Orcad使用教程5中

kakaci

  图6-12中的内容可分为3部分。
(1)说明注释部分：图6-12上半部分是介绍Performance Analysis概念的文字性注释内容。
(2)参数说明部分：图6-12中间部分列出了与本次性能分析有关的下述信息。
(a)当前选中的数据批次。图6-12中为“10 of 10”，表示10批数据全被选用。
(b)不同批次模拟分析中变化参数的名称。图6-12中为“Rval”，这就是前面进行RC电路参数扫描分析中的变量参数名。
(c)参数的变化范围。图6-12中为“40 to 400 ohms”，即为参数扫描分析中设定的Rval变化范围。
(d)坐标轴变量名。图6-12中为“The X axis will be Rval”，“The Y axis will depend on the Goal Function”，即显示电路性能分析结果时，X轴为变量参数Rval，y轴取决于将要选用的特征值函数。
(3)功能按钮及作用说明部分：图6-12下半部分是5个功能按钮。在按钮的上方用注释方式说明如何继续完成电路性能分析。
(a)如果用户需要，可以按“Select Sections”按钮，从已调入Probe的多批数据中选用几批参与电路性能分析。按该按钮后，屏幕上将弹出与图6-11类似的多批数据选择框，选择数据批次的具体方法也与图6-11的情况相同。
(b)如果按“OK”按钮，将开始由用户直接进行性能分析的具体进程。这时需由用户通过执行Probe窗口中的Trace/Add子命令，选用特征值函数或由特征值函数组成的运算式，产生电路性能分析结果曲线(见本节“第5阶段”的内容介绍)。
(c)如果按“Wizard”按钮，用户可以按屏幕提示，分步完成电路特性分析功能。
这就是说，从这一步以后，可以采用两种方式继续进行电路性能分析。下面将分别具体介绍这两种不同的方式。
4.继续进行电路性能分析的方法之一：屏幕引导方式
按Wizard按钮后，屏幕上分4步引导用户完成分析任务。
(1)第一步：“Wizard”引导作用的说明。
在图6-12中按“Wizard”按钮，屏幕上出现如图6-13所示引导说明框。

图6-13性能分析引导说明框

图6-13中给出了由“Wizard”引导电路性能分析过程的简单介绍，以及关于图中各个按钮的作用说明。
若在图6-13中按“Finish”按钮，则终止Wizard引导方式，转向执行电路性能分析的第二种方法：由用户直接完成(见下面“第5阶段”的介绍)。其他按钮由其名称直接表明了该按钮的作用。
(2)第二步：特征值函数的选用。
在图6-13中按“Next”按钮，屏幕上显示出如图6-14所示的特征值函数选择框。

图6-14 Goal Function选择框

图6-14中左边部分是在当前电路设计中可采用的Goal Function列表。结合使用列表区右侧的滚动条，可以从列表区选中欲采用的特征值函数。要分析RC电路的上升时间，可选用“Risetime”。这时图6-14右边部分是关于被选用特征值函数的引用形式及函数作用说明。如图6-14所示，上升时间函数的引用方式为“Risetime(信号名)”。该函数计算信号波形从波形幅度最大值的10％上升到最大值的90％所经历的时间。这也就是阶跃输入脉冲作用下，输出波形的上升时间。图6-14中还指出，“Risetime(信号名)”函数适用于输出波形没有过冲的情况。不然应采用特征值函数GenRise(信号名)。
如果在特征值函数列表区中没有欲选用的特征值函数，应单击图6-14中“Goal Function”按钮，屏幕上将出现如图6-1所示Goal Function对话框，用户可按6-4-3节介绍的方法新建一个特征值函数。
图6-14中的几个按钮与图6-13中的一样，其功能也相同。
(3)第三步：确定特征值函数自变量，包括信号波形和替换变量参数值。

图6-15 特征值函数的自变量设置框

在图6-14中按“Next”按钮，屏幕上弹出特征值函数自变量设置框(见图6-15)。
图6-15上面给出选用的特征值函数式Risetime( )。接着是该函数的变量个数说明。并提示用户在“Name of trace to search”右侧填入待处理的信号变量名。对图6-10所示RC电路，输出信号名为V(Out)。对Risetime( )函数，没有替换变量。
(4)第四步：特征值函数计算结果检查。
在图6-15中确定了自变量参数V(Out)后，单击“Next”按钮，屏幕显示如图6-16所示。

