【摘 要】 本文针对电子线路教学实验演示中的困难，提出了使用电路仿真技术来完成教学实验演示的方法，通过实例介绍了如何在电子线路教学中使用protell99进行电路仿真。本文讲述了对单相半波整流电路、单相桥式整流电路、滤波电路、感容π形滤波电路进行仿真的具体操作步骤，分析了仿真电路的特点
【关键词】 SPICE 电路仿真 整流电路
一、电子线路教学中的困难 在电子线路课程的教学中，电路的特性、工作曲线等十分抽象，学生在学习这些内容时，感到十分困难。为此，可通过在实验室进行现场教学等方式部分地解决这一问题。通常的方法是将电路图接成面包板、万用板或PC板，然后使用电源、信号发生器、示波器、电表等电子仪器来进行演示。这种作法有几种弊端：首先，制作电路板的过程既耗时、费力又浪费材料。其次，在电路板制作完成后，如果演示结果有误，就得花费相当长的时间弄清是设计方法有误还是制作过程有误，教师常常为解决一些和教学过程无关的困扰而大伤脑筋。此外，在用实际电路进行操作演示时，各种参数不易控制、元件的调换也不方便。最后，由于仪器设备的局限，演示的可视化效果不尽人意。 随着电路仿真技术的发展，上述缺陷可迎刃而解。只要有合适而精确的电路模型，电脑便可据此进行大量的计算，而仿真出近乎真实的电路结果。这种经由软件演示的方法，既可克服前面所述的这些缺点，又可排除因线路连接安装所造成的失误，使得教师们可以更直接地将精力集中于教学过程及教学演示的效果等方面。 而随着个人电脑性能的不能提高，电路仿真也由以往的大型主机移至个人电脑的环境。通过在多媒体计算机上对教学中涉及的各种电路的电路特性、工作曲线等进行直接演示，将使教学变得形象、直观、有趣。
二、Protel99的仿真工具简介 Protel99是PROTEL公司在80年代末推出的EDA软件，目前已发展到Protel DXP版。这是一个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计(包含印制电路板自动布线)、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成等功能。 Protel99电路仿真器使用的是Berkeley SPICE3f5/XSPICE的增强版本，可以精确仿真任意组合的模拟和数字元件，不需要人工插入D/A或A/D转换器。SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是由美国加州大学伯克莉分校于1972年开发的电路仿真程序，随后，版本不断更新，功能不断增强和完善。1988年SPICE被定为美国国家工业标准(模拟仿真的工业标准)。它能进行模拟电路分析、数字电路分析和模拟数字混合电路分析。由于Protel99SE的电路仿真器具有真正的SPICE兼容性，所以可以直接将器件厂商提供的最新模型用于Protel99。 Protel99的电路仿真器提供了连续的模拟波形和离散的数字信号仿真，是一个模拟和数字混合电路仿真工具，它基于最新的XSPICE 3f5引擎，可以处理任意复杂的电路设计。其仿真元件库中提供了6400多个模拟和数字元件，分类存放在Sim.Ddb数据库的28个库中。对于数字器件(包括TTL和CMOS)，电路仿真器包含了精确的事件驱动行为模型，以解决混合模式设计的仿真。仿真处理的电路节点数量没有任何限制，可以计算包括传输延迟、启动和保持时间、输出负载、温度特性等等(几乎包含了电路所有物理参数)，并且可以得到精确真实的结果。Protel99的电路仿真器提供分析工具，分析结果显示在集成的波形观察器上，它提供全面的观察和测量控制，其中包括两个用户自定义测量以及支持同时显示两种不同类型的AC分析波形。例如：可以在一个屏幕上同时显示一个信号的频率和相位响应。 Protel99 SE的电路仿真器支持一系列电路仿真功能，包括：AC小信号、暂态、噪声和DC传递。除了基本分析，还可以使用蒙特卡罗元件容差分析、元件值和温度扫描分析、以及快速傅立叶变换等对电路进行调试。 Protel99的电路仿真器提供完整的线性和非线性受控源，以“黑盒”定义电路行为，包括简单线性或基于电压和电流的复杂数学函数。这些受控源可以很轻松地电压或电流控制的器件连接在电路中。用标准的数学符号和函数(如LOG、LN、EXP、SIN等)可以建立任意复杂的传递函数。
