hierarchy选项。如果这个子层绘图页尚未打开，Capture将会自动地打开它，并切换成工作窗口。
如果要由子层绘图页内切换到父层绘图页，请使用View\\Ascent Hierarchy功能选项或快捷键( C trl +A )，Capture会将父层绘图页切换成工作窗口。此时光标并会移动到对应的层次方块位置上。
另外，也可以使用项目管理程序以选取文件的方式来切换层次绘图页，在操作上更方便，请见后续说明。
一旦我们的绘图页窗口开多了，屏幕上就会一团混乱，而且窗口一个叠一个，切换起来不太方便。这时可以利用主功能菜单的Window功能选项所列出的清单来切换，另外也可以透过Window\\Tile Horizontally或Window\\Tile Vertically功能选项将打开的窗口分开排列，或是使用Window\\Cascade功能选项将打开的窗口重叠排列。各个绘图页的名称都显示在窗口的标题区域。
本章范例一将以分流法则为例，说明如何使用跨页连接端口来完成平坦式电路图。 本章范例二将以OP-Amp反相放大器串联OP-Amp正相放大器组合而成的电压放大器为例，说明如何在PSpice环境中进行由上而下方式(Top Down)的层次化设计。我们将把整体电路拆成两个层次，第一层电路内只有两个子电路的层次方块，分别为HB1 (OP-Amp反相放大器电路)和HB2 ( OP-Amp正相放大器电路)，而第二层电路内才分别为OP-Amp反相放大器和OP-Amp正相放大器的具体电路。本来第二层的HBl和HB2内部电路应该分别先仿真验证后，再回第一层电路做总验证。但本范例的电路相对简单，所以我们直接就在第一层电路作仿真验证了。
OP-Amp反相放大电路的工作原理在前面章节里已进行了说明。其结论为:
同相放大电路如图下所示，输入信号加于“+”输入端。为具有高输入阻抗的放大电路。其电压增益也由Ri及Rf决定，而且输出电压Vo与输入电压Vin之间呈同相关系（即相位差为0)。它也可以用来放大交流和直流信号。
工作原理：因为负反馈，所以形成虚接地现象。也就是说，“+”和“-”输入端的电势差为零，故在“-”输入端也可得到和输入Vin同样的信号，因此
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另外
由于OP-Amp的输入电流几乎为零，故If=Ii亦即
整理后，可得:
由上式可知输出与输入同相位，且电压增益为:
如果我们选定Rf=l0k，Ri=lk那么增益就是A=1+10=11倍。
使用同相放大器最大的优点为输入阻抗相当于OP-Amp的输入内阻，其值非常的大，常超过1MΩ而反相放大器，其输入阻抗约为输入电阻Ri的大小，因此使用反相放大电路时，输入电阻Ri不可选得太小，否则容易有阻抗不匹配的问题发生。
本章范例一使用的OP-Amp反相放大器电路其Rf=Ri=1k，所以输出信号为输入信号的完全反相信号(增益为-l)；而OP-Amp正相放大器电路的Rf和Ri也都是lk，所以输出信号为输入信号的三倍且同相位信号(增益为+2)。
最后，本章的范例二将介绍复杂的层次结构。串联三级一模一样的R-C电路（如下图）并以交流扫描分析来验证它们的频率响应。由于单级R-C电路将重复三次，所以根层绘图页内将出现三个对应单级R-C电路的层次方块，而其子层绘图页文件夹将只有一个，其绘图页内容就是真正的单级R-C电路。
由第7章的重点说明中，并参考如图的波特图，我们知道各个单级R-C电路其极点ωp
为1/RC=1/(100 0.005μ)=2Meg，故其对应的截止频率(Cutoff Frequency:fc)约为ωp/2π=318kHz,所以增益(Gain )会在频率为fc时开始弯曲向下，而且此时的斜率为-20 dB/Decade，而相位(Phase )会在0.1fc=31.8kHz 时开始弯曲向下，直到l0 fc=3.18MHz时，相位为-90˚，并维持相位曲线为水平-90˚。
将这样的R-C电路串联三级，截频fc值并末改变，仍为318kHz，但是曲线斜率会因为累积的结果变为三倍。也就是说，增益曲线下斜的斜率将变为-60Db/Decade，而相位曲线将从0.1 fc时开始下斜，在10fc时达到-270˚。
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范例一使用跨页连接端口来完成平坦式电路(分流法则) 步骤一 绘出电路图
1、绘出如图电路图，图中V1信号使用了跨页连接端口元件(Off-Page Connectors )
2、调出跨页连接端口元件，可以在元件库中搜索OffPage，该元件在port.slb库文件中（port.slb库熟悉）
3、更改跨页连接端口的名称，在符号上双击鼠标左键来打开设置属性值对话框。将名称输入为V1。
4、由于默认状态下，名称会定位在网格上，所以有时很难将元器件移动到满意的位置上，这时可用主工具栏的选项切换成不定位于网格上的方式。可来回切换，使用Options\\Display Options功能选项。
5、保存
6、再来准备绘制第二张绘图页。请使用Navigate\\Create page功能选项，打开页设置栏输入标题，为这个新的绘图页文件取一个具有实质意义的名称。
7、在新绘图页绘出如图电路图。这个电路图中的V1信号使用了跨页连接端口元件OFFPAGE，将其更名为V1。现在我们绘好了电路图。
步骤二 设置直流分析参数、存档并执行仿真 1、DC Sweep选项设置执行直流扫描分析
在Sweep Variable栏选择Current Source(电流源)，Name:栏设置为Idc, SweepTyPe栏选择Linear线性模式，Start Value:栏设为0, End Value:栏设为5，Increment:栏设为0.01。这是说我们将要求Idc的电流值从零开始上升直到5A为止。每次线性上升0.01A。
2、存档
3、启动PSpice程序执行仿真，屏幕上自动打开Probe窗口。 步骤三 使用Probe观察仿真结果
显示I (Idc)、-I( R1 )、-I(R2)和-I (R3)现在的Probe窗口应如图所示。
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如果打开光标功能来测量，可以测得流过电阻R1、R2和R3的电流完全符合分流法则的规范。
范例二 正反相串联电压放大器电路 步骤一绘出根层电路图保存。
步骤二分别绘制如图子电路图。分别保存。 步骤三 分析类型，仿真 步骤四 观察结果
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可以看出各输出波形真的如我们的要求，Vol为Vi的一倍且反相的信号，Vo2为Vi的二倍且同相的信号。
范例三 复杂的层次式电路（R-C串联申路) 步骤一 绘出根层与子层电路图 1、绘出如图子层电路图并保存。
2、新建电路图，绘制根电路图，放置HB0层次方块，双击方块设置所调用的子电路。浏览选中所调用的子电路，关闭子电路图，返回根层电路图。按照刚才的步骤，画出HB1和HB2。分别加入Vi 、Vo1、Vo2标签。保存。
步骤三 设置交流扫描分析参数、存档并执行仿真
l 、选择AC Sweep选项来设置执行交流扫描分析。AC Sweep Type栏设为Logarithmic的Decade类型，Start Frequency栏设为10k, End Frequency:栏设为10MEG，Points/Decade栏设为101
2、存档
3、启动 PSpice程序执行仿真。 步骤四 使用Probe观察仿真结果
1、用Trace\\Add Trace对话框，输入DB(Vol)/V(Vi))、DB(Vo2/V(Vi))、DB(Vo3/V(Vi))
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显示结果如图
2、显示P(Vol)/V(Vi)) 、P(Vo2)/V(Vi)) 、P(Vo3)/V(Vi))仿真结果，如图所示。
习题
1.请按本章的操作步骤依次完成范例的仿真和结果观测。
之请将本章范例二的电路改用跨页连接端口的方式来完成。也就是说，设计一个使用增
益为一!的QP Amp反相放大器(如图?0-34所示)串联增益为十2的OP -Amp正相 放大器(如图2D-35所示)组合而成的电压放大器电路，并得到如图2}-3b所示的Probe 输出曲线。
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请用层次化设计的观念设计一个以OP-Amp正相放大器(增益为+3)串联OP--Amp 反相放大器(增益为一})组合而成的电压放大器电路。
请用层次化设计的观念设计一个滤波器电路(如图}0-37所示)。它是由一个R-C电 路(低通滤波器)，串联一个缓冲电路(元件名称为Gain )，然后再串联一个C-R电 路(高通滤波器)而成的带通滤波器。请先由电路理论预测其频率响应，然后再以图2d-;8 的交流分析频谱图验证它。
5.请用层次化设计的观念设计一个带通滤波器电路(如图20-39所示)。它是由三个一模 一样的二阶带通滤波器层次方块串联而成。层次方块所对应的电路如图20-40所示。
请完成如图20-41与图20-42所示的交流分析频谱图。
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第21章 模拟行为模型
学习目的
学习PSpice的模拟行为模型的观念和实作。
以数个模拟行为模型元件为例，分别说明如何定义其输入输出关系。
重点说明
PSpice的模拟行为模型提供给用户一个简便的方式去仿真一块尚未完成或是极复杂的子电路，用户可自行定义或使用PSpice内已经建好的模拟行为模型元件，它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。