图6-16 Rval=40 时Risetime(V(Out))计算结果
正如图6-16中提示信息框所述，图中显示的是针对第一批模拟结果数据，即Rval=40 情况的V(Out)波形，采用特征值函数Risetime(V(Out))的计算结果。图中在V(Out)波形上标示了P1点(波形最大值的10％点)和P2点(波形最大值的90％点)的位置，并给出了计算结果：
Risetime(V(Out))=9.39956e-009
即Rval=40 时，图6-10RC电路的上升时间为9.4ns。

图6-17 RC电路的Risetime(V(Out))~Rval关系
如果由该结果表明前面第二步和第三步选用的特征值函数和自变量是合适的，则应单击“Next”按钮，屏幕上即显示出Performance Analysis分析的最终结果，即上升时间和Rval电阻值之间的关系，如图6-17所示。在这一步也可单击“Finish”按钮，其作用与单击“Next”按钮相同。
如果由图6-16显示结果表明，前两步选定的自变量或/和特征值函数不合适，可单击图6-16和图6-15中的“Back”按钮，返回到图6-15或图6-14，重新选择自变量或/和特征值函数，重复上述过程，重新进行电路性能分析。
5.继续进行电路性能分析的方法之二：用户进行方式
由用户直接完成分析任务的步骤如下。
(1)打开Performance Analysis窗口：在图6-12中单击“OK”按钮，屏幕上出现电路性能分析窗口，如图6-18所示。该窗口与常规Probe波形显示窗口的区别只在于x轴变量的不同(图6-18的x轴为Rval)。

图6-18 Performance Analysis窗口
另外，由图6-18所示Trace下拉式命令菜单可见，执行了Performance Analysis子命令后，原来的Trace/Performance Analysis命令现在成为Trace/End Performance Analysis。
(2)打开Add Trace对话框：在图6-18的下拉式Trace命令菜单中选择执行Trace/Add Trace子命令，屏幕上即弹出Add Trace对话框，如图6-19所示。
图6-19与显示信号波形时的图5-15 Add Trace对话框基本相同。只是现在处于Performance Analysis状态，需要确定特征值函数及其变量参数，因此图6-19右边部分列出的是当前电路设计可采用的所有Goal Functions定义式列表，而不像图5-15那样右边部分是运算符和函数。由于Performance分析中，也可以选用由特征值函数组成的运算式，因此图6-19右边“Function or Macros”的下拉式列表中也包括“Analog Operations and Functions”和“Macros”选项，供用户需要时选用。
(3)选定特征值函数和自变量：与5-3-3节介绍的显示信号变量运算结果波形的方法类似，依次在图6-19右边部分选定特征值函数Risetime(|)，在左边部分选中需对其进行处理的输出电压信号名V(Out)。这时图6-19底部“Trace Expression”右侧显示Risetime(V(Out))。
(4)Performance Analysis分析结果显示：完成上述设置后，单击图6-19中的“OK”按钮，屏幕上便显示出Risetime(V(Out))~Rval关系的最终分析结果，与图6-17所示结果完全一样。

图6-19 Trace/Add Trace 设置框

6.电路性能分析内容的添加
采用上述两种方法之一，完成电路性能分析以后，屏幕上将给出电路特性随元器件参数变化的关系曲线(见图6-17)。这时，根据分析的需要，还可以在如图6-17所示的电路性能分析窗口中再添加一项电路性能分析内容。其具体步骤与本节“5.继续进行电路性能分析的方法之二：用户进行方式”中的第(2)、(3)两步完全相同。
例：按照下述步骤，可以在图6-17中增加显示图6-10 RC电路输出脉冲下降时间与电阻Rval的关系。

