非线性10电路软件仿真方法文档格式.docx
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通用程序设计高级语言如VB、VC等通用软件。
考虑到进行非线性电路设计时涉及到许多方面的需要,仅靠专用电路仿真软件不能满足实际需要,毕竟现代非线性电路是一门新兴的科学技术分支,又是交叉科学学科,专用电路仿真软件与通用编程软件结合使用能够满足实际需要。
程序设计语言软件一般说来具有一定程度的优势。
但是通用程序设计语言要求使用者有较高的编程能力,并且付出的代价很高,对于一般用户来说比较困难。
程序设计语言MATLAB,通用软件,可以理解为超高级通用编程语言,它功能强大,内部有很多子程序库、专用功能模块等,有功能强大的仿真子软件,并且具有开放性,是目前研究非线性电路最理想的软件。
任何一个软件都有一定的局限性,很难找出一个满足所有用户要求的软件,对某一个软件用得很专是一个办法,广泛地使用多种软件也是一个办法。
现在的非线性电路研究工作者使用的软件五花八门,读者要根据自己的实际情况确定使用哪几个软件,不能强求一致。
现将常用软件在非线性电路仿真方面的应用情况列表如下。
表10-1非线性电路仿真软件特点对比一览表
软件名称
功能原理图
电路原理图
波形图
相图
频谱图
蓬氏截面
管理界面
Lyap指数
Protel
好
最好
无
Pspice
很好
EWB
VewSystem
Matlab
VB
编程技巧
VC
第二节EWB电路仿真方法
一、EWB功能概览
EWB(ElectronicsWorkBech)电路设计软件[155,156]是以模拟软件SPICE3F5为核心并在其基础上发展而来的,EWB是一种强大的设计软件,它除具有界面形象直观、操作方便、采用图形方式创建电路的特点外,还提供了多种虚拟仪器,使用者使用虚拟仪器对电路进行仿真实验如同置身于实验室使用真实仪器调试电路环境。
本节较详细地介绍EWB。
使用EWB进行电路设计与仿真非线性电路的工程设计流程如图10-1所示。
图10-1使用EWB仿真电路设计流程图
熟悉EWB的读者可以跳过这一部分,直接阅读“二、用EWB仿真混沌电路与混沌通信”。
当使用者启动EWB后,出现如图10-2所示的工作窗口,它可提供完整的设计功能,此窗口由菜单﹑常用工具按钮﹑元件选取按钮和原理图编辑窗口组成。
图10-2工作窗口
从图中可以看到,窗口的上面是菜单栏、工具栏和元器件库栏,与PSPICE的窗口有相似的部分,而在原理图编辑窗口中,不仅有电路并增添了所需用的虚拟仪器,这使得EWB模仿了一个实际的电子工作台,当电路与虚拟仪器连接后,就可以进行仿真、测试等工作。
界面窗口各部分介绍如下:
(一)、菜单栏:
主要有文件、编辑、电路、分析、窗口、帮助等菜单组成。
(二)、工具栏:
EWB电路设计窗口提供了周密而方便的界面与各种功能图标,尤其是工具栏的设计,更是其它类似设计软件所无法比拟的,其层次化的工具栏菜单与分类说明如图10-3、图10-4所示:
图10-3常用工具
图10-4元器件库
由图10-3、图10-4可见,此主工具栏提供了完整的设计、模拟与分析功能。
它包含电路文件的产生与编辑﹑元件使用的各类功能图标﹑零组件工具的各项图标菜单﹑电路图显示比例、在线帮助及电路启动关门等功能。
下面将图10-4中元件库及各类常用测试仪器分别介绍:
(元件库包含13种元器件库)。
图10-5信号源库图10-6基本器件库
图10-7二极管库图10-8模拟集成电路库
图10-9晶体管库图10-10数字器件库
图10-12逻辑门电路库图10-13混合集成电路库
图10-14控制器件库
图10-15其它器件库
图10-16指示器件库图10-17仪器库
在以后的实验内容中,将分别细述所涉及到的内容。
虚拟仪器的功能与使用
EWB5.0C的仪器库(Instruments)中有数字万用表(Multimeter)、函数信号发生器(FunctionGenerator)、示波器(Oscilloscope)、波特图仪(BodePlotter)、字信号发生器(WordGenerator)、逻辑分析仪(LogicAnalyzer)、逻辑转换仪(LogicConverter)共7种虚拟仪器。
前4种为模拟仪器,后3种为数字仪器,它们均只有一台。
使用时用鼠标器点击仪器库图标,便可弹出仪器库。
然后拖仪器库中某个仪器的图标,再对图标快速双击就可以得到该仪器的面板。
仅允许图标中的端子与电路连接。
数字万用表(Munltimeter)
虚拟数字万用表如同实验室里使用的数字万用表,其图标、面板和参数设置如图10-18所示。
它自动调整量程,能完成交、直流电压、电流和电阻的测量显示,也可以以分贝(dB)方式显示电压和电流。
