PSpice仿真软件（共7篇）
PSpice仿真软件 篇1
随着计算机技术的发展,利用计算机的仿真技术对电路进行设计、分析和调试已成为趋势。一是其可替代采用简化电路模型估算电路特性进行验证的传统设计方式,同时可高效地进行电路参数确定和方案优选,并在设计初期对产品的性能进行可靠预测,从而提高设计质量、缩短设计周期、节省设计费用,因此成为了现代设计方法中重要的组成部分;二是利用仿真软件得出电路性能受电路中关键参数的影响,可更好地掌握电路的特性和指标,对实际电路调试工作具有指导意义。目前电子电路CAD(Computer Aided Design)及EDA(Electronic Design Automation)已成为电路分析和设计中不可或缺的工具。CAD/EDA仿真软件也将是电子类专业学生需要掌握的专业技能之一,所以必须将计算机仿真技术引入到模拟电子技术实验教学中,将传统的模拟电子技术实验教学与计算机进行的仿真实验相结合,提高课程的教学质量和实验效率。
目前流行的电子线路仿真设计软件有EWB、Protel、PSpice、Multisim等,由于PSpice具有高超的电路仿真能力,因此在模拟电路仿真实验教学中得到最广泛应用。在电路系统仿真方面,PSpice则独具特色,是一个多功能的电路模拟试验平台;该软件由于收敛性好,适用于系统和电路级仿真,具有快速、准确的仿真能力。因此文中将PSpice仿真软件引入模拟电子技术实验教学中,为学生提供一个积极创新的仿真实验平台,将仿真实验平台与传统的实验方式有机结合[1,2]。通过教学实践表明,基于PSpice软件平台的仿真实验是对传统实验教学模式的补充和改进。
1 PSpice仿真软件简介
PSpice(Personal Simulation Program with IC Emphasis)由Spice发展而来,是用于微机系列的通用电路分析程序,也是出现较早的电路设计自动化软件之一,可进行模拟电路分析、数字电路分析和模拟数字混合电路分析。目前,最新版本是Cadence公司的OrCAD/PSpice,是众多计算机辅助设计的工具软件中精度较高的软件工具之一。
PSpice作为一种通用电路分析程序[2],能分析和模拟一般条件下的各种电路特性,主要包括:Schematics、PSpice、Probe、Stmed(Stimulus Editor)、Parts、PSpice Optimizer 6大模块,具有电路图绘制、模拟仿真及图形后处理功能,可用于各种电路实验和测试,以便修改与优化设计。其不仅支持文本输入,还支持图形输入,同时拥有庞大的元器件库、参数模型库以及种类齐全的测试仪器仪表等。随着软件自身的发展,其自动化程度更高、功能更完善、运行速度更快且操作界面清晰简洁。通常PSpice软件的主要分析功能有:直流工作点分析、瞬态分析、傅里叶分析、交流小信号分析、参数扫描、零极点、传递函数、直流灵感度、交流灵感度和蒙特卡洛法等。
PSpice软件对电路进行模拟仿真的过程共分为8个阶段[3]:新建设计项目、电路图生成、电路特性分析类型和分析参数设置、运行PSpice A/D程序、模拟结果的显示与分析、电路设计优化与修正以及设计结果输出等。
2 PSpice的应用
下面通过3个具体仿真实验,阐述PSpice软件在模拟电子技术实验教学中的应用情况。
(1)差分放大电路电压传输特性实验[4]。
在Schematics绘图编辑器中绘制的差分放大电路如图1所示,其中图1(a)中三极管Q1、Q2的发射极反馈电阻Re1=Re2=0,图1(b)中Q1、Q2的发射极反馈电阻Re1=Re2=200 Ω。差分放大电路电压传输特性是输出电压图1(a)中Vo1、Vo2或图1(b)中Vo3、Vo4和输入电压Vi1的关系曲线。根据要求分析采用直流扫描分析(DC Sweep)。所谓直流扫描分析是指将电路中某一参数作为输入变量,以某一电压或电流为输出变量,对自变量在其变化范围内的每个取值,计算输出变量的变化情况。选择输入电压Vi1为自变量,令其取值从-500 mV线性增长至500 mV,步长5 mV。运行PSpice仿真软件,仿真结果可通过文本文件输出,也可由波形模块Probe窗口输出[3]。该实验采用Probe窗口输出,能方便直观地得到图1(a)和图1(b)差分放大电路的电压传输特性曲线,如图2和图3所示。
对比分析图2和图3可知,图1(b)中差分电路引入负反馈后(Re1=Re2=200 Ω)增加了放大电路的线性工作区,但传输特性的斜率变小,使放大电路的增益减小。采用PSpice仿真软件可方便得出差分电路的电压传输特性曲线,若采用物理实验的方法,则需对输入电压Vi1取一系列值,列表分别测输出电压,再根据所测的数据绘制电压传输特性曲线[5]。
(2)二阶压控电压源低通滤波电路频率特性实验。
在Schematics绘图编辑器中绘制的二阶压控电压源低通滤波器电路如图4所示,该电路中既引入了正反馈,也引入了正反馈[4]。研究滤波器的频率特性就是对其在不同信号频率下的幅频响应和相频响应。根据要求PSpice分析类型采用交流扫描分析(AC Sweep),其作用是计算电路的交流小信号频率响应特性。