三、教学演示实例 在Protel99中执行仿真，只要简单地从仿真元件库中选取所需元件，放置到原理图中完成连接，加上激励源，单击仿真即可完成。下面以单相整流滤波电路的讲解过程来演示Protel99仿真操作过程。 (一)单相单波整流电路。 电路如图1所示，图中Tr为电源变压器，D1为整流元件，RL为负载电阻。该电路在电源的正半周有输出，所以称为半波整流电路，半波整流电路结构简单，使用元件少，但整流效率低，输出电压脉动大。
图1 准备演示的半波整流电路图
1启动Protel99，新建一个设计数据库：在“File”菜单下，选“New Design…”打开“New Design Database”对话框，输入数据库文件名，如为“course1.ddb”。 2创建原理图文件：选择“File”菜单，执行“New…”命令，打开“New Document”对话框，单击“Documents”标签，在其中选择“Schematic Document”，单击“OK”按钮，则建立一个名为“Sheet1”的原理图文件，将其改名为“Mydemo1”。 3添加仿真元件库：打开原理图文件后，单击浏览管理器“Browse Sch”，单击“Add/Remove…”，打开“Change Library File List”对话框，选择库文件，对于仿真电路，必须选择系统提供的仿真元件库“Sim.ddb”，其存放的位置在安装Protel99的文件夹下的＼Library/Sch/Sim.ddb，加载后即打开了系统的28个分类的元件库文件(.LIB)，如图2所示。
图2 加载仿真库后的浏览窗口
4放置仿真元件：选择要添加的元件类型库，如要放置变压器，则应先选中“TRANSFORMERLIB”，对应的元件就出现在下面的列表框中，如图2所示。双击要放置的元件后，鼠标指针上将“粘附”该元件，这时在原理图中单击鼠标，即可将该元件放置在该位置。按下“Tab”键，设置该元件的参数。对仿真中使用的电阻、电容、电感等元件，需设置其电阻、电容和电感值(Part Type)及元件名称(Designator)；对激励源等要设置其电压(电流)值、频率、相位等值；对半导体器件等，如果不仿真温度特性，则只需设置其元件名称即可。5连接各元件，设置激励源和网络标号：用导线“Wire”工具将各分立的元件连接起来，加上激励源，在需要观测输出波形的位置，放置网络标号，完成后的仿真原理图如图3所示。
图3 已完成的仿真原理图 6设置仿真器：在“Simulate”菜单下，选择“Setup…”，将打开仿真设置对话框(“Analyses Setup”)，如图4所示，可进行仿真器设置，在本演示中，主要设置瞬态特性分析。瞬态分析的输出是在一个类似示波器的窗口中，按设置的时间间隔计算瞬态输出的电压或电流值；在瞬态特性分析(Transient Analyses)中，可设置显示的周期数，通常设置显示5个周期。
图4 仿真器设置对话框
7运行仿真：设置完成后，单击仿真器设置对话框中的“Run Analyses”按钮，进行仿真。如果设置的观察点少、电路简单，则马上可看到生成的瞬态曲线，如果电路复杂，仿真过程进行较慢，可看到瞬态曲线的生成过程。本演示中，设置了两个观察点即u2与u0，得到的结果如图5所示。该图十分形象、直观地显示了二极管单相半波整流电路的输出波形。可在“Browse SimData”中选中要查看的节点，选择不同的颜色(Color)或是查看单独一条曲线(Single Cell)。 图5 整流前后的电压波形
(二)单相桥式整流电路
有了半波整流电路的基础，下面介绍桥式整流电路。只需在前面的原理图上增加三只二极管并将其按桥式电路连接好，其它设置不变，即可得到单相桥式整流电路的电压波形，如图6所示。从图中可看出：桥式整流电路与半波整流电路相比较，其输出电压U0提高且脉动成分减小了；桥式整流输出电压为半波整流电路输出电压的两倍。 图6 桥式整流电路及其波形
