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文檔簡(jiǎn)介

1、chuanPage of104/15/2013第一章概論本章在簡(jiǎn)要介紹計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD:ComputerAidedDesign和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA:ElectronicDegnAutomation)基本概念的基礎(chǔ)上,介紹OrCAD/PSpice軟件的功能和特點(diǎn),并具體說明調(diào)用PSpce軟件進(jìn)行電路模擬的基本步驟。1-1EDA技術(shù)和PSpice軟件1-1-1CAD和EDA進(jìn)行電子線路設(shè)計(jì),就是根據(jù)給定的設(shè)計(jì)要求,包括功能和特性指標(biāo)要求,通過各種方法,確定應(yīng)采用什么樣的線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及線路中各個(gè)元器件應(yīng)采用什么參數(shù)值。有時(shí)還需將設(shè)計(jì)好的線路進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為印刷電路板版圖設(shè)計(jì)。要完成上述設(shè)計(jì)任

2、務(wù),一般需經(jīng)過設(shè)計(jì)方案提出、驗(yàn)證和修改(若需要的話)三個(gè)階段,有時(shí)甚至要經(jīng)歷幾個(gè)反復(fù),才能完成一個(gè)比較好的電路設(shè)計(jì)。按照上述三個(gè)階段中完成任務(wù)的手段不同,可將電子線路的設(shè)計(jì)方式分為不同類型。如果方案的提出、驗(yàn)證和修改都是人工完成的,則稱之為人工設(shè)計(jì)方法。這是一種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,其中設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證一般都采用實(shí)際搭試驗(yàn)電路的方式進(jìn)行。這種方法花費(fèi)高,效率低。從70年代開始,隨著電子線路設(shè)計(jì)要求的提高以及計(jì)算機(jī)的發(fā)展,使電子線路設(shè)計(jì)發(fā)生了根本性的變革,出現(xiàn)了CAD和EDA。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)顧名思義,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是在電子線路設(shè)計(jì)過程中,借助于計(jì)算機(jī)來幫助“人”迅速而準(zhǔn)確地完成設(shè)計(jì)任務(wù)。具體地

3、說,由“人”根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行總體設(shè)計(jì)并提出具體的設(shè)計(jì)方案,然后利用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量大、運(yùn)算速度快的特點(diǎn),對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行人工難以完成的模擬評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)檢驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理等工作。發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)誤或方案不理想時(shí),再重復(fù)上述過程。這就是說,由人和計(jì)算機(jī)通過CAD這一工作模式共同完成電子線路的設(shè)計(jì)任務(wù)。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)CAD技術(shù)本身實(shí)際上是一種通用技術(shù),在機(jī)械、建筑、甚至服裝等各種行業(yè)中均已得到廣泛應(yīng)用。但是,在電子行業(yè)中,CAD技術(shù)不但應(yīng)用面廣,而且發(fā)展得最快,在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動(dòng)化(DA:DesignAutomation)方面取得了突破性的進(jìn)展。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中,不少設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),如系統(tǒng)綜合、優(yōu)化設(shè)計(jì)等均可由計(jì)算機(jī)軟

4、件自動(dòng)完成。目前在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域,設(shè)計(jì)技術(shù)正處于從CAD向DA過渡的進(jìn)程中,一般統(tǒng)稱為電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)。1-1-2微機(jī)級(jí)電子線路EDA軟件直到80年代初,CAD軟件至少需要在小型計(jì)算機(jī)或?qū)I(yè)用的工作站上才能運(yùn)行。當(dāng)時(shí)的微機(jī)系統(tǒng)受運(yùn)行速度、存儲(chǔ)量等因素限制,無法運(yùn)行CAD軟件。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,以O(shè)rCAD為代表的EDA技術(shù)開發(fā)公司,相繼推出了一批可以在微機(jī)上運(yùn)行的EDA軟件。近幾年,隨著奔騰CPU芯片的采用,新型微機(jī)系統(tǒng)的許多性能已接近工作站,微機(jī)上的EDA軟件系統(tǒng)也已達(dá)到了相當(dāng)?shù)乃?。OrCAD公司的EDA軟件是其中的突出代表。他覆蓋了電子設(shè)計(jì)中的4項(xiàng)核心任務(wù):以VHDL和線路圖繪

5、制方式進(jìn)行設(shè)計(jì)生成,F(xiàn)PGA和CPLD設(shè)計(jì)綜合,數(shù)字、模擬和數(shù)/?;旌想娐纺M,以及印制電路板(PCB)設(shè)計(jì)。其軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。系統(tǒng)中每一部分不但可以根據(jù)需要單獨(dú)使用,更重要的是這些軟件相互之間又有如圖1-1所示的內(nèi)在聯(lián)系,構(gòu)成一個(gè)完整的EDA系統(tǒng),對(duì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)施統(tǒng)一管理。這樣,用戶就不必花過多的時(shí)間考慮各個(gè)軟件之間的調(diào)用關(guān)系以及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)格式和交換方式,而將主要精力放在線路設(shè)計(jì)本身。圖1-1微機(jī)級(jí)OrCAD軟件系統(tǒng)構(gòu)成框圖下面簡(jiǎn)要介紹OrCAD軟件系統(tǒng)中主要軟件的功能。OrCAD/:apture:這是一個(gè)功能強(qiáng)大的電路原理圖設(shè)計(jì)軟件。除可生成各類模擬電路、數(shù)字電路和數(shù)/?;旌想娐返?/p>

6、電路原理圖外,還配備有元器件信息系統(tǒng)CIS(ComponentInformationSystem)可以對(duì)元器件的采用實(shí)施高效管理。同時(shí)該軟件還具有ICA(InterndtComponentAssstant)功能,可在設(shè)計(jì)電路圖的過程中從Internet互聯(lián)網(wǎng)上的元器件數(shù)據(jù)庫中查閱、調(diào)用上百萬種元器件。OrCAD/Express:這是一個(gè)邏輯模擬軟件。其模擬功能包括由Capture生成的數(shù)字電路門級(jí)模擬,一直到VHDL綜合和仿真??蛇M(jìn)行10萬門以上的CPLD、FPGA和ASIC設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中可采用Xilinx、Altera、Lattice、Lucent、Actel、Philips和Vantis等

