Protel99SE教程--第10章电路仿真.ppt

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1、1,第10章 电路仿真,10.1 概述 10.2 SIM 99仿真库中的主要元件 10.3 SIM 99中的激励源 10.4 仿真器设置 10.5 运行电路仿真 本章小结,2,10.1 概述,Protel 99 SE 仿真器包含一个数目庞大的仿真库，能很好地满足设计的需要。Protel 99 SE Advanced SIM 99是一个功能强大的数/模混合信号电路仿真器，运行在Protel的EDA/Client 集成环境下，与Protel Advanced Schematic原理图输入程序协同工作，作为Advanced Schematic的扩展，为用户提供了一个完整的从设计到验证的仿真设计环境。

2、 在Protel 99 SE中执行仿真，需要从仿真用元件库中放置所需的元件，连接好原理图，加上激励源，然后单击仿真按钮即可自动开始。作为一个真正的混合信号仿真器，SIM99集成了连续的模拟信号和离散的数字信号，可以同时观察复杂的模拟信号和数字信号波形，以及得到电路性能的全部波形。,3,10.2 SIM 99仿真库中的主要元件,在SIM99的仿真元件库中，包含了如下一些主要的仿真元器件。 10.2.1 电阻 在库Simulation Symbols.lib中，包含了如下的电阻器： RES： 固定电阻： RES2： 半导体电阻； POT2： 电位器； RES4： 变电阻。 上述符号代表了一般的电阻

3、类型，如图10.1所示。 在放置过程中按 Tab键，或放置完后双击该元器件弹出属性对话框，进行参数设置。,4,图10.1 仿真库中的电阻类型,5,9.2.2 电容 在库Simulation Symbols.Lib中，包含了如下的电容： CAP： 定值无极性电容； ELECTR02： 定值有极性电容； CAPVAR： 单连可变电容。 这些符号表示了一般的电容类型，如图 10.2所示。,6,图 102 仿真库中的电容类型,7,10.2.3 电感 在库Simulation Symbols.Lib中，包含的电感INDUCTOR。在电感的属性对话框中可设置如下参数： Designator： 电感名称（如

4、L1）； Part Type： 以微亨为单位的电感值（如27mH）； IC： 在Part Fields选项卡中设置，表示初始条件，即电感的初始电压值。该项仅在仿真分析工具傅里叶变换中的使用初始条件被选中后，才有效。,8,9.2.4 二极管 在库Diode.lib中，包含了数目巨大的以工业标准部件数命名的二极管。如图10.3所示，该图简单列出了库中包含的几种二极管。 图 9.3 仿真库中的二极管类型,9,9.2.5 三极管 在库Bjt.lib中，包含了数目巨大的以工业标准部件数命名的的三极管。如图10.4所示，该图简单列出了库中包含的三极管型号。 图 10.4 仿真库中的三极管类型,10,10.

5、2.6 JFET 结型场效应晶体管 结型场效应晶体管包含在Jfet.lib库文件中。如图10.5所示，该图简单列出了库中包含的结型场效应晶体管。 图 10.5 仿真库中的结型场效应管类型,11,10.2.7 MOS场效应晶体管 MOS场效应晶体管是现代集成电路中最常用的元器件。SIM 99提供了四种MOXFET模型，它们的伏安特性公式各不相同，但它们基于的物理模型是相同的。 在库Mosfet.lib中，包含了数目巨大的以工业标准部位数命名的MOS场效应晶体管。如图10.6所示，该图简单列出了库中包含的MOS场 效应晶体管。,12,图 10.6 仿真库中的MOS场效应管,13,10.2.8 电压

6、/电流控制开关 库Switch.lib包含了如下的可用于仿真的开关： CSW： 默认电流控制开关； SW： 默认电压控制开关。 如图10.7所示，该图简单列出了库中包含的电压/电流控制开关。 图 107 仿真库中的电压/电流控制开关,14,10.2.9 熔丝 Fuse.lib包含了一般的保险丝元器件。在熔丝的属性对话框中可设置如下参数： Designator：熔丝名称（如F1）； Curent： 熔断电流（单位A，如1A）； Resistance：在Part Fields选项卡中设置，以欧姆为单位的串联熔丝阻抗。,15,10.2.10 继电器（RELAY） 库Relay.lib包括了大量的继电