早期的PSpice已经提供了如表21-1的四种基本的控制电源元件，如果善加利用，可以简化电路的设计和仿真过程。但是因为它们都是理想化的元件，以致无法完全反映真实电路的特性。因，4.0版以后的PSpice另外对E、G型的控制电源提供了一些特殊的延伸模型，这就是所谓模拟行为模型。
理想化的控制电源元件（E、F、G、H)具有输人阻抗（Zin)无限大、输入阻抗t(Zo)为0、频宽（BW)无限大、任何工作环境下增益(Gain)为定值、无谐波失真且完全不受噪声干扰等完全理想化的特性。而模拟行为模型元件则可依用户的要求调整其输入输出转移曲线或频谱曲线，因此它会产生类似真实电路中存在的谐波失真及频宽有限等非理想特性。
E、G控制电源元件的延伸模拟行为模型元件都是以数学运算的方式来描述的。常用的模拟行为模型元件大致有表21-2所列的这几种，它们均隶属于ABM.olb元件库。其中MULT、SUM、TABLE、VALUE、 FREQ、LAPLACE这几个元件需根据其类型冠上E或G的前缀，
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如ESUM, GFREQ等。
时域性质的模拟行为模型其输入输出关系建立在时间轴上，大多使用于放大器、加法器、乘法器等应用。而频域性质的模拟行为模型其输入输出关系建立在频率轴上，大多使用于滤波器应用。
本章范例一将以数个时域性质的模拟行为模型元件为例，说明其设置方法及其对应的输入输出特性。范例二说明数个频域性质的模拟行为模型元件的设置方法及其对应的输入输出特性。范例三说明数个描述式模拟行为模型元件的设置方法及其对应的输入输出特性。
范例一时域模拟行为模型元件
步骤一 绘出电路图、设置暂态分析参数
1、绘出如图电路图。其中输入交流信号源Vsin1、Vsin2的元件编号为VSIN，El和E2的EMULT，E2的元件编号ESUM，E3的元件编号为ETABLE ，E4的元件编号为EVALUE。
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2、EMULT元件的输出就是将两个输入的电压信号相乘，而ESUM元件的输出就是将两输入电压信号相加，它们均不需要也无法再另作设置。
3、STABLE元件和EVALLIE元件的输入输出特性必须设置。双击E3元件，打开TABLE设置窗口。在TABLE栏处输入(-0.5, 5)(0.5,-5)，这表示当输入电压Vsinl低丁-0.5V时，输出电压为5V，当输入电压信号高于0.5V时，输出电压为-5V，当输入电压在-0.5 V到0.5V之间时，输出为5V到-5V之间的线性连线值电压。
4、双击E4元件，打开EVALUE的设置窗口。在EXPR栏处输入-2*( VIN%+，VIN%-)，这表示输出电压信号为Vsin 1输入电压IN+与IN-之间差值的-2倍，这里的负号当然会造成电压信号反相(相位差180˚)。
5、设置暂态分析的参数。Run to time栏设为2ms, Maximum step size栏设为2 u s。 步骤二 存档并执行仿真PSpice 1、存档
2、执行仿真。屏幕上自动打开Probe窗口。 步骤三 使用Probe观察仿真结果
1、打开Add Traces对话框，点选V(Vsin1,+) 、V ( Vsin2,+)和V ( Vo1)。波形显示如图，可以见到输出信号Vo1为两输入信号VSin1和Vsin2相乘后的电压。
2、删除V ( Vo l)波形，选择V(Vo2)，如图输出信号VaZ为两输入信号Vsin 1和Vsin2相加后的波形。
3、显示(Vsin1,+)、V(Vo3)和V(Vo4)。
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范例二 频域模拟行为模型元件
步骤一 绘出电路图、设置交流分析
下面来看一下频域模拟行为模型元件的输入输出特性。
1、绘出电路图。其中输入交流信号Vin的元件编号为VAC，E1的元件编号为EFREQ， E2的元件编号为ELAPLACE，LOPASS1的元件编号为LOPASS: BPASS1的元件编号为BANDPASS。
2、设置各个模拟行为模型元件的输入输出特性。首先设置EFREQ模拟信号模型元件。由于FREQ类型的元件是根据用户键入的特性表格执行仿真的，所以表格建得越精细(选点越多)，其所建立的频域仿真曲线就越接近真实状况。表格形式为(频率，增益，相位)。双击E6元件，打开属性设置窗口。在TABLE栏处输入(0,0,0)(10,0,0)(100, 0,45 )(1k,-20,-135) ( 10k,-60, -180 )。这是按照以下的拉普拉斯方程选出几个关键频率所建立的表格，本方程的二个极点频率分别为10Hz和1 kHz。
事实上，EFREQ元件的频谱建表方式就是电子学课本内所提到的波特图（Bode Plot)求解法。
3、设置ELAPLACE模拟行为模型元件。FREQ型式的元件是依输入者键入的特性表格执行仿真，当然不及LAPLACE类型的元件直接根据拉普拉斯方程进行仿真来得精确。现在双击E7元件，打开设置窗口。在XFORM栏处输入1/((1+S/628)*(1+s/6280))。其实，这就是上面提到的拉普拉斯方程。
4、在设计滤波器电路时，首先要由频域规格转为拉普拉斯方程再进行输入及仿真的工作。现在PSpice提供了直接由频域规格就可进行仿真的元件，如此可省去工程师不少的力气。PSpice提供的滤波器元件只有以Chebyshev方程近似的形式，又可再细分为LOPASS(低通)、HIPASS(高通)、BANDPASS(带通)、BANDREJ(带阻)四种类型。我们举LOPASS和BANDPASS为例说明其设置方法。
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5、双击LOPASS 1元件，打开设置窗口。在FS(截止频率)栏处输入1kHz，在FP(导通频率)栏处输入100Hz，在RIPPLE(导通带纹波衰减量)栏处输入1dB，在STOP(截止频率时的增益衰减量)栏处输入50 dB。其滤波器频谱图请参考Probe输出〔图2l-12)。
6、双击BPASS 1元件，打开设置窗口。在RIPPLE(导通带纹波衰减量)栏处输入1dB，在STOP(截止频率时的增益衰减量)栏处输入50 dB，在F0(下截止频率)栏处输入10Hz，在F1(下导通频率)栏处输入100Hz，在F2(上导通频率)栏处输入100Hz，在F3(上截止频率)栏处输入1000Hz。其滤波器频谱图请参考Probe输出(图21-12)。
7、设置交流扫描分析(AC Sweep)的参数：Analysis Type栏设为Decade, Start Frequency栏设为10, End Frequency栏设为10k, Points\\Decade栏设为101。
步骤二 存档、执行仿真并观察仿真结果 1、存档
2、执行仿真，屏幕自动打开Probe窗口
3、打开另一个观测区域，在上层观测DB(V(Vo1)和DB(V(Vo2)，下层观测P(V(Vol))和P( V(Vo2) )。现在的Probe窗门如图21-21。
4、可以见到它们均完全符合预期的频率响应。另外在比较之后，可以看出在转折点的地方，ELAPLACE元件的频谱图较EFREQ频谱图更平滑而精确，尤其在相位频谱的情况更明显。
5、打开新的Probe图，建两个观测区域，在上层观测DB(V(Vo3)和 DB(V(Vo4)，下层观测P(V(Vo3))和P( V(Vo4) )。的Probe窗口显示如图。
6、将图21-12的LOPASS的输出频谱图(Vo3)和BANDPASS的输出频谱图( Vo4)与前面设计的频谱规格比较，可以见到它们完全符合规格的要求。
范例三描述式模拟行为模型元件 步骤一 绘出电路图、设置暂态分析
1、绘出如图电路图。其中输入交流信号源Vsinl、Vsin2的元件编号为Vsin，ABM2I1的元件编号为ABM2/1，ABM2的元件编号为ABM2。
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2、目前我们对于ABM2I1与ABM2这两个件的描述属性都使用默认值，元件ABM2I1符号下输出部分明显地标示着电流输出，而且其描述属性默认为(V(%IN1)+(V(%IN2))/2.0,这表示本元件会将两个输入电压信号相加除以2之后，再转成电流信号才输出。元件ABM2符号上其EXP1描述属性默认为(V(%IN1),其EXP2描述属性默认为+(V(%IN2))/2.0，这一个描述应合并为(V(%IN1)+(V(%IN2))/2.0,这表示本元件会将两个输入电压信号相加之后除以2再输出。
步骤二 存档、执行仿真并观察仿真结果
1.存档后，启动PSpice程序执行仿真。屏幕上会自动打开Probe窗口。
2.在Probe中打开另一个观测区域，然后在上层观测区域观测输入V(Vsin1:+)和V(Vsin2:+)，在下层观测区域观测输人I (ABM2I1)。如图21-14。
3、在下层观测区域观察V (Vo2)。Probe窗口如图21-15。
4.上两个输出波形图与其描述属性比较，可见它们完全符合规格的要求。 习题
清按本章的操作步骤依序完成范例的仿真和结果观测。
令二个输入信号分别为图2F -}的Vsin 1和Vsin2，请用模拟行为模型元件E S U'4i和 EVA L}}E设计出一个输出Vo -2X Vsini }Vsu?的电路。
令输入信号为图ZI-1的Vsin2，请用模拟行为模型元件ETRB}.E设计一个电路，其输 入电压低于一0.3 V时，输出电压为2V;输入电压信号为ov时，输出电压为一7`: .输 入电压信号高于a.}V时，输出电压为一}v:其余输入电压时，输出为以上三点彼此之 间的线性连线值电压。
4.假设有一个电路，其转换函数(传递函数)的拉普拉斯方程的二个极点频率均为1}kHz, 一个零点频率为1 dOHao请分别使用EFREQ和ELAPLACE元件定义出符合此频率响
应的滤波器电路。
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G. 7.
