微弱電流/電壓轉(zhuǎn)換電路在PSPICE和EWB中的仿真比較

1 引言

　　微弱電流信號(hào)檢測(cè)在信號(hào)處理、測(cè)量技術(shù)、通信技術(shù)、狀態(tài)檢測(cè)以及一般的電子電路設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。并極大地促進(jìn)了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。進(jìn)行微弱電流檢測(cè)的分析討論非常重要。本文基于PSPICE和EWB兩種仿真軟件，分析討論將微弱電流轉(zhuǎn)換成3-5V電壓的電路仿真。

　　2 PSPICE和EWB軟件簡(jiǎn)介及比較

　　1） PSPICE軟件簡(jiǎn)介

　　PSPICE是一種通用的電子電路分析模擬軟件，它主要用于在對(duì)所分析的電路硬件實(shí)現(xiàn)之前，先用計(jì)算機(jī)對(duì)電路進(jìn)行模擬分析。它以SPICE語(yǔ)言為內(nèi)核，可以將通過各種途徑得到的SPICE語(yǔ)言描述的器件模型加入模型庫(kù)。PSPICE9.0與傳統(tǒng)的SPICE相比較，具有六大功能模塊：電路原理圖設(shè)計(jì)模塊Capture、核心模塊PSPICE A/D、激勵(lì)信號(hào)編輯模塊Stimulus Editor、模型參數(shù)提取模塊、模擬分析和顯示模塊、優(yōu)化模塊Optimizer。其模擬功能有：

　　（1）直流分析：計(jì)算電路的直流工作點(diǎn)。直流小信號(hào)傳輸函數(shù)，直流轉(zhuǎn)移特性曲線。

　　（2）交流小信號(hào)分析：頻域分析（計(jì)算電路的幅頻和相頻特性）和噪聲分析（計(jì)算每個(gè)頻率點(diǎn)上指定輸出端的等效輸出噪聲和指定輸入端的等效輸入噪聲）。

　　（3）瞬態(tài)分析：在用戶指定區(qū)間內(nèi)進(jìn)行電路的瞬態(tài)特性分析；在大信號(hào)正弦激勵(lì)下。對(duì)輸出波形進(jìn)行傅立葉分析。計(jì)算出基波和9次諧波系數(shù)以及失真系數(shù)。

　?。?）靈敏度分析：計(jì)算電路元器件參數(shù)變化引起電路輸出量變化，包括直流靈敏度分析和交流小信號(hào)靈敏度分析。

　　（5）容差分析：計(jì)算電路元器件參數(shù)偏離標(biāo)稱值情況下，對(duì)電路輸出特性的影響。包括蒙特卡羅分析和最壞情況分析。

　　（6）溫度分析：根據(jù)用戶指定的溫度。進(jìn)行不同溫度下電路特性分析。

　?。?）優(yōu)化設(shè)計(jì)：在給定電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電路性能約束情況下，確定電路元器件的最佳參數(shù)組合。

　　2）EWB軟件簡(jiǎn)介

　　EWB軟件是加拿大Interactive Image Technologies公司于20世紀(jì)80年代末，推出的專用電子線路仿真軟件。它可以在計(jì)算機(jī)上模擬進(jìn)行電路的連接、元件型號(hào)、參數(shù)的選擇，然后選擇所需的虛擬測(cè)試儀器對(duì)電路進(jìn)行仿真運(yùn)行和測(cè)試，并在模擬儀器上讀出測(cè)試結(jié)果。繪制電路圖所需的元器件、電路仿真所需的測(cè)試儀器均可直接從屏幕上抓取，而且儀器的操作開關(guān)、按鍵同實(shí)際儀器極為相似。它基于SPICE3語(yǔ)言，可以讀入SPICE格式的電路網(wǎng)表文件進(jìn)行模擬分析，還可以以O(shè)rCAD格式的電路網(wǎng)表文件。它擁有龐大的元器件庫(kù)，元器件總數(shù)達(dá)近萬(wàn)種，提供了電路仿真軟件實(shí)用化的必備保證。除可使用虛擬儀器外，它還可對(duì)電路進(jìn)行更為詳盡的分析。其分析結(jié)果均以圖形或報(bào)表的形式表現(xiàn)出來，共有13種分析方法：直流工作點(diǎn)分析、交流頻率分析、瞬態(tài)分析、傅立葉分析、噪聲分析、失真分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、傳遞函數(shù)分析、零極點(diǎn)分析、直流和交流靈敏度分析、蒙特卡羅分析和最壞情況分析。

　　3）比較

　?。?）EWB界面直觀，操作方便，容易掌握。相對(duì)于其它的仿真軟件，它的價(jià)格極低，具有極高的價(jià)格性能比。

　　（2）同EWB相比較，PSPICE具有如下的優(yōu)點(diǎn)：一是信號(hào)源種類多，尤其是瞬態(tài)分析的信號(hào)源：二是輸出波形功能強(qiáng)大，只需在所觀測(cè)的節(jié)點(diǎn)放置電壓（電流）探針，就可以在仿真圖中觀測(cè)結(jié)果。它還集成了許多數(shù)學(xué)運(yùn)算，還可以對(duì)仿真結(jié)果窗口進(jìn)行編輯。用PSPICE軟件對(duì)電子電路進(jìn)行仿真雖不如EWB簡(jiǎn)便，但是它可以完成許多EWB無(wú)法完成的任務(wù)。所以對(duì)電子電路仿真最好配合使用這兩種軟件。

