基於PSPICE和EWB的微弱電流/電壓轉換電路模擬

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.並極大地促進了相關領域的發展。進行微弱電流檢測的分析討論非常重要。本文基於PSPICE和EWB兩種模擬軟體，分析討論將微弱電流轉換成3-5V電壓的電路模擬。

2 PSPICE和EWB軟體簡介及比較
1) PSPICE軟體簡介
    PSPICE是一種通用的電子電路分析模擬軟體，它主要用於在對所分析的電路硬體實現之前，先用計算機對電路進行模擬分析。它以SPICE語言為內核，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、模型參數提取模塊、模擬分析和顯示模塊、優化模塊Optimizer。其模擬功能有：
(1)直流分析：計算電路的直流工作點。直流小信號傳輸函數，直流轉移特性曲線。
(2)交流小信號分析：頻域分析(計算電路的幅頻和相頻特性)和雜訊分析(計算每個頻率點上指定輸出端的等效輸出雜訊和指定輸入端的等效輸入雜訊)。
(3)瞬態分析：在用戶指定區間內進行電路的瞬態特性分析；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次諧波係數以及失真係數。
(4)靈敏度分析：計算電路元器件參數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。
(6)溫度分析：根據用戶指定的溫度.進行不同溫度下電路特性分析。
(7)優化設計：在給定電路拓撲結構和電路性能約束情況下，確定電路元器件的最佳參數組合。

2)EWB軟體簡介
    EWB軟體是加拿大Interactive Image Technologies公司於20世紀80年代末，推出的專用電子線路模擬軟體。它可以在計算機上模擬進行電路的連接、元件型號、參數的選擇，然後選擇所需的虛擬測試儀器對電路進行模擬運行和測試，並在模擬儀器上讀出測試結果。繪製電路圖所需的元器件、電路模擬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。它基於SPICE3語言，可以讀入SPICE格式的電路網表文件進行模擬分析，還可以以OrCAD格式的電路網表文件。它擁有龐大的元器件庫，元器件總數達近萬種，提供了電路模擬軟體實用化的必備保證。除可使用虛擬儀器外，它還可對電路進行更為詳盡的分析.其分析結果均以圖形或報表的形式表現出來，共有13種分析方法：直流工作點分析、交流頻率分析、瞬態分析、傅立葉分析、雜訊分析、失真分析、參數掃描分析、溫度掃描分析、傳遞函數分析、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
(1)EWB界面直觀，操作方便，容易掌握。相對於其它的模擬軟體，它的價格極低，具有極高的價格性能比。
(2)同EWB相比較，PSPICE具有如下的優點：一是信號源種類多，尤其是瞬態分析的信號源：二是輸出波形功能強大，只需在所觀測的節點放置電壓(電流)探針，就可以在模擬圖中觀測結果。它還集成了許多數學運算，還可以對模擬結果窗口進行編輯。用PSPICE軟體對電子電路進行模擬雖不如EWB簡便，但是它可以完成許多EWB無法完成的任務.所以對電子電路模擬最好配合使用這兩種軟體。

3 微電流/電壓轉換電路圖原理及模擬分析
1 電路圖原理
    由於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：採用同相輸入使得電路輸入阻抗高。電路結構採用對稱形式，外圍電阻採用高精密電阻，使得漂移、雜訊、失調電壓和失調電流等相互抵消，以提高電路的測量精度，否則電路的放大倍數、共模抑制比和精度等將明顯降低。根據集成運放的虛短和虛斷原理。可得輸入輸出關係為：
 
2.應用EWB模擬
(一)根據圖(1)畫出電路原理圖：
(1)新建一張電路圖紙
單擊File->New即可新建一張空白的電路圖。
(2)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。
(3)放置所需的元器件
從元器件櫃欄抓取所需的元器件
(4)元器件編輯，元器件布局調整，連線。
(5)運行模擬，從虛擬儀器觀察輸出或某些節點的電氣參數(電流、電壓、功率等)。
(二)以輸入15uA電流為例。先選中元器件.右擊滑鼠，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、開環增益、輸入阻抗等參數的改動。按照要求，選擇元器件並設置參數后，合理布置元器件並布圖連線后，微弱電流/電壓轉換電路圖為圖(2)。
 
其中的運放選擇LF356，虛擬儀器用示波器來觀察最後的輸出電壓波形。
(5)模擬分析
    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)，然後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。模擬結果列表(1)如下：

表1 EWB模擬結果比較

R1改變數	100%	90%	80%	70%	60%	50%	40%
輸出電壓Vout(V)	3.2040	3.4622	3.6398	3.8600	4.1742	4.5985	4.9742

(6)同理，將電流元的值設置為其餘的值，也可滿足要求。

3.應用PSPICE模擬
(一)畫電路圖步驟
(1)創建電路圖文件
    進入Capture新建Project，並選定設計項目類型為Analog or Mixed Signal Circuit。
(2)載入元件模擬庫
(3)調用模擬元件
    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]，啟用節點設置完成節點設置，同名的節點模擬時就連在一起了.這有利於複雜電路圖的簡化。
(4)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。
(5)運行模擬分析
(二)以15uA電流為例，選擇好參數，其電路圖如圖(4)所示。
 
圖4 PSPICE模擬原理圖
    其中運放選擇uA741。經直流掃描分析和瞬態分析.得輸出電壓為4.006V，滿足要求。輸出波形為圖5所示.  從模擬結果的圖中可看出，隨著輸入電流(0～10uA)的改變。輸出電壓也改變。但是對輸入電流範圍有一定的要求。超出該範圍就不能檢測出輸出電壓的變化。

4 結論
    本文對微弱電流轉換成可檢測的電壓電路，給出了電路原理圖.並用PSPICE和EWB兩種軟體進行了模擬分析，對比給出模擬結果。該電路原理在被測電路串聯採樣電阻，來直接測量電阻兩端的電壓，其優點是測量簡便。但當測量電流變化較大或採樣電阻較大、較小時，會嚴重影響測量精度和準確度，且存在測量範圍較小、測量誤差較大等缺點，如利用PSPICE軟體模擬時，被測電流超過十幾微安時，該電路圖失效。採用MAX472等新型集成的電流/電壓轉換晶元可克服上述常規檢測方法的缺點，實現階躍電流的高精度測量。