【仿真模型】05-电压源与电流源 - 嘉立创EDA开源硬件平台

立创EDA仿真课堂-电压源与电流源

      电压源和电流源都是理想化的电路模型，常用于电路原理的论证。通过各自 下拉框选择合适的电压源或电流源给电路供能。这一类电压源和电流源也称为 “独立电源”。

      理想电压源指的是其两端总能保持一定的电压而不论流过的电流为多少，电压恒定不变通过的电流取决于它所联结的外电路的电源。实际电压源等效与理想电压源与一个电阻串联，若内阻 R0 为无穷小，或远小于电压源外界电阻时，电压源就可以认为是一个理想电压源。电路如下：

      理想电流源指的是输出的电流恒定不变，直流等效电阻无穷大，交流等效电 阻无穷大的电。若内阻 R0为无穷大，或远大于电压源外界电阻时，电流源就可以认为是一个理想电源。实际电流源等效于理想电流源与一个电阻并联，其电路如下所示：

      下面将在立创EDA仿真模式中介绍每一个电压源与电流源的配置及使用说明，由于电压源与电流源配置方法一样，以电压源为例进行讲解，大家可自行演示电流源的具体配置功能。

 

一、直流源（DC）

      配置语法：DC（[直流参数] [AC幅度] [AC相位]）

      直流信号源，一般用于电源供电使用。在基础库的电源库中找到电压源或电流源直接放置在画布中，根据设计需要设置直流电压参数或者电流参数，AC幅值与相位默认为0，在使用过程中注意电压与电流流向。

 

二、正弦源（SIN）

      配置语法：SIN（[直流偏移] [振幅] [频率] [延时] [阻尼因子] [相位] [AC幅度] [AC相位]）

      正弦源即交流源。交流源在仿真时用得非常广泛，可以代替函数发生器产生一个交流信号。以下举一些常用的交流源设置案例供大家学习：

（1）模拟家用220V交流电

      模拟家用220V交流电是常用到的仿真操作，设置方式为：在画布中仿真一个电压源或电流源，然后鼠标选中，在右侧属性栏内设为正弦源，也可以在基础库中通过下拉找到正弦源直接放置。由于家用220V是交流有效值，电压源设置的为幅值，万用表显示的数据也为有效值，若要模拟实际家用电源时，应将振幅设为311V左右，频率为50Hz，其它几项置空即可。

（2）移相90°波形

      如何对波形进行移相呢，根据正弦波配置语法可知，只要在相位[deg]位置填写需要偏移的角度就可以了，可以填正数也可以填负数。看看下面的例子：

      产生一个振幅为1V，频率为1KHz的正弦波Sin1，配置如下：

          SIN(0 1 1k 0 0 0)

      将波形相位前移90°的正弦波Sin2设置如下：

            SIN(0 1 1k 0 0 -90)

（3）延时产生指定数量周期波形

      延时这个功能好做，根据语法只需要在延时栏内输入需要延时的时间即可，默认单位为S（秒），可以根据语法没有说明如何产生固定数量的波形，其实波形的数量是被省略了的，可以理解为正常情况下不限波形周期数量，如果要限定只需要在设置语法后面加上显示周期即可。

      产生一个一个延时1ms，振幅为1V，频率为1KHz的正弦波Sin3，配置如下：

            SIN(0 1 1k 1m 0 0)

      将Sin3波形前两个周期显示出来的正弦波Sin4设置如下：

            SIN(0 1 1k 1m 0 0 2)

（4）设置阻尼因子

      阻尼因子设置是很容易被忽略掉的，常有同学在学习仿真时没有留意阻尼因子，看着产生的波形越来越小不知所措，阻尼因子在这里就起着一个阻碍作用，使我们的波形按照一定比例进行缩减直至为0。阻尼因子=1/τ，其中τ为时间常数，一起来看看下面三个仿真设置:

      Sin5的波形设置为一个振幅为1V，1KHz，阻尼因子为1/1000的正弦波，而V+和V-电压探针分别测量电容为初始状态1V和-1V时的状态。由于电阻R等于1K，电容C等于1uF，电容充放电时间常数τ=RC=0.001，与正弦源设置阻尼因子设置一致。仿真波形如下：

 

三、脉冲源（PULSE）

      配置语法：PULSE（[初始值] [脉动值] [延时] [上升时间] [下降时间] [脉冲宽度] [脉冲周期][AC幅度] [AC相位]）

      既然是脉冲源，那占空比就固定了是50%了，如果要产生任意占空比的方波的话那就用函数发生器吧~但脉冲波的好处是可以产生各种样式的波形，比如梯形波、三角波、锯齿波等。

（1）基础脉冲配置

      根据配置语法，我们可以先来配置一个脉动值为1V，周期为500Hz的方波，然后复习一下前面说的延时显示以及固定周期显示的功能。

      方波Pulse1需要设置一个尽可能小的上升时间和下降时间，这里设为了1ns，半个周期及脉冲宽度设为1ms，周期为2ms，配置如下：

             PULSE(0 1 0 1n 1n 1m 2m)

      将方波Pulse1延时2s再设置只显示两个周期的方波Pulse2波形配置如下：

            PULSE(0 1 2m 1n 1n 1m 2m 2)

      仿真波形图如下所示：

（2）特殊脉冲配置

      前面说到脉冲波可以设置为梯形波、三角波和锯齿波，其实这里面的窍门就在于上升时间与下降时间的配置，如果把上升下降时间设置得足够小，那么可以近似为一条垂直于X轴的直线，但是如果时间设置大些，那么就是一条斜线，但这个时间不能超过周期的时间，如果超过了那会出现什么情况大家可以略加思考一下。

