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第五章 用 OrCAD/Pspice 测量电子电路的常用方法

第五章 用 OrCAD/Pspice 测量电子电路的常用方法. 在第三章中，按照电路特性分类介绍了用 Pspice 分析电路的基本方法。一般来说，测量电子电路用的就是这些方法。有些电路指标的测试可以直接用基本方法，比如测量静态工作点用静态工作点分析方法，测量频率特性用交流分析方法等。但也有些电路指标的测试可使用多种方法，有些指标的测试需要一点技巧。下面介绍几种常用测试方法和测试技巧。. 一 . 测量电压放大倍数. 1 ．直耦放大器 用直流传输特性分析（ TF 分析）最方便，并能同时求出电路输入电阻和输出电阻。 举例： 实验 6 差动放大器

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第五章 用 OrCAD/Pspice 测量电子电路的常用方法

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  1. 第五章 用OrCAD/Pspice测量电子电路的常用方法 在第三章中，按照电路特性分类介绍了用Pspice分析电路的基本方法。一般来说，测量电子电路用的就是这些方法。有些电路指标的测试可以直接用基本方法，比如测量静态工作点用静态工作点分析方法，测量频率特性用交流分析方法等。但也有些电路指标的测试可使用多种方法，有些指标的测试需要一点技巧。下面介绍几种常用测试方法和测试技巧。

  2. 一 .测量电压放大倍数 1．直耦放大器 用直流传输特性分析（TF分析）最方便，并能同时求出电路输入电阻和输出电阻。 举例：实验6 差动放大器 注意该法只能用于分析直耦电路，不能分析阻容耦合电路。 2．阻容耦合放大器 可用以下方法测量阻容耦合放大器的电压放大倍数。 （1）设置瞬态分析。分析后，得到输出、输入的波形图，启动标尺测出它们的峰值，两者相除，即得到电压放大倍数。 （2）设置交流分析。分析后，得到幅频特性，可直接测出电压放大倍数。

  3. 举例：实验3 基本放大器 解：用上述两种方法测试。 （1）进行瞬态分析。运行后得到输入输出波形。启动标尺测出VO、VS的峰值，两者相除，得到电压放大倍数。 （2）进行交流分析。运行后在Probe窗口中，执行Trace/Add Trace命令，选择V（Out）/ V（Vs:+）作输出量。启动标尺测出中频处的电压放大倍数。

  4. 二 .测量输入输出电阻 1．直耦放大器 同测量电压放大倍数一起用直流传输特性分析（TF分析）求出。 举例：实验6 差动放大器 2．阻容耦合放大器 （1）设置交流分析，得到输入电阻、输出电阻的频率特性，用标尺测出中频区的输入电阻、输出电阻。 （2）设置瞬态分析，按照输入电阻、输出电阻的实际测试方法测出。

  5. 举例：实验3 基本放大器。求输入电阻、输出电阻。 解：用设置交流分析的方法测量 （1）进行交流分析后，在Probe窗口中，执行Trace/AddTrace命令，选择V（Vs:+）/I（C1）作输出量，显示出输入电阻的频率特性，启动标尺测出在ƒ =10kHz处的输入电阻≈888.8W。 （2）将电路的输入端短路，负载开路，在输出端加一信号源VO。进行交流分析后，在Probe窗口中，执行Trace/Add Trace命令，选择V（VO:+）/I（C2）作输出量，显示出输出电阻的频率特性。启动标尺测出在ƒ=10kHz处的输出电阻≈1.78KW。

  6. 三 .测量最大输出幅度、输出功率 1．设置直流扫描分析 通过直流扫描分析，可得到电路的输入输出特性曲线，从曲线上可读出最大输出幅度。 通过直流扫描分析，也可得到电路的输出功率、管耗和电源提供的功率随输出电压变化的曲线，从曲线上可读出最大输出功率或某一输出幅值下的功率。 但这一方法不能用于有隔直电容的电路。

  7. 2．设置瞬态分析 通过瞬态分析，可得到电路的输出波形，然后将横轴改为输入变量，得到电路的输入输出特性曲线，从曲线上可读出最大输出幅度。 瞬态分析后，根据输出功率的定义 利用Probe中信号运算的功能可得到上述积分曲线，在t等于周期T时刻曲线上的值，就是相应的功率值。 这一方法也适用于有隔直电容的电路。

