PSpice 21周仿真培训 I 第6周：交流扫描分析

交流扫描分析的作用是计算电路的交流小信号频率响应特性。交流扫描分析也是线性分析，它首先利用线性模型对非线性器件进行等效，然后针对电路性能因信号频率改变而变动所作的分析，它能够获得电路的幅频响应和相频响应以及转移导纳等特性参数。

对电路进行交流分析之前首先对其进行直流工作点分析，然后利用所得数据在直流工作点附近对电路进行线性化处理。需要注意，交流分析不考虑阶跃响应的影响，如果需要对其进行测试，可以运行上一期介绍的瞬态分析。

本期以双T陷波滤波器为例，利用交流扫描分析计算电路的频率响应，辅助滤波器的设计。陷波滤波器也就是窄带阻滤波器，它是用于阻断中心频率附近很小的频段内的信号，或是消除某个特定频率的干扰。

图6.1 本期实例电路

进行交流扫描分析时，独立的交流电压源VAC或电流源IAC均选自source元件库，也可通过图6.2所示的路径在place菜单下选择：

图6.2 独立交流电源的选择

如果电路既需要进行交流分析，又需要进行瞬态分析，可以将任何瞬态激励源中的AC属性设置为1即可。

图6.3 设置瞬态激励源的AC属性

默认情况下，独立电压源的幅度均设置为1V，对电路进行频率响应计算时，通常希望求得电路增益的幅频和相频特性。电路的增益是输出电压与输入电压的比值，当输入电压设置为1V，电路的增益就是输出电压的数值了。

交流扫描分析是计算电路交流小信号频率响应，仿真参数重点是对频率范围和扫描方式的设置。绘制好电路后，通过菜单选择PSpice -> New Simulation Profile 创建交流分析仿真设置文件。

图6.1电路是用于对工频50Hz信号进行衰减。设置内容如下图6.4所示：

• 分析类型选择AC Sweep/Noise

• 频率采用对数方式

• 从1Hz扫描至10kHz（注意：对数扫描方式的初始频率不能设为0Hz，因为lg0是没有意义的）

• 每十倍频扫描点数为100

图6.4 交流扫描分析的参数设置

交流扫描分析包含两种频率扫描类型——线性扫描和对数扫描。其中，对数扫描分为十倍频率扫描和八倍频率扫描。扫描设置时，请一定注意最后一项Point/Decade的设置。

• 如果选用线性扫描，总扫描点数是全频率范围内的扫描点数；

• 如果选用十倍频扫描（或八倍频扫描），总扫描数是每十倍频（每八倍频）范围的扫描点数

下图6.5所示是PSpice仿真软件中交流探针所在的位置，通过选择菜单PSpice -> Markers -> Advanced对其进行选择和放置。

利用这些交流探针可以显示分贝幅度、相位、群延时以及电压电流的实部与虚部。所以，利用这些探针的合理组合，可以绘制电路的波特图和奈奎斯特曲线图。

图6.5 交流探针菜单

本例中选择dB Magnitude of Voltage (电压分贝幅度)，放置在图6.1电路的输出端。运行仿真，PSpice图形显示界面将会输出如图6.6所示的陷波器的幅频特性曲线。

图6.6 陷波器的幅频特性曲线

选择菜单Plot -> Add Plot to Window，在波形显示窗口增加一个坐标系，然后进行如下两个步骤，均可得到电路的相频特性曲线。

• 执行Trace -> Add Trace，添加P(V(U1:OUT))

• 到绘图窗口选择图6.5的Phase of Voltage（电压相位）的探针，放在输出端

若希望调整显示结果的X、Y轴刻度范围，选择执行Plot -> Axis Setting，可以得到图6.7所示的轴线设置对话框，分别选择X轴和Y轴标签页来设置X、Y轴网格线刻度范围。

图6.7 设置X轴坐标范围

设置完毕点击“OK”。得到图6.8相频特性。横轴范围变成1Hz至1kHz。

图6.8 添加相频特性后的波形

选择菜单Trace -> Cursor -> Display，在波形显示窗口中会出现游标，移动光标置于陷波曲线的底部。可以通过菜单View -> Zoom -> Area对曲线进行放大，以便读数更加准确。也可通过如下图标进行操作。

图6.9 光标显示和波形区域放大的图标

还可以利用菜单Trace -> Cursor -> Min自动选择曲线的最小值。从图6.10的探针游标数据可以得到陷波曲线的最小值时，探针游标框显示陷波中心频率为50.12Hz，最小增益为-28.41dB。