7、廠家生產(chǎn)的器件。OrCAD/PSpice:這是一個(gè)電路模擬軟件,除可對(duì)模擬電路、數(shù)字電路和數(shù)/?;旌想娐愤M(jìn)行模擬外,還具有優(yōu)化設(shè)計(jì)的功能。OrCAD/Layout:這是一個(gè)印刷電路版(PCB)設(shè)計(jì)軟件??芍苯訉rCAD/Captuie生成的電路圖通過手工或自動(dòng)布局布線方式轉(zhuǎn)為PCB設(shè)計(jì)。在PCB設(shè)計(jì)中,采用的層次可達(dá)30層,布線分辨率為1微米,放置元器件時(shí)旋轉(zhuǎn)角度可精確到(1/60度,即1分。完成PCB設(shè)計(jì)后,可生成3維顯示模型。需要指出的是,在Windows環(huán)境下運(yùn)行的OrCADEDA軟件系統(tǒng)均不存在“千年蟲問題,可順利地應(yīng)用到21世紀(jì)。本書將詳細(xì)介紹OrCAD/PSpice軟件的構(gòu)成、功

8、能特點(diǎn)和具體使用方法。其他3個(gè)軟件將在本套教程的另外3本書中介紹。1-1-3EDA技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)由1-1-2節(jié)介紹的OrCAD軟件系統(tǒng)功能特點(diǎn)可見,采用EDA技術(shù)具有下述優(yōu)點(diǎn):縮短設(shè)計(jì)周期。采用EDA技術(shù),用計(jì)算機(jī)模擬代替搭試驗(yàn)電路的方法,可以減輕設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證階段的工作量。特別是一部分設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件的出現(xiàn),更極大地加速了設(shè)計(jì)進(jìn)程。另外,在設(shè)計(jì)印制電路板時(shí),目前也有不少具有自動(dòng)布局布線和后處理功能的印刷電路板設(shè)計(jì)軟件可供采用,將人們從繁瑣的純手工布線中解放出來,進(jìn)一步縮短設(shè)計(jì)周期。節(jié)省設(shè)計(jì)費(fèi)用。搭試驗(yàn)電路費(fèi)用高、效率低。采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬驗(yàn)證就可以節(jié)省研制費(fèi)用。特別要指出的是,伴隨著微機(jī)的迅速發(fā)展和

9、普及,微機(jī)級(jí)EDA軟件水平的不斷提高,這就可以在計(jì)算機(jī)硬件投資要求不大,EDA軟件費(fèi)用也不太高的前提下,促進(jìn)EDA技術(shù)的推廣使用。提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)方法采用簡(jiǎn)化電路及元器件模型進(jìn)行電路特性的估算,通過搭實(shí)驗(yàn)電路板的方式進(jìn)行驗(yàn)證,故很難進(jìn)行多種方案的比較,更難以進(jìn)行靈敏度分析、容差分析、成品率模擬、最壞情況分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)等。采用EDA技術(shù)則可以采用較精確的模型來計(jì)算電路特性,而且很容易實(shí)現(xiàn)上述各種分析。這就可以在節(jié)省設(shè)計(jì)費(fèi)用的同時(shí)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。共享設(shè)計(jì)資源。在EDA系統(tǒng)中,成熟的單元設(shè)計(jì)及各種模型和模型參數(shù)均存放在數(shù)據(jù)庫文件中,用戶可直接分享這些設(shè)計(jì)資源。特另惺對(duì)數(shù)據(jù)庫內(nèi)容進(jìn)行修改或增

10、添新內(nèi)容后,用戶可及時(shí)利用這些最新的結(jié)果。很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。由于計(jì)算機(jī)具有存儲(chǔ)量大、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的特點(diǎn),在完成電路設(shè)計(jì)任務(wù)后,可以很方便地生成各種需要的數(shù)據(jù)文件和報(bào)表文件。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,需設(shè)計(jì)的電路越來越復(fù)雜,規(guī)模也越來越大,在這種情況下,離開EDA技術(shù)幾乎無法完成現(xiàn)代的電子線路設(shè)計(jì)任務(wù)。1-1-4OrCAD/PSpice軟件由圖1-1可見,微機(jī)級(jí)OrCADEDA軟件系統(tǒng)中,電路模擬分析是由OrCAD/PSpCe軟件完成的。該軟件的前身是SPICE,其全稱為SimulationProgramwithIntegratedCiicuitEmphasis,即重點(diǎn)用于集成電路的模擬程序。第一

11、版SPICE軟件是美國(guó)加州大學(xué)伯克萊分校為適應(yīng)集成電路CAD的需要,于1972年推出的。1975年的SPICE2G版達(dá)到實(shí)用化程度,得到廣泛推廣。但該程序的運(yùn)行環(huán)境至少為小型計(jì)算機(jī)。1983年,OrCAD公司推出了可在PC機(jī)上運(yùn)行的PSpice1p代表這是在PC機(jī)上運(yùn)行的版本)。目前最新版本是1998年11月推出的OrCAD/PSpice9。與SPICE相比,OrCAD/PSpice并不只是單純地將SPICE移植至PC機(jī),而是在下述3方面有重大變革。對(duì)模擬電路,不僅可以進(jìn)行直流、交流、瞬態(tài)等基本電路特性分析,而且可進(jìn)行蒙托卡諾(MC)統(tǒng)計(jì)分析,最壞情況(Wfcase)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)等復(fù)雜的電路