(三)滤波电路
在桥式整流电路输出端与负载电阻RL并联一个较大电容C，构成了电容滤波电路。在前面的原理图上，再增加一个电容器，设置其电容量为1000μF，得到其波形特点如图7所示。在这里，演示中可在原理图上将滤波电容器设置为不同的容量，即刻可看出不同的滤波效果。这样自然就会引入：为了获得良好的滤波效果，一般取滤波电容的容量大小为：RLC≥(15～25)T。学生通过刚才的演示就可看出这是顺理成章得出的一个合理结果。 图7 电容滤波电路的波形 (四)感容π形滤波电路 电路如图8所示，经整流后的电压包括了直流分量及交流分量。对于直流分量来说，L呈现很小的阻抗，可视为短路，因此，经C1滤波后的直流分量大部分降落在负载两端。对于交流分量，由于电感L呈现很大的感抗，C2呈现很小的容抗，所以，交流分量大部分降落在L上，负载上的交流分量很小，达到滤除交流分量的目的，其输出的电压波形如图8所示。在此，为了更好观察滤波的效果，将显示的周期数设置为10个周期。 图8 感容π形滤波电路及波形
四、小结 以上的所有仿真过程，都可通过投影仪或多媒体教学网络展现在学生眼前。通过这个例子，可看出在教学中使用仿真教学演示的好处：
1形象直观，操作速度快。 2仿真参数可调(包括元件规格、型号，信号频率、相位、幅度等，电源大小、类型等)。 3演示过程中元件可随时更换或增加；学生可直观地通过从简单电路到复杂电路的变化过程，体会不同电路性能、特性的变化。 4演示的内容可为单条曲线、多条曲线或多曲线重叠对比等方式，并可对曲线颜色进行设置，相当于同时使用了多个示波器、多个电表同时进行演示。 5演示曲线的周期、时间、波形个数及坐标参考等均可调整，可根据需要设置足够的观察时长。 6分析方法可变，可根据不同的电路特性和元件特性设置不同的分析方法。 7适合于多媒体或远程网络教学；由于所有操作过程都是通过计算机完成的，这些演示内容可直接通过多媒体手段或网络传送发布。 不足：仿真并不能完全取代实际的电路操作实践；而现行的仿真系统是以设计分析为主，而没有专门针
【关键词】 SPICE 电路仿真 整流电路
一、电子线路教学中的困难 在电子线路课程的教学中，电路的特性、工作曲线等十分抽象，学生在学习这些内容时，感到十分困难。为此，可通过在实验室进行现场教学等方式部分地解决这一问题。通常的方法是将电路图接成面包板、万用板或PC板，然后使用电源、信号发生器、示波器、电表等电子仪器来进行演示。这种作法有几种弊端：首先，制作电路板的过程既耗时、费力又浪费材料。其次，在电路板制作完成后，如果演示结果有误，就得花费相当长的时间弄清是设计方法有误还是制作过程有误，教师常常为解决一些和教学过程无关的困扰而大伤脑筋。此外，在用实际电路进行操作演示时，各种参数不易控制、元件的调换也不方便。最后，由于仪器设备的局限，演示的可视化效果不尽人意。 随着电路仿真技术的发展，上述缺陷可迎刃而解。只要有合适而精确的电路模型，电脑便可据此进行大量的计算，而仿真出近乎真实的电路结果。这种经由软件演示的方法，既可克服前面所述的这些缺点，又可排除因线路连接安装所造成的失误，使得教师们可以更直接地将精力集中于教学过程及教学演示的效果等方面。 而随着个人电脑性能的不能提高，电路仿真也由以往的大型主机移至个人电脑的环境。通过在多媒体计算机上对教学中涉及的各种电路的电路特性、工作曲线等进行直接演示，将使教学变得形象、直观、有趣。