  8. 举例：互补对称功率放大器如图所示。求最大不失真输出幅度Vom、最大输出功率Pom和电源提供的功率Pv。举例：互补对称功率放大器如图所示。求最大不失真输出幅度Vom、最大输出功率Pom和电源提供的功率Pv。 解：分别用上述两种方法测量。 （1）用直流扫描分析。 ① 求最大不失真输出幅度Vom。 进行直流（DC）扫描分析：设置输入信号VIN为变量，扫描范围为-12～+12V。运行后，得到如图2.5.6所示的电压传输特性曲线。启动标尺，可读出最大不失真输出幅度Vom≈6.5V。

  9. ② 求最大输出功率Pom和电源提供的功率Pv。 进行直流（DC）扫描分析，将X轴变量改为V（Out），将X轴刻度范围改为（0～7V）。 根据Po、Pv的定义，执行Trace/AddTrace命令后，在“TraceExpression”文本框中键入“V（Out）* I（RL）/2”，得到Po曲线。同理键入“ABS(V（VCC1:+）* I（VCC1）/1.414)”，可得电源提供功率Pv曲线。启动标尺可读出最大输出功率Pom≈1.36W，此时电源提供的功率Pv≈3.49W。 注：由于功率的定义是有效值电压乘以有效值电流，而直流分析得到的相当于峰值电压和峰值电流，所以在求Po曲线时，用电压乘以电流再除以2（即）。电源电压VCC1和VCC2是直流量，所以在求Pv曲线时只除以即可。又因为VCC1和VCC2只在半个周期有电流，当电路对称时，表达式ABS（V（VCC1:+）* I（VCC1）/1.414）求出的是两个电源的总功率。

  10. （2）用瞬态分析。 ① 求最大不失真输出幅度Vom。 将输入信号振幅设置为12V（电源电压），进行瞬态分析，得到电路的输出波形。然后将横轴改为V（VIN：+），得到电路的输入、输出特性曲线与图2.5.6基本一致，启动标尺可读出最大不失真输出幅度Vom≈6.5V。 ② 求最大输出功率Pom和电源提供的功率PV。 将输入信号设置为振幅=6.5V，频率=1kHz。进行瞬态分析，分析时间为：0～1ms（1个周期）。 运行后，根据Po的定义，在“Trace Expression”文本框中键入输出功率的积分表达式“S（V（Out）* I（RL））*1000”，得到Po的积分曲线。启动标尺读出在t=T（周期）= 1ms时的值，即最大输出功率Pom≈1.16W。 （表达式中乘以1000是因为Po等于积分表达式除以周期T，T=1ms，所以要乘以1000）

  11. 同理，根据PV的定义在“Trace Expression”文本框中键入积分表达式“S（V（VCC1:+）* I（VCC1））*1000”，可得如图2.5.9所示的积分曲线。启动标尺读出在t=1ms（周期）时的值，即此时电源提供的功率≈1.74W。 用积分表达式算出的是一个电源提供的功率，两个电源提供的总功率PV≈3.48W。

  12. 四 .根据指标要求确定某元件的参数值 这属于电路的设计方法，常用两种方法来完成。 （1）设置直流扫描分析：这种方法主要用来分析与直流有关的性能分析，如静态工作点等。 （2）电路性能分析（Performance Analysis）与参数扫描分析、瞬态分析、交流分析、直流分析等相配合：可分析参数变化对电路各种性能指标的影响，依此来确定元件的参数值。

  13. 举例：放大电路如图所示，要求Vi=0时VO=0，求Re的取值。举例：放大电路如图所示，要求Vi=0时VO=0，求Re的取值。 解：用上述两种方法分析 （1）用直流扫描分析。① 将Re设置成全局变量{Rval}。 ② 设置直流扫描分析：在参数设置框中，选Global Parameter作变量类型，“扫描变量”选为Rval，变量的变化范围：10～30k，步长：2k。 ③ 运行后，得到VO与Re的关系曲线，启动标尺测出Re=15k时，VO=0V。

  14. （2）用电路性能分析（Performance Analysis）与参数扫描分析、瞬态分析相配合。 ① 将Re设置成全局变量{Rval}。 ② 输入信号Vin选正弦电压源，并将其振幅Vamp设置成0。 ③ 进行瞬态特性分析和参数扫描分析，在参数对话框中将“扫描变量”选为Rval，变化范围：10～30k，步长：2k。 ④ 运行Pspice。在多批运行结果选择框，将其全部选入。 ⑤ 在Probe窗口中执行Trace/Performance Analysis命令，出现对话框后，按“OK”按钮。屏上出现电路性能分析窗口。 　⑥ 执行Trace/Add Trace命令，选中特征函数Max（），再选输出变量V（Vo），则屏上出现Max（V（Vo））与Rval的关系曲线，启动标尺测出Re=15k时，VO=0V。