12、特性分析。不僅可對(duì)模擬電路進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析,而且可對(duì)數(shù)字電路、數(shù)/?;旌想娐愤M(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。為了突出這一功能特點(diǎn),新版本的軟件稱為PSpiceA/D。一改批處理運(yùn)行模式,可以在WINDOWS環(huán)境下,以人機(jī)交互方式運(yùn)行。繪制好電路圖后,即可直接進(jìn)行電路模擬,無需用戶編制繁雜的輸入文件。在模擬過程中,可以隨時(shí)分析觀察模擬結(jié)果,從電路圖上修改設(shè)計(jì)。經(jīng)過15年的發(fā)展和應(yīng)用,OrCAD/PSpce實(shí)際上已成為微機(jī)級(jí)電路模擬的標(biāo)準(zhǔn)軟件。本書將結(jié)合最新的OrCAD/PSpice9,詳細(xì)介紹該軟件的功能和使用方法。1-2OrCAD/PSpcie軟件的功能特點(diǎn)本節(jié)從下述幾方面說明該軟件的功能特點(diǎn),即:OrCA

13、D/PSpice軟件支持的元器件種類、可分析的電路特性類型以及配套軟件等。1-2-1PSpiceA/D支持的元器件類型1.元器件類型及其字母代號(hào)PSpiceA/D可模擬的元器件覆蓋了下述6類最常用的各種電路元器件?;緹o源元件。如電阻、電容、電感、互感、傳輸線等。常用的半導(dǎo)體器件。如二極管、雙極晶體管、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管、MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管、GaAs場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等。獨(dú)立電壓源和獨(dú)立電流源??僧a(chǎn)生用于直流(DC)、交流(AC)、瞬態(tài)(TRAN)分析和邏輯模擬所需的各種激勵(lì)信號(hào)波形。各種受控電壓源、受控電流源和受控開關(guān)?;緮?shù)字電路單元。包括常用的門電路、傳輸門、延遲線

14、、觸發(fā)器、可編程邏輯陣列、RAM、ROM等。單元電路調(diào)用。對(duì)常用的單元電路,特另是像運(yùn)算放大器一類集成電路,可將其作為一個(gè)單元電路整體出現(xiàn)在電路中,而不必考慮該單元電路的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)。PSpiceA/D為不同類別的元器件賦給了不同的字母代號(hào),女口表1-1所示。在電路圖中,不同元器件編號(hào)的第一個(gè)字母必須按表中規(guī)定。表1-1PSpiceA/D支持的元器件類別及其字母代號(hào)(按字母順序)字母代號(hào)元器件類另字母代號(hào)元器件類另BGaAs場(chǎng)效應(yīng)晶體管N數(shù)字輸入(見表注)C電容O數(shù)字輸出(見表注)D二極管Q雙極晶體管E受電壓控制的電壓源R電阻F受電流控制的電流源S電壓控制開關(guān)G受電壓控制的電流源T傳輸線H受電

15、流控制的電壓源U數(shù)字電路單元I獨(dú)立電流源USTIM數(shù)字電路激勵(lì)信號(hào)源J結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)V獨(dú)立電壓源K互感(磁芯),傳輸線耦合W電流控制開關(guān)L電感X單元子電路調(diào)用MMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)Z絕緣柵雙極晶體管(IGBT)注:表中N器件和O器件是在數(shù)/?;旌想娐分袑?duì)數(shù)/模接口型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行接口電路轉(zhuǎn)換時(shí)引進(jìn)的兩種等效器件,詳見第八章。2.元器件模型電路模擬的精度很大程度上取決于電路中代表各種元器件特性的模型參數(shù)值是否精確。為了方便用戶使用,PSpCeA/D提供的模型參數(shù)庫中包括有超過11300種的半導(dǎo)體器件和模擬集成電路產(chǎn)品的模型參數(shù),以及1600多種數(shù)字電路單元產(chǎn)品的參數(shù)。其中不

16、但包括了最新的GaAs器件和IGBT器件模型參數(shù),對(duì)MOSFET器件還提供了6種不同級(jí)別的模型,適用于先進(jìn)的亞微米工藝器件。第十章將介紹不同元器件模型參數(shù)的基本含義及其對(duì)電路特性模擬的影響。在本書所附的光盤中,Document路徑下的Analog和Digita兩個(gè)文件分別列出了模型參數(shù)庫中包括的模擬和數(shù)字兩類元器件名稱清單。這些元器件基本覆蓋了目前常用的商品化半導(dǎo)體器件和集成電路。1-2-2PSpiceA/D分析的電路特性PSpiceA/D可分析的電路特性有6類15種,女口表1-2所示。每種特性分析的具體功能和分析方法參見相應(yīng)章節(jié)。表1-2PSpiceA/D分析的電路特性類別電路特性參考章節(jié)直

17、流特性(1)直流工作點(diǎn)(BiasPointDetai)3-2節(jié)直流特性掃描(DCSweep)3-3節(jié)直流傳輸特性(TF:TansferFunction)3-4節(jié)直流靈敏度(DCSensitivity)3-5節(jié)交流特性(1)交流小信號(hào)頻率特性(ACSweep)3-6節(jié)(2)噪聲特性(Noise)3-7節(jié)瞬態(tài)特性(1)瞬態(tài)響應(yīng)(TTansientAnalysis)3-8節(jié)(2)傅立葉分析(FourierAnalysis)3-9節(jié)參數(shù)掃描(1)溫度特性(TemperctureAnalyss)4-1節(jié)(2)參數(shù)掃描(ParametreAnalysis)4-2節(jié)統(tǒng)計(jì)分析(1)蒙托卡諾分析(MC:Mont

18、eCarlo)4-3節(jié)(2)最壞情況分析(WC:WorstCase)4-4節(jié)邏輯模擬(1)邏輯模擬(DigitaSimulation)第七章數(shù)/?;旌夏M(MixedA/DSmulation)8-1節(jié)最壞情況時(shí)序分析(Woist-casetimingAnalyss)8-2節(jié)1-2-3PSpiceA/D的5個(gè)配套功能軟件(模塊)OrCAD軟件包中進(jìn)行電路模擬分析的核心軟件是PSpiceA/D。為了使模擬工作做得更快、更好,OrCAD軟件包中還提供有下述5個(gè)配套軟件(模塊)。他們之間的相互關(guān)系如圖1-2所示。圖1-2PSpiceA/D與配套軟件(模塊)電路圖設(shè)計(jì)軟件Capture為了進(jìn)行電路模擬,

