微弱電流/電壓轉(zhuǎn)換電路在PSPICE和EWB中的仿真比較

1 引言

　　微弱電流信號檢測在信號處理、測量技術、通信技術、狀態(tài)檢測以及一般的電子電路設計等領域得到了非常廣泛的應用。并極大地促進了相關領域的發(fā)展。進行微弱電流檢測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軟件簡介及比較

　　1） PSPICE軟件簡介

　　PSPICE是一種通用的電子電路分析模擬軟件，它主要用于在對所分析的電路硬件實現(xiàn)之前，先用計算機對電路進行模擬分析。它以SPICE語言為內(nèi)核，可以將通過各種途徑得到的SPICE語言描述的器件模型加入模型庫。PSPICE9.0與傳統(tǒng)的SPICE相比較，具有六大功能模塊：電路原理圖設計模塊Capture、核心模塊PSPICE A/D、激勵信號編輯模塊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：

　?。?）直流分析：計算電路的直流工作點。直流小信號傳輸函數(shù)，直流轉(zhuǎn)移特性曲線。

　?。?）交流小信號分析：頻域分析（計算電路的幅頻和相頻特性）和噪聲分析（計算每個頻率點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）。

　?。?）瞬態(tài)分析：在用戶指定區(qū)間內(nèi)進行電路的瞬態(tài)特性分析；在大信號正弦激勵下。對輸出波形進行傅立葉分析。計算出基波和9次諧波系數(shù)以及失真系數(shù)。

　　（4）靈敏度分析：計算電路元器件參數(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靈敏度分析。

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

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

　?。?）優(yōu)化設計：在給定電路拓撲結(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軟件簡介

　　EWB軟件是加拿大Interactive Image Technologies公司于20世紀80年代末，推出的專用電子線路仿真軟件。它可以在計算機上模擬進行電路的連接、元件型號、參數(shù)的選擇，然后選擇所需的虛擬測試儀器對電路進行仿真運行和測試，并在模擬儀器上讀出測試結(jié)果。繪制電路圖所需的元器件、電路仿真所需的測試儀器均可直接從屏幕上抓取，而且儀器的操作開關、按鍵同實際儀器極為相似。它基于SPICE3語言，可以讀入SPICE格式的電路網(wǎng)表文件進行模擬分析，還可以以OrCAD格式的電路網(wǎng)表文件。它擁有龐大的元器件庫，元器件總數(shù)達近萬種，提供了電路仿真軟件實用化的必備保證。除可使用虛擬儀器外，它還可對電路進行更為詳盡的分析。其分析結(jié)果均以圖形或報表的形式表現(xiàn)出來，共有13種分析方法：直流工作點分析、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。相對于其它的仿真軟件，它的價格極低，具有極高的價格性能比。

　?。?）同EWB相比較，PSPICE具有如下的優(yōu)點：一是信號源種類多，尤其是瞬態(tài)分析的信號源：二是輸出波形功能強大，只需在所觀測的節(jié)點放置電壓（電流）探針，就可以在仿真圖中觀測結(jié)果。它還集成了許多數(shù)學運算，還可以對仿真結(jié)果窗口進行編輯。用PSPICE軟件對電子電路進行仿真雖不如EWB簡便，但是它可以完成許多EWB無法完成的任務。所以對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

　　由于實際中遇到的有用信號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運放差分放大檢測電路，其原理圖如圖（1）所示：

　　圖1三級運放差分放大檢測電路

　　圖中運放A1、A2接成比例運算電路形式，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)集成運放的虛短和虛斷原理?？傻幂斎胼敵鲫P系為：

　　2.應用EWB仿真

　?。ㄒ唬└鶕?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。

　?。?）圖紙設置

　　單擊Circuit->Schematic Options即可對新建的電路圖進行相應的設置。

　?。?）放置所需的元器件

　　從元器件柜欄抓取所需的元器件

　?。?）元器件編輯，元器件布局調(diào)整，連線。

　?。?）運行仿真，從虛擬儀器觀察輸出或某些節(jié)點的電氣參數(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，從彈出的菜單中選擇Component Properties按照要求對元器件進行相應的編輯。如果元器件是集成運放，還可從Model選中Edit對運放模型進行相應的改動，如偏置電流、開環(huán)增益、輸入阻抗等參數(shù)的改動。按照要求，選擇元器件并設置參數(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行按鈕。電路圖便按時間運行。如果想觀察輸出電壓是否滿足要求，雙擊示波器，對示波器進行相應的設置（同操作實際的示波器一樣），然后從示波器中可觀測到輸出波形為圖3所示。從圖中可看出輸出電壓為3.3204V，滿足要求。當改變R1時，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

　?。?）同理，將電流元的值設置為其余的值，也可滿足要求。

　　3.應用PSPICE仿真

　　（一）畫電路圖步驟

　?。?）創(chuàng)建電路圖文件

　　進入Capture新建Project，并選定設計項目類型為Analog or Mixed Signal Circuit。

　?。?）載入元件仿真庫

　?。?）調(diào)用仿真元件

　　在電路圖編輯窗口下，啟動［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)點設置完成節(jié)點設置，同名的節(jié)點仿真時就連在一起了。這有利于復雜電路圖的簡化。

　?。?）對元件進行編輯

　　雙擊激活元件，從彈出的菜單中，對元器件的各項參數(shù)進行設置后，單擊Applied即可。從菜單Windows命令下選擇電路圖Page，就可返回電路圖設計桌面。

　?。?）運行仿真分析

　　（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。但是對輸入電流范圍有一定的要求。超出該范圍就不能檢測出輸出電壓的變化。

　　4 結(jié)論

　　本文對微弱電流轉(zhuǎn)換成可檢測的電壓電路，給出了電路原理圖。并用PSPICE和EWB兩種軟件進行了仿真分析，對比給出仿真結(jié)果。該電路原理在被測電路串聯(lián)采樣電阻，來直接測量電阻兩端的電壓，其優(yōu)點是測量簡便。但當測量電流變化較大或采樣電阻較大、較小時，會嚴重影響測量精度和準確度，且存在測量范圍較小、測量誤差較大等缺點，如利用PSPICE軟件仿真時，被測電流超過十幾微安時，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)檢測方法的缺點，實現(xiàn)階躍電流的高精度測量。