KiCad 电路仿真简易教程

前言

本教程旨在为电子工程师和爱好者提供一份简易的 KiCad 仿真培训指南，通过实例讲解，帮助您快速掌握 KiCad 的电路仿真流程和技巧。

仿真基础：SPICE简介

在开始之前，有必要了解一下SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）。SPICE是一种通用的开源电路仿真程序，是目前电子设计自动化（EDA）领域应用最广泛的电路级仿真软件。KiCad集成的 ngspice
 是 SPICE 的一个分支。

电路仿真的核心是 SPICE模型。每个电子元器件（如电阻、电容、晶体管、运放等）都有其对应的SPICE模型，这是一个文本文件，用数学方式描述了元器件的电气特性。为了进行精确的仿真，原理图中的每一个元器件都必须关联一个正确的 SPICE 模型。

KiCad 仿真流程概览

在KiCad中进行电路仿真的基本流程如下：

1. 绘制原理图：使用 KiCad 的原理图编辑器绘制需要仿真的电路。

常用的阻容器件已经内置了 Spice 模型，修改器件属性中的 Value 字段可直接定义参数值。您也可以在器件属性中点击“仿真模型”修改内置器件的参数，或者选择自己的 Spice 模型：

在符号选择器中，搜索"simulation"，可以使用自带的 spice 模型：

2. 分配SPICE模型：为原理图中的每个元器件指定合适的SPICE模型。

3. 配置激励源：添加电压源或电流源作为电路的输入信号。

4. 设置仿真类型：

在菜单或工具栏中打开仿真界面：

新建一个仿真选项卡，并选择要进行的仿真分析类型（如瞬态、AC交流、DC扫描等）。

5. 运行仿真：启动仿真器并观察结果。

6. 分析波形：使用波形查看器分析电压、电流等参数。

实例讲解：RC低通滤波器仿真

我们将通过一个经典的RC低通滤波器实例，详细演示KiCad的仿真操作。RC低通滤波器是最简单、最常见的滤波器之一，其电路图如下：

电路参数：

• 电阻 R1: 1kΩ

• 电容 C1: 1µF

• 输入信号: 频率为50Hz，峰值为1V的正弦波

预期结果：

该滤波器的截止频率 f_c 计算公式为：

fc=2πRC1=2π×1000×1×10−61≈159.15 Hz

当输入信号频率（50Hz）低于截止频率时，信号应能基本无衰减地通过。当输入信号频率远高于截止频率时，信号将被大幅衰减。

步骤一：创建工程并绘制原理图

1. 打开KiCad，创建一个新工程，命名为 RC_Filter_Simulation。

2. 进入原理图编辑器。

3. 使用添加符号按钮（快捷键A），从Simulation_SPICE库及标准库中添加以下元件：

• VSIN (正弦电压源)

• R (电阻)

• C (电容)

• GND (接地)

• 双击电阻R，将其值修改为 1k。

• 双击电容C，将其值修改为 1u。

原理图绘制完成如下图所示：

步骤二：配置激励源和分配模型

1. 配置激励源：双击VSIN符号，打开其属性。点击仿真模型...按钮，在模型编辑器中设置以下参数：

• DC offset (直流偏置): 0

• Amplitude (幅值): 1V

• Frequency (频率): 50Hz

• AC magnitude (AC分析幅值): 1V (用于AC交流分析)

• 对于电阻和电容，KiCad的默认pspice库中的R和C符号通常已内置了基本的SPICE模型，无需额外设置。

• 对于更复杂的元器件（如晶体管、运放），你需要双击该元件，点击仿真模型...，然后通过模型选项卡加载从厂商获取的.lib或.subckt模型文件。对于本例，此步骤可省略。

步骤三：设置并运行仿真

1. 在原理图编辑器顶部菜单栏，选择检查 -> 仿真工具。

2. 这将打开电路仿真器窗口。点击窗口顶部的设置按钮（齿轮图标）或选择仿真 -> 新建分析选项卡，打开仿真参数设置界面。

3. 进行瞬态分析 (Transient Analysis)：瞬态分析用于观察电路在一段时间内的时域响应，类似示波器的效果。

• 在分析类型中选择 Tran瞬态。

• 设置步长时间（Step）：例如1u (1微秒)，这代表仿真计算的精度。

• 设置结束时间（Final time）：我们需要观察几个周期的波形。50Hz信号的周期是20ms，观察5个周期即100ms。因此设置为100m。

• 点击确定。

  

  
  

步骤四：分析仿真结果

仿真完成后，您将在波形查看器中看到V_IN和V_OUT的电压波形。

结果分析：

• 可以看到，绿色的输入信号V(V_IN)是一个峰值为1V的完美正弦波。

• 紫色的输出信号V(V_OUT)也是一个正弦波，但其幅值略有衰减，并且相位有所延迟。这符合RC低通滤波器在通带内的特性。

进阶仿真：AC 交流分析

瞬态分析只能看到特定频率下的响应。要了解滤波器在不同频率下的性能（即频率响应），我们需要进行AC交流分析（也称频率扫描）。

步骤一：设置AC分析

1. 回到仿真器设置窗口。

2. 在分析类型中选择AC。

3. 设置扫描参数：

• 扫描类型：Decade (十倍频程)。

• 每十倍频点数：100 (点数越多，曲线越平滑)。

• 起始频率：1Hz。

• 结束频率：10kHz。

  

  
  

步骤二：分析频率响应曲线

仿真完成后，波形查看器将显示该滤波器的波特图（Bode Plot）。

结果分析：

• 幅频特性（实线）：在低频段（< 100Hz），增益接近0dB，意味着信号几乎无衰减通过。随着频率升高，增益开始下降。在之前计算出的截止频率159Hz附近，增益大约为-3dB。在高频段，增益以-20dB/十倍频程的斜率下降。

• 相频特性（虚线）：输出信号的相位相对于输入信号发生偏移。在截止频率处，相移为-45度。

这个结果完美地验证了我们设计的RC低通滤波器的频率响应特性。

仿真常见问题与技巧

• 仿真错误："No SPICE model found"

• 原因：原理图中有元件没有关联SPICE模型。

• 解决：双击该元件，打开仿真模型...对话框，为其手动指定一个有效的SPICE模型文件。

• 仿真不收敛

• 原因：电路设计可能存在问题（如节点悬空），或者仿真参数设置不当。

• 解决：检查原理图连接，确保有正确的接地。尝试在仿真设置中调整瞬态分析的方法（Method），从trap（梯形法）改为gear。

• 获取SPICE模型

• 大多数半导体厂商（如TI, ADI, ON Semi）的官网都会为其芯片提供PSpice或SPICE模型，通常是.lib或.mdl文件。下载后即可在KiCad中导入使用。

总结

KiCad 的仿真功能为电路设计提供了强大的验证工具。通过本文的教程和实例，您应该已经掌握了在 KiCad 中进行基本电路仿真的流程。从绘制原理图、配置模型，到运行瞬态和AC分析，每一步都是电路设计与验证不可或缺的环节。

要成为仿真专家，关键在于不断实践。尝试仿真更复杂的电路，如运算放大器电路、晶体管放大电路或电源电路，并深入学习 SPICE 语法和模型参数，您将能够更深刻地理解电路行为，并设计出更稳定、更可靠的电子产品。