19、必須向PSpiceA/D提供待分析電路的全部信息,包括電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、元器件參數(shù)值。同時(shí)還要說明電路特性分析類型,設(shè)置分析參數(shù),并提出結(jié)果輸出要求。早期的SPICE和PSpce軟件,在運(yùn)行前,要求用戶必須按規(guī)定格式將上述內(nèi)容編制成一份輸入文件。這一工作不但繁雜,而且極易出錯(cuò),當(dāng)電路規(guī)模較大時(shí),問題更加嚴(yán)重。采用電路圖繪制軟件Capture用戶只需以人機(jī)交互圖形編輯方式在屏幕上繪制好電路原理圖,設(shè)置好分析參數(shù),即可在Capture環(huán)境下繼續(xù)完成電路模擬。在Capture環(huán)境下,還能控制本節(jié)介紹的其他配套軟件的運(yùn)行。如圖1-1所示,Captue不僅可以與PSpceA/D配合使用,同時(shí)也是OrCADE

20、DA軟件包中進(jìn)行PLD設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),因此我們專門安排一本分冊(cè)詳細(xì)介紹OrCAD/Captue軟件的功能和使用方法。為了方便PSpceA/D軟件的運(yùn)行,本書在第二章將簡(jiǎn)要介紹如何調(diào)用Capture生成PSpiceAQ需要的電路圖。激勵(lì)信號(hào)波形編輯軟件(StmEd:StimuliEditor)在表1-2所示的電路特性分析中,瞬態(tài)和邏輯模擬等不同類型的分析,需要的輸入激勵(lì)信號(hào)波形各不相同。StmEd軟件是一個(gè)以交互方式運(yùn)行的激勵(lì)信號(hào)波形編輯器,可以生成電路模擬中需要的各種形狀激勵(lì)信號(hào)波形。包括:瞬態(tài)分析中需要的脈沖、分段線性、調(diào)幅正弦、調(diào)頻和指數(shù)信號(hào)等5種信號(hào)波形(5種信號(hào)波形的介紹見3-

21、8節(jié))(2)邏輯模擬中需要的時(shí)鐘信號(hào)、各種形狀脈沖信號(hào)以及總線信號(hào)。本書第三章和第七章將分別介紹調(diào)用StmEd軟件生成瞬態(tài)分析和邏輯模擬中要求的各種激勵(lì)信號(hào)波形的方法。在推出StmEd軟件之前,用戶必須按規(guī)定格式,描述上述各種信號(hào)波形,這也是一件既繁雜又易出錯(cuò)的工作。模型參數(shù)提取軟件(ModelEd:ModelEditor)如1-2-1節(jié)所述,PSpiceA/D的模型參數(shù)庫中包括了一萬多種元器件和單元集成電路的模型參數(shù),基本能滿足一般用戶模擬分析電路特性的需要。女踝用戶采用了未包括在模型參數(shù)庫中的元器件,可以調(diào)用模型參數(shù)生成軟件ModelEd,提取模型參數(shù)。用戶只需提供通常元器件手冊(cè)中給出的元

22、器件特性數(shù)據(jù),該軟件即可生成電路模擬時(shí)需要的模型參數(shù)。本書第十章將具體介紹ModelEd軟件的功能和使用方法。模擬結(jié)果波形顯示和分析模塊(PSpice/Probe)為了觀察模擬結(jié)果,確定電路設(shè)計(jì)是否滿足要求,PSpiceA/D完成電路模擬以后可自動(dòng)調(diào)用Probe模塊。該模塊具有下述3種主要功能。(1)顯示電路中的節(jié)點(diǎn)電壓、支路電流波形。在顯示信號(hào)波形過程中可隨時(shí)修改電路分析參數(shù)設(shè)置,再重新進(jìn)行電路模擬,顯示信號(hào)波形。在OrCAD中,可以根據(jù)需要,在電路圖設(shè)計(jì)修改、電路模擬、結(jié)果波形顯示之間交叉調(diào)用,直到電路設(shè)計(jì)滿足要求為止。第五章將介紹在Probe窗口中顯示信號(hào)波形的具體方法以及相關(guān)的輔助功能

23、。(2)模擬結(jié)果的再分析處理。Probe具有對(duì)模擬結(jié)果波形進(jìn)行再加工的功能,以提取出更多的信息。例如蒙托卡諾分析以后,可以繪制電路特性參數(shù)分布直方圖,得到成品率信息。參數(shù)掃描分析以后,可從結(jié)果波形中提取出電路特性特征參數(shù),例如濾波器的帶寬和中心頻率,并可進(jìn)一步得到這些特征參數(shù)與電路中元器件的關(guān)系,有助于實(shí)現(xiàn)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。第六章將詳細(xì)介紹Probe對(duì)模擬結(jié)果的再分析處理功能。(3)數(shù)字電路中邏輯錯(cuò)誤問題的檢測(cè)。在顯示邏輯模擬結(jié)果波形時(shí),Probe可以檢測(cè)出電路中存在的冒險(xiǎn)競(jìng)爭(zhēng)、時(shí)序錯(cuò)誤等問題,并可以將出錯(cuò)位置標(biāo)注在電路中。第八章將具體介紹邏輯錯(cuò)誤的檢測(cè)。優(yōu)化程序Optimizer為了進(jìn)一步幫助

24、用戶改進(jìn)其電路設(shè)計(jì),PSpceA/D提供有優(yōu)化模塊Optimizer,可以在電路模擬的基礎(chǔ)上,根據(jù)用戶規(guī)定的電路特性約束條件(例如滿足規(guī)定的帶寬和增益要求),自動(dòng)調(diào)整電路元器件參數(shù)(例如調(diào)整偏置電阻和晶體管參數(shù)),以滿足某一電路指標(biāo)要求(例女如吏電路功耗最?。?。調(diào)用Optimizer程序可同時(shí)調(diào)節(jié)8個(gè)元器件參數(shù),滿足8個(gè)優(yōu)化目標(biāo)和約束條件(或其組合)。1-2-4PSpiceA/DBasicsPSpice針對(duì)不同用戶的需用,OrCAD公司提供了3個(gè)檔次的PSpce程序,分別稱為PSpceA/D、PSpiceA/DBasic和PSpice。他們之間的差別在于具有的功能不盡相同。其中PSpceA/D