二、Protel99的仿真工具简介 Protel99是PROTEL公司在80年代末推出的EDA软件，目前已发展到Protel DXP版。这是一个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计(包含印制电路板自动布线)、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成等功能。 Protel99电路仿真器使用的是Berkeley SPICE3f5/XSPICE的增强版本，可以精确仿真任意组合的模拟和数字元件，不需要人工插入D/A或A/D转换器。SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是由美国加州大学伯克莉分校于1972年开发的电路仿真程序，随后，版本不断更新，功能不断增强和完善。1988年SPICE被定为美国国家工业标准(模拟仿真的工业标准)。它能进行模拟电路分析、数字电路分析和模拟数字混合电路分析。由于Protel99SE的电路仿真器具有真正的SPICE兼容性，所以可以直接将器件厂商提供的最新模型用于Protel99。 Protel99的电路仿真器提供了连续的模拟波形和离散的数字信号仿真，是一个模拟和数字混合电路仿真工具，它基于最新的XSPICE 3f5引擎，可以处理任意复杂的电路设计。其仿真元件库中提供了6400多个模拟和数字元件，分类存放在Sim.Ddb数据库的28个库中。对于数字器件(包括TTL和CMOS)，电路仿真器包含了精确的事件驱动行为模型，以解决混合模式设计的仿真。仿真处理的电路节点数量没有任何限制，可以计算包括传输延迟、启动和保持时间、输出负载、温度特性等等(几乎包含了电路所有物理参数)，并且可以得到精确真实的结果。Protel99的电路仿真器提供分析工具，分析结果显示在集成的波形观察器上，它提供全面的观察和测量控制，其中包括两个用户自定义测量以及支持同时显示两种不同类型的AC分析波形。例如：可以在一个屏幕上同时显示一个信号的频率和相位响应。 Protel99 SE的电路仿真器支持一系列电路仿真功能，包括：AC小信号、暂态、噪声和DC传递。除了基本分析，还可以使用蒙特卡罗元件容差分析、元件值和温度扫描分析、以及快速傅立叶变换等对电路进行调试。 Protel99的电路仿真器提供完整的线性和非线性受控源，以“黑盒”定义电路行为，包括简单线性或基于电压和电流的复杂数学函数。这些受控源可以很轻松地电压或电流控制的器件连接在电路中。用标准的数学符号和函数(如LOG、LN、EXP、SIN等)可以建立任意复杂的传递函数。
三、教学演示实例 在Protel99中执行仿真，只要简单地从仿真元件库中选取所需元件，放置到原理图中完成连接，加上激励源，单击仿真即可完成。下面以单相整流滤波电路的讲解过程来演示Protel99仿真操作过程。 (一)单相单波整流电路。 电路如图1所示，图中Tr为电源变压器，D1为整流元件，RL为负载电阻。该电路在电源的正半周有输出，所以称为半波整流电路，半波整流电路结构简单，使用元件少，但整流效率低，输出电压脉动大。
图1 准备演示的半波整流电路图
1启动Protel99，新建一个设计数据库：在“File”菜单下，选“New Design…”打开“New Design Database”对话框，输入数据库文件名，如为“course1.ddb”。 2创建原理图文件：选择“File”菜单，执行“New…”命令，打开“New Document”对话框，单击“Documents”标签，在其中选择“Schematic Document”，单击“OK”按钮，则建立一个名为“Sheet1”的原理图文件，将其改名为“Mydemo1”。 3添加仿真元件库：打开原理图文件后，单击浏览管理器“Browse Sch”，单击“Add/Remove…”，打开“Change Library File List”对话框，选择库文件，对于仿真电路，必须选择系统提供的仿真元件库“Sim.ddb”，其存放的位置在安装Protel99的文件夹下的＼Library/Sch/Sim.ddb，加载后即打开了系统的28个分类的元件库文件(.LIB)，如图2所示。
图2 加载仿真库后的浏览窗口