执行仿真,在Probe程序窗口,选择Trace|Add,打开Add Traces对话框,该对话框显示电路中电压和电流变量,且还表示多个目标函数(Goal Functions),其中包括DB()和P()。在Trace Expression编辑框中输入DB(V(U1A:OUT)/V(Vi:+))便可得到如图5所示的幅频响应。由图5可知,图4所示二阶压控电压源低通滤波器的截止频率约为16 Hz,通带增益约4 dB,均与理论值相同。在Trace Expression编辑框中输入P(V(U1A:OUT))-P(V(Vi:+))可得到如图6所示的相频响应。通过仿真结果,能直观得到该低通滤波器的幅频响应和相频响应。由此可见采用PSpice仿真软件可方便地得出模拟电路或电路系统的频率特性和相频特性。
(3)RC正弦波振荡电路实验。
图7为在PSpice软件中画出的RC正弦波振荡电路,要求仿真分析该振荡电路的输出波形。在图7所示的电路中,R1、C1和R2、C2构成RC串并联选频网络,该网络在正弦波震荡电路中既为选频网络,又为正反馈网络;二极管D1、D2作为自动稳幅元件。振荡频率
由于仿真振荡电路输出波形是为求电路的时域响应,因此采用瞬态分析方法(Time Domain/Transient),执行Probe程序,在Probe窗口中得到输出电压V(VO)的波形如图8所示。由图8可看出,电路从0时刻开始起振,经过一段时间的振荡后,约需25 ms才可达到稳定输出,其中振荡周期约为35.530-34.445=1.085 ms,与理论计算的频率相符。即说明该振荡电路的性能较为可靠。另外,改变C1和C2的值观察输出波形,C1和C2变化将影响振荡正弦波的频率。由于起振过程较短暂,若采用实际电路进行正弦波振荡电路实验,用示波器较难观测到该过程。
由上述实验仿真分析可见,PSpice是功能强大的电路设计与分析计算机仿真的工具,只要画出电路仿真图形便可获取并处理实验数据,形成直观的波形图,其电路仿真无论在分析精度、实验效果等方面都性能良好。
3 结束语
文中在介绍PSpice软件的基础上指出将其引入电子技术实验仿真教学中的必要性。并例举出PSpice在模拟电子线路实验教学中的仿真实例,实践教学表明:(1)通过PSpice的模拟仿真可使复杂现象的变化过程和电路相关特性,随时以图形、曲线或波形等形式来表示。仿真过程中还可不断的通过修改电路和参数,及时观察输出结果,这有利于加深对电子电路基本概念、特性的理解。另外,也为一些不易在物理实验室进行的实验,提供有效解决途径。(2)在模拟电子实验课程中除开设验证性仿真实验外,还可开设开放性的仿真设计实验,加快设计速度,提高设计的正确性;并可发挥学生的主观能动性和创造性,增强学生的综合分析能力,启发学生的创新思维,大幅提高其分析与设计电路的能力。(3)另外,Pspice仿真实验无需任何实际的元器件和测量仪器,有效地延伸了实验时间、空间和场地,同时激发了学生的学习兴趣[5]。
所以,在模拟电子技术实验教学中,引入PSpice仿真实验,不仅可更新实验教学方法,激发学生的学习兴趣,培养学生的创新思维能力,提高实验教学效果和质量,且降低了实验成本;同时还可提升学生的计算机应用能力[6]。综上所述,PSpice仿真实验是对模拟电子技术实验的一个有效补充和改进,与传统实验相比优势明显。
摘要：介绍了PSpice仿真软件的基本功能和特点。通过教学实例,论述了将PSpice仿真软件引入实验教学和实践的方法,结果表明在模拟电子技术实验教学中引入PSpice仿真软件可将理论和实践有机结合,有益于传统模拟电子技术实验教学方法的补充和改进。
关键词：PSpice仿真软件,模拟电子技术,实验教学,电路仿真
参考文献
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PSpice仿真软件 篇2
buck电路,又称降压转换电路是DC-DC转换电路的一种。在开关电源领域占有非常重要的地位。长期以来广泛应用于各种电源设备的降压设计中。传统的资料中仅仅给出电路在理想条件下的分析,而且分析过程比较烦琐,不利于读者理解电路的整个工作过程和降压原理。采用PSPICE软件进行仿真,直观、详细的描述了buck电路由启动到达稳态的工作过程,便于读者真正掌握buck电路的工作原理。其电路结构如下图1所示:
1 buck电路的工作过程
当SW1开关闭合时,直流电源VIN通过电感L1向负载RL供电,同时给C1冲电,I(L1)线性增长,此时二极管D1处于截止状态。当SW1开关断开时,二极管D1导通,I(L1)经L1、RL、D1构成的回路流通,I(L1)线性减小。通过SW1的通断重复操作,最终电路达到一个稳定状态。有了以上部件,我们怎么精确控制输出电压呢?我们通过脉冲信号源即图中的VCTRL来驱动SW1。
2 PSPICE仿真分析
应用PSPICE软件对BUCK电路建模,其中SW1采用N沟道的MOS管作为开关管,VCTRL为(V1=0,V2=5V,TD=0us,TR=0.01us,TF=0.01us,PW=5us,PER=20us)的脉冲信号源。C1=25u F,L1=50u H,vin=20V,RL=5Ω。仿真文件如下所列:
2.1 瞬态分析
0~5us,当脉冲信号源VCTRL的输出电压为5V时,MOS开关管SW1导通,二级管截止,节点2的电压为20V,此时流经L1的电流逐渐增大,电源电压同时给C1进行充电。
5~20us,此时脉冲信号源VCTRL的输出电压为0V,MOS开关管SW1截止,二级管导通,节点2的电压变为0V,L1作为电源供电,此时流经L1的电流逐渐减小。波形如图2所示。
电路在0~20us时段之间的工作过程为buck电路的一个工作周期,此后电路重复上述过程继续工作。
2.2 电路稳定过程分析
观察图3中电感的功率波形可以看出,W(L1)为正表示电感吸收能量,为负表示电感释放能量,波形曲线与时间轴所围面积即是相应时间内电感传递能量的大小。不难看出电感工作的前几个周期,电感储存的能量大于释放的能量。随着电路的工作,每个周期电感L1提供的负功率越来越大,直到电感吸收的能量等于其释放的能量,此时电感进入稳定工作状态。电容到达稳定状态的过程和电感类似。
2.3 电路稳态分析
从图4中可以看出,输出电压V(3)在200us趋于稳定,电路进入稳态。从此刻开始,电感、电容均以进入稳定工作状态,每个工作周期,电感吸收的能量等于释放的能量,电容充电能量等于放电能量,电感、电容不再吸收能量而成为能量传递的工具。
结束语
PSPICE是当今世界最流行的电路分析软件之一,其仿真结果非常接近实际。采用PSPICE仿真软件,对Buck电路的工作过程进行了详细的分析,并从能量角度分析了电感、电容等储能元件的工作过程,给出了直观易懂的仿真图形,对深入理解Buck电路有极大的促进作用。
摘要：Buck电路的工作过程包括电路启动时的瞬态工作过程和稳态工作过程。PSpice是一款功能强大的电路仿真软件,可对各种模拟和数字电路进行仿真,仿真结果十分接近电路的真实状态。应用PSpice对Buck电路的全部工作过程进行了仿真,对电路中储能元件的各种工作状态进行了分析,并从能量传递角度阐述了电路状态转换的本质原因,加深了对Buck电路全部工作状态的理解。
关键词：瞬态,稳态,PSPICE,BUCK,仿真
参考文献
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PSpice仿真软件 篇3
OrCAD/PSpice电子辅助仿真设计软件经过多年的快速发展,具备了强大的电路设计与仿真能力,提供了大量的电子元器件模型[1],能实现各电路参量的测试、分析功能及电气规则检查与器件库的构建功能。在掌握电路原理的基础上,能方便地利用电子辅助仿真设计软件PSpice完成所需电路的模拟。本文通过通信电子线路电路仿真,证明PSpice辅助设计有利于完成电路的设计、分析、优化、调试和测量。
1 通信电子线路中PSpice仿真的作用
在完成既定的非线性电路设计的基础上,逐步全面掌握电子辅助仿真软件的使用,完善非线性电路的分析方法,从而有助于熟练掌握通信电子线路电路设计要求。通过完成通信电子线路中小信号调谐放大器的设计,理解高频线路中各元器件参数的选择,同时,利用软件掌握对放大器处于谐振时各项技术指标的测试。在完成二极管开关混频器[2,3]的设计中,学会利用电子辅助仿真软件进行电路频谱分析;在高频正弦波振荡器设计测试中,通过电子辅助仿真软件可以实现实际电路中未能观察到的极短时间电路起振过程;PSpice能很好地完成变容二极管调频、集成模拟乘法器等高频电子电路的各电参量扫描和仿真。对通信电子线路中综合电路的仿真实现,更能提高对电路的全面分析、设计能力。下面通过通信电子线路中含小信号调谐放大的集电极调幅及二极管检波的电路进行仿真分析。
2 通信电子线路PSpice仿真电子原理图
图1所示为PSpice电路原理图:集电极调幅及二极管检波的电路。高频小信号Vc经谐振放大电路后作为集电极调幅电路的载波信号输入,调制低频信号则从调幅电路集电极输入,再把调幅输出信号输送到二极管检波电路解调[4,5,6],因Q1级作为高频小信号放大级,放大电路可工作在甲类状态,谐振回路作为输出,就具有选频作用。而集电极调幅放大级作为既要考虑功率放大作用,又要起到调制作用,所以采用丙类放大工作状态,如图1中的Q2级放大所示。检波采用的二极管检波电路能够满足大信号的解调。
在确定好电路基本功能结构后,需要设置每一电子元器件的具体参数,而优化元器件参数的具体过程最能提高学习者的电路设计能力。如图1中,Q1级甲类放大电路,要考虑好交、直流通路的合理设置,选择好放大电路的静态工作点,而且LC谐振回路的谐振频率要满足在载波信号频率上。
集电极调幅级放大电路的参数需满足较大的功率输出、较高的放大器输出效率、较好的信号调制效果。要满足这些条件,要求元器件参数:Q2级放大器处于丙类放大工作状态;在低频调制信号幅值为零时,调节好高频载波信号的大小,使Q2级放大器处于过压工作状态,此时流经Q2级放大器发射极电流Ie波形成下凹,以确保放大器处于过压工作状态,这样才能更好地实现集电极的调幅效果。
二极管检波电路首先要考虑采用的检波二极管PN结的结电容要尽量小,以减少结电容对二极管检波结果的影响;其次应注意要达到一定功率输出时,交直流负载的大小选择优化,避免检波的负峰值切割失真;再需设置好检波电路中电阻与电容,满足相应的时间常数,避免检波的惰性失真。