25、的功能最全,如表1-3所示。表中同時(shí)列出了另兩個(gè)軟件的功能比較。表1-3PSpiceA/DPSpiceA/DBasic和PSpice軟件功能比較功能PSpiceA/DPSpiceA/DBasicPSpice與OrCAD/Capture接口電路圖輸入(采用OrCAD/Capture)(第二章)有有有電路特性分析類型和參數(shù)設(shè)置(對(duì)話框)(3-1節(jié))有有有與OrCAD/Zapture交叉調(diào)用算二章)有有有模擬結(jié)果波形顯示和分析(第五章)有有有電路特性分析和模擬功能直流特性分析(3-2節(jié)3-5節(jié))有有有交流小信號(hào)分析(3-6節(jié))、噪聲分析(3-7節(jié))有有有瞬態(tài)分析(3-8節(jié))、傅立葉分析(3-9節(jié))有

26、有有溫度特性分析(4-1節(jié))有有有參數(shù)掃描分析(4-2節(jié))有有蒙托卡諾分析(4-3節(jié))、最壞情況分析(4-4節(jié))有有邏輯模擬(第七章)、數(shù)/?;旌夏M(8-1節(jié))有有最壞情況時(shí)序分析(8-2節(jié))、邏輯錯(cuò)誤檢測(cè)(7-節(jié))有特征值函數(shù)計(jì)算(6-4節(jié))、電路性能分析(6-5節(jié))有有直流偏置解文件的建立與調(diào)用(4-6-5節(jié))有有模擬電路功能塊建模有有有數(shù)字門電路延遲特性建模有模型參數(shù)生成軟件有有激勵(lì)信號(hào)波形編輯軟件有有支持的元器件和模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫GaAsFETs:Curtice,Statz,TriQuint,Parker-Skellern全部Statz全部MOSFETS:SPICE3(1-3)BSIM

27、1、BSIM3(版本2和3-1)、EKV有有有JFETs,BJTs有有有IGBTs有有達(dá)林頓管有有有D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器有電阻、電容、電感、互感模型描述有理想傳輸線、非理想傳輸線、傳輸線耦合非線性磁芯有有電壓控制開關(guān)、電流控制開關(guān)有有模型參數(shù)庫中半導(dǎo)體器件和模擬IC個(gè)數(shù)有有全部理想全部有1130011300注16500模型參數(shù)庫中數(shù)字電路個(gè)數(shù)20002000基本數(shù)字電路單元全部大部分注2任選項(xiàng)配置OrCAD/PspiceOptimizer有有網(wǎng)絡(luò)版有有注1:OrCAD/PSpiceA/DBasic模型參數(shù)庫中不包括IGBT、脈寬調(diào)制器、晶閘管、磁芯和傳輸線。注2:OrCAD/PSpice

28、A/DBasic支持的基本數(shù)字電路單元中不包括雙向傳輸門。1-2-5OrCAD/PSpiceA/D9版本的新特點(diǎn)于1998年底推出的OrCAD/PSpiceA/D9版本具有下述6個(gè)特點(diǎn)。1.新的前端模塊OrCAD/Capture版本8以前的PSpiceA/D本身帶有電路圖輸入軟件Schematc。從版本9開始,PSpiceA/D與OrCAD/Exprcss、OrCAD/LayoU樣,均以O(shè)rCAD/Zapture作為前端模塊。這樣,除可以利用Capture的電路圖輸入這一基本功能以外,還可以實(shí)現(xiàn)OrCAD中設(shè)計(jì)項(xiàng)目統(tǒng)管理,采用新的元器件屬性編輯工具,利用鼠標(biāo)右鍵菜單,以及其他多種高效省時(shí)的功能

29、。對(duì)于以前用Schematic生成的電路圖,版本9中提供有Sch2cap程序,可將其轉(zhuǎn)為Captuie可接受的格式。2.結(jié)果波形顯示分析模塊中新增的功能OrCAD/PSpiceA/D9中將電路模擬和結(jié)果波形顯示分析兩大模塊集成在一起。片obe只是作為其中的一個(gè)窗口。與以前版本的Probe模塊相比,新增了下述功能??梢栽谄聊簧蟿澐謳讉€(gè)窗口,包括顯示信號(hào)波形的個(gè)或多個(gè)圖形窗口、顯示輸出文件或其他文件的文本窗口、以及顯示模塊狀態(tài)和信息的窗口。在顯示結(jié)果波形的同窗口中可以修改電路特性分析參數(shù)設(shè)置,并在重新進(jìn)行模擬以后繼續(xù)顯示、分析新的模擬結(jié)果。可以啟動(dòng)多個(gè)電路模擬過程,并可隨時(shí)查閱模擬進(jìn)程,調(diào)整排隊(duì)優(yōu)

30、先順序。改進(jìn)波形顯示方式。包括在波形顯示區(qū)中新增了坐標(biāo)網(wǎng)格線,并且可以由用戶控制其顯示屬性,將顯示的波形經(jīng)縮放處理后復(fù)制和粘貼到其他文件中。3.模擬類型分組(SimulationProfile概念的弓入在版本8以前的PSpceA/D程序中,繪制好電路圖后,在進(jìn)行分析類型設(shè)置對(duì)話框的操作時(shí),對(duì)選擇設(shè)置的分析類型種類沒有限制。完成電路模擬以后,所有設(shè)置的電路特性分析結(jié)果存放在同個(gè)輸出數(shù)據(jù)文件中。在OrCAD/P5piceA/D9中,將直流DC掃描、交流小信號(hào)AC分析和瞬態(tài)TRAN分析作為3種基本的分析類型。對(duì)每一種電路,在一個(gè)模擬類型分組中,只能包括這3種基本分析類型中的種分析,但對(duì)可以同時(shí)進(jìn)行的