使用时必须遵循如下原则:
图10-18数字万用表的图标、面板和参数设置
1、测电压时,数字万用表图标的正、负端子应并接在被测元件两端。
2、测电流时,数字万用表图标的正、负端子应串联于被测支路中。
3、测量电阻时,必须使电子工作台“启动/停止开关”处于“启动”状态。
点击数字万用表面板中的“Settings”(参数设置)按钮,就会弹出对话框,从中可以对数字万用表内部的参数进行设置。
表10-2万用表的参数设置
符号
万用表设置
默认值
取值范围(数量级)
R
Ammeterresistance(电流表内阻)
1Ω
PΩ~Ω
Voltmeterresistance(电压表内阻)
1GΩ
Ω~TΩ
I
Ohmmetercurrent(欧姆表电流)
0.01μA
μA~KA
V
Decibelstandard(dB值电平标准)
1V
μV~KV
函数信号发生器(FunctionGenerator)
函数信号发生器是用来产生正弦波、方波、三角波信号的仪器,其图标和面板如图10-19所示。
图10-19函数信号发生器图标和面板
表10-3函数信号发生器的参数设置
参数设置
取值范围
Frequency(频率)
1Hz~999MHz
DutyCycle(占空比)
1%~99%
Amplitude(幅度)
1V~999kV
Offser(偏置)
-999~999kV
函数信号发生器的“+”端子与“Common”端子(公共端)输的信号为正极性信号(必须把“Common”端子与公共地(Ground)符合连接),而“-”端子与“Common”端子之间输出负极性信号。
两个信号极性相反,幅度相等。
使用该仪器时,信号既可以从“+”或“-”端子与“Common”端子之间输出,也可以从“+”、“-”端子之间输出。
须注意的是必须有一个端子与公共地相连接。
在仿真过程中要改变输出波形类型、大小、占空比或偏置电压时,必须暂时关闭电子工作台电源开关。
在对上述内容改变后,重新启动一次“启动/停止”开关,函数信号发生器才能按新设置的数据输出信号波形。
示波器(Oscilloscope)
示波器是用来观察信号波形并可测量信号幅度、频率、周期等参数的仪器。
该仪器的
图10-20示波器图标和面板
图标和面板如图10-20所示。
当点击面板中“Expand”按钮时,可以将面板进一步展开。
1.示波器与被测电路的连接
仅允许示波器图标上的端子与电路测量点相连接。
需要特别注意的是:
仅把函数信号发生器的“Common”端与示波器的接地端相连还不行,必须把“接地”符号与“Common”端子相连才行,否则不能同时显示两个信号波形。
2.示波器时基的设置(调整)
“Timebase”用来设置X轴方向时间基线扫描时间。
“Xposition”表示X轴方向时间基线的起始位置,改变其设置,可使时间基线左右移动。
“Y/T”表示Y轴方向显示A、B通道的输入信号,X轴方向表示时间基线,是按设置的时间进行扫描的。
“B/A”表示将A通道信号作为X轴扫描信号,将B通道信号施加在Y轴上,“A/B”与上述相反。
“Tigger”用来设置X轴触发信号、触发电平及边沿等。
“Edge”设置被测信号开始的边沿。
“Level”设置触发信号的电平,使触发信号在某一电平时启动扫描。
触发信号选择:
自动、通道A、通道B或外触发信号。
“ChannelA”通道A,“Yposition”Y轴的位置,触发耦合方式:
AC交流耦合、0接地、DC直流耦合。
“ChannelB”通道B,“Yposition”Y轴的位置,触发耦合方式:
示波器有两个完全相同的输入通道A和B(ChannelA、ChannelB),可以同时观察测量两个信号。
只要将A、B通道连接导线的颜色进行设置,显示波形的颜色便与导线的颜色相同。
方法是快速双击连接导线,在弹出的对话框中,对导线颜色设置。
表10-4示波器的参数设置
Timebase(时间基准)
0.10ns/Div~1s/Div
Xposition(X轴位置)
-5.00~5.00
Axes(时间轴)
Y/T、A/B、B/A
TiggerLevel(触发电平)
TiggerSignal(触发信号)
Auto、A、B、ext
VoltsperDivision(每格电压)
0.10mV/Div~5kV/Div
Yposition(Y轴的位置)
-3.00~3.00
InputCoupling(输入耦合)
AC、0、DC
点击展开面板右下方的“Reduce”按钮即可将展开面板缩成原来的大小,点击“Reverse”按钮可改变示波器屏幕的背景颜色,点击“Save”按钮存储波形。
波特图仪(BodePlotter)
