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1、Protel 99SE电路设计实例教程-电路仿真分析,第12章 电路仿真分析,内容提示：Protel 99 SE不但可以绘制电路图和制作印制电路板，而且还提供了电路仿真工具Advanced SIM 99。用户可以方便地对设计的电路信号进行模拟仿真。本章将讲述Protel 99 SE的仿真工具的设置和使用，以及电路仿真的基本方法。学习要点：仿真元件激励源及其属性设置初始状态设置仿真设置,12.1 仿 真 概 述,Protel 99 SE中的模拟器可对单个或多个原理图直接进行数字模拟仿真，它使用最新的Berkeley的SPICE3f5/Sspice版本，能够进行模拟数字混合仿真，采用事件驱动的数字
2、器件行为模型，不需要进行D/A或A/D变换就可以进行精确的数字和模拟器件的仿真。Protel 99 SE采用一种特殊的语言描述数字器件，允许使用Xspice的事件驱动版本，用于仿真的数字器件都用数字SimCode语言描述并且存放在Simulatio-ready原理图库中。下面介绍电路仿真的一般流程，流程如图12.1所示。,12.2 仿真元件示例,要使仿真顺利进行，得到比较接近真实的结果，应对元器件的参数进行适当的设置。当然，这些元器件很多参数都有初始值，而且满足绝大部分仿真要求。对于元器件中的一些基本项这里不再重复说明，如Designator是相应元器件的名称，Part Type是相应元器件的
3、数值，L代表长度，W是宽度，Temp为工作温度，默认为27摄氏度。,12.2.1 电阻,在Simulation Symbols.Lib库中，包含了如下4种电阻器。RES：固定电阻。RESSEMI：半导体电阻。RPOT：电位器。RVAR：可变电阻。仿真库中的电阻类型如图12.2所示。这些元件有一些特殊的仿真属性。在放置过程中按下Tab键，或放置后双击该元件，弹出属性设置对话框，如图12.3所示。,12.2.2 电容,在Simulation Symbols.Lib库中，包含了如下3种电容。CAP：定值无极性电容。CAPSEMI：半导体电容。CAP2：定值有极性电容。仿真库中的电容类型如图12.4所
4、示。电容的属性设置对话框如图12.5所示。,12.2.3 电感,在Simulation Symbols.Lib库中，只有一种电感INDUCTOR，如图12.6所示。元件列表如图12.7所示。,12.2.3 电感,电感的属性设置对话框如图12.8所示。对话框中部分重要项目的含义如下。Designator：电感的名称，如“L1”。Part Type：电感值，以微亨为单位。IC：在Part Fields选项卡中，表示初始条件，即电感的初始电流值。该项仅在仿真分析工具傅立叶变换中的初始条件选项被选中后才有效。,12.2.4 二极管,在Diode.Lib库中，包含了大量的以工业标准部件命名的二极管，如图
5、12.9所示。以其中的部分图示为例，如图12.10所示。二极管的属性设置对话框如图12.11所示。,12.2.5 三极管,在BJT.Lib库中，包含了大量的以工业标准部件命名的三极管，如图12.12所示。以其中的部分图示为例，如图12.13所示。三极管的属性设置对话框如图12.14所示。,12.2.6 JFET结型场效应管,结型场效应管包含在JFET.Lib库文件中。结型场效应管的模型是建立在Shichman和Hodge的场效应管的模型上的。在元件库中有很多标准，如图12.15所示。以其中的部分图示为例，如图12.16所示。结型场效应管的属性设置对话框如图12.17所示。,12.2.7 MOS
6、场效应管,在MOSFET.Lib库文件中。包含了数目巨大的以工业标准部件命名的MOS场效应管。如图12.18所示。仿真器支持Shichman Hodges、BSIM 1、BSIM 2、BSIM 3和MOS 2、MOS 3、MOS 6模型，如图12.19所示。MOS场效应管的属性设置对话框如图12.20所示。,12.2.8 MES场效应管,MES场效应管包含在MESFET.Lib库文件中。MES场效应管的模型是从Statz的砷化镓场效应管的模型得到的。在元件库中有两种标准，如图12.21所示。其中的部分图示见图12.22。MES场效应管的属性设置对话框如图12.23所示。,12.2.9 电压/电
7、流控制开关,SWITCH.Lib库文件中包含了下列可用于原理图的开关，如图12.24所示。CSW：默认的电流控制开关。SW：默认的电压控制开关。SW05：动作电压VT=500.0mV的电压控制开关。AWM10：VT=1000.0mV的电压控制开关。AWP10：VT=0.1V的电压控制开关。STTL：VT=2.5 V，滞环电压VH=0.1V的电压控制开关。TTL：VT=2.5 V，VH=1.2V，断电阻ROFF=100E+6的电压控制开关。TRIAC：VT=0.99V，RON=0.1，断电阻ROFF=100E+7的电压控制开关。这些开关如图12.25所示。,12.2.10 熔丝,熔丝元件包含在F