请用一个}.op}ss元件串接一个HIPASS元件来设计一个带通(E3andPass )滤波器，其 频谱规格如下:下截止频率为t }}Ha，下导通频率为50QHa，上导通频率为IOQOHa. 上截止频率为S}aaHz，导通带纹波衰减量至多为3dB.截止频率时的增益衰减量至少 为30dB。
请用一个gANIJPASS元件完成一个符合习题5频谱规格的带通(E3andPass )滤波器二 请观察AI3M3与ABI}}3JI元件默认的描述属性代表什么意义，并如本章范例三绘制电 路图来验证之。
第22章 组合逻辑电路仿真
学习目的
学习数字信号的输入设置。 学习组合逻辑电路的仿真操作。
重点说明
基本的电子信号大致上可以区分为模拟信号和数字信号两种。模拟信号是一种平滑而连续变化的信号，且其大小并无限制(如正弦波、三角波、锯齿波或其它不规则波形)。处理这些模拟信号的电子电路就称为模拟电路。我们在前面章节所讨论的就是这种模拟信号电路的仿真方法。
事实上，早期的SPICE标准也只定位在处理模拟信号，不过PSpice在4.0版以后也加入了数字信号电路的仿真，进而可以执行模拟加数字混合电路的仿真，使得其功能更为强大而完善。
数字信号基本上是一种不连续变化的信号，通常是由一个只有高低两种电压迅速改变所形成的脉冲。处理这些数字信号的电子电路称为数字电路。因为数字电路只能执行逻辑运算，所以又称为逻辑电路。
不同于模拟电路信号既平滑而连续的特色，数字信号往往只能存在于某些特定的电压下。以常见的二进制逻辑而言，恰好对应出高或低二电压。
以电子的观点看，可定义真为逻辑1，假为逻辑0，另外也以开关的开(ON),关(O FF}，或电位的高(Hi)、低(Lo)，或以代号的0、1来代表逻辑值。早期是以继电器来完成电路上的开关现象，后来演变为使用半导体元件(晶体管)来完成。
数字电路又可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。所谓组合逻辑电路就是全由逻辑门所组合的电路。而时序逻辑电路就是电路内除了逻辑门之外尚有记忆性电路存在，所以有能力记忆以前的状态。因此组合逻辑电路的输出只和当时的输入信号有关；而时序逻辑电路的输出除了和当时的输入信号有关之外，也和前次的输出状态有关。
我们可以用以下方框图来看待组合逻辑电路和时序逻辑电路。完整版PSpice有能力仿真一般的组合逻辑电路和时序逻辑电路，但评估版除了元件数目和电路图大小有限制之外，自定的数字信号发生源也仅限于编辑有周期性的信号。
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本章先讨论组合逻辑电路的仿真，下一章则讨论时序逻辑电路的仿真。范例的电路图、其布尔代数式和真值表如图所示。组合逻辑电路的仿真就是根据真值表输入数字信号，然后再验证输出的逻辑状态是否合于真值表的定义即可了。
练习范例
步骤一 绘出电路图、设置输入的数字信号
1、绘出如图电路图。其输入信号源DSTM的元件编号为DigStim
2、定义各元件的序号。双击或门（7432: OR )，打开Property Editor元件属性设置对话框，请检查GATE栏为A，PKGREF栏为U1(如不是请修改)。PKGREF属性代表本电路图中使用到的IC的序号。由于本范例只用到三个IC，所以准备将或门7432编号为U1，与门7408编号为U2，非门7404编号为U3。 GATE属性代表此门是用到这IC的第几个逻辑门。譬如，7432内有四个功能完全一样的或门。其门编号分别为A、B、C和D。习惯上，我们都由A门开始使用起。
3、依次修改上方与门的PKGREF栏为U2 ，GATE栏为A，下方与门的PKGREF栏为U2, GATE栏为B，左方非门的PKGREF栏为U3, GATE栏为A。修改完以后，可以见到Capture会自动为我们更换U2的IC对应管脚。
4、如果不去重新定义各元件的序号，只要不违反Capture的ERC检查，就不会影响PSpice仿真的操作。
5、编辑输入信号。选中DSTM 1，然后使用Stimulus功能选项，打开Stimulus editor信号编辑窗口，在Name栏输入信号名称，点OK，勾选Clock选项（PSpice完整版的信号编辑功能十分完整而强大，可以编辑任何非周期性信号，但评估版的信号编辑功能对于模拟信号仅限于编辑正弦波，数字信号仅限于编辑有固定周期的脉冲信号）。想要在评估版PSpice程序内输入非周期性信号，必须透过特定的数字激励源元件，以编辑元件属性的方式来操作，过程的复杂度比较高，详情清见第24章的说明。
6、点OK接下来将会出现Clock Attributes对话框，点选Frequency and duty cycle（代表我们以设置频率及工作周期的方式定义DSTM1，Frequency栏为2kHz, Duty Cycle栏为
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0.5，Initial Value栏为0（低电平)、延迟时间 Time Delay栏为0。也可选Period and on time选项，然后输入周期各个参数值。
7、保存，关闭激励源编辑窗口。
8、同理选取DSTM2元件，定义信号B(就是DSTM2)为频率1kHz、丁作周期为0.5、起始值为0、延迟时间为0的方波信号。同理定义信号C(就是DSTM3 )为频率500Hz、工作周期为0.5，起始值为0，延迟时间为0的方波信号。由以上设置值可以看出，其实我们要送入电路的数字信号就是二进制数，恰可涵盖真值表中所有的输入状况。
9、既然输入信号是如此标准的周期方波，输入信号源并非一定要使用DigStim元件，亦可使用Digclock元件，请见下一章的范例。
步骤二 设置暂态分析、存档并执行仿真PSpice
1、设置暂态分析，请将Run to time栏设为3ms，Maximum step size栏设3us 2、存档
3、启动PSpice程序执行仿真。屏幕自动打开Probe窗口。 步骤三 使用Probe观察仿真结果
1、选择a、b、c和y观察仿真结果如图所示
2、输入信号既是二进制数，我们可以再输入{c, b, a}，以总线(Bus)形式观察信号。现在的Probe窗口应如图一般。
3、由逻辑输出波形Y和真值表的定义比较后，我们可见到本电路完全符合真值表的定义需求。
4、用Trace\\Cursor\\Display选项或快捷钮启功光标功能来测量波形上的记录值。用鼠标左键单击Probe窗口左方第一个变量a，现在a被一个较密的虚线框围绕（光标1）。用鼠标右键单击Probe窗口左方第四个变量y，现在y会被一个较疏的虚线框围绕(光标2)。以后我们可以使用鼠标左键移动光标1在a波形上的位置，使用鼠标右键移动光标2在y波形上的位置了。
5、将二个光标都移至如图位置，然后选Trace\\Cursor\\Freeze功能冻结光标位置。现在由Probe Cursor窗口的数据可以知道当时间为613.014 u s时，此时的a逻辑值为0，而时间为1.1336ms时，此时的y逻辑值为0。另外我们也可由Y轴旁的数字读出当时间为光标1显示时间( 610.577 u 5)时，a、b、c、y, 和{c, b, a}的逻辑值分别为0，1、0、1、2。
习题
请按本章的操作步骤依序完成范例的仿真和结果观测、 图Z2-IO为一位全加器电路及其真值表。输入信号A , Fi为本级中待相加的二个比特位甲
C为前一级送来的进位信号。输出信号CA (Cam-)为本级产生的进位信号，S为本级
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的和〔Sum、请仿真出如图Z?-I1的Prob。波形图，并和真值表的定义比较及验证
图22-12为一个4选1多路选择器电路及其真值表。输入信号A为要所传送的信号。E 为使能信号(()电平才使能)，Sl, S。为多路选择器的选择线。输出信号Y0, Y1, }'?, Y3分别为四线选择器的输出。请仿真出如图}2-13的Probe波形图，并和真值表的定 义比较及验证。
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第23章 时序逻辑电路仿真
学习目的
学习数字信号输入设置。
学习时序逻辑电路的仿真操作。
重点说明
前一章讨论了组合逻辑电路的仿真，本章则讨论时序逻辑电路的仿真。本章范例举的是三位二进制同步计数器电路，所以它拥有23=8种状态值，其状态图和电路图如图所示。
电路本身由二个J-K触发器所组成，采用的TTL IC编号为7476，输入信号主要是脉冲信号CLK。另外还有一个/CLR信号，当它为低电平时，无论现在的计数值是多少，下一次脉冲下降沿来时，均将本计数器值清除为零。