波特图仪是用来测量和显示一个电路、系统或放大器幅频特性A(f)和相频特性(f)的一种仪器。
类似于实验室的频率特性测试仪(或扫频仪),图10-21是波特图仪的图标和面板。
图10-21波特图仪的图标和面板
波特图仪与电路的连接
从波特图仪的图标可以看到,波特图仪有输入端口(InV+(左端子)、V-(右端子)及输出端口(OutV+(左端子)、V-(右端子)。
输入端口的V+、V-分别连接到电路输入端口的正端和负端,输出端口的V+、V-分别连接到电路输出端口的正端和负端。
由于波特图仪本身没有信号源,所以在使用波特图仪时,必须在电路的输入端口接入交流信号源(或函数信号发生器),对信号源频率设置无特殊的要求。
通过对波特图仪面板中的“Horizontal”(水平坐标)字符下方的频率设置对话框来设置波特图仪频率的初始值I(Initial)和最终值F(Final)。
表10-5波特图仪的参数设置
Basescale
基本刻度
Logarithmic(LOG)、linear(LIN)
(对数刻度、线性刻度)
HorizontalAxisScale横轴刻度
0.001Hz~10.0GHz
VerticalAxisScale纵轴刻度
WhenMeasuring
(测量内容)
UsingtheBase
(使用的基本刻度)
MinimumInitialValue(最小初值)
MinimumFinalValue(最大终值)
Magnitude(gain)
Logarithmic
-200dB
200dB
linear
10e+9
Phase
-720
720
字信号发生器(WordGenerator)
字信号发生器是一个能够产生16路(位)同步逻辑信号的仪器,可用来对数字逻辑电路进行测试,又称为数字逻辑信号源,其图标和面板如图10-22所示。
图10-22字信号发生器图标和面板
1.字信号发生器与电路连接
字信号发生器图标下沿有16个输出端口。
每一个端口都可连接到电路的输入端。
字信号发生器输出端口的输出电压范围为低电平0V,高电平4~5V,输出电流取决于电路的输入电阻。
由于字信号发生器没有公共输出端,故电路公共端要连接地符号(单独测量电压时,电压表另一端也必须连接地符号)。
2.字信号的写入(编辑)
在面板图最左侧是字信号编辑区,16位的字信号以4位十六进制形式进行编辑和存放。
编辑区地址范围为0000H-03FFH,共计1024条字信号。
若要求编辑区内的显示内容上下移动,利用鼠标器移动滚动条即可实现。
用鼠标器单击某一条字信号即可实现对其的定位和写入或改写。
此时“Address”(字信号地址编辑区)中的“Edit”框中立即显示其16位的地址编号。
3.字信号地址编辑区的设置
“Address”为字信号地址编辑区。
其中“Edit”表示正在编辑的那条字信号的16位地址。
当启动字信号发生器对外输出时,“Current”表示正在输出的那条字信号的地址。
当停止输出后,可对其改写。
“Inital”和“Final”分别表示输出信号的地址初值和终值,设置后,字信号从初值开始逐条输出。
4.字信号输出方式
“Cylce”(循环)表示字信号在设置的地址初值到终值之间周而复始地以设定频率输出。
“Burst”(单帧)表示字信号从设置的地址初值逐条输出,输出到地址最终值便自动停止输出。
“Step”(单步)表示鼠标点击一次,输出一条字信号。
“Cylce”和“Burse”输出方式的快慢,可通过“Frequency”(输出频率)输入框中设置的数据来控制。
“Breakpoint”(断点)用于设置中断点。
在“Cylce”和“Burst”方式中,要想使字信号输出到某条地址后自动停止输出,只需预先点击该条字信号,再点击“Breakpoint”按钮。
利用“Breakpoint”按钮也可以设置多个断点。
当字信号输出到断点地址而暂停输出时,可单击“Pause”按钮或按F9键来恢复输出。
当需要清除设置的断点地址时,打开“Pattern”对话框,点击“Clearbuffer”(清除字信号编辑区)按钮即可。
5.触发方式
当选择“Internal”(内部)触发方式时,字信号的输出直接受输出方式按钮“Step”、“Burst”和“Cylce”的控制。
当选择“External”(外部)触发方式时,必须接入外触发脉冲信号,而且要设置“上升沿触发”或“下降沿触发”,然后单击输出方式按钮。
只有外触发脉冲信号到来时才启动信号输出。
在图标右端的“数据准备好输出端”用于输出与字信号同步的时钟脉冲。
6.“Pattern”对话框
点击“Pattern”按钮,弹出如下图所示的对话框,点击该对话框中的“Clearbuffer”按钮,则清除字信号编辑区内设置(存放)的全部内容(含设置的断点地址),字信号内容全部恢复为0000H。