7、器，如图10.8所示。 在继电器的属性对话框中可设置如下参数： Designator：继电器名称； Pullin：触点引入电压； DroPoff：触点偏离电压； Contar： 触点阻抗 Resignator：线圈阻抗； Inductor： 线圈电感。,16,图 10.8 仿真库中的继电器类型,17,10.2.11 互感（电感耦合器） 库Transformer.lib包括了大量的电感耦合器。 在电感耦合器的属性对话框中可设置如下参数： Designator：电感受耦合器名称（如T1）； Ratio：二次侧/一次侧变压比，这将改变模型的默认值； RP：可选项，一次侧阻抗； RS：可选项，二次侧阻

8、抗。,18,10.2.12 TTL和CMOS数字电路元器件 库74XX.lib包含了74XX系列的TTL逻辑元件；库Cmos.lib包含了4000系列的CMOS逻辑元件。设计者可把上述元件库包含的数字电路元器件用到所设计的仿真图中。 10.2.13 模块电路 SIM 99中复杂元件都被用SPICE的子电路完全模型化，该元件没有设计者需设置的选项。对于这些元器件，设计者只需简单放置并设置该标号。所有的仿真用参数都已在SPECE子电路设定好。,19,10.3 SIM 99中的激励源,在SIM 99的仿真元件库中，包含了以下主要激励源。 10.3.1直流源 在库Simulation Symbols.

9、lib 中，包含了如下的直流源元器件： VSRC 电压源；ISRC 电流源； 仿真库中的电压/电流源的符号如图10.9所示。 图 10.9 电压/电流源符号,20,10.3.2 正弦仿真源 库Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的正弦源元器件： VSIN 正弦电压源；ISIN 正弦电流源。 通过这些源可创建正弦波电压和电流源。仿真库中的正弦电压/电流源符号如图10.10所示。 图10.10 正弦电压/电流源符号,21,10.3.3 周期脉冲源 库Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的周期脉冲源元器件： VPULSE： 电压脉冲源； IPULSE：

10、 电流脉冲源； 利用这些源可以创建周期的连续的脉冲。仿真库中的周期脉冲源符号如图10.11所示。 图 10.11 周期脉冲源符号,22,在周期脉冲源的属性对话框可设置如下参数： Designator： 设置所需的激励源元器件名称（如INPUT）； DC： 此项不用设置； AC： 如果欲在此电源上进行交流小信号分析，可设置此项（典型值为1）； AC Phase： 小信号的电压相位； Initial Value： 电压或电流的起始值； Pulsed： 上升时间时的电压或电流值； Time Delay： 激励源从初始状态到激发时的延时，单位为s；,23,Rise Time： 上升时间，必须大于0；

11、Fall Time： 下降时间，必须大于0； Pulse Width： 脉冲宽度，即脉冲激发状态的时间，单位为s； Period： 脉冲周期，单位为s； 10.3.4 指数激励源 库Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的指数激励源元器件： VEXP：指数激励电压源； IEXP：指数激励电流源；,24,利用这些源可创建带有指数上升沿或下降沿的脉冲波形。图10.12中是仿真库中的指数激励源元器件。 图10.12 指数激励源符号,25,10.3.5 单频调频源 库Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的单频调频源元器件： VSFFM 电压源； ISFFM

12、 电流源； 利用这些源可创建一个单频调频波。图10.13中是仿真库中的单频调频源元器件。 图 10.13 单频调频源符号,26,10.3.6 线性受控源 库Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的线性受控源元器件： HSRC： 线性电压控制电流源； GSRC： 线性电压控制电压源； FSRC： 线性电流控制电流源； ESRC： 线性电流控制电压源； 仿真器中的线性受控源元器件如图10.14所示。,27,图 10.14 线性受控源元元器件,28,以上是标准的SPECE线性受控源，每个线性受控源都有两个输入节点和两个输出节点。输出节点间的电压或电流是输入节点间的电压或电流的线

13、性函数，一般由源的增益、跨导等决定。 在线性受控源的属性对话框可设置如下数： Designator： 设置所需的激励源元器件名称（GSRC1） Part Type： 对于线性电压控制电流源，设置跨导，单位为S（西门子）； 对于线性电压控制电压源，设置电压增益，其无量纲； 对于线性电流控制电压源， 设置互阻，单位为； 对于线性电流控制电流源，设置电流增益，其无量纲。,29,10.3.7 非线性受控源 库Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的非线性受控源元器件： BVSRC 电压源； BISRC 电流源； 图10.15是仿真器中包括的非线性受控源元器件。 图10.15 非线

