Protel99SE教程--第10章__電路仿真

1、1第10章 電路仿真210.1 概述 在Protel 99 SE中執(zhí)行仿真，需要從仿真用元件庫中放置所需的元件，連接好原理圖，加上激勵源，然后單擊仿真按鈕即可自動開始。作為一個真正的混合信號仿真器，SIM99集成了連續(xù)的模擬信號和離散的數(shù)字信號，可以同時觀察復(fù)雜的模擬信號和數(shù)字信號波形，以及得到電路性能的全部波形。310.2 SIM 99仿真庫中的主要元件 在SIM99的仿真元件庫中，包含了如下一些主要的仿真元器件。10.2.1 電阻電阻 在庫Simulation Symbols.lib中，包含了如下的電阻器：v RES： 固定電阻： v RESSEMI：半導(dǎo)體電阻； v RPOT： 電位器；

2、 v RVAR： 可調(diào)電阻。 在放置過程中按 Tab鍵，或放置完后雙擊該元器件彈出屬性對話框，進行參數(shù)設(shè)置。410.2.2 電容 在庫Simulation Symbols.Lib中，包含了如下的電容： CAP： 定值無極性電容； CAP2： 定值有極性電容； CAPSEMI： 半導(dǎo)體電容。10.2.3 電感 在庫Simulation Symbols.Lib中，包含的電感為INDUCTOR。在電感的屬性對話框中可設(shè)置如下參數(shù)： Designator： 電感名稱（如L1）； Part Type： 以微亨為單位的電感值（如27mH）； IC： 在Part Fields選項卡中設(shè)置，表示初始條件，即電

3、感的初始電壓值。該項僅在仿真分析工具傅里葉變換中的使用初始條件被選中后，才有效。5 10.2.4 二極管 在庫Diode.lib中，包含了數(shù)目巨大的以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)部件數(shù)命名的二極管。如下圖所示，該圖簡單列出了庫中包含的幾種二極管。 10.2.5 三極管三極管 在庫Bjt.lib中，包含了數(shù)目巨大的以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)部件數(shù)命名的的三極管。如下圖所示，該圖簡單列出了庫中包含的三極管型號。 6 10.2.6 JFET 結(jié)型場效應(yīng)晶體管 結(jié)型場效應(yīng)晶體管包含在Jfet.lib庫文件中。如圖所示，該圖簡單列出了庫中包含的結(jié)型場效應(yīng)晶體管。7 10.2.7 MOS場效應(yīng)晶體管 MOS場效應(yīng)晶體管是現(xiàn)代集成電路中最常用

4、的元器件。SIM 99提供了四種MOXFET模型，它們的伏安特性公式各不相同，但它們基于的物理模型是相同的。 在庫Mosfet.lib中，包含了數(shù)目巨大的以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)部位數(shù)命名的MOS場效應(yīng)晶體管。如圖所示，該圖簡單列出了庫中包含的MOS場效應(yīng)晶體管。 8 10.2.8 電壓/電流控制開關(guān) 庫Switch.lib包含了如下的可用于仿真的開關(guān)： CSW： 默認(rèn)電流控制開關(guān)； SW： 默認(rèn)電壓控制開關(guān)。 910.2.9 熔絲 Fuse.lib包含了一般的保險絲元器件。在熔絲的屬性對話框中可設(shè)置如下參數(shù)： Designator：熔絲名稱（如F1）； Curent： 熔斷電流（單位A，如1A）； Res

5、istance：在Part Fields選項卡中設(shè)置，以歐姆為單位的串聯(lián)熔絲阻抗。10 10.2.10 繼電器（RELAY） 庫Relay.lib包括了大量的繼電器，如圖所示。繼電器的屬性對話框中可設(shè)置如下參數(shù)： Designator：繼電器名稱； Pullin：觸點引入電壓； DroPoff：觸點偏離電壓； Contar： 觸點阻抗 Resignator：線圈阻抗； Inductor： 線圈電感。 11 10.2.11 互感（電感耦合器） 庫Transformer.lib包括了大量的電感耦合器。 在電感耦合器的屬性對話框中可設(shè)置如下參數(shù)： Designator：電感受耦合器名稱（如T1）；