图10-23字信号发生器
“Open”表示打开字信号文件(存有字信号内容)。
“Save”表示将字信号文件存盘,字信号文件的后缀为“.DP”。
“Upcounter”表示在字信号编辑区地址范围0000H-03FFH内,其内容按0000,0001,0010,…的顺序,以逐个向上的递增方式进行编辑。
“Downcounter”表示在字信号编辑区地址范围0000H-03FFH内,按03FF,03FE,03FD…的顺序,以逐个向下递减方式进行编码。
“Shiftright”(右移方式编码)表示字信号按8000,4000,2000,1000,0800,0400,0200,0100…的顺序进行编码。
“Shiftleft”(右移方式编码)表示字信号按0001,0002,0004,0008,0010,0020,0040,0080…的顺序进行编码。
逻辑分析仪(LogicAnalyzer)
逻辑分析仪可以同步记录和显示16路逻辑信号,可用于对数字逻辑信号的高速采集和时序分析。
逻辑分析仪的图标和面板如图10-24所示。
1.逻辑分析仪与数字电路的连接
图标右侧从上至下16个端口是逻辑分析仪的输入信号端口,使用时连接到电路的测量点。
面板图中“Clock”下方的“Ser…”按钮为“采机时钟设置”按钮。
当点击“Set…”按钮后,将打开“Clocksetup”(采样时钟设置)对话框。
如果将对话框中的“Clockmode”项设置为“External”时,图标中的“外时钟输入”端口必须接一外部时钟,否则逻辑分析仪不工作。
图10-24逻辑分析仪的图标和面板
2.对逻辑分析仪面板图的说明
面板图最左侧16个小圆圈代表16个输入端,小圆圈内以“0”或“1”符号实时显示各路输入逻辑信号的当前值。
被采集的16路输入信号以方波形式显示在屏幕上。
当改变输入信号连接导线的颜色时,显示波形的颜色立即改变。
面板图中“Clockperdivision”用于设置时间基线刻度。
当波形拥挤而看不清楚时,可将时间基线设置得低一些。
拖读数指针上部的三角形可以读取波形的逻辑数据。
其中T1、T2分别表示读数指针1、读数指针2,离开时间基线零点的时间,T2-T1表示两读数指针之间的时间差。
逻辑转换仪(LogicConverter)
逻辑转换仪在实验室里是不存在这样的实际仪器的。
逻辑转换仪的图标和面板图详见图10-25。
图10-25逻辑转换仪的图标和面板图
逻辑转换仪的功能:
(1)将逻辑电路转换成真值表。
(2)将真值表转换成逻辑表达式。
(3)将真值表转换成简化表达式。
(4)将逻辑表达式转换成真值表。
(5)将表达式转换成逻辑电路。
(6)将逻辑表达式转换成与非门逻辑电路。
二、EWB仿真混沌电路与混沌保密通信电路
1、EWB仿真非线性负电阻电路
非线性负电阻电路的伏安特性测量方法与测量结果都很重要。
它的测量方法很多,例如,在非线性负电阻电路的输入端串联一个取样电阻,再接到一个电压源上,通过测量取样电阻的电压间接测出被测电路的电流,这样得到被测电路的一对电压与电流值,通过改变电压源的电压值,得到一组被测电路的电压与电流值,用这样的方法测出被测电路的伏安特性曲线。
这种方法原理简单,测量与数据处理麻烦。
下面用EWB仿真方法实现这一测量目的。
被测电路是图10-26中以两个运算放大器及其外围电路构成的非线性负电阻电路。
这个测量电路使用了一点技巧,是使用了一个0.01Ω的小电阻。
测量原理是:
被测电路由图中左边两个运算放大器及其外围电路组成,因为目的是测量它的伏安特性曲线,所以使用如下测量方法:
将被测电路的输入端串联一只小电阻(0.01Ω)作为取样电阻,取样电阻前面加信号源,信号源输出锯齿波,由三角波占空比99%实现。
因为取样电阻很小,可以认为加于电阻左端的电压就是加于被测电路的电压,流过取样电阻的电流就是流过被测电路的电流。
为了测量流过被测电路的电流,将取样电阻上的电压通过一个测量电路转换成对地电压,如图中上面右侧的3个运放电路。
示波器使用双通道,一通道测量信号源的电压,一通道测量取样电阻的电压,这样测量出被测电路的伏安特性曲线。
电路运行结果全景如图10-26所示。
由图看出,输入锯齿波是很清楚的,但是输出电压波形不很清楚,在输入电压改变的过程中,输出较乱,但是在输入线性变化的过程中显示出清晰的非线性负电阻特性。
仿真设置为信号源为三角波,频率1Hz,占空比99%,幅度1V,示波器左通道灵敏度1V,右通道灵敏度2mV。
仿真电路、仿真设置与显示结果全景仍如图10-26所示,仿真曲线放大后如图10-27所示,与理论曲线
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