31、靈敏度分析、溫度特性、參數(shù)掃描、蒙托卡諾分析等沒有限制。每個(gè)模擬類型分組均有各自的名稱,分析結(jié)果數(shù)據(jù)單獨(dú)存放在個(gè)文件中。對(duì)同個(gè)電路,可建立多個(gè)模擬類型分組,不同分組也可以針對(duì)同種特性分析類型,只是分析參數(shù)不同。弓入這概念的好處是,可以單獨(dú)保存不同類型分析的結(jié)果。刪除其中個(gè),不會(huì)對(duì)其他類型分析結(jié)果產(chǎn)生影響。4.模型參數(shù)生成軟件的功能擴(kuò)展版本9中,模型參數(shù)生成軟件已改名為ModelEd比版本8中的Parts程序在功能方面有了很大的擴(kuò)展。統(tǒng)處理以文本和修改規(guī)范兩種形式提取模型參數(shù)。新增了達(dá)林頓器件的模型參數(shù)提取。完成模型參數(shù)提取后,自動(dòng)在圖形符號(hào)庫中增添該器件符號(hào)。5.亞微米MOS器件模型EKV2-

32、6的增加EKV2-6是一種基于器件物理特性的模型,適用于采用亞微米工藝技術(shù)的低壓、小電流模擬電路和數(shù)/模混合電路的模擬分析。6.模型參數(shù)庫的擴(kuò)展版本9的模型參數(shù)庫不但增添了不少廠家提供的約1000個(gè)器件模型,使庫中涉及的器件數(shù)達(dá)到13000個(gè),而且新增了EKVMOSFET模型以及光耦合器、達(dá)林頓管、DAC和ADC等新的器件類型。1-3電路模擬過程本節(jié)介紹電路模擬的基本過程,使讀者對(duì)本書各章內(nèi)容之間的相互關(guān)系有個(gè)總體了解。同時(shí)說明運(yùn)行PSpCeA/D9軟件對(duì)微機(jī)系統(tǒng)的要求。1-3-1電路模擬的基本過程采用OrCADEDA軟件系統(tǒng),對(duì)一個(gè)電路設(shè)計(jì)方案進(jìn)行電路模擬的基本過程如圖1-3所示,共分8個(gè)階

33、段。本書就是根據(jù)這一設(shè)計(jì)流程內(nèi)容安排各章的內(nèi)容。新建設(shè)計(jì)項(xiàng)目(Project)OrCAD軟件包對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)按項(xiàng)目(Project)實(shí)施管理。開始一個(gè)新的項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該首先調(diào)用OrCAD/Zapture軟件中的項(xiàng)目管理模塊,建立相應(yīng)的項(xiàng)目名稱,并確定有關(guān)的設(shè)置。2-1節(jié)將詳細(xì)介紹項(xiàng)目管理的基本概念和管理方法。圖1-3電路模擬基本過程電路圖生成確定項(xiàng)目名后,就應(yīng)該在電路圖繪制軟件OrCAD/Capture環(huán)境下,以人機(jī)交互方式將用戶確定的電路設(shè)計(jì)方案以電路原理圖形式送入計(jì)算機(jī)。第二章將介紹電路圖生成的具體方法。圖1-4中顯示的是繪好的振蕩器電路圖。對(duì)于采用PSpceA/D8以前版本設(shè)計(jì)的電路,電路

34、原理圖是用PSpceA/D軟件包中的Schematc程序生成的,2-5節(jié)將具體說明如何將這種電路圖文件轉(zhuǎn)換為OrCAD/Capture接受的格式。電路特性分析類型和分析參數(shù)設(shè)置生成電路圖以后,需要根據(jù)電路設(shè)計(jì)任務(wù),確定要分析的電路特性類型,并設(shè)置與分析有關(guān)的參數(shù)。如1-2-5節(jié)所述,從版本9開始,PSpiceA/D采用了模擬類型分組(Simulationprofile)的概念。3-1節(jié)將介紹這一新概念的含義。用戶可以在OrCAD/Captuie環(huán)境下新建或修改Profile設(shè)置(見圖1-4中的子命令),也可以在顯示分析結(jié)果波形時(shí),在PSpceA/D環(huán)境下修改Profile設(shè)置,重新進(jìn)行模擬(見

35、5-1節(jié))。第三章和第四章將詳細(xì)介紹表1-2中與模擬電路有關(guān)的各種特性分析類型選擇和分析參數(shù)設(shè)置的具體方法。模擬類型分組設(shè)置結(jié)果存放在以.SIM為擴(kuò)展名的文件中。運(yùn)行PSpceA/D程序完成上述3項(xiàng)工作后,即可調(diào)用PSpceA/D程序?qū)﹄娐愤M(jìn)行模擬分析。3-1節(jié)將介紹調(diào)用PSpiceAQ的3種不同方法。6-8節(jié)將介紹PSpceA/D的幾種不同運(yùn)行模式。模擬結(jié)果的顯示和分析完成電路模擬分析后,PSpice將按照電路特性分析的類型,分別將計(jì)算結(jié)果存入擴(kuò)展名為.OUT的ASCII碼輸出文件以及擴(kuò)展名為.DAT的二進(jìn)制文件(見3-1節(jié))。通過對(duì)這兩個(gè)文件內(nèi)容的分析,用戶可以確定其電路設(shè)計(jì)是否滿足預(yù)定要