图6-20 RC电路上升时间、下降时间与Rval关系
(1)在图6-17中，选择执行Trace/Add Trace子命令，屏幕上弹出与图6-19相同的Add Trace对话框。
(2)在图6-19中，依次在右边部分选定特征值函数Falltime(|)，在左边部分选中需对其进行处理的输出电压信号名V(Out)。这时图6-19底部“Trace Expression”右侧显示Falltime(V(Out))。
(3)在图6-19中，单击OK按钮，图6-17中就新增了Falltime(V(Out))~Rval关系的分析结果，如图6-20所示。6-5-4节将对图6-20中两条曲线进行比较分析。
7.电路性能分析内容的删除
在电路性能分析窗口中删除一条或多条电路特性关系曲线的方法与在通常Probe窗口中删除信号波形曲线的方法完全一样(见5-3-2节)。在图6-20所示电路性能分析窗口底部的电路特性曲线名称列表区中，用单击以及Shift+单击方法，选中一个或多个名称后，选择执行Edit/Delete子命令或直接按“Del”键，即将选中的电路特性曲线删除。
8.结束电路性能分析
如图6-18所示，启动电路性能分析以后，原来的Trace/Performance Analysis子命令(见图5-8)变为Trace/End Performance Analysis子命令。因此，在电路性能分析中，选择执行该命令，将结束电路性能分析，屏幕显示恢复通常的信号波形显示状态。
6-5-3启动和结束Performance Analysis的第二种方法
1.启动电路性能分析的第二种方法
6-5-2节结合RC电路实例，介绍了在Probe窗口执行Trace/Performance Analysis子命令，启动电路性能分析过程并采用两种方法完成电路性能分析的具体步骤。本节介绍启动电路性能分析的另一种方法。
在完成6-5-2节中介绍的“1.进行参数扫描分析”和“2.确定调入Probe的数据批次”两步工作后，屏幕上出现Probe窗口。
在Probe的Plot下拉式命令菜单(见图5-9)中选择执行Plot/Axis Settings子命令，从屏幕上出现的Axis Settings设置框(见图5-23)中选中X Axis。
在x轴设置框的Processing Options子框内，选中Performance Analysis，然后单击图中OK按钮，即可启动电路性能分析过程，屏幕显示成为图6-18所示的电路性能分析窗口。这时就可以采用6-5-2节中“5.继续进行电路性能分析的方法之二：用户进行方式”介绍的具体步骤，完成电路性能分析。
2.结束电路性能分析的第二种方法
在6-5-2节曾指出，启动电路性能分析以后，要结束电路性能分析，只要选择执行Trace/End Performance Analysis子命令即可。结束电路性能分析的第二种方法是选择执行Plot/Axis Settings子命令，在屏幕上出现的x轴设置框(见图5-23)中，单击Processing Options子框内的Performance Analysis，使其脱离选中状态，然后单击OK按钮就结束电路性能分析，屏幕显示恢复通常的信号波形显示状态。
6-5-4电路性能分析状态下的信号波形显示
电路性能分析以后，为了进一步分析和理解Performance Analysis结果，有时需要同时显示一部分信号波形。例如，由图6-20的关系曲线可见，在Rval大于160 以后，上升时间和下降时间并不相等。随着Rval的增加，上升时间的增加偏离线性关系，增加趋势变缓。而由电路理论可得，对图6-10 RC电路，在输入理想矩形脉冲作用下，其输出脉冲上升时间和下降时间都应为：
Risetime=Falltime=RC(ln0.9-ln0.1)=0.22RC
显然，图6-20所示上升时间与Rval之间的关系不完全符合上式理论结果。为了分析原因所在，应进一步分析不同Rval取值时的输入脉冲和输出脉冲信号波形之间的关系。对于图6-20所示电路性能分析显示窗口，x轴是变化的元器件参数变量。在这种坐标系下无法显示信号波形。Probe 中提供了两种方法，用于同时显示电路特性分析结果和信号波形。
1.方法之一：新增信号波形显示窗口
下面结合图6-10 RC电路参数扫描分析实例，介绍在电路性能分析状态下，新增波形显示窗口，同时显示多个信号波形的基本方法。
(1)在电路性能分析窗口中(见图6-20)，选择执行Window/New Window子命令，打开一个新的波形显示窗口，屏幕显示出如图5-4所示的Probe信号波形显示窗口。
(2)按照5-3-5节中显示多批次模拟分析结果波形的方法，在波形显示窗口中显示RC电路参数扫描分析的输入脉冲波形和输出波形，如图6-21所示。在图6-21底部信号名列表区中列出了不同信号波形的彩色和符号。