同步时序逻辑电路的仿真主要就是依照状态表输入数字信号和脉冲，然后再验证输出的逻辑状态是否符合状态表的定义即可。
练习范例
步骤一 绘出电路图、设置数字输入信号
1、绘出电路图。其数字输入信号源DSTM1的元件编号为DigClock, DSTM2的元件编号为DigStim。电路图最左上方有一Hi元件，这是数字电路中固定送出逻辑高电平的元件，其元件编一号为HI，存于Port.slb元件库。
2、定义各元件的序号。打开最左边的J-K触发器元件属性设置窗口，Gate栏A，PKGRef栏为U1，PKGRef栏属性代表本电路图中使用到的IC的序号。由于本范例用到三个J-K触发器，但一片7476 IC内有两个J-K触发器，所以需要使用到两片7476 IC。我们准备将它们分别命名为U2和U3。Gate属性代表此门是用到这IC的第几个逻辑元件。7476内的两个J-K触发器其编号分别为A和B。习惯上，我们都由A元件开始使用起。
3、依次修改中间的J-K触发器的PKGRef栏为U2, Gate栏为B;最右边的J-K触发器，PKGRef栏为U3, Gate栏为A。可以见到Capture会自动更换U2B的IC对应管脚。
4、若没有定义各元件的序号并不会影响仿真的进行或正确性，但往后在按图接电路板或转成PCB(印刷电路板)时会造成某些困扰。
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5、编辑\\CLR输入信号。打开StirnuIus Editor信号编辑窗口元件名改为/CLR，和DSTM2输出的网络名一样。/CLR信号是数字信号，勾选Digital栏内的Clock选项、OK，定义信号/CLR(就是DSTM1)为频率(Frequency) 7kHz, 工作周期为(Duty Cycle)0.9，起始时间(Initial Value)为0，延迟时间(Time Delay)为0的方波信号。
6、脉冲信号CLK的设置。双击STM2符号，打开Property Editor脉冲编辑对话框，输入高电平时间(ONTIME栏)为5us，低电平时间(OFFTIME栏)也为5us。这是一个周期为10u s(频率为100kHz)的脉冲信号。
步骤二 设置暂态分析、存档并执行仿真PSpice
1、设置暂态分析，Run to time栏设为200 u s ,Maximum step size栏设置200 ns。 2、存档。
3、启动PSpice程序执行仿真。打开Probe窗口。 步骤三 使用Probe观察仿真结果
1、在Probe图中显示CLK、\\CLR、D2、D和D0。
2、为方便观察，也可以输入{D2 D 1 D0 }，以总线形式观察信号。并请用鼠标左键调整波形图的左边界，让{D2 D1 D0}这些文字全部出现。现在的Probe窗口应如图23-6一样。
3、由逻辑输出波形状态和状态表的定义比较后，我们可见到本电路完全符合三位二进制记数器的状态图定义。
习题
1.请按本章的操作步骤依次完成范例的仿真和结果观测。
Z.图23 7为三位带预置计数器电路。CLOCK为脉冲信号(上升沿触发)，}' CLEAR为 清除信号(低电平动作)，1 PRESET(低电平动作)为预置信号。输出计数值D2, Q1, DO，其中D2为高位。请仿真出如图23-8的Probe波形图，并和计数器的工作原理比
较及验证一(/PRESET频率9QF-!z，工作周期0, 95 >起始值。;/CLEAR频率6}Ha, 工作周期Q.95，起始值l)
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3‘图23-9为三位异步计数器电路。高电平信号固定接0IoD HI元件画卜，/CLK为脉冲
信号(下降沿触发)，l CLR为清除信号(低电平动作，频率75Hz，工作周期}.}5, 起始值为。)。输出计数值D2, D1, DO，其中D2为高位。请仿真出如图23-1 I}的Probe
波形图，并和计数器的工作原理比较及验证。
第24章 非周期性数字输入信号源
学习目的
学习非周期性数字信号源的输入设置。
重点说明
前两章讨论了数字逻辑电路的仿真，输入信号源采用了DigClock和DigStim元件，然后打开Stimulus Editor信号编辑窗口来编辑信号。但是评估版的Stimulus Editor程序只能编辑周期性信号，要应付组合逻辑电路或是单纯一点的时序逻辑电路(如计数器)还可以，但要应付输入场合复杂一点的数字电路就很麻烦。
如果没有正式完整版的PSpice A\\D程序（它的Stimulus Edit:可以轻易地编辑任何非周期性的输入信号），就要使用编辑元件属性表格的方式来输入信号。
本章范例是二位并入并出式移位寄存器，其电路图如图所示。
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移位寄存器的电路由三个D型触发器组成，很单纯地由前一级触发器的输出Q脚接至后一级触发器的输入D脚，采用的TTL IC编号为7474。并行输入的信号I2, I1, I0（I2为MSB)先以三个反向器产生互补式信号，然后通过六个与非门分别组成的一位数据选择器电路拉至D型触发器的清除(/CLR)和预置(/PRE)管脚。并行数据的载入信号为LOAD，当LOAD=1时就将I2 , I 1、I0载入移位寄存器内；当LEAD=0时，移位寄存器的记录值随着脉冲信号CLK的上升沿一起向右移位，最左的D型触发器将经由串行输入信号SERIAL IN读入新值。并行输出信号为C, B, A（C为MSi3)。
由于测试移位寄存器功能的输入信号相当复杂，如果想要用前两章那种周期性信号来达成就相当麻烦，所以我们将大部分输入信号源改用STIM 1元件，然后以分别建表输入的方式来完成要求。
练习范例
步骤一 绘出电路图、设置数字输入信号
1、绘出电路图。输入信号源I2、I1、I0、Serial In和LOAD全使用编号STIM1的元件。CLK为周期性信号，所以使用编号为Digclk的元件。我们特别将I2、I1、I0信号以总线(BUS)形式（BUS）绘出（注意要选总线而不是连线），并将此总线命名为I（0….2)。通常总线与连线间都通过总线分支线（BUSEntry）来连接，画总线分支线的功能选项为PlacelBusEntry,按键为[Shift-E ]，快捷图钮为翎。由于总线与总线分支线不具备真正的电气意义，所以I2, I1, I}这几个网络别名一定要确实地标示好才能确保信号连接完整。
2、编辑Serial_ In输入信号。打开元件属性窗口，点选SIGNAL、OK，使用Edit\\Add功能（或快捷键“铅笔头”），在信号转折点点击，完成所要求信号设置。设置Serial_In信号在时间0S时为逻辑0，时间0.85ms时为逻辑1，时间2.25ms以后为逻辑0。
3、按上述操作，依次设置DSTM3(LOAD)、DSTM4 (I0)、DSTM5 (I1)、DSTM6 (I2)的元件属性。
4、脉冲信号CLK的设置。打开脉冲编辑窗口， 高电平时间(ONTIME)为0.1ms，低电平时间(OFFTIME)也设为0.1ms，这是一个周期为0.2ms(频率为5kH)的脉冲信号。
步骤二 设置暂态分析、存档并执行仿真PSpice
1、设置暂态分析，将Run to time 设为3ms，Maximum Step Size栏设置为3uS。 2、存档。
3、执行PSpice仿真，打开Probe窗口。
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步骤三 使用Probe观察仿真结果
1、选择显示CLK, LOAD, I2、Il、I0, Serial_ In, C, B、A、{C B A}。
2、由输出的逻辑波形状态和并入并出式移位寄存器的工作定义相比较，可以看出本电路完全符合要求。
3、像输入信号如此复杂的场合，最好先用纸笔先大略画一下时序图，然后再按图设置STIM的元件属性表格。在上图中可以看到在LOAD信号第一次为逻辑1( 0.05ms )之前的C, B, A值为不明状态，如下图所示。这是因为在时间为0s时，所有触发器的记录值均默认为任意(x，Don't Care)状态的缘故。
4、我们可以在Simulation Settings对话框的Digital Setup页内的 flip-flop Initialization栏是选在0,那么所有触发器的默认记录值将改设为逻辑0。如果将其改选在1，所有触发器的默认记录值将改设为逻辑1。
习题
请按本章的操作步骤依次完成范例的仿真和结果观测。
清将本章范例触发器的默认起始状态改设为}s然后按操作步骤依次完成范例的仿真和 结果观测。请特别注意在L}AT}信号第一次为逻辑】( O.flS ms )之前的C, B, A是否 为逻辑0的值?