14、性受控源符号,30,10.3.8 压控振荡（VCO）仿真源 库Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的压控振荡源元器件： SINEVCO 压控正弦振荡器； SQRVCO 压控方波振荡器； TRIVEO 压控三角波振荡器。 设计者可利用以上元器件在原理图中创建压控振荡器,图10.16是仿真器中包括的压控振荡源元器件。,31,图10.16 压控震荡源元器件,32,10.4 仿真器设置,10.4.1 设置仿真初始状态 设置初始状态是为计算仿真电路直流偏置点而设定一个或多个电压（或电流）值。在仿真非线性电路、振荡电路及触发器电路的直流或瞬态特性时，常出现解的不收敛现象，而实际电路

15、是收敛的，其原因是偏置点发散或收敛的偏置点不能适应多种情况。设置初始值最通常的原因就是在两个或更多的稳定工作点中选择一个，以便仿真顺利进行。 库Simulation Symbols.lib 中，包含了两个特别的初始状态定义符： NS NODESET； IC Initial Condition。,33,1节点电压设置.NS 该设置使指定的节点固定在所给定的电压下，仿真器按这些节点电压求得直流或瞬态的初始解。其对双稳态或非稳态电路的计算收敛可能是必须的，它可使电路摆脱“停顿”状态，而进入所希望的状态。一般情况下，设置是不必要。 在节点电压设置的属性对话框可设置如下参数： Designator： 节

16、点名称，每个节点电压设置必须有唯一的标识符，如NS1； Part Type： 节点电压的初始幅值，如12V。,34,2初始条件设置.IC 该设置是用来设置瞬态初始条件的，“IC”仅用于设置偏置点的初始条件，它不影响DC扫描。 在初始条件设置的属性对话框可设置如下参数： Designator： 节点名称，每个初始条件设置必须有唯一的标识符（如IC1）； Part Type： 节点电压的初始幅值，如5V。 初始状态的设置共有三种途径：“IC”设置、“NS”设置和定义元器件属性。在电路模拟中，如有这三种或两种共存时，在分析中优先考虑的次序是定义元器件属性、“IC”设置、“NS”设置。如果“NS”和“

17、IC”共存时，则“IC”设置将取代“NS”设置。,35,10.4.2 仿真器设置 在进行仿真前，设计者必须决定对电路进行哪种分析，要收集哪几个变量数据，以及仿真完成后自动显示哪个变量的波形等。 1 进入分析（Analysis）主菜单 进入Protel 99 SE原理图编辑的主菜单后，单击“SimulateSetup”命令，进入仿真器的设置，如图10.17所示。,36,图 10.17 “SimulateSetup”命令,37,单击Setup选取项，将启动“仿真器设置”对话框，如图10.18所示。在General选项中，设计者可以选择分析类别。 图10.18 “仿真器设置”对话框,38,2. 瞬态

18、特性分析(Transient Analysis) 瞬态特性分析是从时间零开始，到用户规定的时间范围内进入的。瞬态分析的输出是在一个类似示波器的窗口中，在设计者定义的时间间隔内计算变量瞬态输出电流或电压值。如果不使用初始条件，则表态工作点分析将在瞬态分析前自动执行，以测得电路的直流偏置。 瞬态分析通常从时间零开始。若不从时间零开始，则在时间零和开始时间（Start Time）之间，瞬态分析照样进行，只是不保存结果。从开始时间（Start Time）和终止时间(Stop Time)的间隔内的结果将予保存，并用于显示。 步长(Step Time)通常是指在瞬态分析中的时间增量。 要在SIM 99中设

19、置瞬态分析的参数，可以通过激活Transien/Fourier选项便得到如图10.19所示的“设置瞬态分析/傅里叶分析参数”对话框。,39,图 10.19 “设置瞬态分析/傅立叶分析参数”对话框,40,3 傅里叶分析（Fourier） 傅里叶分析是计算瞬态分析结果的一部分，得到基频、DC分量和谐波。 要进行傅里叶分析，必须激活图10.19中Transien/Fourier Analysis选项。 4 交流小信号分析(AC Small Signal Analysis) 交流小信号分析将交流输出变量作为频率的函数计算出来。先计算电路的直流工作点，决定电路中所有非线性元器件的线性化小信号模型参数，然