6、Ratio：二次側(cè)/一次側(cè)變壓比，這將改變模型的默認(rèn)值； RP：可選項，一次側(cè)阻抗； RS：可選項，二次側(cè)阻抗。1210.2.12 TTL和CMOS數(shù)字電路元器件 庫74XX.lib包含了74XX系列的TTL邏輯元件；庫Cmos.lib包含了4000系列的CMOS邏輯元件。設(shè)計者可把上述元件庫包含的數(shù)字電路元器件用到所設(shè)計的仿真圖中。10.2.13 模塊電路 SIM 99中復(fù)雜元件都被用SPICE的子電路完全模型化，該元件沒有設(shè)計者需設(shè)置的選項。對于這些元器件，設(shè)計者只需簡單放置并設(shè)置該標(biāo)號。所有的仿真用參數(shù)都已在SPECE子電路設(shè)定好。1310.3 SIM 99中的激勵源1. 直流源 庫Si

7、mulation Symbols.lib 中，包含了如下的直流源元器件： VSRC 電壓源；ISRC 電流源；2. 正弦仿真源 庫Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的正弦源元器件： VSIN 正弦電壓源；ISIN 正弦電流源。143. 周期脈沖源 庫Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的周期脈沖源元器件： VPULSE： 電壓脈沖源； IPULSE： 電流脈沖源；在周期脈沖源的屬性對話框可設(shè)置如下參數(shù)： Designator： 設(shè)置所需的激勵源元器件名稱（如INPUT）； DC： 此項不用設(shè)置； AC： 如果欲在此電源上進行交流小信號分析，可設(shè)

8、置此項（典型值為1）； AC Phase： 小信號的電壓相位； Initial Value： 電壓或電流的起始值； Pulsed： 上升時間時的電壓或電流值； Time Delay： 激勵源從初始狀態(tài)到激發(fā)時的延時，單位為s；15 Rise Time： 上升時間，必須大于0； Fall Time： 下降時間，必須大于0； Pulse Width： 脈沖寬度，即脈沖激發(fā)狀態(tài)的時間，單位為s； Period： 脈沖周期，單位為s；4. 指數(shù)激勵源 庫Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的指數(shù)激勵源元器件： VEXP：指數(shù)激勵電壓源； IEXP：指數(shù)激勵電流源；165. 單頻

9、調(diào)頻源 庫Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的單頻調(diào)頻源元器件： VSFFM 電壓源； ISFFM 電流源；6. 線性受控源 庫Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的線性受控源元器件： HSRC： 線性電壓控制電流源； GSRC： 線性電壓控制電壓源； FSRC： 線性電流控制電流源； ESRC： 線性電流控制電壓源； 17 以上是標(biāo)準(zhǔn)的SPECE線性受控源，每個線性受控源都有兩個輸入節(jié)點和兩個輸出節(jié)點。輸出節(jié)點間的電壓或電流是輸入節(jié)點間的電壓或電流的線性函數(shù)，一般由源的增益、跨導(dǎo)等決定。 在線性受控源的屬性對話框可設(shè)置如下數(shù)： Designa

10、tor： 設(shè)置所需的激勵源元器件名稱（如GSRC1） Part Type： 對于線性電壓控制電流源，設(shè)置跨導(dǎo)，單位為S（西門子）； 對于線性電壓控制電壓源，設(shè)置電壓增益，其無量綱； 對于線性電流控制電壓源， 設(shè)置互阻，單位為； 對于線性電流控制電流源，設(shè)置電流增益，其無量綱。18 10.4仿真器設(shè)置 10.4.1 設(shè)置仿真初始狀態(tài) 設(shè)置初始狀態(tài)是為計算仿真電路直流偏置點而設(shè)定一個或多個電壓（或電流）值。在仿真非線性電路、振蕩電路及觸發(fā)器電路的直流或瞬態(tài)特性時，常出現(xiàn)解的不收斂現(xiàn)象，而實際電路是收斂的，其原因是偏置點發(fā)散或收斂的偏置點不能適應(yīng)多種情況。設(shè)置初始值最通常的原因就是在兩個或更多的穩(wěn)定