图24-6为一个4选t的多路选择器电路及其真值表。输入信号A为要传送的信号，E 为使能信号((a电平才使能)，S1, 5a为多路选择器的选择线。输入信号源A, s } , sa 均为DigClock元件，输入信号源E使用S'L'IM 1元件。输出信号YQ, Y1, Y2, Y3分 别为四线多路选择器的输出。请仿真出如图24-7的Probe波形图，并和真值表的定义 比较及验证。
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4.图24-8为三位带预置计数器电路。CLDCIC为脉冲信号(上升沿触发)，/CLEAR为 清除信号(低电平动作)，I PRESET〔低电平动作)为预置信号。I C},EAR和/PRESET 输入信号源均为STIM]元件，CLDCK输入信号源为DigClock元件。输出计数值D2,
D}, D},其中D2为高位。请仿真出如图24-9的Probe波形图，并和计数器的工作原理比较及验证。
5.图24- I Q为三位异步计数器电路。高电平信号固定接0I0D_ HI元件HI一。cLOC}为
脉冲信号(使用Da药oak元件)，a c}EA}为清除信号(使用STII}}i!元件)。输出计 数值D2, D1, DD，其中DZ为高位。请仿真出如图24一11的I'rohe波形图，并和计数
器的工作原理比较及验证。
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第25章 模拟数字混合电路的仿真
学习目的
学习仿真模拟加数字混合电路该注意的事项
重点说明
PSpice A/D 可以仿真模拟电路，可以仿真数字电路，当也可以仿真模拟加数字的混合电路。本章将举两个例子来说明仿真模拟数字混合电路时该注意的事项。范例一为TTL IC的脉冲产生电路。范例二为IC 555的单稳态应用电路。
首先说明范例一的电路(如图所示)。
这是一个使用TTL IC的脉冲产生电路。所谓脉冲产生电路又称方波产生电路、无稳态电路、振荡电路、脉冲波产生电路。它应用共振原理、相位倒相或是RC重复充放电现像使其电路的输出信号为一个有固定周期的重复方波信号。脉冲在计数/计时器电路的应用上用以触发计数/计时动作；在寄存器的应用上用以触发转态或记录的动作，而同步时序电路中的触发器乃循着同一个脉冲同步转态运作。
产生脉冲波形的方法有很多。在实验室中，可由仪器信号发生器来取得，在商品应用中，则必须以电路方式来产生。可以产生脉冲信号的电路有很多种类，除了本章范例一及习题4、习题5介绍的电路之外，其他的脉冲发生电路请详见各讲授数字逻辑设计的书籍。
以下简单说明范例一电路的工作原理：
1、由于电阻R1、R2乃由逻辑门的输出脚回到逻辑门的输入脚，所以门电路U1A和U2A工作于临界电压( Threshold Voltage，TTL约1.4v )附近，此时只要门的输入信号有点点的偏移，输出就会大幅度地偏转。
2、现在假设在起始状态下（刚把电源VCC接上)，令A点为高电压，经反相后B点为低电压。因为接上电源的瞬间，电容器短路，所以C点为低电压，经反相后D点为高电压。
3、现在D点经由R2向电容C1充电，故C点电压逐渐上升。而因为C2经由R1放电，故A点电压逐渐下降。当A点和C点达到临界电压时，门U1A和U2A就会转态，此后A点就转为低电压，反相后B点为高电压。在转态的瞬间，电容短路，所以C点转为高电压，反相后D点变为低电压。
4、现在B点经由R1向电容C2充电，故A点电压逐渐上升。而因为C1经由R2放电，故C点电压逐渐下降。当A点和C点达到临界电压时，门U1A和U2A就会再度转态，此
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后A点就转为高电压，反相后B点为低电压。在转态的瞬间，电容短路，所以C点转为低电压，反相后D点变为高电压。
5、由以上描述可知，A、B、C、D各节点会一直在高低电压间切换，故成为一个脉波产生电路。不过我们前面所提到的高低电压，事实上都是充放电波形，而非漂亮的方波形式，所以必须再串上一级非门U3A来作方波整形的动作。
本电路是靠元件本身自然的噪声来触发起振。但是在作电路仿真时，因为元件都已理想化(无自然噪声)，所以各节点均将停留于偏压点的电压值，无法起振。
解决的方式大概有以下少几种：
1、将电容器及电感器加上起始状态( initial Condition: IC )，强迫电路从非偏压点位置开始仿真(本章范例一)。
2、使用折线波信号源接于电源节点，然后将信号由0升高到需要的电源值。 3、在接地点加上一个起始脉冲。
4.使用集电极开漏电路，在起始时加入信号，强迫起振。当然本集电极开漏电路不可影响电路的正常工作。(本章习题4)
本章的范例二讨论IC 555的单稳态电路，555是常见的多用途计时IC，通过外接的R、C以充放电形式来完成计时动作。所谓单稳态指的就是经由一个短时间的触发信号来产生一个符合要求的长脉冲；当计时终了后，必须再有触发信号才能再计时一次。
555内部电路的方框简图如图所示。
而555的单稳态应用电路如下图所示。V1下降沿将触发单稳态计时，计时时间可由电容器充放电的公式导出，为1.1R1C1。
以下简单说明其工作原理：
1、在电路起始状态下(刚接上电源VCC ), VCC经R1向C1充电。当Vc充至2/ 3 VCC时，比较器A输出R为1。由于此时的TRIGGER为1，故比较器B输出S为0，R-S触发器输出Q为0，/Q为1，经反相后OUTPUT为0。此时晶体管Q1打开，将Vc放电至0V，比较器A输出R转态为0，R-S触发器维持输出，Q为0，/Q为1，OUTPUT为0。此后就维持这样的状态，直到有触发信号来到为止。
2、当触发信号TRIGGER转态为0，比较器B输出S转态为1。由于目前R仍为0，所以R-S触发器输出Q为1, /Q为0，经反相后OUTPUT为1。且此时晶体管Q1关闭，VCC开始经R1向C1充电。现在触发信号TRIGGER转态回1，比较器B输出S转态为0，R-S触发器维持输出Q为1，/ Q为0，OUTPUT为1，而C1持续充电中。
3、当Vc充电至2/3 VCC时，比较器A输出R转态为1。此时比较器B输出S为0，
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故R-S触发器输出Q转态为0，/Q转态为1，经反相后OUTPUT转态为0，结束单稳态计时，并维持现状直到下一个触发信号。此时晶体管Q 1打开，将VC放电至0V，比较A输出R转态为0，R-S触发器维持输出Q为0。
范例一TTL IC的脉冲发生器
步骤一 绘出电路图、设置电容起始条件
1、绘出如图电路图。其中使用的TTL IC元件编号为7414，这是具有施密特触发器(Schemitt Trigger)功能的反相器。注意，我们为了强迫电路由非偏压点开始进行仿真，所以必须设置电容Cl和C2的起始条件属性(IC:Initial Condition)为2V。
2、使用施密特触发器的理由，是因为无迟滞现象(Hysteresis)的一般逻辑门会因为理想特性而在起振不久之后，最终仍然回归到偏压点电压而停止振荡。这点和现实电路并不太一样(现实电路会维持振荡的现象)。由此也可以了解，程序仿真终究只是一种加速验证电路的手段，电路是否真正会正常工作仍需在验证实体电路后才算数。
步骤二 设置暂态分析、存档并执行仿真PSpice
1、设置暂态分析，将Run to time栏设为100us，Maximum step size栏设置100ns。 2、存档
3、执行仿真。自动打开Probe窗口。 步骤三 使用Probe观察仿真结果
1、打开五个观测区域，然后依次在各观测区域分别显示V (A)，V (B), V (C), V(D)和E的波形。如图
2.由图可见，v (A), V(B), V (C), V (D)这四个信号是模拟信号的显示方式，而E信号则是数字信号的显示方式。现在我们打开光标功能，可以测出本脉冲产生电路的输出方波周期约为17.625 u s(频率约为5673 Hz )
范例二IC555的单稳态电路
步骤一 绘出电路图、设置输入触发源信号
1、绘出如图电路图。其中V1触发信号源使用编号STIM 1的元件，并设置在时间0s时为逻辑1，时间5 u s时为逻辑0，时间7 u s时为逻辑1。其实这就是一个负脉冲信号。
步骤二 设置暂态分析、存档并执行仿真PSpice
1、设置暂态分析，将Run to time栏设为30us，Maximum step size栏设置30ns。 2、存档
3、启动PSpice自动打开Probe窗口。 步骤三 使用Probe观察仿真结果 1、打开另外一个观测区域，然后在第一个窗口显示v(vi)v(vc)。另一观测区域观察v（vo) 2、由图可见，不论是输入信号V(v1)、充放电波形v（vc)或是输出波形V(vo)均是模拟信号的显示方式。这是因为PSPiceA/D将IC 555视为模拟式元件，故其电路模型也是以模拟元件形式建立的，这样做才能真正表现出555的工作特性。
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3、用光标功能，可以测出本单稳态电路电路的输出脉波时间约为11.048us、.而公式值为1.1R1C1=1.11k0.01u=11us，仿真值和公式计算值的确十分接近。
习题
请按本章的操作步骤依次完成范例的仿真和结果观测。
请将图25}0 1中的R1的电阻值由1k。改为2k }，然后完成仿真和结果观测。现在的输
出方波是否不对称了(工作周期不为50 % )，你能说明产生这种现象的理由吗?若将R1 维持1 k S}，而R2改为2k s}，结果又是如何呢?