8、USE.Lib库文件中，熔丝的符号如图12.27所示。熔丝的属性设置对话框如图12.28所示。,12.2.11 晶振,CRYSTAL.Lib库文件中包含大量的晶振，包含大部分工业标准的使用频率，如图12.29所示。这些晶振如图12.30所示。晶振的属性设置对话框如图12.31所示。,12.2.12 继电器,在RELAY.Lib库文件中包含了5种继电器，如图12.32所示。继电器的原理图符号如图12.33所示。继电器的属性设置对话框如图12.34所示。,12.2.13 互感器,互感器在TRANSFORMR.Lib库文件中，其中包含了很多以工业标准命名的互感器，如图12.35所示。互感器的原理图符
9、号如图12.36所示。互感器的属性设置对话框如图12.37所示。,12.2.14 传输线,传输线模型包含在TRANSLINE.Lib库文件中，共有3种传输线模型原理图符号，如图12.38所示。(1)LLTRA无损耗传输线(2)LTRA有损耗传输线(3)URC均匀分布有损传输线,12.2.15 TTL和CMOS数字电路元件,在74XX.Lib库中包含了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。74XX系列的TTL逻辑元件列表和4000系列的CMOS逻辑元件列表如图12.40所示。其中部分原理
10、图符号如图12.41所示。74F83的属性设置对话框如图12.42所示。,12.2.16 集成块,12.3 激励源及其属性设置,在SIM 99的仿真元件库中，包含了以下主要激励源。,12.3.1 直流仿真源,在Simulation Symbols.lib库中，包含了下列直流源(ConstantDCsimulationsources)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12.43所示。直流源的属性设置对话框如图12.44所示。,12.3.2 交流仿真源,在Simulation Symbols.lib库中，包含了下列正弦源(Sinusoidalsimulat
11、ionsources)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源和电流源。仿真库中的正弦电压/电流源符号如图12.45所示。正弦仿真信号源的属性设置对话框如图12.46所示。,12.3.3 周期性脉冲仿真源,在Simulation Symbols.lib库中，包含了下列周期脉冲源(PeriodicPulsesimulationsources)元器件。VPULSE：电压脉冲源。IPULSE：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12.47所示。周期脉冲源的属性设置对话框如图12.48所示。,12.3.4 分段线性仿真源,
12、在Simulation Symbols.lib库中，包含了下列分段线性源(Piece-Wise-Linearsimulationsources)元器件。VPWL：分段线性电压源。IPWL：分段线性电流源。通过这些源可创建任意形状的波形。仿真库中的分段线性源符号如图12.49所示。分段线性源的属性设置对话框如图12.50所示。,12.3.5 指数仿真源,在Simulation Symbols.lib库中，包含下列指数激励源(Exponentialsimulationsources)元器件。VEXP：指数激励电压源。IEXP：指数激励电流源。利用这些源可创建带有指数上升沿或下降沿的脉冲波形。仿真库
13、中的指数激励源元器件如图12.52所示。指数激励源的属性设置对话框如图12.53所示。,12.3.6 调频仿真源,在Simulation Symbols.lib库中，包含了下列单频调频源(FrequencyModulatedsimula-tionsources)元器件。VSFFM：单频调频电压源。ISFFM：单频调频电流源。利用这些源可创建一个单频调频波。在仿真库中的单频调频源元器件符号如图12.54所示。单频调频源的属性设置对话框如图12.55所示。,12.3.7 线性受控源,在Simulation Symbols.lib库中，包含了如下4种线性受控源(LinearDependantsimu
14、la-tionsources)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12.56所示。线性受控源的属性对话框如图12.57所示。,12.3.8 非线性受控源,在Simulation Symbols.lib库中，包含了下列非线性受控源(Non-LinearDependant-simulationsources)元器件。BVSRC：非线性压控源。BISRC：非线性流控源。设计者可利用以上元器件在原理图中创建非线性受控源，如图12.58所示是仿真器中包括的非线性受控源元器件。,12.