20、后在设计者所指定的频率范围内对该线性化电路进行分析。 通过激活AC Small Signal Analysis选项可得“交流小信号分析参数设置”对话框。,41,5. 直流分析(DC Sweep Analysis) 直流分析产生直流转移曲线。直流分析将执行一系列表态工作点分析，从而改变前述定义所选择电源的电压。设置中可定义或可选辅助源。通过激活DC Sweep Analysis选项可得“直流分析参数设置”对话框。 6 蒙特卡罗分析（Monte Carlo Analysis） 蒙特卡罗分析是使用随机数发生器按元件值的概率分布来选择元件，然后对电路进行模拟分析。 SIM 99中通过激活Monte C

21、arlo Analysis选项可得“蒙特卡罗直流分析参数设置”对话框。,42,7 扫描参数分析（Parame Sweep Anlysis） 扫描参数分析允许设计者以自定义的增幅扫描元器件的值。扫描参数分析可以改变基本的元器件和模式，但并不改变子电路的数据。 设置扫描参数分析的参数，可通过激活Paramete Sweep Analysis 选项，可得扫描参数分析对话框。,43,8 扫描温度分析(Temperature Sweep Analysis) 扫描温度分析和交流小信号分析，直流分析及瞬态特性分析中的一种或几种相连的。该设置规定了在什么温度下进行模拟。如果设计者给了几个温度，则对每个温度都要

22、做一遍所有的分析。 设置扫描温度分析的参数，可通过激活Temperature Sweep Analysis选项，可得“扫描温度分析”对话框。,44,9 传递函数分析 传递函数分析计算直流输入阻抗、输出阻抗，以及直流增益。 设置传递函数分析的参数，可通过激活Transfer Function选项，可得“传递函数分析”对话框。 10 噪声分析（Noise Analysis） 电路中产生噪声的元器件有电阻器和半导体元器件，每个元器件的噪声源在交流小信号分析的每个频率计算出相应的噪声，并传送到一个输出节点，所有传送到该节点的噪声进行RMS（均方根）相加，就得到了指定输出端的等效输出噪声。 设置噪声分析

23、的参数，可通过激活Noise选项。,45,10.5 运行电路仿真,10.5.1 仿真总体设计流程图 采用SIM 99进行混合信号仿真的总体设计流程如图10.20所示。 图 10.20 电路仿真一般流程,设计需要仿真的原理图文件,46,10.5.2 仿真原理图设计 1 仿真原理图设计步骤 （1）调用元件库 在Protel 99 SE中，默认的原理图库包含中一系列的数据库中，每个数据库中有数目不等的原理图库。设计中，一旦加载数据库，则该数据库下的所有库都将列出来。仿真原理图用库在“LibrarySChSIM.ddb中。 创建仿真用的原理图在仿真用的数据库SIM.ddb加载后，如图10.21所示的包

24、含在SIM.ddb中的后缀名为.lib的仿真原理图库将列出在Browse栏内。,47,图10.21 SIM.ddb中包含.Lib库文件,48,（2）选择仿真元件 创建仿真用原理图的简便方法是使用Protel仿真库中的件。Protel 99 SE包含了大约6400多个 元器件模型，这些模型都是为仿真准备的。 在大多数情况下，设计者只需从如图10.21所示的库中选择一元件，设定它的值，连接好线路，就可以进行仿真了。每个元件包含了Spice仿真用的所有的信息。 最常用的仿真元器件如下： 激励源： 给所设计电路一个合适的激励源，以便仿真器进行仿真； 添加网络标号： 设计者须在需要观测输出波形的节点处定

25、义网络标号，以便于仿真器的识别。,49,（3）实施仿真 在设计完原理图后并对该原理图进行ERC检查，如有 错误返回原理图设计。然后，设计者就需对该仿真器设置，决定对原理图进行何种分析，并确定该分析采有的参数。设置不正确，仿真器可能在仿真前报告警告信息，仿真后将仿真过程中的错误写入Filename.err文件中。仿真完成后，将输出一系列的文件，供设计者对所设计的电路进行分析。具体的输出文件和具体的步骤详见实例。,50,10.5.3 模拟电路仿真实例 通过对一个简单模拟电路的仿真，具体说明Protel 99 SE中仿真器的使用。 （1）生成原理图文件 本例是一个简单的整流稳压电路，如图10.22所