现在我们需要使用IC 555来产生一个单稳态脉波时间为1 rn s的电路。请修改图25-?中
电阻1Z.和电容C1的值以达到我们的要求，并完成仿真验证。
图25-b为PSpice A/D所提供模拟加数字混合电路的仿真范例，就放在C : 1Pragram FileslOrCAD DemalPSpicelSampieslMixsimlDsc文件夹下的Dsc.opj项目电路图形文件 中。这也是一个脉冲产生器电路，不过它使用745这个开集极反相器来使电路起振。 当RESET为{时，745的输出为Q}强迫这一节点工作干非偏压点电压上;然后RESE丁 转态为If，因为74I35的集电极开漏特性可将其视为开路，所以不影响电路的正常振荡 工作情况。请仿真出如图25-7的Prabe波形图，并和本脉冲产生器电路的工作原理比 较及验证。
5。图25-8为使用IC 555作成的脉冲产生电路。请说明其工作原理?(参考图25-3的55\" 内部方块电路图及相关的数字逻辑书籍)。并请仿真出如图25一9的Probe波形图，然后
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和本脉冲产生器电路的工作原理比较及验证。依照公式，高电平时间约为0. 7 X (R} -
R3) XCI，而低态时间约为U.7XIt3xCl，这是不对称方波。由于555并不靠噪声来 起振，所以我们就不必为了起振条件而费心了。
第26章数字电路的自动差错功能
学习目的
学习数字电路自动查错功能的操作、判别及修正。 学习使用仿真结果观测自动查错的输出波形。
重点说明
在设计数字电路时，若是安排的逻辑(logic State)或时序（Timing)上有明显的错误，输出的信号就会与真值表或状态表的定义不一致。像这样的失误很容易地就可从输出波形上查出来。
数字电路设上最棘手且不易查出的失误就是在时序的安排上有小瑕疵，以致于最后批量生产的电路成品不是工作不稳定、时好时坏，就是不合格率太高。像这种在时序安排上所造成的小瑕疵，大部分是因为元件接受的信号时序发生了冲突(Collision)。这将导致它无法判别下一个逻辑情况而混乱，另外也可能是因为各元件的状态转换时序不一致，进而产生了不该出现的小脉冲，造成逻辑出现暂态（Transient State)的现象。
由于现在的数字线路相当庞杂，而且每一个数字元件的延迟时间又不同，所以像以上这种时序出错的问题几乎不可能由人工方式查出，只能通过接电路板或软件仿真方式来达成。
早期的软件仿真只能够将仿真结果原原本本地记录下来，至于查错的工作还是得靠设计人员来判别，因此设计人员就得在一组数据或符号中自行找出有疑问的部分加以分析，这种做法难免会出现疏漏，结果使制作出的电路不稳定甚或完全不能工作。
PSpiceA/ D提供的数字电路自动查错功能除了能忠实地记录仿真产生的逻辑状态，更贴心地提供自动警告的功能。一旦察觉有时序错乱的情形发生时，便会自动发出错误信息告
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知设训人员，并以详尽的查错信息来协助排除失误。我们更可以配合下一章描述的数字电路最差情况分析来更进一步确保产品在一定的元件特性偏移下还能够正常工作。
本章所举的范例是三位并入并出式移位寄存器，其电路图如图所示，电路工作原理前面已有说明。我们现在要故意将输入信号Serial_ In的转态时间设为脉冲CLK的上升沿处，这么做会使得D触发器U1A的CLk和D输入信号同时转态，因而触犯其时序限制而造成输出状态不明。然后再来看看PSpice A/D如何为我们自动地提示本电路存在有这样的冲突情况。
练习范例
步骤一 绘出电路图 1、绘出如图电路图。
2、脉冲信号CLK如同第24章的设置，输入高电平时间( ONTIME)为0.lms，低电平时间(OFFTIME)也设为0.lms。
3、现在修改Serial_ In输入信号。双击DSTM 1，打开元件属性窗口，然后输入这些值。设置Serial_ In信号在时间0s时为逻辑0，时间0.9ms时为逻辑l，时间2.3ms以后都为逻辑0。由于在脉冲在0.9ms和2.3ms时也会出现脉冲上升沿，因此这两个时段会使触发器U1A发生时序冲突的情形。
4、其他输入信号DSTM3 (LOAD ) , DSTM4 ( I 0 ) , DSTM5( I 1) , DSTM6 ( I2)的元件属性维持第24章范例的设置值。
步骤二 设置暂态分析、存档并执行仿真PSpice
1、设置暂态分析，将Run to time栏设为3ms，Maximum step size栏设置3us。 2、存档
3、启动PSpice程序执行仿真。自动打开Probe窗口。 步骤三 使用Probe观察仿真结果
1、打开Probe窗口后会出现Simulation Messages窗口再次提醒我们仿真后有5个查错信息产生，现在是否要观察它们。选择“是”查看。
2、现在屏幕上打开Simulation Message Summary ( A)对话框。目前对话框内只显示了三个信息，这是由于Minimum Severity Level栏内定是设在SERIOUS（严重)的错误等级上。如果将其改为WARNING(警告)的错误等级，则会多出现两个警告等级的信息。查错信息告诉我们在1.1 ms、2.5ms和2.9ms时，X_U1B.UFF的“DATA\"输入脚有时序冲突的情形发生(等一下我们就可以见到其实这个失误是由输入信号传至U1A再传至U1B)。Simulation
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Message Summary ( A )对话框的Sort by栏可让我们选择这些查错信息是依照何种排序方式来显示，默认值为Time(按错误出现的时间排序)。
3、现在选择最上面一个查错信息，然后打开查错窗口，就是PSpice A/D提供的自动查错功能。为了使画面更单纯，可以单击Simulatian MeSSage Summary ( A)对话框的按钮来关闭它。
4、由Simulation Error Message对话框中，可以见到“PERSISTENT Hazard at time 1.1 ms\"信息，它告拆我们在1.1ms时有一个时序冲突点。而造成的原因可由“Cause By: SETUP Violation at time 900us\"、\"Device; X_U1A.UFF1”、\"CLOCK:CLK”和“D: SERIAL_IN”判读出在900us时，元件U1B的CLOCK脚( CLK输入信号)和D脚(Serial_ In输入信号)因为同时转态，所以触犯了元件的时序限制。
5、重新打开一个Probe空图，显示CLK LOAD I2 Il I0 C B A {C B A}。可以见到波形图的左侧约0.1ms处，输出信号A, B, C也存有不明状态值，这是因为电路中各触发器的起始状态值均默认为X ( Don't Care)之故。而波形图的中段和右段输出信号B, C的不明状态值就是因为输入信号时序设置冲突所造成的。
6、了解造成电路错误的原因之后，当然就要加以修正，本范例的修正方式很简单，只要将输入信号时序调整一下即可(STIM 1的COMMAND2改为0.85m，COMMAND3改为2.25m如第24章所述)，某些电路的修正方式可能必须更换元件、在必要处加上延迟时间电路，或是更改电路的设计。
习题
i.请按本章的操作步骤依次完成范例的仿真和结果观测。请用文本编辑程序打开文本输出文
件.our，并判别文件内最后sIMUU}TioN }}}r}oRS c仿真错误)部分的五个查错信息_
2.请打开本章范例在2.9 n}s时的自动查错窗口，并判别其中的各项信息及波形 3.请绘出如图}6-7的MoD-3计数器(计数值为ao, oi, to而已)。高电平信号固定接
%[)_川元件NI，D5T1}1】设为周期为20a ns的对称方波。并将触发器的输出Q默认
为逻辑} f Simulation Settings对话框Dption、页，C`ategar}}:栏设为Gate-le}ul sintulatic}n,