36、求。4-5節(jié)將具體介紹.OUT輸出文件的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容。第五章和第六章將詳細(xì)介紹調(diào)用PSpice/Probe模塊顯示和分析模擬電路計(jì)算結(jié)果信號(hào)波形的方法。數(shù)字電路和數(shù)/模混合電路結(jié)果波形顯示和分析方法分別在第七章和第八章介紹。圖1-5是在PSpce/Probe窗口中顯示圖1-4振蕩器電路模擬分析結(jié)果波形的情況。電路優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)模擬電路,在結(jié)果分析的基礎(chǔ)上,可確定是否需要調(diào)用PSpceA/D中的優(yōu)化模塊(Optimizer),對(duì)電路進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。圖1-4OrCAD/Capture窗口圖1-5PSpice/Probe窗口顯示的分析結(jié)果信號(hào)波形設(shè)計(jì)修正在電路模擬過程中,女口果出現(xiàn)電路設(shè)

37、計(jì)方案不合適、電路圖生成中出現(xiàn)差錯(cuò)或分析參數(shù)設(shè)置不合適等問題,都會(huì)導(dǎo)致PSpiceA/D因檢測(cè)出致命錯(cuò)誤而不能正常運(yùn)行,或出現(xiàn)運(yùn)行不收斂和運(yùn)行結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求的情況。這時(shí)用戶應(yīng)分析問題所在,確定是否要修改電路設(shè)計(jì)、糾正電路圖生成中的問題或重新設(shè)置分析參數(shù),從上述第2階段或第3階段開始,進(jìn)行新一輪的設(shè)計(jì)模擬過程。有時(shí)需要經(jīng)過幾個(gè)循環(huán),才能得到滿足要求的電路設(shè)計(jì)。為了盡快查找出電路模擬中的問題,用戶可查閱.OUT文件中存放的錯(cuò)誤信息內(nèi)容(見4-5節(jié)),也可以在波形顯示分析窗口(Proce窗口)中分析出錯(cuò)信息(見8-3節(jié))。并可參考2-5節(jié)介紹的電路圖生成注意事項(xiàng),以及4-8節(jié)介紹的電路模擬不收斂

38、問題基本原因分析和解決途徑。設(shè)計(jì)結(jié)果輸出經(jīng)過上述幾個(gè)階段,得到一個(gè)符合要求的電路設(shè)計(jì)后,可以調(diào)用OrCAD/Capture,輸出全套電路圖紙,包括各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表(如元器件清單,電路圖紙層次結(jié)構(gòu)表等)。也可根據(jù)需要,將電路設(shè)計(jì)圖數(shù)據(jù)傳送給OrCAD/Layout,繼續(xù)進(jìn)行印刷電路板設(shè)計(jì)。1-3-2運(yùn)行要求對(duì)微機(jī)系統(tǒng)的要求運(yùn)行PSpiceA/D9軟件,對(duì)微機(jī)系統(tǒng)的基本要求為:(1)CPU:Intel200MHzPentium以上,或等效的其他CPU芯片。內(nèi)存:至少64MBRAM最好用128陌。硬盤:1G空間。顯示器:分辨率至少為800 x600,最好為1024x768。操作系統(tǒng):Windows95、

39、Windows98,或WindowsNT4.0。說明:如圖1-3所示,運(yùn)行PSpCeA/D9進(jìn)行電路模擬需要以O(shè)rCAD/Capture作為前端模塊。安裝Capture要求200MB的硬盤空間。對(duì)用戶的要求PSpiceA/D9是在Windows環(huán)境下運(yùn)行的,其界面結(jié)構(gòu)等也與Windows的雷同,因此除要求使用PSpce的用戶應(yīng)具有一定的電子線路知識(shí)外,還要求用戶熟悉并掌握Windows的使用,包括:在Windows下調(diào)用應(yīng)用程序,了解Windows中的文件管理,會(huì)操作鼠標(biāo),能使用圖標(biāo)、命令菜單、對(duì)話框、幫助文件等。對(duì)這些基本操作,本書將不作具體解釋。1-4運(yùn)行OrCAD/PSpceA/D9的有

40、關(guān)規(guī)定1-3-1PSpiceA/D中的數(shù)字在調(diào)用和運(yùn)行PSpiceA/D的過程中,數(shù)字采用通常的科學(xué)表示方式,即可以用整數(shù)、小數(shù)、以及以10為底的指數(shù)。在用指數(shù)表示時(shí),以字母E代表作為底數(shù)的10。對(duì)于比較大或比較小的數(shù)字,還可以采用10種比例因子,如表1-4所示。表1-4PSpiceA/D中采用的比例因子符號(hào)比例因子名稱F10-15飛(femto-)P10-12皮(pico-)N10-9納(nano-)U10-6微(micro-)MIL25.4*10七密耳(mil)M10-3毫(milli-)K10+3千(kilo-)MEG10+6兆(mega-)G10+9吉(giga-)T10+12太(te

41、ra-)例如,1.23K,1.23E3和1230均表示同一個(gè)數(shù)。對(duì)于以M開頭的3個(gè)比例因子符號(hào)應(yīng)給予特別的注意。若用單個(gè)字母M(不管大、小寫),是代表10-3,要表示106必須用MEG共3個(gè)字母,這與常規(guī)習(xí)慣有些不同,在使用中稍有不慎,將會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。例如在交流小信號(hào)分析中,要指定100兆赫茲的頻率,必須用100MEG若按平時(shí)習(xí)慣表示為100M,則PSpice將其理解為100毫赫茲。1-4-2PSpiceA/D中的單位PSpiceA/D中采用的是實(shí)用工程單位制,即時(shí)間單位為秒(s),電流單位為安培(A),電壓?jiǎn)挝粸榉?V),頻率單位為赫茲(Hz),。在運(yùn)行過程中,PSpiceA/D會(huì)根據(jù)具體對(duì)象

42、,自動(dòng)確定其單位。因此在實(shí)際應(yīng)用中,代表單位的字母可以省去。例如,表示470千歐姆的電阻時(shí),用470K4.7E5,470KOhm等均可。對(duì)于幾個(gè)量的運(yùn)算結(jié)果,PSpiceA/D也會(huì)自動(dòng)確定其單位。例如,若出現(xiàn)電壓與電流相乘的情況,PSpiceA/D將自動(dòng)給運(yùn)算結(jié)果確定單位為功率單位“瓦特(W)。1-4-3PSpiceA/D中的運(yùn)算表達(dá)式和函數(shù)在PSpceA/D運(yùn)行過程中,涉及到由數(shù)字、參數(shù)和變量組成的表達(dá)式。1.運(yùn)算符在構(gòu)成表達(dá)式時(shí),可采用的運(yùn)算符如表1-5所示。表1-5PSpiceA/D中的運(yùn)算符運(yùn)算符含義算術(shù)運(yùn)算符加(或字符相連)減/除*指數(shù)運(yùn)算邏輯運(yùn)算符非(NOT)|布爾“或”(OR)八