  15. 五 .测量具有滞回特性器件的传输特性 测量传输特性一般用直流（DC）分析。但直流分析不易作出迟滞回环。因此测量施密特触发器、迟滞比较器等这类具有滞回特性器件的传输特性时应用瞬态分析，在瞬态分析后，将X轴变量改为输入变量即可。

  16. 举例1：迟滞比较器电路如图所示，作出其电压传输特性。举例1：迟滞比较器电路如图所示，作出其电压传输特性。 解：（1）输入信号选分段线性源，设置参数为：T1=0s，V1=-10V；T2=1s，V2=10V；T3=2s，V3=-10V。得一三角波形信号。

  17. （2）设置瞬态分析。 运行后，将X轴变量改为V（VIN：+），即可得到具有迟滞回环的传输特性，可以看出两个阈值电压分别为VT+=5V，VT-=-5V。

  18. 举例2：实验26 555定时器组成的施密特触发器 （1）绘制电路图。输入信号选分段线性源，设置参数为：T1=0s，V1=0V；T2=1s，V2=5V；T3=2s，V3=0V。 得一三角波信号。 （2）进行瞬态分析，得到输入输出波形。启动标尺测出阈值电压VT+、VT-的值。 （3）电压传输特性。在瞬态分析后，点选V（VO）并将X轴变量改为V（Vi：+），即可得到电压传输特性。 （4）输入正弦信号（振幅=5V ，频率=1kHz ），观看输出波形。

  19. 六 .数/模混合电路的分析测量 对于数/模混合电路，内部节点可分为模拟型节点、数字型节点和接口型节点3种。Pspice9处理接口型节点的基本方法是为数字逻辑单元库中的每一个逻辑单元同时配备AtoD和DtoA两类接口型等效子电路。其中AtoD子电路的作用是将模拟信号转换成数字信号，DtoA子电路则相反。在分析数/模混合电路时，Pspice9会根据电路的具体情况自动插入一个或多个接口型子电路，以实现数字和模拟两类信号之间的转换。所以数/模混合电路的分析与数字电路的分析基本相同。 为了适应不同的分析要求，每个AtoD和DtoA子电路模型均分为4个级别，设置方法是双击逻辑单元符号，在出现的参数设置框中的一项名为IO-LEVEL的参数栏中键入1、2、3或4。该参数内定值为1。

  20. 举例：计数器与A/D转换器组成的阶梯波发生器如图所示，分析各点波形。举例：计数器与A/D转换器组成的阶梯波发生器如图所示，分析各点波形。

  21. 解：（1）设置脉冲信号 时钟脉冲CP：选用时钟信号源DigClock，参数设置为OFFTIME =0.05ms，ONTIME=0.05ms。 清零脉冲Cr：选用基本信号源符号STIM1。参数设置为： COMMAND1：0s 1 COMMAND2：0.1ms 0 COMMAND3：0.2ms 1 （2）各逻辑单元的接口模型级别均采用内定值。 （3）进行瞬态分析。分析时间：0～4ms，运行后，在Probe窗口下执行Trace/Add Trace命令后，用光标依次点选Cr、CP、QA、QB、QC、QD、V（Uo）即可得到各输入输出端的波形。

  22. 七 .电路特性随元器件参数变化曲线的作法 可用下述方法作出电路性能指标随某一元器件参数的变化关系： （1）用直流扫描分析（DC Sweep）。该功能主要用来分析与直流有关的性能指标，如静态工作点等。 （2）用参数扫描分析与AC 分析、DC 分析、瞬态分析等中的一种或几种联合使用，可分析参数变化对电路各种性能指标的影响。 （3）用电路性能分析（在Performance Analysis）与（2）中的分析方法相结合，可将任一电路参数设置为X坐标的变量，从而得到电路特性随某一元器件参数的变化曲线。

  23. 1． 用直流扫描分析（DC Sweep）方法 举例：实验8 带自举的OTL功率放大器如图所示， 分析（1）：Rp选多大，静态时Vk=Vcc/2。

  24. 分析步骤如下： ① 调用Capture绘制好电路图。 ②将Rp设置成全局变量{ Rp}。方法是双击Rp的阻值，在出现的“Display Properties”设置框中，将其值设置为{Rp}。然后调出PARAM符号，双击该符号，在元器件属性编辑器中，按New按钮，在新增属性框中键入Rp并按OK按钮。这样设置的参数Rp称为全局参数。 ③ 对电路进行直流扫描分析。选择Globai Parameter变量类型，变量名为Rp，扫描范围为5k到30k，步长为1k。 ④ 运行后，选择V（K）作输出变量，即得到V（K）与Rp的关系曲线，从图中可以很容易地看出当Rp=14.746kW时VK=VCC/2=6V。