3 PSpice仿真分析
图1中的载波信号Vc为10.7 MHz的正弦波;VΩ为1 kHz的调制正弦信号。选用输入导纳与输出导纳都小的晶体管,以及在接入系数小的情况下,两级谐振频率须在10.7 MHz处。
式中:P1为本级晶体管输出端对谐振回路的接入系数[3];P2为下级晶体管输出端对谐振回路的接入系数;Coe1为晶体管的输出电容;Cie2为下级晶体管的输入电容。据此可以确定L,C并联谐振回路的电感、电容值。当图1中C11=120 pF时,变压器TX1的初级电感量约为2 μH。设置好参数后可以利用PSpice的交流分析扫描出电路的幅频特性图。图2为Q1级谐振放大电路的PSpice幅频特性。从图2中能直观地测定电路谐振点。
调整Q2级放大器工作状态时,可以利用PSpice的电压探针[7,8,9,10]测量出Q2级E极电流波形,使电流波形产生下凹,达到放大器工作在过压状态,以便调幅成功。从变压器TX输出的调幅信号如图3所示。该调幅信号经二极管检波电路后的解调输出如图4所示。
二极管检波时,若把高频载波信号描述为:
低频调制信号为:
则已调波表示为:
式中:ma为调幅系数;Ω为调制信号VΩ的角频率;Vcm为高频信号Vc的振幅;VΩm为调制信号VΩ的振幅;VAM为调幅波的振幅。令二极管检波电路中的直流负载为RL,交流负载为Rg,为克服惰性失真,则电路的时间常数RLC大小受到限制[7]。要求:
否则会产生图5所示的PSpice仿真出的检波对角线失真波形图。
当输入低频信号比较大,形成调幅波电压的调幅系数ma较大,此时若设置二极管检波电路中的交、直流负载不适当时,造成交、直流负载较大差异,输出的检波信号就会在其负峰值附近被切平,形成如图6所示 PSpice仿真的检波负峰切割失真波形。
在PSpice仿真过程中,可以更好地掌握电路各分立元件的参量设置如何影响到电路输出效果,从而避免所设计的电路产生对角线切割失真现象和负峰切割失真现象。通过对电路中电参量波形的测量,易于理解产生各种现象的原因。
4 结 语
利用PSpice分析含小信号调谐放大的集电极调幅及二极管检波电路,通过电路设计目标和元件参数要求及仿真结果来综合体现PSpice电子辅助仿真设计系统应用于通信电子线路仿真的高效性,进而利用电子辅助仿真设计软件提供的可自由开发、设计、检验平台,进行创新性电路设计。
参考文献
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PSpice仿真软件 篇4
1 气体放电管物理结构和原理
气体放电管物理结构如图1所示, 气体放电管的工作原理是气体放电。当两极间的电压足够大时, 极间间隙将被击穿放电, 由原来的绝缘状态转化为导电状态, 类似短路。导电状态下两极间维持的电压很低, 一般在20~50V之间, 因此可以起到保护后级电路的效果。
气体放电管的工作过程可以由图2表示, 当气体放电管两端电压上升到击穿电压时, 放电管击穿进入辉光放电区, 电压维持在辉光电压附近, 随着电流上升到超过弧光转换电流, 放电管进入弧光放电区, 放电管通过电流激增, 电压降低到弧光电压, 随着电压降低到熄弧电压, 放电管恢复到高阻状态, 完成一次放电过程。
2 搭建气体放电管仿真模型
基于上述气体放大管的电气特性, 利用Cadence软件搭建气体放电管Pspice模型如图3。该模型考虑的参数有:直流击穿电压 (90V) ;脉冲击穿电压 (<300V@100V/us、<350V@1k V/us) ;辉光电压 (60V) ;弧光电压 (15V) ;熄弧电压 (20V) ;弧光转换电流 (500m A) ;绝缘电阻 (1G欧) ;间隙电容 (1p F) 。
电路中, 端口1、2代表气体放电管的两极, C1代表间隙电容, R5代表绝缘电阻, E2为60V稳压, E4为15V稳压, R4为放电管击穿电阻。
电路工作时, E1取端口1、2电压差的绝对值, S4根据该压差断开或导通, 设置S4合理的Ron和ROFF使其对C2的充电用于模拟直流击穿和脉冲击穿的响应时间。S1设置为90V导通, 当S1导通时, R4接入到电路中, 此时S2也导通, 电路稳压在60V, 随着流过R4的电流增大, 当大于弧光转换电流时S3导通, 电路稳压到15V上, 当电压降低到熄弧电压, 放电管恢复绝缘状态。
3 气体放电管仿真结果
3.1 直流击穿仿真
在仿真模型两端施加50Hz, 幅度100V的交流电, 其仿真结果如图4所示, 可以看到在电压上升到90V时, 气体放电管击穿, 进入辉光区, 电压稳定在60V, 当电流超过弧光转换电流后进入弧光放电区, 电压稳定在15V, 当电压低于20V时, 放电管恢复到绝缘状态。
3.2 脉冲击穿仿真
对于一个400V的8/20us冲击波形 (电压上升率约100V/us) 进行仿真, 其结果如图5, 在约3us时电压冲击到270V左右放电管导通, 电压稳定在15V, 与器件参数一致。
对于一个4k V的8/20us冲击波形 (电压上升率约1k V/us) 进行仿真, 其结果如图6, 在约0.5us时电压冲击到340V左右放电管导通, 电压稳定在15V, 与器件参数一致。
