电子电路CAD实验指导书Word格式.docx
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实验五综合应用实验30
一、实验目的30
二、实验内容及要求30
附录一实验报告格式要求32
附录二常用库文件名及元器件33
实验一电路图绘制及基本电路特性分析实验
一、实验目的
熟悉并掌握OrCAD/PSpice软件的使用,并掌握用Capture软件包正确绘制电路图的方法和步骤;
熟悉并初步学会使用OrCAD/PSpice软件进行基本电路特性分析的方法。
二、实验内容及步骤
1、差分对放大电路的基本特性分析
A电路图绘制部分
通过绘制下图所示的差分对放大电路图,熟悉OrCAD/PSpice软件环境设置及电路图绘制方法。
用OrCAD/PSpice软件生成电路图的方法和步骤:
(1)调用PageEditor
1、在数据盘中建立自己的文件夹。
注意:
文件夹名不能用中文命名。
2、执行程序中OrCADRelease9.1/CaptureCIS启动Capture软件,执行File/New/Project子命令新建设计项目,在Name栏内输入设计项目名称,在设计项目类型栏内选择“AnalogorMixedSignalCircuit”选项,在路径名栏内选择第1步建立的文件夹。
设计项目名称只能用英文、数字、拼音命名。
3、按默认的方式配置元器件符号库。
4、启动PageEditor模块
5、根据需要设置运行环境参数,也可采用系统的默认设置。
(2)绘制电路图
1、绘制元器件符号:
从OrCAD/Capture符号库中调用合适的元器件符号,如电阻、电容、晶体管、电源和接地符号等放于电路图中合适的位置。
对分层式的电路设计,还需要绘制各层次框图。
2、元器件间的电连接:
包括互连线、总线、电连接标识符、节点符号及节点名等。
对分层式的电路设计,还需要绘制框图端口符。
3、绘制电路图中辅助元素:
图纸标题栏、添加“书签”、绘制特殊符号以及注释性文字说明。
(3)检查并修改电路图
(4)将绘制完成的电路图利用复制、粘贴的方式输入到Word文档的实验报告中。
提示:
图中的双极晶体管Q1、Q2、Q3从BIPOLAR.olb符号库中调用;
电阻从ANALOG.olb库中调用符号R;
V1调用SOURCE.olb库中的VAC符号;
VCC和VEE调用CAPSYM.olb库中的电源符号;
接地符号调用SOURCE.olb库中名称为0的符号。
B.电路分析部分
对所绘制的差分对电路进行以下基本电路特性分析:
(1)直流工作点(BiasPoint)及直流传输特性(TransferFunction)分析。
分析设置:
输入为V1,输出为V(out2),观察并记录OUT输出文件中有关部分内容。
操作1:
建立分析文件、设置分析参数:
执行OrCAD/Capture主菜单中PSpice/NewSimulationProfile,在Name栏输入模拟类型组名称,如DC,单击Create键,弹出模拟设置对话框,按图中所示设置好分析参数,单击确定键。
操作2:
启动PSpice仿真程序:
执行OrCAD/Capture主菜单中PSpice/Run,弹出OrCADPspiceA/D窗口,执行View/OutputFile子命令,从中找出各节点的电压值、总功耗、输出电阻、小信号直流增益等,按实验报告的要求将相关参数复制到实验报告中。
(2)直流特性扫描分析(DCsweep)。
参数设置说明:
扫描变量:
V1;
扫描类型:
Linear,0~1V;
增量:
0.1V;
观察V(OUT2)~V1曲线。
设置分析参数:
执行OrCAD/Capture主菜单中的PSpice/NewSimulationProfile子命令,在Name栏键入模拟类型组名称,单击Create,弹出如下对话框,按对话框中设置,单击确定按钮。
启动Pspice仿真程序输出波形:
执行OrCAD/Capture主菜单中PSpice/Run子命令,若无错误,出现Probe窗口,执行Trace/AddTrace子命令或相应的工具图标,弹出波形添加对话框,如图1.5所示。
在左侧的输出变量的列表中选取或在TraceExpression栏中键入要输出量的表达式,单击OK,在Probe窗口即出现所要输出的波形。
操作3:
将输出波形复制到实验报告:
在Probe窗口主菜单中执行Windows/CopytoClipboard子命令,在弹出的CopytoClipboard对话框中,单击OK,波形图就输入到了剪贴板,在Word格式的实验报告中粘贴即可。
以上操作是每次电路分析实验的基本步骤,以下分析和实验只说明分析要求,不再详述以上步骤。
(3)AC分析(ACsweep)及噪声分析。
参数设置如图1.7所示,观察并记录V(OUT2)与频率的曲线,输出噪声(V(ONOISE))和输入噪声(V(INOISE))分别与频率的关系曲线(用2个Y坐标显示在同一个图上),并记录OUT输出文件中的噪声分析结果(要求记录Freq=1KHz的数据)。
有关坐标的添加、删除、设置等操作,在Probe窗口主菜单Plot中进行。
(4)瞬态(TRAN)及傅里叶分析:
将V1换成用于瞬态分析的激励信号VSIN(在Source库中),设置成等幅正弦波(Voff=0V,Vampl=0.1V,f=5MegHz),分析参数设置见下图,观察记录V(OUT2)、V(V1:
+)波形(用2个坐标表示);
在Probe中用FFT按钮对V(OUT2)进行傅里叶分析,标出其直流分量、基波和三次谐波分量值,记录所得波形;
打开OUT输出文件,观察傅里叶分析结果的数据。
OutputFileOptions设置对话框
三、实验报告要求
1、给出所绘制的差分对放大电路图。
2、给出差分对放大电路各节点的电压值、总功耗、小信号直流增益(V(OUT2)/V_V1)、输入电阻值和输出电阻值。
3、给出V(OUT2)~V_V1曲线,X轴设为0~300mv,Y轴设为5~12.5V。
4、给出AC/Noise分析得到的V(OUT2)~频率的曲线,输入噪声~频率、输出噪声~频率的曲线(用2个Y轴在同一坐标中表示),并给出OUT输出文件中Freq=1KHz时的噪声分析结果数据。
5、给出瞬态及傅里叶分析的相关曲线:
V(OUT2)、V(V1:
+)(在同一张图上,用2个坐标表示);
给出在Probe窗口下对V(OUT2)的傅里叶分析后的曲线,要求标出其直流分量、基波和三次谐波分量值;
给出OUT输出文件中傅里叶分析结果的数据。
实验二参数扫描分析和统计分析实验
熟悉并初步学会使用OrCAD/Pspice软件进行参数扫描分析和统计分析的方法。
二、实验内容
1、温度分析
分析如图2.1所示的恒流源式差分放大电路在-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃、80℃和100℃的输出V(out2)频率特性。
观察和分析温度对V(out2)幅度的影响,按实验报告要求记录相关的实验结果。
操作步骤如下:
(1):
设置基本特性分析参数:
对所绘制的恒流源式差分放大电路设置交流小信号特性分析参数,如图2.2所示。
(2)设置温度分析参数:
在图2.2的options参数设置框中,选择Temperature(Sweep),相应的温度分析参数设置如图2.3所示。
(3)启动Pspice仿真程序,从下图所示的批次选择对话框中选取需要的温度批次。
(4)将Probe窗口中显示的输出曲线复制到实验报告中,并简单说明。
2、参数扫描分析
对恒流源式差分放大电路进行参数扫描分析,观察并记录实验结果。
(1)修改电阻Rc1和Rc2的阻值为“变化的参数”,具体做法是:
①将电阻值10k修改为{Rval}。
②从图形符号库SPECIAL.olb中调出PARAM符号放在电路图的空白处;
③双击PARAM符号弹出以下属性参数对话框:
按按钮,按图2.6所示设置新增的Rval参数,单击
即完成设置。
选中Rval属性将其值设置为10k,单击(Display)按钮,设置显示Rval的名称及其值,单击确认操作。
通过以上步骤,从而将电阻Rc1和Rc2的阻值修改为了“变化的参数”,修改后的恒流源式差分放大电路如图2.9所示。
(2)按图2.2的ACSweep分析设置参数后,选中Options参数设置框中的ParametricSweep,按下图所示进行参数扫描分析的设置。
(3)保存一次后,启动Pspice程序进行模拟,进入Probe窗口后,在批次选择对话框中选取要输出的曲线。
(4)对输出曲线V(out2)进行必要的标注后,复制到实验报告中。
(5)在Probe窗口,在主菜单中选择Trace/PerformanceAnalysis或按下
按钮进行性能分析,选择Trace/AddTrace或按下