图6-21 RC电路参数扫描分析结果波形

(3)为了便于比较分析，可选择执行Window/Tile Horizontally子命令，使电路性能分析结果和参数扫描分析结果同时显示在屏幕上，如图6-22所示。
由图6-22可见，Rval大于160 ，对应于参数扫描分析中的第5到第10批分析。由于输入脉宽的限制，Rval越大，输出信号脉冲达到的最大值与稳定值之间差距越大。按输出脉冲从其最大值的10％增加至90％所需要的时间确定的上升时间，与前面理论分析结果的差距也越大。如果在模拟分析中，增加输入脉冲的脉宽，使得不同Rval取值情况下，输出信号脉冲均能趋于稳定值，则上升时间将与理论分析结果相一致。作为练习，读者可自行分析，为什么图6-20中的下降时间与理论分析结果一致。
2.方法之二：新增信号波形显示区
在电路性能分析显示状态下，执行Plot/Add Plot to Window子命令，新增一个信号波形显示区，也可以用来显示信号波形。但需要注意的是，刚刚增加的显示区与原来的波形显示区一样，仍处于电路性能分析显示状态。因此必须对新增显示区选择执行Trace/End Performance Analysis子命令，使其结束电路性能分析显示状态，然后才能用来显示信号波形。6-5-5节例二中，将结合RLC电路实例，详细介绍采用这种方法，同时显示电路性能分析结果和信号波形的具体步骤。
6-5-5 Performance Analysis应用实例
为了加深对电路性能分析功能的理解，掌握几种不同的分析步骤，下面再给出两个应用实例。

图6-22 电路性能分析和信号波形显示两个窗口

1.例一：最大增益和带宽与电阻关系的分析。
图6-23是一个简单的二极管限幅电路。试分析其交流小信号工作时最大增益以及3db带宽与输入端电阻R1的关系。

图6-23 二极管限幅电路
(1)绘制电路图。按照第二章介绍的方法绘制图6-23所示电路图。根据分析要求，应注意下面几个问题。
(a)为了进行AC分析，输入信号源采用VAC，其值(Value)设置为1V。这样由输出电压幅度即得到电路的增益。
(b)为了进行参数扫描分析，应将作为变化参数的输入端电阻R1取为全局参数，即将其值(Value)设置为{Rval}，并采用PARAM符号对参数Rval进行说明，如图6-23所示。
(2)设置AC分析参数。按3-5节的方法，设置AC分析参数，结果如图6-24所示。

图6-24 二极管限幅电路的AC分析参数设置

(3)分析AC分析结果。完成AC分析参数设置后，选择执行PSpice子命令菜单中的Run子命令，完成AC分析。再按5-3节介绍的方法，在Probe窗口显示电容C1左端和右端两个电压信号幅度(db)随频率的变化关系，结果如图6-25所示。
由图6-25可见，由于二极管电容的作用，电容C1左端电压信号幅度具有低通特性。而电容C1和电阻R4又起到高通滤波作用，因此电压V(Out)呈带通特点。这一结果与电路原理分析结果一致。如果需要的话，还可以用5-3节介绍的方法，在图6-25中执行Plot/Add Y Axis子命令，增加一条y轴用于显示输出信号的相位特性，结果如图6-25所示。


图6-25 二极管限幅电路的AC分析结果

(4)设置参数扫描分析参数。通过上述(2)、(3)两步，表明电路和AC分析结果是合适的，便可进一步进行参数扫描分析。按4-2节介绍的方法，用于参数扫描分析的参数设置结果如图6-26所示。


图6-27 二极管限幅电路参数扫描分析结果
(5)参数扫描结果显示。完成参数设置后，选择执行PSpice子命令菜单中的Run子命令，完成参数扫描分析。。按图6-26的设置，参数扫描分析一共进行了21批模拟计算，在PSpice A/D窗口中将列出类似于图6-11的多批数据选择框，列出21批数据的批号及每批对应的Rval值。如果全部批次均用，则单击OK按钮。在Probe窗口中显示的21批VDB(Out)如图6-27所示。


图6-26 二极管限幅电路参数扫描分析参数设置

(6)最大增益和通频带带宽性能分析。
(a)按6-5-2节介绍的方法，采用屏幕引导方式，显示通频带带宽与电阻Rval的关系。其中，在图6-14所示Goal Function选择框中，选用特征值函数bandwidth。然后在特征值函数自变量设置框中，在“Name of trace to search”右侧键入V(Out)，在“db level down for bandwidth calc”右侧键入3，如图6-28所示。最后显示的3db带宽与电阻Rval关系曲线见图6-29。