4 结论
该模型仿真结果与器件参数特性一致性较好, 能够用于器件的电路仿真, 可以满足使用要求, 但该模型未考虑温度对放电管的影响。该模型也可以通过修改参数, 适用于其它参数的气体放电管。
参考文献
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PSpice仿真软件 篇5
关键词：改进型蔡氏电路,PSPICE仿真,混沌同步,保密通信
混沌保密通信的研究在国际上起源于20世纪90年代, 主要是借助混沌现象的初值敏感性和长期运动的貌似随机性等特点, 利用混沌信号的自身不可预测等特性, 将传输信号隐藏在混沌信号载波之中, 同时接收端采用混沌同步解调出所传输的信息。因此混沌信号的产生电路和收发双方的混沌同步是整个保密通信系统实现的关键, 一直是信息科学界关注和研究的热点和重点[1,2]。在混沌电路的实现上, 国内外已经提出了许多新的方法来设计各种不同类型的混沌系统, 如蔡氏电路、陈氏电路、Liu混沌系统、洛仑兹混沌电路等[3,4,5,6]。而蔡氏电路作为迄今为止在非线性电路中产生复杂动力学行为的最为有效而简单的混沌振荡电路, 已成为众多研究者研究混沌的首选。由于蔡氏电路结构简单, 对电路做少量的改进即可得到具有更好特性的新型混沌电路, 在如此的氛围下, 人们先后设计出了蔡氏电路的多种实现形式[7,8]。本文介绍一种新的改进型蔡氏电路, 改进后的电路可将原蔡氏电路的状态三维提高到四维, 使产生的混沌现象更加复杂, 且更容易实现混沌控制和同步, 因而更适合用于保密通信之中。
1 改进蔡氏电路的数学模型
本文介绍的四阶变形蔡氏电路, 是在蔡氏电路的L臂上加入RC并联电路, 使电路状态由三维提高到四维。当蔡氏电路的参数保持不变时, 通过改变这个并联电路中的滑动变阻器R3或电容C3即可得到不同的混沌现象, 并且这种变型蔡氏电路比蔡氏电路更易实现混沌的控制和同步, 即有更高的鲁棒性。其电路如图1所示。
根据基尔霍夫 (Kirchhoff) 定理, 由图1可得到
其中, , VC1, VC2和VC3分别是电容C1, C2和C3上的电压, iL是通过电感L上的电流, g (VC1) 为蔡氏二极管NR伏安特性的多项式,
式中, y为蔡氏二极管的折点电压, Ga和Gb分别为蔡氏二极管NR伏安特性内外线段的斜率, 其特性曲线如图2所示。为便于讨论, 可取x, y, z和w为状态变量, 则式 (1) 简化为如下无量纲形式:
蔡氏二极管伏安特性曲线如图2所示[9]。其实现的方法很多, 此处采用双运放的方式实现, 通过PSPICE模拟得到蔡氏二极管伏安特性如图3所示。
2 改进蔡氏电路的混沌仿真
根据改进型蔡氏电路图1的电路原理, 取具体参数为:E=2 V, C1=10 n F, C2=100 n F, C3=50μF, L=18.46 m H, R=1.62 kΩ, R3=100Ω。用PSPICE软件设计仿真电路图仿真, 分别作X-Y相位图、X-Z相位图、Y-Z相位图如图4所示。X、Y、Z各变量时域波形如图5所示。
图4显示了电路各状态变量的相平面图, 图5显示了各状态变量的时域波形。对比原三阶蔡氏电路产生的混沌信号[10], 该电路却能产生比原三阶蔡氏电路更加复杂的混沌行为。
此电路不仅可以通过改变RC电路的电容C3和滑动变阻器R3的值使混沌变得更加复杂, 还可以消除混沌, 得到稳定的周期信号。例如, 改变参数取C3=1μF, R3=1 kΩ后得到的相位图如图6所示。
3 改进蔡氏电路的混沌同步
3.1 混沌同步原理
采用驱动响应法对系统进行混沌同步[10], 其电路原理图如图7所示。A和B是2个相同的四阶变形蔡氏电路, A为驱动电路, B为响应电路, A和B通过C部分耦合。C部分包括由1个运放构成的隔离器和1个耦合电阻R0, 如图7所示。
对图7中的A和B部分都做同样的数学模型提取, 为方便讨论, 取x, y, z, w和x', y', z', w'分别为驱动电路和响应电路的状态变量, 若只选用一对变量x和x'进行耦合, 现令P=x-x', q=y-y', m=z-z', n=w-w', p, q, m和n作为同步误差, 并假定a≤s≤b, 可以得出其状态矩阵方程
其中, 矩阵A为
, 代入参数α=10, β=14.122 9, γ1=16.2, γ2=0.002, 得到A的特征式为
其中, 各项系数为
要使误差系统稳定, 根据赫尔维茨定理, 需要特征式各项系数为正, 且满足以下2个条件
由于a≤s≤b, 即-1.166≤s≤-0.6, 在此范围内讨论, 可以得到, 若δx>10.1, 则可以满足式 (6) 从而使系统同步。
通过以上分析证明了达到电路混沌同步的可能性, 推导出了使电路达到混沌同步的充分条件。
3.2 改进型蔡氏电路的混沌同步
根据改进型蔡氏电路的原理构建电路图7, 耦合电路仿真得到结果如图8所示, 各状态变量仿真如图9所示。
由上图8可以看出, 驱动电路和响应电路的各相应状态变量波形基本上相同, 表明此混沌响应系统达到了同步。图9中显示出了各相应状态变量的同步相图。可以观察到各相图都是过原点的斜率为1的直线, 仿真表明各相应状态变量达到了同步, 证明了电路同步的可行性。