      产生一个初始值为0V，脉动值为1V，上升时间和下降时间为0.5ms，脉冲宽度为0.5ms，周期为2ms的梯形波Pulse3配置如下：

            PULSE(0 1 0 0.5m 0.5m 0.5m 2m)

      产生一个初始值为0V，脉动值为1V，上升时间和下降时间为0.5ms，脉冲宽度为0，周期为1ms的三角波Pulse4配置如下：

            PULSE(0 1 0 0.5m 0.5m 0 1m)

      产生一个初始值为0V，脉动值为1V，上升时间为1ms，下降时间为0，脉冲宽度为0，周期为1ms的锯齿波Pulse5配置如下：

            PULSE(0 1 0 1m 0 0 1m)

      仿真波形图如下所示：

 

四、指数源（EXP）

      配置语法：EXP（[初始值] [峰值] [上升延时] [上升时间常数] [下降延时] [下降时间常数] [AC幅度] [AC相位]）

      指数源用于创建具有指数上升沿和下降沿的单个脉冲源。根据语法我们来配置一个初始值为0先上升后下降的指数波形Exp1和初始值为1先下降后上升的Exp2波形。

      初始值为0，峰值为1V，上升延时5ms，上升时间常数为1ms，下降延时30ms，下降时间常数为2ms的Exp1波形配置如下：

            EXP(0 1 5m 1m 30m 2m)

      初始值为1V，峰值为0，上升延时5ms，上升时间常数为2ms，下降延时30ms，下降时间常数为2ms的Exp2波形配置如下：

            EXP(1 0 5m 2m 30m 2m)

      此时仿真波形为：

      注意事项：这里指的上升和下降不是名义上的上升与下降，需结合初始状态与峰值进行确定是真上升还是真下降。关于时间常数请查看前面电容模型的介绍。点击查看电容讲解

 

五、单频调频源（SFFM）

      配置语法：EXP（[直流偏移] [振幅] [载波频率] [调制指数] [信号频率] [AC幅度] [AC相位]）

      使用单频调频源输出信号时，满足以下公式：

            V(t)=DC_offset+A*sin(2*π*Fc*t+M*sin(2*π*Fs*t))

      其中DC_offset为直流偏移量，A为振幅，Fc为载波频率，M为调制指数，Fs为信号频率
      使用前面介绍过得正弦源分别产生一个100Hz和1Khz的正弦波，然后使用单频调频源产生一个载波频率为1K，信号频率为100Hz的信号进行对比分析。

      幅值为1V，频率为100Hz的正弦波信号配置如下：

            SIN(0 1 100 )

      幅值为1V，频率为1KHz的正弦波信号配置如下：

            SIN(0 1 1K )

      幅值为1V，载波频率为1Khz，调制指数为5，信号频率为100Hz的单频调频波信号配 置如下：

            SFFM(0 1 1k 5 100)

      仿真波形如下所示：

 

六、分段线性源（PWL）

      配置语法：EXP（[时间1] [值1] [时间2] [值2]... ... [AC幅度] [AC相位]）

      分段线性源用于产生一个由多段折线连接而成的信号，可以产生三角波、锯齿波、阶梯波等任意波形。先设置一个简单的三角波体验下分段线性源的用法：

      要产生一个频率为2s，幅值为1V的单个三角波，那么分段式线性源配置时的初始时间和值可以设为0，经过1s后幅值变为1V，然后幅值在1s内降到0V，配置如下：

            PWL(0 0 1 1 2 0)

      如果要产生一个不间断的波形或者是固定数量的波形就不能像前面波形配置一样在后面加上周期数量就行了，这时候需要在指令内添加表示数量和结尾的语句。

      产生频率为1s，幅值为1V的锯齿波信号，那么分段式线性源配置时的初始时间和值可以设为0，经过1s后幅值变为1V，然后在短时间内降为0V，时间不能为0，可以设置尽可能小，比如0.001s，要想产生连续信号需要在指令内添加     repeat forever...endrepeat指令，配置如下：

            PWL repeat forever(0 0 1 1 1.001 0)endrepeat

      如果要产生固定数量的锯齿波信号，那上面的repeat forever语句就应改为repeat for X，其中X为产生周期的数量。若需要产生5个周期的波形，那么配置如下：

            PWL repeat for 5(0 0 1 1 1.001 0)endrepeat

      以上两个波形结果如下所示：

 

七、行为源（PWL）

      配置语法：EXP（[时间1] [值1] [时间2] [值2]... ... [AC幅度] [AC相位]）

      行为源在仿真里面应用得当是非要强大的一个模型，每个行为源都由方程式所组成，所以可以使用行为源产生任意方程式产生的波形，电压源输出公式为V=...，而电流源公式为I=...。在使用方程式式注意不能使用大括号，表达式需要在同一行内，不能分行，如果是在网表中输入可以用“+”号来延续。举几个例子说明行为源函数的用法。

      配置一个输出电压为2pi的波形为：V=2*pi，波形显示如下：

      然后做一个由多个波形组成的案例，使用直流源输出一个2V的电压V(A)，用行为源输出一个1V的电压V(B)，然后V(C)=V(A)+V(B)，输出电压波形如下：

注意事项：

      如果使用交流分析指令对电路进行分析时，AC幅度需设为1，AC电压相位设为0，其他情况默认置空。

 

以上所有案例工程如下在编辑器中打开即可运行仿真

视频讲解如下：点击查看视频讲解