  25. 分析（2）：选Rp=14.746K，温度从-50C0变化到+100 C0时，静态VK值的变化曲线。 分析步骤： ①　按照上述方法，对电路进行DC Sweep分析。在DC Sweep设置对话框中选择Tempera变量类型，扫描范围为-50℃到+100℃，步长为25℃，Linear扫描类型。 ②　运行后，选择V（K）作输出变量，即得到V（K）与温度的关系曲线，如图3所示。可见当温度从-50C0变化到+100 C0时，Vk的静态值从6.8V变化到5.38V。

  26. 2．用参数扫描与其他分析方法相配合 分析（3）：选Rp=14.746K，分析Rp从10k变化到20k时，电路的频率特性。 分析步骤： ①Vs选交流电压源，振幅=10 mV。② 将Rp设置成{Rp}。 ③ 对电路同时进行交流分析和参数扫描分析。在参数分析对话框中将“扫描变量”选为Rp，变量的变化范围定为10k～20k，步长为2k。 ④ 运行Pspice。运行结束后屏幕上出现多批运行结果选择框，按“OK”按。 ⑤ 在常规的Probe窗口中选V（Vo）作输出变量，可得到分析结果如图4所示。

  27. 3．用电路性能分析（Performance Analysis） 图4的分析结果是当Rp取上述规定的6个值时的频率特性，X轴变量是频率。如果想得到频带宽度与Rp的关系曲线或中频放大倍数与Rp的关系曲线，即将X轴变量变为Rp，可进行电路性能分析： ⑤ 作完步骤④后在Probe窗口中执行Trace/Performance Analysis命令，出现对话框后，按“OK”按钮。屏上出现电路性能分析窗口（与Probe窗口类似，X轴变为Rp） ⑥在电路性能分析窗口中执行Trace/Add Trace命令，调用特征函数Bandwidth（V（VO），3），得到电路的3dB带宽与Rp的关系曲线如图5所示。 ⑦ 调用特征函数Max（V（Vo）/V（Vin：+））得到电路的电压放大倍数与Rp的关系曲线如图6所示。

  28. 分析（4）：三极管Q1的β变化对电路中频增益的影响。分析（4）：三极管Q1的β变化对电路中频增益的影响。 分析：将Q1的模型参数BF（即β）设置成变量，变化范围定为50～200，对电路同时进行交流分析（AC Sweep Analysis）和参数扫描分析（Parametric Analysis）。在Probe窗口中执行电路性能分析命令，调用特征函数Max（ V（Vo）/V（Vin：+））得到电路的中频电压放大倍数与β的关系曲线如图7所示。 分析（5）：输入为正弦信号时，在输出基本不失真的情况下输入信号的最大幅度是多少？ 分析：将输入正弦信号Vs的振幅Vamp设置成全局变量{ Vamp }，同时进行参数扫描分析、瞬态分析和电路性能分析，得到如图8所示的分析结果，可见当Vamp =39.304mV时，Vo进入非线性区，此时Vo=5.6694V。

  29. 结论： 通过以上例子可以看出，用OrCAD/PSpice9可以很方便地描绘出各种电路性能电路与元器件参数的关系曲。特别是它的电路性能分析具有很强的功能，它能把电路中的各种参数设置成变量，并在分析结果中将该变量变换成X轴变量加以显示，使其电路特性随元器件参数变化的关系一目了然。所以它在电路设计特别是优化设计中得到广泛的应用。

  30. 作业要求 1 . 建一个Word文件：（文件名用姓名） 将分析电路图、分析类型、分析参数设置、分析结果（包括各种波形图及文本结果）诸项存入Word文件中。 2. 完成后，将OrCAD文件（同名的所有文件）与Word文件一同存入软盘，交上。 3. 对分析电路的要求： 2000级电类专业的同学，可从《模拟电子技术基础》教材中的练习题中选取，电路不要太简单。 其他同学，可从《电子电路实验与虚拟技术》教材中的28个实验项目中选取，必须自己完成。 分析项目（类型）应在3项以上。

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