图6-28 带宽函数的自变量参数设置



图6-29 二极管限幅电路3db带宽以及最大增益～Rval关系曲线
(b)选择执行Plot/X Axis Settings子命令(或连击x轴)，在x轴设置框中将x轴设置为对数坐标轴。
(c)为了同时显示最大增益，选择执行Plot/Add Y Axis子命令，新增一根y坐标轴。
(d)按6-5-2节介绍的“用户进行方式”，选择执行Trace/Add Trace子命令，从屏幕上出现的Trace/Add Trace设置框中依次在右边部分选择Max(1)，在左边部分选择V(Out)，并将设置框底部Trace Expression右侧显示出的Max(V(Out))改为Max(VDB(Out))，然后单击图中OK按钮，则屏幕上同时显示出3db带宽以及最大增益(db)与输入端电阻Rval的关系，如图6-29所示。
2.例二：过冲以及上升时间与电阻关系分析
图6-30是一个简单的RLC滤波器电路。试分析在输入阶跃信号作用下，输出信号的上升时间以及过冲与电阻R1的关系。
(1)绘制电路图。根据分析要求，应注意下述两个问题。


图6-30 RLC滤波器电路
(a)为了进行瞬态分析，输入信号恒流源Iin采用SOURCE符号库中的分段线性独立电流源符号IPWL，并将其参数设置为：
AC=1a
T1=0s
I1=0a
T2=10ms
I2＝0a
T3=10.1ms
I3=1a
即作为输入恒流源的阶跃信号Iin，在t=0~10ms范围为0a，然后经过0.1ms，线性增加为1a，并一直保持1a不变。
(b)为了进行参数扫描分析，将电阻R1定为全局参数，并采用PARAM符号将其VALUE设置为0.5，如图6-30所示。
(2)分析参数设置。
考虑到该电路的时常数约为1s，因此将瞬态分析的参数设置为：
Print step:  100ms
Final time:  20s
将参数扫描分析的参数设置为：
Swept variable:  global parameter
Parameter:      R
Sweep type:     linear
Start value:      0.5
End value:      1.5
Increment:      0.1
(3)查看参数扫描分析结果。完成分析参数设置后，首先按常规方法进行模拟分析，然后在Probe窗口中调入参数扫描分析的全部11批数据。用户可选择显示某一批分析数据，以查看分析结果。
例如，选择执行Trace/Add Trace子命令，并在Trace/Add Trace设置框中指定显示的信号为：I(L1)@9，即显示第9批分析中(对应R1＝1.5 )，流过电感L1的电流。结果如图6-31所示，显示出明显的“过冲”特性。
(4)“上升时间”以及“过冲”性能分析。下面是采用6-5-3节介绍的方法完成RLC电路Performance Analysis的步骤。
(a)选择执行Plot/X Axis Settings子命令，并在屏幕上显示的x轴设置框(见图6-21)的Processing Options子框内，选中“Performance Analysis”，然后单击OK按钮，启动电路性能分析过程。屏幕上出现电路性能分析显示窗口，x轴成为参数扫描分析中的变量，即电阻R。
(b)选择执行Trace/Add子命令，并在屏幕上显示的Trace/Add Trace设置框中，确定显示的特征值函数及自变量为：genrise(I(L1))，然后单击OK按钮，屏幕上显示出上升时间与R的关系曲线(见图6-32)。
(c)选择执行Plot/Add Y Axis子命令，在电路性能分析显示窗口再增加一根y轴，用于显示过冲特性。

图6-32 上升时间以及过冲与电阻R1的关系

(d)重复上述步骤(b)，确定显示的特征值函数及自变量为Overshoot(I(L1))，然后单击OK按钮，屏幕上增加显示过冲与R的关系曲线，结果如图6-32所示。


图6-31 R1为1.5 时流过L1的电流
(5)如果需要，可以按下述步骤增加显示参数扫描分析的全部11批信号波形数据。
(a)选择执行Plot/Add Plot子命令，增加一个信号波形显示区。
(b)选择执行Plot/Unsync Plot子命令，使新增加信号波形显示区与原有显示区分别采用不同的x轴。但这时新增加的显示区仍处于电路性能分析状态，x轴仍为R1轴。
(c)为了在新增显示区中显示信号波形，应选择执行Trace/End Performance Analysis子命令，使新增显示区结束电路性能分析状态，恢复常规信号波形显示。这时其x轴恢复为时间轴。由于执行Trace/End Performance Analysis子命令只对处于选中状态的新增信号波形显示区起作用，原来的显示区仍处于电路性能分析显示状态，显示过冲以及上升时间与R的关系曲线。


图6-33 信号波形以及电路性能分析结果