4 同步混沌保密通信的实现
同步混沌保密通信系统的原理图如图10所示。在发送端, 驱动混沌电路产生2个混沌信号U和V, V用于加密明文信息M, 得到密文C, 混沌信号U可视作一个密钥, 和密文C一起被传送出去;在接收端, 同步混沌电路利用接收到的驱动信号U, 产生出混沌信号, 再用信号去解密解收到的密文C, 从而恢复消息M。
根据图10保密通信系统模型, 构建实验电路, 选取状态X作为混沌信号。仿真结果如图11所示。
图11中, 原信号选取的是频率为50 Hz、幅值为10 m V的方波, 加密信号选取X作为加密信号, V (S_out) 为通过解密后的信号。从图11中可以看到, 解密信号与输入信号形状基本相同。此处考虑到数字信号的抗干扰能力强的特点, 只使用了简单的输出端滤波方式。所以在解调后输出方波信号含有丰富的高频成分, 尽管在方波的高电平期间出现了一些毛刺, 上升沿和下降沿也不如原始信号陡峭, 但并不影响信号的真实性, 能满足要求。所以对于数字信号, 可以采用此混沌电路来实现加密通信。
5 结束语
通过以上分析和仿真可知, 本文提出的这种蔡氏电路的改进型混沌电路, 改进后的混沌电路将电路由三阶提升为四阶, 改进后电路产生的信号混沌特征更加复杂, 电路混沌行为变得更加可控。通过采用驱动响应法对电路模拟仿真, 验证了改进型蔡氏电路混沌同步和保密通信的可行性, 证明了改进后电路更适用于混沌保密通信中。
参考文献
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PSpice仿真软件 篇6
SPICE是一个功能强大的通用模拟和混合模式电路模拟器,它主要用来验证电路设计以预测电路功能。这对于集成电路是尤其重要的。就是因为这个原因,在加州大学伯克利分校的电子研究工作实验室SPICE问世了,正如它的名字的意义:Simulation Program for Integrated Circuits Emphasis[1]。
PSpice是PC版本的SPICE(来自于OrCAD Corp. of Cadence Design Systems, Inc.). 虽然最初是用来做IC设计,但是由于低成本运算以及稳定设计的推动,越来越多的电路和系统设计人员已经意识到了模拟电路仿真的优点。这样,有源器件的器件模型要求就得以重新考虑,所以现在很多半导体公司已经提供适当的SPICE模型作为技术支持职能的一部分。
PSpice有嵌入式运算法则或者模型用来描述很多器件的功能。一系列模型参数用来描述嵌入式模型的功能。我们可以通过应用PSpice模型语法[2]设置所有或者任何一个模型参数来定义一个基于嵌入式模型的器件。
1达林顿晶体管的PSpice建模
PSpice模型编辑器[3]是一个模型提取器,在仿真过程中用来对PSpice模/数产生模型定义。描述模型特点最常用的方法是对每一个器件特性输入数据表信息。我们对每一个特性满意之后,我们可以用模型编辑器估测(或者提取)相应的模型参数并产生特性曲线图表。这称为成型流程。通常,我们总是重复这个过程,直到我们得到满意的结果并保存他们。模型编辑器生成模型库,模型库包含适当的模型和子电路定义。
达林顿晶体管[4](也常称为一个达林顿对)是一个半导体器件,它包含两个双极晶体管,所以电流放大器第一次放大后又进一步得到第二次放大[5]。总的电流增益相当于两个单个增益一起的乘积:
达林顿对电流增益,hFE=hFE1×hFE2
(hFE1和hFE2分别是单独晶体管的增益,这里hFE=I(CollectorCurrent)/IBaseCurrent)
这样达林顿晶体管就有了一个非常高的增益,比如10000,所以只需要一个非常小的基极电流就可以导通达林顿晶体管[6]。
一个达林顿晶体管的表现就像一个拥有非常高的电流增益的单独晶体管一样。它有三个引脚(B,C和E),这等同于一个标准单独晶体管的三个引脚。最大的集电极电流Ic(max)等同于T2的Ic(max),T2即下图1中的第二个晶体管。
当关掉一个达林顿晶体管时,图中的电阻用来减少转换延迟。
建模一个达林顿晶体管,我们取芯片TIP120的数据表作参考。就像我们上面提到的,我们从这个器件数据表输入的信息通过模型编辑器转换,可以转换为用PSpice模型语法设定的参数模型组,或者PSpice SUBCKT语法生成的支电路网表,然后保存这些定义到模型库,这样当需要仿真模型的时候PSpice就可以搜索到了。
模型定义完成之后,我们就可以为一个达林顿对创造部件,如图2所示:
2 PSpice对达林顿晶体管TIP120仿真的典型特性
要分析TIP120的典型特性,我们采用图1的等效电路,这里根据TIP120的数据表R1=8KΩ,R2=0.12KΩ。
由于达林顿晶体管常被用来放大弱小信号从而弱小信号可以清晰地被另一个电路或者计算机/微处理器探测到,用来评估电流增益(hFE)特性。PSpice仿真结果如图3所示。
同时,集电极电流电性能vs.输入电流在不同集电极-射极饱和电压状态下,集电极-射极饱和电压和集电极电流的关系仿真结果分别如图4图5所示。仿真结果显示和TIP120[7]的数据表非常匹配。