　　3 微電流/電壓轉(zhuǎn)換電路圖原理及仿真分析

　　1 電路圖原理

　　由于實(shí)際中遇到的有用信號(hào)都很小且共模干擾很高，因此選擇高增益、高共模抑制比和高輸入阻抗的三級(jí)運(yùn)放差分放大檢測(cè)電路，其原理圖如圖（1）所示：

　　圖1三級(jí)運(yùn)放差分放大檢測(cè)電路

　　圖中運(yùn)放A1、A2接成比例運(yùn)算電路形式，且兩者都：采用同相輸入使得電路輸入阻抗高。電路結(jié)構(gòu)采用對(duì)稱形式，外圍電阻采用高精密電阻，使得漂移、噪聲、失調(diào)電壓和失調(diào)電流等相互抵消，以提高電路的測(cè)量精度，否則電路的放大倍數(shù)、共模抑制比和精度等將明顯降低。根據(jù)集成運(yùn)放的虛短和虛斷原理?？傻幂斎胼敵鲫P(guān)系為：

　　2.應(yīng)用EWB仿真

　　（一）根據(jù)圖（1）畫出電路原理圖：

　?。?）新建一張電路圖紙

　　單擊File->New即可新建一張空白的電路圖。

　?。?）圖紙?jiān)O(shè)置

　　單擊Circuit->Schematic Options即可對(duì)新建的電路圖進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。

　?。?）放置所需的元器件

　　從元器件柜欄抓取所需的元器件

　　（4）元器件編輯，元器件布局調(diào)整，連線。

　　（5）運(yùn)行仿真，從虛擬儀器觀察輸出或某些節(jié)點(diǎn)的電氣參數(shù)（電流、電壓、功率等）。

　?。ǘ┮暂斎?5uA電流為例。先選中元器件。右擊鼠標(biāo)，從彈出的菜單中選擇Component Properties按照要求對(duì)元器件進(jìn)行相應(yīng)的編輯。如果元器件是集成運(yùn)放，還可從Model選中Edit對(duì)運(yùn)放模型進(jìn)行相應(yīng)的改動(dòng)，如偏置電流、開環(huán)增益、輸入阻抗等參數(shù)的改動(dòng)。按照要求，選擇元器件并設(shè)置參數(shù)后，合理布置元器件并布圖連線后，微弱電流/電壓轉(zhuǎn)換電路圖為圖（2）。

　　其中的運(yùn)放選擇LF356，虛擬儀器用示波器來觀察最后的輸出電壓波形。

　?。?）仿真分析

　　單擊桌面右上角的運(yùn)行按鈕。電路圖便按時(shí)間運(yùn)行。如果想觀察輸出電壓是否滿足要求，雙擊示波器，對(duì)示波器進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置（同操作實(shí)際的示波器一樣），然后從示波器中可觀測(cè)到輸出波形為圖3所示。從圖中可看出輸出電壓為3.3204V，滿足要求。當(dāng)改變R1時(shí)，得到不同的輸出電壓。仿真結(jié)果列表（1）如下：

　　表1 EWB仿真結(jié)果比較

　　（6）同理，將電流元的值設(shè)置為其余的值，也可滿足要求。

　　3.應(yīng)用PSPICE仿真

　　（一）畫電路圖步驟

　?。?）創(chuàng)建電路圖文件

　　進(jìn)入Capture新建Project，并選定設(shè)計(jì)項(xiàng)目類型為Analog or Mixed Signal Circuit。

　　（2）載入元件仿真庫(kù)

　?。?）調(diào)用仿真元件

　　在電路圖編輯窗口下，啟動(dòng)［Place/Part］命令，選取所需的元器件；選取菜單命令［Place/wire］，啟用連線模式完成連線：選取菜單命令［Place/Net］，啟用節(jié)點(diǎn)設(shè)置完成節(jié)點(diǎn)設(shè)置，同名的節(jié)點(diǎn)仿真時(shí)就連在一起了。這有利于復(fù)雜電路圖的簡(jiǎn)化。

　　（4）對(duì)元件進(jìn)行編輯

　　雙擊激活元件，從彈出的菜單中，對(duì)元器件的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置后，單擊Applied即可。從菜單Windows命令下選擇電路圖Page，就可返回電路圖設(shè)計(jì)桌面。

　?。?）運(yùn)行仿真分析

　　（二）以15uA電流為例，選擇好參數(shù)，其電路圖如圖（4）所示。

　　圖4 PSPICE仿真原理圖

　　其中運(yùn)放選擇uA741。經(jīng)直流掃描分析和瞬態(tài)分析。得輸出電壓為4.006V，滿足要求。輸出波形為圖5所示。 從仿真結(jié)果的圖中可看出，隨著輸入電流（0～10uA）的改變。輸出電壓也改變。但是對(duì)輸入電流范圍有一定的要求。超出該范圍就不能檢測(cè)出輸出電壓的變化。

　　4 結(jié)論

　　本文對(duì)微弱電流轉(zhuǎn)換成可檢測(cè)的電壓電路，給出了電路原理圖。并用PSPICE和EWB兩種軟件進(jìn)行了仿真分析，對(duì)比給出仿真結(jié)果。該電路原理在被測(cè)電路串聯(lián)采樣電阻，來直接測(cè)量電阻兩端的電壓，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量簡(jiǎn)便。但當(dāng)測(cè)量電流變化較大或采樣電阻較大、較小時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量精度和準(zhǔn)確度，且存在測(cè)量范圍較小、測(cè)量誤差較大等缺點(diǎn)，如利用PSPICE軟件仿真時(shí)，被測(cè)電流超過十幾微安時(shí)，該電路圖失效。采用MAX472等新型集成的電流/電壓轉(zhuǎn)換芯片可克服上述常規(guī)檢測(cè)方法的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)階躍電流的高精度測(cè)量。