按钮,对输出的7条V(out2)曲线用MAX()函数得到差分放大电路的最大增益随Rc1、Rc2阻值的变化曲线,将其复制到实验报告中。
AddTrace窗口如图2.11所示。
3、MonteCarlo分析
完成恒流源式差分放大电路的MC分析,重复分析次数为10次。
观察、记录输入曲线及MC分析的比较统计结果。
(1)修改恒流源式差分放大电路中的电阻Rc1、Rc2为阻值可发生随机变化的器件,并设置电阻的模型参数,具体步骤为:
①用Breakout.olb元件库中的Break元件取代原电阻,双击该电阻符号,在属性参数对话框中将Value项改为10k,如图2.12所示,编号仍用Rc1、Rc2表示。
②选中刚替换的Rbreak电阻后,执行Capture中的Edit/PspiceModel,将模型参数编辑框中的“.modelRbreakRESR=1”修改为“.modelRbreakRES(R=1DEV=5%)”,保存并关闭模型参数编辑窗口。
(2)按图2.2的ACSweep分析参数设置后,选中Options参数设置框中的MonteCarlo/WorstCase按图2.14所示进行MC分析的参数设置。
按下
,添加Listmodelparametervaluesintheoutputfile选项,如下图所示:
(3)保存后,启动Pspice程序进行仿真,进入Probe窗口后,在批次选择对话框中选取需要输出的曲线。
(4)适当设置X、Y坐标后将输出曲线复制到实验报告中。
(5)在Probe窗口中,点击
打开OUT输出文件,观察并记录MC分析结果的数据,并找出与标称值偏差最大的Rc1、Rc2的阻值,记录到实验报告中。
4、WorstCase分析
完成恒流源式差分放大电路的WC分析,观察并记录OUT文件中4次分析结果和分析结论。
(1)和MC分析一样,将恒流源式差分放大电路中的电阻Rc1、Rc2用Rbreak替换,再将模型参数R=1设置为R=1DEV=5%。
具体操作步骤如3-
(1)所述。
(2)按图2.2的ACSweep分析参数设置后,选中Options参数设置框中的MonteCarlo/WorstCase按图2.16所示进行WC分析的参数设置。
,添加Listmodelparametervaluesintheoutputfile选项,并在Find对话框中选择“themaximumvalue(MAX)”,如下图所示:
(3)保存后,启动Pspice程序进行仿真,进入Probe窗口后,在批次选择对话框中选取需要输出的曲线。
(4)适当设置X、Y坐标后将输出曲线复制到实验报告中,并进行说明。
(5)点击
打开OUT输出文件,观察WC分析结果并将分析结果的数据记录到实验报告中。
1、给出温度分析的电路图和分析结果,并简单说明温度对电路特性的影响。
2、给出参数扫描分析的电路图和分析结果,并简单说明参数的变化对电路特性的影响;
给出恒流源式差分放大电路的最大增益随Rc1、Rc2阻值的变化曲线。
3、给出MC分析的电路图和分析结果输出曲线,注意适当设置X、Y坐标范围,使曲线显示清楚;
在OUT文件中截取MC分析结果并给出Rc1、Rc2的阻值中和标称值偏差最大的。
4、给出WC分析结果的输出曲线,注意适当设置X、Y坐标范围,使曲线显示清楚;
在OUT文件中截取WC分析结果数据。
实验三电路性能分析实验
熟悉并初步学会用OrCAD/Pspice软件作电路性能分析的方法。
1、四阶Butterworth低通滤波电路
分析图3.1所示的四阶Butterworth低通滤波电路的最大增益和带宽与电阻R2的关系,观察Vdb(out)、Vp(out)的AC分析曲线,Vdb(out)的参数扫描曲线。
Bandwidth(Vdb(out))和Max(Vdb(out))与Rval的关系曲线。
(1)绘制电路图:
电阻、电容在Analog.olb中;
OP-27在OPAMP.olb中;
电源在source.olb中。
(2)按图3.2所示设置AC分析参数。
(3)保存后,启动Pspice程序进行仿真,进入Probe窗口添加Vdb(out)、Vp(out)(增加一个Y坐标显示)的AC分析曲线,并将其复制到实验报告。
(4)按照实验二的2-
(1)操作步骤设置R2的参数值,在属性参数对话框中将Value项改为8.66k。
在AC分析的基础上,按下图设置参数扫描分析的参数:
(5)启动Pspice程序进行仿真,从批次选择对话框中选取需要输出的曲线,在Probe窗口添加Vdb(out)曲线,将显示曲线复制到实验报告。
(6)完成最大增益和通频带带宽的性能分析:
①在Probe窗口主菜单中,利用Window/NewWindow新开一显示窗口,然后用Trace/PerformanceAnalysis或按下
打开性能分析,将弹出图3.4所示对话框,点击
即启动性能分析,启动性能分析后的界面如图3.5所示。
利用Trace/AddTrace或按下
按钮,如图3.6所示在曲线添加窗口的GoalFunctions中选用LPBW函数,在TraceExpression对话框中输入函数的自变量Vdb(out)和3,单击
得到Vdb(out)的3db带宽曲线。
②在Probe窗口主菜单中,利用Plot/AddYAxis添加一坐标轴,再添加曲线,此时选用Max()函数得到最大增益Vdb(out)随Rval阻值的变化曲线。
③如右图所示,利用Plot/AxisSetting将X轴坐标设置为Log,最后将得到的两条曲线复制到实验报告中。
(7)观察400套滤波器的1db带宽分布直方图:
①将电路中所用的电阻、电容分别用Breakout.olb库中的Rbreak和Cbreak替换,然后按照实验二3-
(1)操作步骤设置电阻、电容的模型参数变化:
将Rbreak的模型参数改为“.modelRbreakRES(R=1DEV=1%)”,将Cbreak的模型参数改为“.modelCbreakRES(C=1DEV=5%)”。
②按图3.2与图3.8所示设置AC分析和MC分析参数。
为减少数据量,对图3.8的DataCollection选项进行设置,选中“atMarkersOnly”。
③在AC分析和MC分析参数设置完成后,在out输出端添加Vdb探针,如图3.9所示。
④启动Pspice程序进行仿真,在批次选择对话框中选择所有的曲线输出。
进入Probe窗口后新开一窗口,点击
进行PerformanceAnalysis分析,再点击
添加性能分析函数LPBW(Vdb(out),1),记得到1db带宽的分布直方图,将直方图复制到实验报告中。
⑤尝试设计一个Butterworth带通滤波器,重复上述操作。
滤波器设计科查询书籍或者参考滤波器设计软件。
此要求选作。
2、RLC电路
对图3.10所示的RLC电路,分析过冲时间和上升时间与R的关系,观察I(L)曲线,Overshoot(L)和GenRise(L)与R的关系曲线。
(1)绘制RLC电路图:
Iin在Source.olb库中选择IPWL符号,其为分段线性电流源。
R在Rbreakout.olb库中选择Rbreak符号,按照实验二的2-
(1)操作步骤设置R的参数值R=0.5。
(2)按图3.11和图3.12所示设置瞬态分析参数和参数扫描分析参数。
(3)保存后,启动Pspice程序进行仿真,在批次选择对话框中选中所有曲线输出,通过AddTrace添加R阻值分别为0.5、1、1.5的输出曲线,比如I(L)@1,将三条曲线复制到实验报告中并进行比较。
(4)新增一显示窗口,利用Pspice的PerformanceAnalysis功能,输出Overshoot(I(L))和GenRise(I(L))和R得关系曲线(在同一张图上,用2个坐标表示),将其复制到实验报告中。
3、放大器设计仿真
设计一满足图3.13中黑盒子功能的放大电路,并通过仿真求得该放大电路的通频带。
1、给出4阶Butterworth低通滤波电路分别作参数扫描分析和性能分析的电路图,Vdb(out)、Vp(out)的AC分析曲线,Vdb(out)的参数扫描分析曲线,LPBW(Vdb(out),3)和MAX(Vdb(out))与Rval的关系曲线,400套滤波电路的1db带宽分布直方图。
2、给出RLC电路,I(L)~Time曲线,Overshoot(I(L))和GenRise(I(L))与R的关系曲线(在一张图上,用两个坐标表示)。
3、给出所设计放大电路的电路图,阐述其原理;
在同一坐标内画出放大电路的输入输出曲线;
给出所设计放大电路的通频带。
实验四逻辑电路、数/模混合电路分析实验
学习用OrCAD/Pspice软件对逻辑电路、数/模混合电路进行分析的方法。
1、移位寄存器
对下图所示的移位寄存器电路进行逻辑模拟:
要求用StmED设置驱动波形,其中时钟信号CLK为脉宽=0.5us,周期=1us,延时为0.1us的时钟信号;
输入信号D周期为5us,脉宽为1us,延时为2us;
清零信号CLR是在0~1us为低电平,其余为高电平的清零信号。
观察输入/输出波形(输出波形除用二进制显示外,另用16进制、10进制和8进制总线形式显示)。
操作步骤
(1)绘制移位寄存器电路图:
信号源CLR和D在Sourcstm库中选DigStim1,CLK采用DigClock激励信号源,7474在7400库中,Hi在PlacePower/Source中。
(2)编辑D信号:
选中D后,用菜单Edit/PspiceStimulus启动StmEd窗口,按下图所示设置D信号,然后用Stimulus/New添加CLR信号,根据提示进行设置后再按照要求修改好CLR信号(见下图),保存并退出StmEd窗口。
CLK参数的设计如下图所示。
(3)按图4.3设置瞬态分析参数
(4)保存后启动Pspice程序进行仿真,进入Probe窗口后添加CLK:
OUTCLR:
OUT、D:
OUT、Q3Q2Q1Q0波形,并用Q[3:
0]以总线方式显示Q3Q2Q1Q0的输出;
要用16进制、10进制和8进制总线形式显示输出波形,则可在TraceExpression中输入{Q[3:
0]};
QBusHex;
H{Q[3:
QBusDec;
D{Q[3:
QBusOct;
O即可。
将输出波形复制到实验报告。
2、石英晶体振荡器
对下图所示石英晶体振荡器电路进行混合模拟分析,观察V(C1:
1)、V(R1:
1)、V(U1A:
A)、VO等波形。
(1)绘制石英振荡器电路图:
QZS1MEG在XTAL库中选,电阻、电容在ANALOG库中,其他元器件在7400库中。
(2)按图4.5与图4.6所示设置瞬态分析参数。
(3)保存后启动Pspice程序进行仿真,将需要的输出波形复制到实验报告中,并进行简单分析。
(注意:
V(U1A:
1)和V(C1:
1)波形用两坐标轴显示,二者坐标范围设置为0V~4V,将两波形分开显示;
同时也要仿真VO波形)。
1、打印移位寄存器模拟得到的输入、输出波形。
2、打印石英晶体振荡电路及按要求显示的有关波形。
实验五综合应用实验
巩固模拟电路的各种分析方法、电路图修改及分析参数的设置
二、实验内容及要求
(1)画出如下电路图
其中R8为滑动变阻器POT,在Breakout.olb库中。
(2)AC分析和噪声分析
AC分析:
参数设置,起始频率1Hz,终止频率10MEG,频点个数为100。
给出V(OUT)的波形。
噪声分析:
参数设置,Output:
V(OUT),I/V:
V3,Interval:
5.给出输出/输入噪声(V(ONOISE)/V(INOISE))~频率曲线(用2个Y坐标显示,输入噪声的Y坐标采用对数表示)。
(3)瞬态分析和傅里叶分析
瞬态分析:
将V1换成VSIN,设置成等幅正弦波(Voff=0V,Vampl=3V,f=1KHz);
R3与接地之间接VSIN(Voff=0V,Vampl=1V,f=50Hz)分析参数设置:
运行时间为100ms,从0s开始保存数据。
给出V(OUT1)和V(OUT)的波形。
傅里叶分析:
对V(OUT)进行傅里叶分析,中心频率为1kHz。
(4)温度分析
温度设置为-15℃、27℃、180℃。
给出温度分析的频率响应。
(5)参数扫描及性能分析
将R1设置成全局参数R,扫描类型:
Linear,变化范围:
500~1500Ω,步长为100Ω。
给出R1为500Ω,1000Ω,1500Ω的V(OUT)波形,Max(V(OUT))~R和Max(VDB(OUT))~R曲线(用两个Y坐标)。
(6)MC分析
R1、R2采用同一模型参数:
modelRmodeRES(R=1LOT=10%DEV=5%),分析设置:
①AC扫描分析:
1Hz~10MEG,100Point/Decade;
②MC分析:
输出变量V(OUT),对组装20套电路进行MC分析,参数变化规律:
高斯分布,随机种子数:
17533(内定),Savedata:
ALL,分析结果统计方式:
thegreatestdifferencefromthenominalrun(YMA
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