4放置仿真元件：选择要添加的元件类型库，如要放置变压器，则应先选中“TRANSFORMERLIB”，对应的元件就出现在下面的列表框中，如图2所示。双击要放置的元件后，鼠标指针上将“粘附”该元件，这时在原理图中单击鼠标，即可将该元件放置在该位置。按下“Tab”键，设置该元件的参数。对仿真中使用的电阻、电容、电感等元件，需设置其电阻、电容和电感值(Part Type)及元件名称(Designator)；对激励源等要设置其电压(电流)值、频率、相位等值；对半导体器件等，如果不仿真温度特性，则只需设置其元件名称即可。5连接各元件，设置激励源和网络标号：用导线“Wire”工具将各分立的元件连接起来，加上激励源，在需要观测输出波形的位置，放置网络标号，完成后的仿真原理图如图3所示。
图3 已完成的仿真原理图 6设置仿真器：在“Simulate”菜单下，选择“Setup…”，将打开仿真设置对话框(“Analyses Setup”)，如图4所示，可进行仿真器设置，在本演示中，主要设置瞬态特性分析。瞬态分析的输出是在一个类似示波器的窗口中，按设置的时间间隔计算瞬态输出的电压或电流值；在瞬态特性分析(Transient Analyses)中，可设置显示的周期数，通常设置显示5个周期。
图4 仿真器设置对话框
7运行仿真：设置完成后，单击仿真器设置对话框中的“Run Analyses”按钮，进行仿真。如果设置的观察点少、电路简单，则马上可看到生成的瞬态曲线，如果电路复杂，仿真过程进行较慢，可看到瞬态曲线的生成过程。本演示中，设置了两个观察点即u2与u0，得到的结果如图5所示。该图十分形象、直观地显示了二极管单相半波整流电路的输出波形。可在“Browse SimData”中选中要查看的节点，选择不同的颜色(Color)或是查看单独一条曲线(Single Cell)。 图5 整流前后的电压波形
(二)单相桥式整流电路
有了半波整流电路的基础，下面介绍桥式整流电路。只需在前面的原理图上增加三只二极管并将其按桥式电路连接好，其它设置不变，即可得到单相桥式整流电路的电压波形，如图6所示。从图中可看出：桥式整流电路与半波整流电路相比较，其输出电压U0提高且脉动成分减小了；桥式整流输出电压为半波整流电路输出电压的两倍。 图6 桥式整流电路及其波形
(三)滤波电路
在桥式整流电路输出端与负载电阻RL并联一个较大电容C，构成了电容滤波电路。在前面的原理图上，再增加一个电容器，设置其电容量为1000μF，得到其波形特点如图7所示。在这里，演示中可在原理图上将滤波电容器设置为不同的容量，即刻可看出不同的滤波效果。这样自然就会引入：为了获得良好的滤波效果，一般取滤波电容的容量大小为：RLC≥(15～25)T。学生通过刚才的演示就可看出这是顺理成章得出的一个合理结果。 图7 电容滤波电路的波形 (四)感容π形滤波电路 电路如图8所示，经整流后的电压包括了直流分量及交流分量。对于直流分量来说，L呈现很小的阻抗，可视为短路，因此，经C1滤波后的直流分量大部分降落在负载两端。对于交流分量，由于电感L呈现很大的感抗，C2呈现很小的容抗，所以，交流分量大部分降落在L上，负载上的交流分量很小，达到滤除交流分量的目的，其输出的电压波形如图8所示。在此，为了更好观察滤波的效果，将显示的周期数设置为10个周期。 图8 感容π形滤波电路及波形
四、小结 以上的所有仿真过程，都可通过投影仪或多媒体教学网络展现在学生眼前。通过这个例子，可看出在教学中使用仿真教学演示的好处：
1形象直观，操作速度快。 2仿真参数可调(包括元件规格、型号，信号频率、相位、幅度等，电源大小、类型等)。 3演示过程中元件可随时更换或增加；学生可直观地通过从简单电路到复杂电路的变化过程，体会不同电路性能、特性的变化。 4演示的内容可为单条曲线、多条曲线或多曲线重叠对比等方式，并可对曲线颜色进行设置，相当于同时使用了多个示波器、多个电表同时进行演示。 5演示曲线的周期、时间、波形个数及坐标参考等均可调整，可根据需要设置足够的观察时长。 6分析方法可变，可根据不同的电路特性和元件特性设置不同的分析方法。 7适合于多媒体或远程网络教学；由于所有操作过程都是通过计算机完成的，这些演示内容可直接通过多媒体手段或网络传送发布。 不足：仿真并不能完全取代实际的电路操作实践；而现行的仿真系统是以设计分析为主，而没有专门针
