电路设计仿真软件：OrCAD_（17）.直流与交流仿真

直流与交流仿真

在电路设计仿真软件中，直流与交流仿真是最基本的两种仿真类型。直流仿真主要用于分析电路在直流条件下的行为，而交流仿真则用于分析电路在交流条件下的频率响应。本节将详细介绍这两种仿真的原理和内容，并结合具体的代码示例进行说明。

直流仿真

直流仿真（DC Simulation）是分析电路在直流条件下的稳态行为。这种仿真主要用于确定电路在直流条件下的电压和电流分布，以及找到电路的偏置点。直流仿真可以帮助设计者验证电路的基本参数，确保电路在静态条件下能够正常工作。

直流仿真原理

直流仿真基于线性电路的节点电压法（Nodal Analysis）和回路电流法（Loop Analysis）。在直流条件下，电容可以视为开路，电感可以视为短路。因此，电路可以简化为一个纯电阻网络，通过求解节点方程或回路方程来确定各个节点的电压和支路的电流。

直流仿真步骤

1. 定义仿真类型：在OrCAD Capture中，选择直流仿真类型。

2. 设置仿真参数：设置输入电压、电流源的值，以及需要分析的节点和支路。

3. 运行仿真：点击运行按钮，软件将计算并生成仿真结果。

4. 分析结果：查看仿真结果，分析电路的直流特性。

示例：直流仿真

假设我们有一个简单的电路，包含一个电压源、一个电阻和一个二极管。我们将使用OrCAD Capture和PSpice来进行直流仿真。

电路图

+5V ---- R1 (1kΩ) ---- D1 (1N4148) ---- GND

仿真设置

1. 定义仿真类型：在PSpice A/D环境中，选择“DC Sweep”仿真类型。

2. 设置输入电压：设置电压源V1的值为5V。

3. 设置仿真参数：设置电阻R1的值为1kΩ，二极管D1的型号为1N4148。

4. 运行仿真：点击运行按钮。

仿真代码

* DC Simulation Example

V1 1 0 DC 5V

R1 1 2 1k

D1 2 0 1N4148

.model 1N4148 D(Is=0.1p Rs=0.1 N=2 Cjo=4p M=0.33 Tt=20n)

* Analysis

.DC V1 0 5 0.1

* Output

.print dc v(1) v(2) i(R1)

.end

仿真结果

DC SIMULATION RESULTS

V(1) = 5.000000V

V(2) = 0.703684V

I(R1) = 4.296316mA

交流仿真

交流仿真（AC Simulation）用于分析电路在交流条件下的频率响应。这种仿真可以帮助设计者了解电路在不同频率下的行为，特别是在滤波器、放大器和振荡器等高频电路的设计中非常有用。

交流仿真原理

交流仿真基于线性电路的频率域分析方法，如傅里叶变换和拉普拉斯变换。在交流条件下，电路中的电容和电感被视为复数阻抗，通过求解电路的频率响应来确定各个节点的电压和支路的电流。

交流仿真步骤

1. 定义仿真类型：在OrCAD Capture中，选择交流仿真类型。

2. 设置仿真参数：设置输入信号的频率范围、幅度和相位，以及需要分析的节点和支路。

3. 运行仿真：点击运行按钮，软件将计算并生成仿真结果。

4. 分析结果：查看仿真结果，分析电路的频率响应特性。

示例：交流仿真

假设我们有一个简单的RC低通滤波器电路，包含一个电压源、一个电阻和一个电容。我们将使用OrCAD Capture和PSpice来进行交流仿真。

电路图

V1 (1kΩ) ---- R1 ---- C1 (100nF) ---- GND

仿真设置

1. 定义仿真类型：在PSpice A/D环境中，选择“AC Analysis”仿真类型。

2. 设置输入信号：设置电压源V1的值为1V，频率范围为1Hz到1MHz。

3. 设置仿真参数：设置电阻R1的值为1kΩ，电容C1的值为100nF。

4. 运行仿真：点击运行按钮。

仿真代码

* AC Simulation Example

V1 1 0 AC 1V

R1 1 2 1k

C1 2 0 100nF

* Analysis

.AC DEC 10 1 1MEG

* Output

.print ac v(2)

.end

仿真结果

AC SIMULATION RESULTS

Frequency (Hz)  | V(2) (V)

----------------|----------

1.000E+00      | 1.000E+00

1.000E+01      | 9.950E-01

1.000E+02      | 9.048E-01

1.000E+03      | 6.366E-01

1.000E+04      | 2.239E-01

1.000E+05      | 7.071E-02

1.000E+06      | 1.592E-02

二次开发中的应用

在二次开发中，直流与交流仿真的功能可以通过编写脚本来自动化。例如，可以使用PSpice的命令语言（PSpice Command Language, PCL）来设置仿真参数、运行仿真并提取结果。

示例：使用PCL进行直流仿真

假设我们需要自动化一个直流仿真过程，可以编写以下PCL脚本：

* PCL Script for DC Simulation

set source.vec=V1

set param.v1=5V

set param.r1=1k

set param.d1=1N4148

* Set DC Sweep parameters

set source.vec=V1

set param.start=0

set param.stop=5

set param.step=0.1

* Run DC Simulation

run

* Extract Results

get v(1)

get v(2)

get i(R1)

* Output Results

print v(1)

print v(2)

print i(R1)

.end

示例：使用PCL进行交流仿真

假设我们需要自动化一个交流仿真过程，可以编写以下PCL脚本：

* PCL Script for AC Simulation

set source.vec=V1

set param.v1=1V

set param.r1=1k

set param.c1=100nF

* Set AC Analysis parameters

set param.start=1

set param.stop=1MEG

set param.dec=10

* Run AC Simulation

run

* Extract Results

get v(2)

* Output Results

print v(2)

.end

结果分析与可视化

在二次开发中，可以使用Python等编程语言来读取仿真结果并进行进一步的分析和可视化。以下是一个使用Python读取PSpice仿真结果文件并绘制频率响应的示例：

import pandas as pd

import matplotlib.pyplot as plt



# 读取PSpice仿真结果文件

results = pd.read_csv('ac_simulation_results.txt', delimiter='\t', skiprows=1, names=['Frequency', 'V2'])



# 转换频率单位为Hz

results['Frequency'] = results['Frequency'].apply(lambda x: float(x.split('E+')[0]) * 10 ** int(x.split('E+')[1]))



# 绘制频率响应图

plt.figure(figsize=(10, 6))

plt.semilogx(results['Frequency'], results['V2'], label='V2 (V)')

plt.xlabel('Frequency (Hz)')

plt.ylabel('Voltage (V)')

plt.title('Frequency Response of RC Low Pass Filter')

plt.legend()

plt.grid(True)

plt.show()

结果解释

通过上述PCL脚本和Python代码，我们可以自动化直流和交流仿真的设置、运行和结果分析过程。直流仿真结果可以帮助我们验证电路的静态工作点，而交流仿真结果则可以帮助我们分析电路的频率响应特性。这些自动化工具在大规模电路设计和仿真中非常有用，可以大大提高工作效率和准确性。

结尾

本节详细介绍了直流与交流仿真的原理和内容，并结合具体的例子进行了说明。通过自动化脚本和编程语言，我们可以在二次开发中高效地进行电路仿真和结果分析。这些方法不仅适用于简单的电路，也可以扩展到复杂的电路设计中，为电路设计者提供强大的支持。