43、布爾“異或(XOR)&布爾與(AND)關(guān)系符(在IF()函數(shù)中)=等于!=不等于大于=大于或等于小于=小于或等于2.函數(shù)在運(yùn)行PSpice的過程中,可弓I用的函數(shù)式女口表1-6所示。表1-6PSpiceA/D中的函數(shù)(按字母順序)函數(shù)含義說明ABS(x)x的絕對(duì)值|x|ACOS(x)x的反余弦函數(shù)cos-1(x)-1.0=x=+1.0ARCTAN(x)x的反正切函數(shù)tan-1(x)結(jié)果單位為弧度ASIN(x)x的反正弦函數(shù)sin-1(x)-1.0=xmax),或x(其他情況)LOG(x)自然對(duì)數(shù)lnx15LOG10(x)常用對(duì)數(shù)logxM(x)x的幅值其結(jié)果與ABS(x)相同MAX(x,y)x

44、,y中的最大值MIN(x,y)x,y中的最小值P(x)x的相位若x為實(shí)數(shù),則P(x為0PWR(x,y)x絕對(duì)值的y次方|x|y等同于|x*y|PWRS(xy)結(jié)果為+|x|y(若x0),或-|x|y(若x0),或-1(若x0),或0(若x0)參見表后例2SQRT(x)開平方x1/2TAN(x)正切函數(shù)tan(x)x單位為弧度TANH(x)雙曲正切函數(shù)tanh(x)TABLE(xx1,y1,xn,yn)見表后說明(1)說明:TABLE函數(shù)的功能是,將所有點(diǎn)(x,yi)(i=1,2,n)連成一條折線,則函數(shù)值是折線上與x對(duì)應(yīng)的y值。如果x大于MAX(xi)(i=1,2n),則函數(shù)值是折線上與MAX

45、(xi)對(duì)應(yīng)的y值。如果x小于MIN(xi)(i=1,2,.n),則函數(shù)值是折線上與MIN(xi)對(duì)應(yīng)的y值。表1-6中的函數(shù)適用于電路模擬。在顯示和分析模擬結(jié)果信號(hào)波形時(shí),可采用的函數(shù)式與此不完全相同(見第五章表5-2)。例:例一:第11號(hào)函數(shù)的應(yīng)用實(shí)例。對(duì)函數(shù)IF(v(1)THLv(1),v(1)*v(1)/THL)若v(1)確實(shí)小于TH_,則函數(shù)值為v(1)。女口果v(1)不小于THL則函數(shù)值為v(1)*v(1)/THL例二:第27號(hào)函數(shù)STP(x)為單位階躍函數(shù)。可用于將某一時(shí)刻前一個(gè)變量的結(jié)果置于0。例如v(1)*STP(10ns-TIME)的結(jié)果是,在10ns之前,其值為0。直到1

46、0ns以后,結(jié)果才等于v(1)。1-4-4電路圖中的節(jié)點(diǎn)編號(hào)在電路模擬分析過程中,電路元器件的連接關(guān)系是通過節(jié)點(diǎn)號(hào)表示的,在指定輸出結(jié)果電壓時(shí),也要采用節(jié)點(diǎn)編號(hào)。PSpice接受的節(jié)點(diǎn)號(hào)可以采用下面4種形式。電路圖上由用戶設(shè)置的節(jié)點(diǎn)名稱(見2-4節(jié))。例如圖1-4中與U4A反相器1號(hào)輸入端相連的互醪上,“RESET就是用這一方法確定的節(jié)點(diǎn)名稱,V(RESET)就代表該節(jié)點(diǎn)與地之間的電壓。電路圖中用戶為電路端口符號(hào)確定的名稱。例如圖1-4中位于U1AJ-K觸發(fā)器輸出端的“OUT、“OUTBAR”也可作為節(jié)點(diǎn)名稱,V(OUT)就代表節(jié)點(diǎn)OUT與地之間的電壓。用元器件的引出端作為節(jié)點(diǎn)號(hào)名稱。其一般形

47、式為元器件編號(hào):引出端名.其中元器件編號(hào)是該元器件在電路圖中的編號(hào),其第一個(gè)字母必須是代表該元器件類型的關(guān)鍵字符(見表1-1)如R5,CLOAD,Q2等。對(duì)二端元器件,用1和2作為兩個(gè)引出端名稱。對(duì)獨(dú)立電流源和電壓源,用和作為兩個(gè)引出端名稱。對(duì)多端器件,雙極晶體管的基極、集電極、發(fā)射極和襯底4個(gè)弓出端名稱分另慄用字母B、C、E和S。例如V(Q2:C)代表電路圖中編號(hào)為Q2的雙極晶體管的集電極與地之間的電壓。場(chǎng)效應(yīng)晶體管中,源極、漏極和柵極名稱分別采用字母S、D和G。若有襯底引出端,則采用字母B。對(duì)于按層次關(guān)系設(shè)計(jì)的電路圖(HisarchCalDesign)(2-1節(jié)),在上述節(jié)點(diǎn)名稱和元器件編號(hào)的前面還必須給出其在層次電路圖中的層次名稱,之間用小數(shù)點(diǎn)符號(hào)隔開。但對(duì)于單頁式電路圖,或多層次電路圖中位于最上層(根層次)電路的節(jié)點(diǎn)名稱和元器件編號(hào),在其前面無需加電路層次說明。用數(shù)字編排的節(jié)點(diǎn)序號(hào)。繪制好電路圖后,在生成電

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