3结论
从TIP120提取出来的PSpice模型和以上PSpice的仿真结果显示,我们可以得出结论,PSpice程序对电机工程业内人士真的是一个非常有用的研究工具。它允许我们仿真单独元器件和电子电路,进行大量不同的电路验证和电路性能预测的分析。它是如此灵活而且一般又这么稳定,所以很多工程师把它用作“软件示波器”。
但是,SPICE仿真的结果是否理想,很大程度上取决于仿真中元器件模型和器件参数。电子行业技术发展日新月异,而且器件特性又差别如此大,所以只用默认参数是不能有效反映器件特征的。如果在一个SPICE仿真中应用了错误的器件参数或模型,那么所有计算机的威力就浪费掉了,正如一句老的谚语:“输入是垃圾,输出也是垃圾”[8]。
摘要：达林顿晶体管的PSpice建模优化是在室温下完成的,一些典型的NPN达林顿对的电子特征是基于芯片TIP120仿真的,比如在不同的集电极-射极饱和电压状态下的电流增益(hFE),集电极电流vs,输入级电流,以及集电极-射极饱和电压和集电极电流之间的关系。
关键词：PSpice建模,达林顿晶体管,电流增益,集电极电流
参考文献
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[2] OrCAD PSpice, 2001,144.
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[4] High Gain Latching Darlington Transistor[J].United States Patent 4295059,2001.
[5] Interaction of Capacitive and Resistive Nonlinearities in Chua’s Circuit[J].Analog Integrated Circuits and Signal Processing,1997,12:239-253.
[6] http://www.kpsec.freeuk.com/trancirc.htm.
[7]TIP120/121/122 Datasheet,P2,Fairchild Semiconduc-tor,2001.
PSpice仿真软件 篇7
振荡器是一种能自动将直流电源能量转换为交变振荡信号的转换电路, 无需外加激励信号, 就能产生频率、波形、幅度完全由电路自身参数决定的交流信号。正弦波振荡器作为信号源被广泛应用于各种电子设备中。如广播、电视、无线通信中用来产生载波信号;电子测量和自动控制系统中用来产生基准信号。
随着微电子技术、大规模集成电路和计算机技术的迅猛发展, 电子产品研制和开发都采用了计算机辅助分析和设计 (CAA/CAD) 技术, 实现了电子设计的自动化 (EDA) 。Cadence公司的OrCAD/PSpice就是其中功能强大的一种专用电路仿真软件。它可以对给定参数的众多元器件构成的电路进行直流分析、交流小信号分析、瞬态分析、参数扫描分析和蒙特卡罗 (Monte Carlo) 分析及最坏情况 (Worst Case) 分析, 在电路设计的初级阶段进行功能和性能的验证, 取代了大量的仪器仪表和手工计算。本文结合具体电路对PSPICE仿真过程做一个深入探讨, 对电子电路特性进行仿真分析, 为电路优化设计提供可靠的理论依据[1,2,3]。
1 典型的正弦波振荡电路
1.1起振条件和平衡条件
反馈型振荡器 (Feedback Oscillator) 是基于放大与反馈的机理而构成的, 主要由主网络与反馈网络构成一个闭合环路。
其中主网络开环放大倍数为:
undefined. (1)
反馈网络的反馈系数为:
undefined. (2)
环路增益为:
undefined. (3)
则电路闭环放大倍数为:
undefined. (4)
其中undefined、undefined、undefined、undefined分别是反馈电压、输入电压、输出电压和激励源。建立振荡的振幅起振条件为undefined;相位起振条件为φT (w) =2nπ。因为放大器的非线性, 随着振幅增大, 放大器增益下降。当环路增益undefined时, 振荡器达到平衡进入等幅振荡状态, 实现自激振荡。
1.2 电容三点式振荡电路设计
图1所示为利用反馈原理设计的一个电容三点式振荡器, 又称考毕兹振荡器。
图中晶体管放大电路构成主网络, 直流电源对电路提供偏置, 偏置电压经过直流工作点分析在电路中表示出来。LC并联谐振回路构成正反馈选频网络, 其中C1、C2和Ce分别为高频耦合电容和旁路电容, C3、C4为回路电容, L1是回路电感。在不考虑寄生参数的情况下, 根据正弦振荡的相位条件, 振荡频率计算公式为:
undefinedMHz. (5)
其中undefined
C4端接回基极构成正反馈, 反馈系数为F=C3/C4。电容三点式振荡器的优点为电容对晶体管非线性特性产生的高次谐波呈现低阻抗, 所以反馈电压中高次谐波分量很小, 因此输出波形接近于正弦波。
2 电路的仿真分析
