PSpice仿真在电子电路实验教学中的设计与应用

2015-04-01郑宾

河北软件职业技术学院学报 2015年1期

郑宾

（陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714000）

1 高职生电子电路实验课程教学现状

高职电子电路实验课程是配合电子技术类与电子线路类课程中的模拟电路和数字电路两门理论课程设置的实验课程[1]，是理论教学的深化和补充，具有较强的实践性，是一门重要的技术基础课。传统高职电子电路实验课程依附于理论教学，实验理论性强，学生在实验中既面临电路的连接，又要进行实验数据的分析，但高职学生动手能力、分析问题的能力较弱，这样，电子电路实验不但没有成为学习电子电路课程的有效辅助手段，反而成为学习的一个瓶颈。针对这种现状，笔者所在学院对这门课程进行了改革，增加了实验课时，同时引入了仿真软件[2]，学生按照实验指导书的要求先在仿真软件下模拟完成实验，得到实验数据和结果，再进行动手实操连接电路，同仿真结果进行比较，验证实验结果。这样，学生对实验由被动的“做”变成主动的“学”，激发了学生的学习兴趣，使其积极主动地参与实验教学，在快乐中获得知识。

常用的电子设计仿真软件有Protel、PSpice、Multisim等[3]，通过计算机仿真实验教学，学生能对电路原理及理论进行科学的验证，并对常规电路故障进行分析与检测，能设计简单的电路并实现功能，大大增强了学生的动手能力和创新能力，有效解决了实验仪器资源有限的问题，达到了良好的教学效果[4]。

2 PSpice软件介绍

PSpice是Spice家族的一员，它是由美国MicroSim公司开发的[5]。1998年，著名的EDA商业软件开发商OrCAD公司与MicroSim公司正式合并，自此MicroSim公司的PSpice产品正式并入OrCAD公司的商业EDA系统中[6]。目前最新版本为PSpice16.6，它以图形方式输入，自动进行电路检查，生成网表文件，具有模拟和计算电路的性能，还可以分析数字电路和数模混合电路[7]。图形界面友好，易学易用，操作简单；实用性强，仿真效果好；功能强大，集成度高[8]。

PSpice主要有6个功能模块，其中核心模块是电路仿真程序PSPICE A/D，其余功能模块分别是：电路原理图编辑模块（Schematics Editor）、激励源编辑模块（Stimulus Editor）、模型参数编辑模块（Model Editor）、模拟显示分析模块（PSpice/Probe）及电路设计优化模块（Optimizer）[9]。PSpice软件的分析功能主要有直流分析、交流扫描分析、瞬态分析、蒙特卡罗分析及最坏情况分析[10]。

3 电子电路仿真实验实例分析

单级共射放大电路实验的教学目标主要有：掌握单级共射放大电路静态工作点分析；分析单级共射放大电路幅频响应、相频响应；分析单级共射放大电路输入、输出电阻及其对电路的影响[11]。单级共射放大电路图如图1所示。

图1 单级共射放大电路图

3.1 单级共射放大电路实验理论分析

3.1.1 静态工作点分析

当放大电路没有输入信号（VI=0）时，电路中各处的电压、电流都是不变的直流，称为直流工作状态或静止状态，简称静态[12]。静态工作点（IBQ、ICQ、UCEQ）的数据计算如下：

3.1.2 动态工作情况分析

当接入正弦信号时，电路将处于动态工作情况，根据放大电路的微变等效电路，利用线性电路的处理方法，可以计算放大电路的动态参数[13]。单级共射放大电路的增益Au、输入阻抗Ri、输出阻抗Ro计算公式如下[14]：

3.2 单级共射放大电路试验Pspice仿真分析

3.2.1 直流工作点分析（Bias Point）

在Allegro Design Entry CIS编辑器下选择“Pspice”菜单下的“New Simulation Profile”命令，在“New Simulation”对话框下键入“Bias”，单击创建，生成直流工作点分析（Bias Point）仿真。

电路静态工作点的（IB、Ic、VBE、VCE）out文件如图2所示。

图2 静态工作点文件

3.2.2 瞬态分析（Time Domain）

在Allegro Design Entry CIS编辑器下选择“Pspice”菜单下的“New Simulation Profile”命令，在“New Simulation”对话框下键入“TRAN”，生成仿真文件。选择“SCHEMATIC1-TRAN”文件，执行“Pspice”菜单下的“Run”命令，出现“SCHEMATIC1-TRAN-Pspice A/D”窗口，选择“Trace”菜单下的“Add Trace”命令，显示瞬态分析（Tran Point）输出、输入波形如图3、图4所示。

图3 输出波形

图4 输入波形

由输入输出波形的峰值可知，Uin=8.339mV，Uout=274.049mV，二者相位相反，故放大电路的增益Au为负

3.2.3 交流扫描分析（AC Sweep）

在Allegro Design Entry CIS编辑器下选择“Pspice”菜单下的“New Simulation Profile”命令，生成交流扫描分析文件。选择“SCHEMATIC1-AC”文件，执行“Pspice”菜单下的“Run”命令，出现“SCHEMATIC1-AC”窗口，选择“Trace”菜单下的“Add Trace”命令，显示幅频、相频响应曲线，输入、输出阻抗曲线如图5、图6、图7、图7所示。

图5 幅频响应曲线

由幅频响应曲线易知，该电路的中频增益为：20 lg|Au|=30.31dB。上限截止频率fH=14.746MHz，下限频率fL=22.668Hz，故通频带宽f=fH-fL≈14.746MHZ。

图6 相频响应曲线

图7 输入阻抗

从图7中可以直接读出在中频带内输入电阻的值为：Ri=2.706kΩ

从图8中可以直接读出在中频带内输出电阻的值为：Ro=4.9601kΩ 3.3 单级共射放大电路实验误差分析

由电路图理论计算和仿真分析结果得知，该电路的输入电阻相对误差s=（2.71-2.706）/2.71=0.15%，在1%以内，符合得很好。同理，该电路的输出电阻相对误差s=（4.99-4,96）/4.99=0.60%，在1%以内，符合得很好。理论与实际值之间有很小误差[15]，其中原因可能为：进行rbe计算时，采用了近似计算，或者是忽略了电路中电容以及部分PN结的影响。

在电子电路实验中引入PSpice仿真达到了良好的教学效果，巩固了学生的理论知识，提高了学生的动手实践和创新能力，对培养高职学生综合素质起到了积极作用，也是今后电子电路实验教学改革的趋势之一。