11、工作點中選擇一個，以便仿真順利進行。 庫Simulation Symbols.lib 中，包含了兩個特別的初始狀態(tài)定義符： NS NODESET； IC Initial Condition。19 1節(jié)點電壓設(shè)置.NS 該設(shè)置使指定的節(jié)點固定在所給定的電壓下，仿真器按這些節(jié)點電壓求得直流或瞬態(tài)的初始解。其對雙穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)電路的計算收斂可能是必須的，它可使電路擺脫“停頓”狀態(tài)，而進入所希望的狀態(tài)。一般情況下，不必要設(shè)置。 在節(jié)點電壓設(shè)置的屬性對話框可設(shè)置如下參數(shù)： Designator： 節(jié)點名稱，每個節(jié)點電壓設(shè)置必須有唯一的標(biāo)識符，如NS1； Part Type： 節(jié)點電壓的初始幅值，如12V。

12、20 2初始條件設(shè)置.IC 該設(shè)置是用來設(shè)置瞬態(tài)初始條件的，“IC”僅用于設(shè)置偏置點的初始條件，它不影響DC掃描。 在初始條件設(shè)置的屬性對話框可設(shè)置如下參數(shù)： Designator： 節(jié)點名稱，每個初始條件設(shè)置必須有唯一的標(biāo)識符（如IC1）； Part Type： 節(jié)點電壓的初始幅值，如5V。 初始狀態(tài)的設(shè)置共有三種途徑：“IC”設(shè)置、“NS”設(shè)置和定義元器件屬性。在電路模擬中，如有這三種或兩種共存時，在分析中優(yōu)先考慮的次序是定義元器件屬性、“IC”設(shè)置、“NS”設(shè)置。如果“NS”和“IC”共存時，則“IC”設(shè)置將取代“NS”設(shè)置。21 10.4.2 仿真器設(shè)置 在進行仿真前，設(shè)計者必須決定對

13、電路進行哪種分析，要收集哪幾個變量數(shù)據(jù)，以及仿真完成后自動顯示哪個變量的波形等。 1 進入分析（進入分析（Analysis）主菜單）主菜單 進入Protel 99 SE原理圖編輯的主菜單后，單擊“SimulateSetup”命令，進入仿真器的設(shè)置，如圖所示。22 單擊Setup選取項，將啟動“仿真器設(shè)置”對話框，如圖所示。在General選項中，設(shè)計者可以選擇分析類別。 23 2. 瞬態(tài)特性分析瞬態(tài)特性分析(Transient Analysis) 瞬態(tài)特性分析是從時間零開始，到用戶規(guī)定的時間范圍內(nèi)進入的。瞬態(tài)分析的輸出是在一個類似示波器的窗口中，在設(shè)計者定義的時間間隔內(nèi)計算變量瞬態(tài)輸出電流或電

14、壓值。如果不使用初始條件，則表示工作點分析將在瞬態(tài)分析前自動執(zhí)行，以測得電路的直流偏置。 瞬態(tài)分析通常從時間零開始。若不從時間零開始，則在時間零和開始時間（Start Time）之間，瞬態(tài)分析照樣進行，只是不保存結(jié)果。從開始時間（Start Time）和終止時間(Stop Time)的間隔內(nèi)的結(jié)果將予保存，并用于顯示。 步長(Step Time)通常是指在瞬態(tài)分析中的時間增量。 要在SIM 99中設(shè)置瞬態(tài)分析的參數(shù)，可以通過激活Transien/Fourier選項便得到 “設(shè)置瞬態(tài)分析/傅里葉分析參數(shù)”對話框。 24253. 傅里葉分析（傅里葉分析（Fourier） 傅里葉分析是計算瞬態(tài)分析結(jié)