26、示。一正弦波信号经过10：1的变压器变压、全波整流桥的整流以及电容滤波等一系列的变化后，得到一个相当稳定的低压直流信号。 在该电路中定义了一个有效值为125V，频率为50Hz的正弦波激励源。同时，在需要显示波形的几处添加了网络标号，用于显示输入波形、输出波形以及一些中间波形。,51,图10.22 整流稳压电路原理图,52,（2）设置仿真器 在本次仿真中，采用如图10.23所示的仿真设置项。将对电路进行瞬态分析。 设置完以后，单击Run Analyses按钮开始仿真，或单击Close按钮结束该设置，再通过SimulateSetupCreat SPICE Netlist菜单实现仿真。 在仿真设置后

27、，将生成“.cfg”文件。该文件以文本的方式记录下了仿真器的设置环境。,53,图10.23 仿真器设置,54,（3）仿真器输出仿真结果 仿真器的输出文件为“.Nsx”文件和“.Sdf”文件。为了更好地完善原理图设计，可以执行“SimulateCreateSPICE Netlist”命令，之后，将生成一个后缀为“.Nsx”的文件，如图10.24所示。“.Sdf”文件为仿真波形显示。,55,图 10.24 仿真生成的“.Nsx”文件,56,（4）仿真编辑器 当仿真完成后，执行“*.sdf”文件，将出现如图10.25所示的波形编辑器。波形栏内列出了所能显示的原理图中节点的波形，或某节点信号的多次谐波

28、波形。该栏下的三个按钮Show、Hide 和Color分别用于显示波形、隐藏波形和改变波形颜色等。波形编辑器中的View选项用于选择在编辑器中是显示单一波形，还是显示所有选择了的波形。为更好地观察波形，在此选择显示单一波形。,57,图10.25 波形编辑器窗口,58,（5）瞬态分析 下面将通过这个波形显示器显示仿真后的一系列的波形。对原理图进行瞬态分析后，可得到如下的一些信号波形。 输入信号in的波形，如图10.26所示，该输入信号周期约为20ms，幅值为170V 的正弦波信号。 图10.26 输入正弦波信号,59,将该信号变压后可得到节点a的波形，见图10.27所示。 图10.27 节点a处

29、的信号波形,60,输入波形经过全波整流后可得到节点b的波形，见图10.28所示 。 图10.28 节点b处的信号波形,61,将该信号再经过稳压等环节后，可得以一平稳的输出直流波形，见图10.29所示。 图10.29 输出直流波形,62,如果选择多波形显示，则设计者所选择的波形显示将在同一窗口中，如图10.30所示，这便于信号间的比较。 （6）通过仿真完善设计原理图 仿真器输出了一系列的波形，设计者借助这些波形，可以很方便的发现设计中的不足的问题。 图10.30 输入、输出和中间节点波形,63,本章小结,1. SIM 99仿真库中的主要元件 其中有：电阻、电容、电感、二极管、三极管、JFET 结

30、型场效应晶体管、MOS场效应晶体管、电压/电流控制开关、熔丝、继电器、互感、TTL和CMOS数字电路元器件、模块电路等。 2. SIM 99中的激励源 包含直流源、 正弦仿真源、周期脉冲源、指数激励源、单频调频源、线性受控源、非线性受控源、压控振荡（VCO）仿真源等。,64,3. 仿真器设置 (1) 设置仿真初始状态 是为计算仿真电路直流偏置点而设定一个或多个电压 （或电流）值。 (2) 仿真器设置 在进行仿真前，设计者必须决定对电路进行哪种分析，要收集哪几个变量数据，以及仿真完成后自动显示哪个变量的波形等。 进入Protel 99 SE原理图编辑的主菜单后，单击“SimulateSetup”命令，进入仿真器的设置进行分析. 四运行电路仿真 仿真原理图设计步骤 （1）调用元件库 （2）选择仿真元件 （3）实施仿真,