15、3.9 频率/电压转换器仿真源,在Simulation Symbols.lib库中，包含了频率/电压转换器仿真源(F/Vconverter-simulationsources)元器件FTOV，FTOV元器件符号如图12.60所示。频率/电压转换器仿真电源的属性设置对话框如图12.61所示。,12.3.10 压控振荡器仿真源,在Simulation Symbols.lib库中，包含了3种压控振荡器仿真源(VCOsimulationsources)元器件。SINVCO：压控正弦振荡器。SQRVCO：压控方波振荡器。TRIVCO：压控三角波振荡器。仿真器中的压控振荡器仿真源元器件如图12.62所示。
16、压控振荡器仿真源的属性对话框如图12.63所示。,12.4 设置初始状态,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。在Simulation Symbols.lib库中，包含了如下两个特别的初始状态定义符。NS NODESET：节点电压设置NS。IC Initial Condition：初始条件设置IC。,12.4.1 节点电压设置元件(N
17、S),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，设置不是必需。节点电压设置元件如图12.64所示。节点电压设置元件的属性对话框如图12.65所示，可设置下列参数。Designator：节点名称，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。,12.4.2 初始条件设置元件(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。放置的初始条件设置元件如图12.66所
18、示。初始条件设置的属性对话框如图12.67所示，可设置下列参数。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。,12.5 仿 真 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Protel 99 SE原理图编辑的主菜单后，选择SimulateSetup命令，如图12.68所示。(2)弹出仿真器设置对话框，如图12.69所示。在General选项卡中，设计者可以选择分析类别(Select to Netlist)、需要画图或显示数据的
19、信号(Active Signal)。,12.5 仿 真 设 置,(3)单击Advanced按钮，弹出如图12.71所示对话框。该对话框显示的是有关SPICE软件分析电路时需要的一些参数，一般无须改动，默认值就可以了。其中VCC输入框用于输入TTL电路的电源电压，默认为5V。VDD输入框用于输入CMOS电路的电源电压，默认为15V。,12.5.1 Transient/FourierAnalysis(瞬态/傅立叶分析),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(Sto
20、p 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。Transient/FourierAnalysis(瞬态/傅立叶分析)选项卡如图12.72所示。,12.5.2 ACSmallSignal(交流小信号分析),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。AC Small Signal(交流小信号分析)选项卡如图12.73所示。(1)AC Analysis选项组Start Frequency：开始分析频率。
21、Stop Frequency：结束分析频率。Test Point：分析点数。(2)Sweep Type选项组Linear：线性扫描。Decade：十倍频程扫描(对数扫描)。Octave：倍程扫描。,12.5.3 DCSweep(直流扫描分析),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。DC Sweep(直流扫描分析)选项卡如图12.74所示。Source Name：电源名称。Secondary：设置第二个扫描电源的名称。Start Value：扫描初始值。Stop Value：扫描终止值。Step Value：扫描步长。,12.5.4 Mo
22、nteCarlo(蒙特卡罗分析),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。在SIM 99中通过单击Monte Carlo Analysis标签可获得蒙特卡罗直流分析参数设置界面，如图12.75所示。,12.5.5 ParameterSweep(参数扫描分析),设置扫描参数分析的参数，可通过单击Parameter Sweep Analysis 标签，获得扫描参数分析界面，如图12.76所示。Parameter：选择需要扫描的参数。Secondary：设置第二个扫描电源的名称。Start Value：扫描初始值。Stop Value：扫描终止值。Swee
23、p Type：扫描形式设置，通常不选中Relative Value(相对值)项。,12.5.6 TemperatureSweep(温度扫描分析),温度扫描分析与交流小信号分析、直流分析及瞬态特性分析中的一种或几种相连。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，则对每个温度都要做一遍所有的分析。要设置扫描温度分析的参数，可通过单击Temperature Sweep Analysis标签，获得扫描温度分析界面，如图12.77所示。,12.5.7 TransferFunction(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，可通过单击
24、Transfer Function标签，获得传递函数分析界面，如图12.78所示。,12.5.8 Noise(噪声分析),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。要设置噪声分析的参数，可以通过单击Noise标签，获得噪声分析界面，如图12.79所示。,12.6 模拟电路仿真实例,本节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。步骤如下。(1)按如图12.80所示准备一个设计好的仿真用的555
25、单稳多谐振荡器电路。(2)仿真的设置视具体电路和目的而定，在本次仿真中，采用如图12.81所示的仿真设置，对电路进行瞬态分析和工作点分析。从Available Signals列表中选择要观察的信号到Active Signal列表中。,12.6 模拟电路仿真实例,(3)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，可执行SimulateCreate SPICE Netlist菜单命令，如图12.82所示。之后，将生成一个后缀为“.Nsx”的文件，如图12.83所示。“.Nsx”文件为原理图的SPICE模式描述。(4)当仿真完成后，执行“*.sdf”文件，将出现如图12.84所示的波形编辑器。,12.7 本 章 小 结,本章主要介绍电路仿真分析的相关知识，其中包括仿真元件示例、激励源及其属性设置、初始状态设置以及仿真设置，在本章最后安排了模拟电路仿真实例，便于读者对相关知识牢固地掌握。,