15、果的一部分，得到基頻、DC分量和諧波。要進行傅里葉分析，必須激活Transien/Fourier Analysis選項。4交流小信號分析交流小信號分析(AC Small Signal Analysis) 交流小信號分析將交流輸出變量作為頻率的函數(shù)計算出來。先計算電路的直流工作點，決定電路中所有非線性元器件的線性化小信號模型參數(shù)，然后在設(shè)計者所指定的頻率范圍內(nèi)對該線性化電路進行分析。通過激活A(yù)C Small Signal Analysis選項可得“交流小信號分析參數(shù)設(shè)置”對話框。265. 直流分析(DC Sweep Analysis) 直流分析產(chǎn)生直流轉(zhuǎn)移曲線。直流分析將執(zhí)行一系列靜態(tài)工作點分析

16、，從而改變前述定義所選擇電源的電壓。設(shè)置中可定義或可選輔助源。通過激活DC Sweep Analysis選項可得“直流分析參數(shù)設(shè)置”對話框。6蒙特卡羅分析（Monte Carlo Analysis） 蒙特卡羅分析是使用隨機數(shù)發(fā)生器按元件值的概率分布來選擇元件，然后對電路進行模擬分析。 SIM 99中通過激活Monte Carlo Analysis選項可得“蒙特卡羅直流分析參數(shù)設(shè)置”對話框。277掃描參數(shù)分析（掃描參數(shù)分析（Parame Sweep Anlysis） 掃描參數(shù)分析允許設(shè)計者以自定義的增幅掃描元器件的值。掃描參數(shù)分析可以改變基本的元器件和模式，但并不改變子電路的數(shù)據(jù)。 設(shè)置掃描參數(shù)

17、分析的參數(shù)，可通過激活Paramete Sweep Analysis 選項，可得掃描參數(shù)分析對話框。288掃描溫度分析掃描溫度分析(Temperature Sweep Analysis) 掃描溫度分析和交流小信號分析，直流分析及瞬態(tài)特性分析中的一種或幾種相連的。該設(shè)置規(guī)定了在什么溫度下進行模擬。如果設(shè)計者給了幾個溫度，則對每個溫度都要做一遍所有的分析。 設(shè)置掃描溫度分析的參數(shù)，可通過激活Temperature Sweep Analysis選項，可得“掃描溫度分析”對話框。29 9. 傳遞函數(shù)分析 傳遞函數(shù)分析計算直流輸入阻抗、輸出阻抗，以及直流增益。設(shè)置傳遞函數(shù)分析的參數(shù)，可通過激活Trans

18、fer Function選項，可得“傳遞函數(shù)分析”對話框。 10.噪聲分析（Noise Analysis） 電路中產(chǎn)生噪聲的元器件有電阻器和半導(dǎo)體元器件，每個元器件的噪聲源在交流小信號分析的每個頻率計算出相應(yīng)的噪聲，并傳送到一個輸出節(jié)點，所有傳送到該節(jié)點的噪聲進行RMS（均方根）相加，就得到了指定輸出端的等效輸出噪聲。設(shè)置噪聲分析的參數(shù)，可通過激活Noise選項。 3010.5 運行電路仿真 10.5.1 仿真總體設(shè)計流程圖 采用SIM 99進行混合信號仿真的總體設(shè)計流程如下圖所示。 設(shè)計需要仿真的原理圖文件設(shè)置 SIM99 仿真環(huán)境分 析 仿 真 結(jié) 果仿 真 所 設(shè) 的 原理 圖3110.