fr}itialize aii t'iip-flop to:栏设为l} )，在启动暂态分析‘Os--lus)仿真后，x'Spice ,-}。 会告知我们有li个查错信息(一个5)JRlOIis等级，十个WARNING等级)。请打开如
图26 8的自动查错窗口与图26 }9的Prnhc窗口，并判别其中的各项信息及波形:由Prnhe
窗口中我们可以见到{D 1 Da }为Ia时的状态工作周期并不完整:
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4‘请将习题3的与非门}}aa换成一个与门74a$串接一个非门7404，然后执行仿真， 现在应该不再会有查错信息产生。请打开Probe窗口(如图2f-10所示)观察其输出波
形。这是更改逻辑门方式的修正方式。由Prohe窗口中我们可以见到现在{Dl D侧为
la的状态工作周期完整，但是会多出一个{D1 Da)为ll时的状态脉冲。
请将习题3的输出QI信号多串接二级非门7404后才接入与非门}}o。的第】脚。然后 执行仿真，现在应该不再会有查错信息产生:请打开I'rabc窗口观察其输出波形，由Probe 窗口中我们可以见到现在{I71 DO }为10时的状态工作周期完整，但是会多出一个小 小的11状态脉冲。这是在必要处加上延迟时间的电路的修正方式r其实使用习题4, S 的修正方式之后，尽管已无时序错误发生，但是输出信号仍会出现一瞬间为逻辑11的
暂态现象。这是因为电路的基本想法就是使用这11暂态来清除各触发器的逻辑值:这
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个暂态会不会造成其他电路工作失误是依情况而定的。如果觉得这样很不放心，就得
改变设计方式，让所有状态改变的因素都由各触发器的JS输入来决定，而和/CLR 清除信号无关。请见习题6的电路。
6.清将习题3的电路换成如图}6-11的电路，然后执行仿真，这个电路应该不再有查错信
息产生。请打开Prabe窗口观察其输出波形(如图26-12所示)，可以见到现在{D 1 DO }
为1Q时的状态工作周期完整，而且没有逻辑11的暂态现象。这是更改电路的设计方式
的修正方式。
第27章 数字电路的最差情况分析
学习目的
学习仿真数字电路最差情况分析该注意的事项 观测电路最差情况的输出波形。
重点说明
要想完成一件成功的电子作品，执行最差情况分析的步骤是必要的。因为尽管电络在元件均为理想值时完全可以正常工作，这并不代表在元件值偏移后电路仍可运作工常。如果没有执行最差情况分析来加以评估，电了成品往往会出现因环境因素（温度、湿度等等）而时好时坏的现象；或是这批产品功能完好，但下一批却全数阵亡。一旦产品的生产合格率无法控制，就会使生产成本提高以致产品竞争力减弱。
第19章讨论了模拟电路的最差情况分析，当时我们着重于在元件值偏移情形下观察时域及频域输出信号的偏移是否仍在设汁要求范围之内，而数字电路的最差情况分析则主要着重于在元件值偏移情形下观察输出信号的时序偏移后，电路是否仍然维持正常工作。
最差情况分析（Worst Case Analysis )主要的目的在于分析元件误差对电路特性的影响程度。它是在执行数字电路暂态分析时，在元件误差范围内找出使输出信号有最大时序偏移量时的对应元件值，然后将结果记录下来。也就是说，最差情况分析适用于找出极端情况下的输出波形时序及当时的元件值组合。
要了解PSpice A /D的数字电路最差情况分析，首先来观察一下PSpice对于数字元件所
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定义的仿真参数。用文本处理程序(如记事本)打开eval.lib文件（位于C:\\Program File\\OrCAD Demo\\Capture\\library\\PSpice文件夹内)，我们来看看7404非门IC的仿真参数定义。
可以见到，7404中关于时序定义的模型参数有： tplhty:典型传输延迟时间（输出由低门限到高门限) tplhmx:最大传输延迟时间(输出由低门限到高门限) tphlty:典型传输延迟时间(输出由高门限到低门限) tphlmx:最大传输延迟时间（输出由高门限到低门限) 更复杂的电路元件其时序模型参数会有更多的项目，这些模型参数的设置应参考I C数据手册内给的值。PSpice A/D的数字电路最差情况分析，就是基于在这些时序模型参数下执行仿真。所以如果想自己另外建立最差情况的条件，只要修改这些时序模型参数的数值即可。
本章先讨论组合逻辑电路的最差情况仿真，习题内有时序逻辑电路的最差情况仿真，它们的操作几乎完全一样。范例的电路图如图，其布尔代数式和真值表如表所示，其实这就是第22章的范例。
练习范例
步骤一 绘出电路图 1、绘出电路图
2、编辑输入信号。定义方波信号A(就是DSTM 1)的频率(Frequency)为5MHz，定义信号B（就是DSTM2)为频率2.5MHz，定义信号C(就是DSTM3 )为频率l.25MHz。三者的工作周期(Duty Cycle )均为0.5，起始值( Initial Value)均为0(低态)、延迟时间(Time Delay)均为0S。
步骤二 设置暂态分析、存档并执行仿真PSpice
1、设置暂态分析，将Run to time栏设为3us，Maximum step size栏设置3ns。
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2、打开Simulation Settings对话框的digital setup选项，可以看到目前Timing Mode栏内定为Typical(典型值、标准值)。
3、保存。启动PSpice程序执行仿真。自动打开Probe窗口，目前将这个Probe窗口关闭。
4、用资源管理器将仿真输出的ch27_ 1-SCHEMATIC1-tran.DAT更改文件名为ch27_ 1-SCHEMATIC1-tran-typical.DAT。现在文件名内有标有typical字样的文件就代表元件典型值的执行结果。
5、打开Simulation Settings对话框的digital setup选项，将Timing Mode栏改至Worst-case (Min/Max)选项以执行最差情况分析。
6、再次存档后，启动仿真程序。现在的ch27_1-SCHEMATIC1-tran.DAT文件代表着元件最差情况值的执行结果。
步骤三 使用Probe观察仿真结果
1、将典型值和最差情况值的输出结果A, B, C, Y放在同一张波形图内观测。如图所示其中Y@ 1就是最差情况值的输出结果，而信号Y@2就是典型值的输出结果。可以看到信弓Y@ 1的输出波形存在有许多暂态情况。
2、设置X轴范围为l00ns到400ns。启动游标量测后，可以看到Y@1输出波形的最差情况发生在典型值转态时间前后的约24ns内。这件事情告拆我们，设计电路时必须完全避免在这段时间内读取逻辑值。
习题
I.请按本章的操作步骤依次完成范例的仿真和结果观测
2.图27-5是三位并入并出式移位寄存器的电路图J电路工作原理详见第\"1章范例的说 明。脉冲信号CLK输入高电平时间( I}>L f}f M 1-:属性)为。!i} 5。低电平时间、OFFTI1tE
属性)也设为0, I、s:其他输入信号D57'Ml (SF}}I;'11. 1>V、、f?5-I-119:f‘I_.CI.}D), D5T1f}
t la ), I15}1}MS川)、DSTMO ( I2)的元件属性请见表27一2的设置值:我们现在令这
个电路执行最差情况分析，请打开Simulation Setti}ys对话框的nptions页·将Cate47nn
栏设为Gate } level Simulation选项，然后将Ti}nin} IV9nde栏改至1}} pl'St-C }35e、1}In 11a\\，
选项以执行最差情况分析最后可以得到如图L lr的I'rnhe输出波形图
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3甲请将图27-6的波形放大显示，并用光标测量暂态输出的时间长度口请和eval.lib内各逻辑元件的时序参数比较并计算一下是否一致?