图6.10 游标数据

从理论上分析，图6.1的双T陷波器的中心频率为：

说明PSpice的仿真结果还是非常接近理论分析结果的。

图6.8的波特图可以通过游标获得最小增益值、滤波器的中心频率，当然还可以寻找到上下限截止频率，并且手动计算得到带宽。

可以说交流分析能得到的结果已经显示，需要求解的技术指标可以通过波形手动获得数值，但这些数值无法用于后续的性能分析以及高级的优化分析工具。因此需要使用测量函数。

PSpice提供的测量函数既给工程师们提供了自动计算技术指标的工具，也为进阶的性能分析以及高级分析模块确定了研究对象。

测量函数的调用有两种途径：

1)执行Trace -> Measurements 命令，进入Measurements对话框，图6.9左边的对话框显示的就是系统提供的测量函数，比如需要测量最小增益，选择Min，执行按键Eval命令，出现如图6.9右边所示的对话框。

在对话框中单击Name of trace to search按键，在随后出现的Traces for Measurement Arguments列表框中选择测量的波形，这样图6.9右边的编辑框中就插入了测量变量。按OK键确认即可。

图6.11 调用测量函数的第一种途径

2) 执行菜单命令Trace -> Evaluate Measurement，弹出Evaluate Measurement对话框，如图6.10所示，对话框左侧是测量函数，右侧是节点变量。选择测量函数，输入节点变量，按OK键确认即可。

图6.12 调用测量函数的第二种途径

上述两种途径下按确定键后，都可在波形显示窗口下显示该测量函数的数值。如图6.13所示，如果后续要增加测量函数，只要直接点击图6.13红色框的区域就可以。

图6.13 显示测量数据

如果在Tools -> Option选项中勾选上Display Evaluation，就可以在原波形图上添加一个显示测量结果的波形，如图6.14所示。

图6.14 在波形上标注测量数值

PSpice提供五十多个测量函数，这里给出常见的一些函数的功能描述。用户除了直接使用软件提供的测量函数外，可以根据实际需求编辑测量函数，或是自行定义新的测量函数。

表6.1 常用测量函数的功能描述

滤波器的一个重要指标是品质因数Q，它是用滤波器的中心频率 f₀ (单位HZ) 与-3dB 带宽BW(单位HZ)的比值来表达，即:

描述了滤波器分离信号中相邻频率成分能力。品质因数Q越大，表明滤波器的分辨能力越高。

从表6.1看到系统自带的测量函数中的 Q_Bandpass 就是求解品质因素的，于是按照上述调用方式添加，却弹出图6.15的错误警告，自然也没能得到结果。这是什么原因呢？

图6.15 错误弹窗

打开Q_Bandpass的函数源代码（图6.11左图选择Edit）如图6.16所示，通过对语句的分析，发现对于本例中的陷波器，需要先搜索负斜率，然后再搜索正斜率，如果按照其默认语句，当搜索到X1值后，就搜不到X2的值，于是会弹出错误提示。

图6.16 品质因素函数的默认代码

找到原因后，可以直接对上图的代码进行编辑，将代码中的p和n互换，确定后得到正确的结果。

图6.17 使用修改后的测量函数得到的结果

系统自带的测量函数不满足要求，可以自行编辑，用户还可以自己创建，有需要的，可以自行探索。

噪声分析是针对电路中无法避免的噪声所做的分析。它是与交流分析一起使用的。电路中所计算的噪声通常是电阻上产生的热噪声、半导体元器件产生的散粒噪声和闪烁噪声。

PSpice的噪声分析会在每个频率点上对指定输出端计算出等效输出噪声， 同时对指定输入端计算出等效输入噪声。输出和输入噪声电平都对噪声带宽的平方根进行归一化，噪声电压的单位是:

噪声电流的单位是:

Capture绘图窗口下选择菜单PSpice -> Edit Simulation，选择AC Analysis，在图6.4的基础上，勾选噪声分析。并根据图6.18所示进行设置。图中的设置表示将整个电路中的噪声源都集中折算到独立源V1处，然后计算在等效的噪声源的激励下，输出变量处产生的噪声。

图6.18 噪声分析的仿真参数设置

运行后，可以从输出波形显示窗口观测到输出噪声和输入噪声的数值。

图6.19 噪声分析的仿真结果

同时选择View -> Output File还可以查看噪声分析的文字输出结果，图6.20只是某一个频率下的数值。按图6.18的设置，输出文档中应该有30组下图所示的数据。

图6.20 噪声分析文字输出结果