19、5.2 仿真原理圖設(shè)計 1 仿真原理圖設(shè)計步驟（1）調(diào)用元件庫 在Protel 99 SE中，默認(rèn)的原理圖庫包含一系列的數(shù)據(jù)庫，每個數(shù)據(jù)庫中有數(shù)目不等的原理圖庫。設(shè)計中，一旦加載數(shù)據(jù)庫，則該數(shù)據(jù)庫下的所有庫都將列出來。仿真原理圖用庫在LibrarySChSIM.ddb中。 創(chuàng)建仿真用的原理圖在仿真用的數(shù)據(jù)庫SIM.ddb加載后，如圖所示的包含在SIM.ddb中的后綴名為.lib的仿真原理圖庫將列出在Browse欄內(nèi)。32 （2）選擇仿真元件 創(chuàng)建仿真用原理圖的簡便方法是使用Protel仿真庫中的元件。Protel 99 SE包含了大約6400多個 元器件模型，這些模型都是為仿真準(zhǔn)備的。 在大多

20、數(shù)情況下，設(shè)計者只需從如圖10.21所示的庫中選擇一元件，設(shè)定它的值，連接好線路，就可以進行仿真了。每個元件包含了Spice仿真用的所有的信息。 最常用的仿真元器件如下： 激勵源： 給所設(shè)計電路一個合適的激勵源，以便仿真器進行仿真； 添加網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號： 設(shè)計者須在需要觀測輸出波形的節(jié)點處定義網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，以便于仿真器的識別。33（3）實施仿真 在設(shè)計完原理圖后并對該原理圖進行ERC檢查，如有錯誤返回原理圖設(shè)計。然后，設(shè)計者就需對該仿真器設(shè)置，決定對原理圖進行何種分析，并確定該分析采用的參數(shù)。設(shè)置不正確，仿真器可能在仿真前報告警告信息，仿真后將仿真過程中的錯誤寫入Filename.err文件中。仿真完成

21、后，將輸出一系列的文件，供設(shè)計者對所設(shè)計的電路進行分析。具體的輸出文件和具體的步驟詳見實例。34 10.5.3 模擬電路仿真實例 通過對一個簡單模擬電路的仿真，具體說明Protel 99 SE中仿真器的使用。（1）生成原理圖文件 本例是一個簡單的整流穩(wěn)壓電路。一正弦波信號經(jīng)過10：1的變壓器變壓、全波整流以及電容濾波等一系列的變化后，得到一個相當(dāng)穩(wěn)定的低壓直流信號。 在該電路中定義了一個有效值為125V，頻率為50Hz的正弦波激勵源。同時，在需要顯示波形的幾處添加了網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，用于顯示輸入波形、輸出波形以及一些中間波形。3536（2）設(shè)置仿真器 在本次仿真中，采用如圖所示的仿真設(shè)置項。將對電路進

22、行瞬態(tài)分析。 設(shè)置完以后，單擊Run Analyses按鈕開始仿真，或單擊Close按鈕結(jié)束該設(shè)置，再通過SimulateSetupCreat SPICE Netlist菜單實現(xiàn)仿真。 在仿真設(shè)置后，將生成“.cfg”文件。該文件以文本的方式記錄下了仿真器的設(shè)置環(huán)境。37（3）仿真器輸出仿真結(jié)果 仿真器的輸出文件為“.Nsx”文件和“.Sdf”文件。為了更好地完善原理圖設(shè)計，可以執(zhí)行“SimulateCreateSPICE Netlist”命令，之后，將生成一個后綴為“.Nsx”的文件， “.Sdf”文件為仿真波形顯示。38 （4）仿真編輯器 當(dāng)仿真完成后，執(zhí)行“*.sdf”文件，將出現(xiàn)如圖所示的波形編輯器。波形欄內(nèi)列出了所能顯示的原理圖中節(jié)點的波形，或某節(jié)點信號的多次諧波波形。該欄下的三個按鈕Show、Hide 和Color分別用于顯示波形、隱藏波形和改變波形顏色等。波形編輯器中的View選項用于選擇在編輯器中是顯示單一波形，還是顯示所有選擇了