第28章 修改元件
学习目的
学习如何修改现有的元件以做出合乎要求的新元件。 学习元件编辑程序的基本操作。
重点说明
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，但是随着制板技术的进步和新的电路元件不断地问世，又或者内建元件库内恰好没有合适的元件，这时就可以用元件编辑程序新建或修改现有元件的特性以作出合乎我们要求的新元件。
元件编辑程序的操作复杂度不亚于绘图页编辑程序，实非一章的篇幅所可涵盖，所以我们只做简单的介绍，详细的功能请参考操作手册或联机说明手册。
一般而言，如果要完全从无到有地建立新的元件及其仿真模型，其难度太高了，最好
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由元件厂商来提供较适宜。而用户最常面对的情况就是将现有的元件修改成合乎要求的新元件。
在前面章节所使用的OP Amp元件uA741，使用起来十分麻烦，因为如果要将其符号的+、-输入管脚位置调整成一般电子学课本内的样子，就必须旋转180以后再左右翻转一次。但是在如此操作之后，V+正电源的管脚变成在元件的下方，V-负电源的管脚变成在元件的上方，这与大家习以为常的正电源在上，负电源在下的习惯完全相反。所以本章范例将做出一个管脚位置调整过的新元件符号uA741。并将它存入我们自定义的元件库内随时提供取用，另外OS1、OS2这两个脚并不常用（PSpice 为uA741所建立的模型也不对它们加以定义)，所以我们准备在修改新的元件符号时，顺便将它们拿掉。
本章范例的主要学习目的就是示范如何将uA741元件外观（存于eval.olb内）修改成另一元件uA741（存于libraryl .olb内)的操作步骤，如图所示。这两个元件间除了元件符号不相同之外，其模型属性仍然保持相同。所以无论用哪个元件，其仿真结果应该仍是一样的。由于操作上要注意的小细节很多，所以我们将搭配大量的图例来说明：
练习范例
步骤一 复制元件、初步修改后存档
1、首先在Capture窗口内，选取File\\Open…功能选项。切换到C\\Cadence\\PSD_14.0 \\Capture\\library\\PSpice文件夹内，然后打开eval.olb元件库文件，将会出现警告信息。这是因为OrCAD评估版程序的对于元件库的操作有所限制，所以现在警告我们对于本元件库所做的任何修改动作都不会被储存起来。
3、再打开项目管理程序画面。用},},}.}._}键单击。:lprogram fleslarcad dernolcapturellibrarylpspicel eval.ol6字样前面
的+号，如此一来，就会将evaLolb内的元件列表展开。请将鼠标左键移到元件清单最 末尾的uA741元件上单击以选取它。
现在使用Et1iElCopy功能选项或快捷键ICtrl十C】将uA7A 1元件复制到Windows剪贴
板内，然后使用FilelClose project功能选项关闭这个项目管理程序窗口口 再来请用Fi }elNewlLibrary功能选项来新建一个元件库文件。现在出现的项目管理程序 屏幕画面如图28-5所示。我们可以见到这个全新建立的元件库文件名为library l.alb, 目前它并不含有任何元件。
7，现在使用Editl Paste功能选项或快捷键f ctrl +v l。就可以将uA 74!元件由Windows 剪贴板复制到这个libraryl.olb内，如图28一所示。
$.再来请在选取uA741元件后，羊击鼠标右键调出快捷功能菜甲一，选择Edit Part选项就
可以打开如图28-7所示的元件编辑程序窗口。
9.由图28-7，卜可以石出，兀件编辑程序窗口与绘图贝编辑程序窗日大同小异，也其备有功
能菜单、」二丁具栏、绘图工具栏、状态栏等等。窗n }#}占最人篇幅面积的是编辑区，这
是我们建立与修改元件外观的地方。元件编辑程序的主工具栏与绘图页编辑程序
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一模一
样，请见第2-1-5节的说明;至于绘图工具栏则有些许的差异，请见表2$-1的简单介绍。
10.首先我们来把as }〔第i脚)和asp(第5脚)这两个管脚的电路连线〔蓝色)与管
脚线(红色)删去。请用鼠标左键分别单击这两个元件管脚的电路连线与管脚，待其 变为紫色后，按}De1]键删除之。到h前为止，这个uA741的元件外观就如图28-8 ( a >
所示。再来将输入+(第3脚》和输入一(第2脚)这两个管脚的管脚线(红色)对 调。请用鼠标左键分别羊击这两个元件箭脚的管脚线，待其变为紫色后，再用鼠标左
键拖曳之。到目前为止，这个uA741的元件外观就如图28-8 Cb)所T}
现在请用!~ ilelSa}e功能选项或快捷键C Ctrl+ S】将这个uA 741存入library l .olb元件库
‘卜，再使用FilelClose功能选项关闭项目管理程序。 的对话框，请回答‘止>}.州。 这时如果出现一个询问是否要存档 步骤A观察初步修改后的元件
现在请全新建立一个项目Ch28_ 1，当打开如图28一的Analog Mixed-Mode Wizard对话框时，可以见到左边的备用元件库列表中多出了一个 请选取它并用雾城丛摺钮将它送入右边的载入元件库列表中。 Project
library l.olb元件库，2.从项目Ch28_ }打开的项日管理窗口中，我们可以见到 uA74]的元件，如图}8-}}所示。 hrary 1甲olb中真的有一个名为
现在回到绘图页编辑程序。面，然后使用PlacelPart..功能选项或到钮或快捷键
f Sitift-}-P]打开Place Part对话框，选取1 ihrary l .olb内的uA741元件，并将它放置到 电路编辑区内。我们可以见到这个元件的外观真的就像图28-8 tb)所示的那样。
可以进行仿真操作的元件就一定得有对应的仿真模型才一行，我们现在来确认这个兀f,}_
是否真的具备叮仿真元件该有的输入输出特性和模型定义。请先用鼠标左键选取 uA
86
741
元件，待其变为紫色并有外框环绕后，选取EditIPSpice Model功能选i}}}-3f如图28-l1 的Made! Editor窗日。
从Model Editor窗口中，我们可以见到， 就和eval.}lb内的 来建立新uA741， uA741元件一模一样。
library 1 _olb内的这个uA741元件其仿真模型 这是合理的，因为我们是使用复制元件的方式
当然会把旧u!4741的仿真模型也一并复制过来了。 步骤三绘出电路图、设里暂态分析
请在绘图页编辑程序的电路编辑区内，绘出如图28-i2所示的反相放大器电路图。图 中所用的}P-Amp元件就是libra习1甲alb内的uA7410
2.现在设置析态分析的参数内容。Run to time栏设为2U0 } s, Maximum step sine布狡设为
2DDns
步骤四存档并执行仿真PSpice
1.川File'sSawe功能选」}i或:具栏的列钊或快捷键[ ctrl十5】存档一次:
?. 'l' }}‘一」一}-L }- }.j到钮或PSpicelRun功能选顶来启动PSpice程序执行fj,真:，汗幕!一会
I` 1动寸j)F Probe窗[]、 步骤五使用Probe观察仿真结果 使)}」TracelAdd Trace„功能选1}i或快捷图}I1 }或[ Insert]键打3 i\" Add Traces对话框， 选择W〔W.)和v(Va)o现在的Prvhe窗!} J }e如图28-13一般。}i3图}8- i 3 }i1 }} R一l}
的L匕较，我仃}uf一以看至U这个lihrarrr l.olb内的uA741,李七暂态反应特性和lihrar~} l ,olh内
的uA741是完个一模一样的‘
步骤六修改uA741电源管脚的标示
目前新u}a}}.}元件其电源管脚v+一与V一的管脚名称与竹脚号是以垂育的方式来av T .
而且和元件外形叠在一起了，相当碍眼，我们现在来把它们调整一卜特别注意下，
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单击止i二坚黝..r,钮，如此会有一个可以随鼠标光标移动的方框，将它移到适当的位置 后，单击鼠标左键定位。
要控制说明文字的显示颜色可以在Cvlvr栏内选取，在这里选定的颜色会覆盖掉默认的 颜色。要调整说明文字的显T方向可以在Rotation栏内选取，可旋转0}、ga0、I sa0、 270这儿个角度。要变史说明文字的显示字体，请按Font栏内的二旦鱼魁二」钮，这 会打开，个“字体”对话框，我们可在此设置显示字体、字体式样和字体大小二如果 按Font栏内的遭夔鲍列钮，将还原使用默认字体来显示。如果在放置好的说明文字 上双击鼠标左键，就会再度打开PIaGe Text对话框以供调整显示属性。如果直接在说明
文字季:单击鼠标左键，使其进入选取状态(出现四端控制点;f呈现紫色)，就可以通过 移动该知形来调整其放置的位置。
由于默认状态下，说明文字会定位在网格上，所以有时很难移动到满意的位置上，这 时可用一f- T具栏的臼钮切换成不定位于网格上的方式。要切换回定位于网格的方式， 可再单击剑钮·如果使用OptionsLPreferences..功能选项，将会打开Preferences对话 框，切换到Grid display页，然后就可以在右边Part and Symbol Grid栏的Point snap to grid 选项切换定位方式。
请如此放置说明文字V-, 7, 4到编辑区，井放置于适当的地方。到目前为止，uA741 兀件的外观如图28-17所示。
9.现在准备存档并更新绘图页内的元件，请单击元件编辑程序右上方的钮或是FilelC}ose
功能选项，这会打开如图28-18所T的Save Part Instance对话框。单击洲邀幽容翻钮将放弃这一次所做的修改，单击霎将把绘图页内选到的元件实体更新，
单击霎夔绷戳赞翻钮将把绘图页内所有使用到这元件的实体更新，并出现如图28-19 所示的说明对话框。
la‘当我们单击Save Part instance 回到绘图页编辑程序，电路中的
对话框的篡徽吧堪卿或= *-截翻钮后，画面将
uA741元件也将被更新，如图28-}0所示。如果我们
将电路图存档、启动仿真后，由输出波形中可以确认到这个uA741元件真的合乎要求。 可以安心使用。
习题
t.请按本章的操作步骤依次完成范例的仿真和结果观测。
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a.请如图28-21 (a)将nMQS一FET元件IRF 150的元件符号修改成新元件IRF150的形式，但保留其它原来的模型属性，并存入libraryl.olb元件库文件中然后用新的IRF 1 }0
重作第IZ章范例的操作过程，比较其漏极特性曲线是否和原先的ll}}-' 1 jd完全一样、参
考图12-9)。注意，在元件编辑程序中所看到的新IRF1 SO其外观如图-,}_-, I r } )所示
3.请使用。vul,olb内的IRF 150元件和lihrary l ,nlb中的IRF170元件绘出图28一22的电路.
然后设置直流嵌套扫描分析的参数值(Vd、由OV扫描到l ill' , V }}s只扫描。、?, }, (\
8, 1U这几个电压值)，启动仿真后完成图28-2:i的波形图。我们可以见到这两个元 件的漏极电流Id特性曲线完全一样:
89
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