2.1起振过程振荡曲线分析, 即电路的瞬态分析 (Time Domain Transient)
在Capture CIS中绘制电路的原理图如图1, 各元件参数如图中所示。对波形发生电路进行时域仿真就是仿真电路的输出波形, 因此应选择瞬态分析方式。仿真时间选择5 us, 并设置Maximum step (最大步长) 为10 ns, 以输出光滑的振荡波形。执行仿真分析命令, 可以在Probe中清晰地看出正弦波发生电路的起振过程。
图2即为out点输出波形, 从中可见起振时间约为1.0 us。根据仿真波形分析起振过程如下:在刚接通电源时电路中存在各种扰动, 这些扰动均具有很宽的频谱, 但是只有频率近似为LC选频网络谐振频率f0的分量才能通过反馈网络产生较大的反馈电压。由于环路增益T>1, 经过线性放大和反馈的不断循环, 振荡电压会不断增大。然而由于晶体管的线性范围是有限的, 随着振幅的增大放大器逐渐进入饱和区或截止区, 增益逐渐下降[4,5]。当放大器增益下降而导致环路增益下降到1时, 振幅增长过程停止, 振荡器达到平衡, 进入等幅振荡状态。
改变横坐标将波形放大, 利用标尺功能测得波形极大点时间坐标如图3中所示。通过计算可发现波形周期不稳定:B-A=2.303 3-2.190 5=0.112 8 us, C-B=2.409 3-2.303 3=0.106 0 us, D-C=2.510 7-2.409 3=0.101 4 us, E-D=2.621 0-2.510 7=0.110 3 us;即波形频率f0稳定度不高f0=1/T≈4/ (E-A) =9.29 MHz。与理论计算值比较, 频率的失真主要是因为电路非理想特性的影响, 如晶体管内部参数、分布电容、分布电感等。
2.2波形的频域分析, 即傅立叶分析 (Fourier Analysis) 和傅立叶变换
正弦振荡电路产生的正弦波总是存在非线性失真, 即振荡输出正弦波中除了基波之外还存在着各次谐波。仿真分析非线性失真可以利用傅里叶分析的功能。Probe的傅里叶变换是对信号波形的所有数据均进行快速傅里叶变换 (FFT, Fast Fourier Transform) , 并将结果以曲线形式显示出来。对图2的输出波形点击Trace/Fourier菜单命令, 屏幕显示傅立叶变换的幅频特性如图4所示。利用标尺功能测得频率为9.500 0 MHz时的谐波分量幅值最大为4.355 3 V。
若需查看具体的傅里叶系数, 还应在PSPICE中设置傅里叶分析。在瞬态分析中选中傅里叶分析 (Perform Fourier Analysis) , PSpice傅里叶分析是以瞬态分析结束前一个周期内的仿真结果为基础进行分析, 并且这里的周期是由在傅里叶分析时设置的参数所决定的, 即用户给定的“Center” (中心频率或称基波频率) 的倒数。
设置基波频率为9.50meg (MHz) , 谐波次数为默认值9, 输出变量为V (out) 。谐波失真度定义为各次谐波分量总的有效值与基波分量有效值之比, 即
undefined. (6)
谐波失真度越大说明振荡波形的非线性越严重。
在执行分析后打开输出数据文件, 可以查看傅里叶分析所得出的具体数据如表1所示。从表中可见基波成分最强, 其幅值为4.296 V。而总的谐波失真系数为1.764492E+01 PERCENT。
3 改进型电容三点式振荡电路
由以上研究已知电路振荡频率不仅取决于LC回路, 还与电路寄生参数等非理想特性有关。晶体管极间电容分别与两个回路电容并联, 从而影响振荡频率;晶体管的参数又随环境温度、电源电压的变化而变化, 因此其频率稳定度不高[6,7]。为了提高图2振荡电路的频率稳定度, 可对电路做如图5所示的改进。
由于极间电容分别与C3、C4并联, 所以为了减小晶体管与回路的耦合, 加大回路电容C3、C4的值, 同时为了不影响振荡频率在回路中增加一个与L串联的电容C5。各电容取值须满足C3>>C5, C4>>C5。在须要改变振荡频率时如果调节C3会引起振荡幅度下降, 难于起振, 为解决这一矛盾, 在电感两端并联一个小的可变电容C6。这样回路等效电容C∑≈C5+C6, 于是undefined。由此可见, 电路的频率几乎与C1、C2无关。
从图6中可以看出周期稳定性明显增强:B-A=150.701-150.617=0.084 us, C-B=150.787-150.701=0.086 us, D-C=150.871-150.787=0.084 us, E-D=150.955-150.871=0.084 us, 即频率稳定度明显提高一个数量级。
4 结束语
本文利用正反馈原理设计了典型的电容三点式振荡电路, 并在此基础上对电路进行了改进, 以提高振荡波形的频率稳定度。通过基于OrCAD/PSpice的仿真分析, 以图像可视化的方式显示了电路起振过程及输出波形, 并通过仿真验证了改进的效果, 电路输出波形好, 谐波分量小, 达到了预期效果。基于PSpice的电路仿真设计快捷、直观, 避免了传统设计方法为了确定元件参数进行的复杂运算。
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