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1、第4章 原理图仿真,4.1 SIM 99 仿真库中的主要元器件4.2 SIM 99仿真库中的激励源4.3 仿真设置4.4 运行电路仿真,在 Protel 99 SE中执行仿真，只需简单地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，SIM 99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。仿真可以很容易地从综合菜单、对话框和工具条中方便的设置和运行。也可在设计管理器环境中直接调用和编辑各种仿真文件。,4.1 SIM 99 仿真库中的主要元器件 一、电阻 在元件库
2、Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的电阻器：RES 固定电阻。RESSEMI 半导体电阻。RPOT 电位器。RVAR 变电阻。上述符号代表了一般的电阻类型，如图4-1所示。,这些元器件有一些特殊的仿真属性域，在放置过程中按Tab键或放置完成后双击该器件得到属性对话框，可如下设置：Designator 电阻器名称（如 R1）。Part Type 以欧姆为单位的电阻值（如100k）。L 可选项，电阻的长度。（仅对半导体电阻有效）。W 可选项，电阻的宽度。（仅对半导体电阻有效）。Temp 可选项，元件工作温度，以摄氏度为单位,缺省时为27(仅对半导体电阻有效)。Set 仅对
3、电位器和可变电阻有效（在“Part Fields 18”选项卡中设置取值01）。,二、电容 在元件库Simulation Symbols.Lib中,包含了如下的电容：Cap 定值无极性电容。CAP2 定值有极性电容。CAPSEMI 半导体电容。这些符号表示了一般的电容类型，如图4-2所示。,对电容的属性对话框可如下设置：Designator 电容名称（如 C1）。Part Type以法拉(F)为单位的电容值（如 100uF）。L 可选项，以米（m）为单位的电容的长度（仅对半导体电容有效）。W 可选项，以米（m）为单位的电容的宽度（仅对半导体电容有效）。IC 可选项，初始条件，即电容的初始电压值
4、。在“Part Fields 18”选项卡中设置。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。,三、电感 在元件库Simulation Symbols.Lib中，包含的电感为INDUCTOR。对电感的属性对话框可如下设置：Designator 电感名称（如 L1）。Part Type以亨（H）为单位的电感值（如 80mH）。IC 可选项,初始条件，即电感的初始电压值。在“Part Fields 18”选项卡中设置。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。,四、二极管 在元件库Diode.lib中，包含了数目巨大的以工业标准部件命名的二极管。如图4-3所
5、示，该图简单列出了库中包含的几种二极管。,对二极管的属性对话框可如下设置：Designator 二极管名称（如D1）。Area 可选项，该属性定义了所定义的模型的并行器件数。Off 可选项，在直流工作点分析中使二极管电压为零。IC 可选项，表初始条件，即通过二极管的初始电压值。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。Temp 可选项，元件工作温度，以摄氏度为单位,缺省时为27。,五、三极管 在元件库BJT.LIB中，包含了数目巨大的以工业标准部件命名的三极管。如图4-4所示，该图简单列出了库中包含的三极管型号。,对三极管的属性对话框可如下设置：Designator 三极
6、管名称（如Q1）。Area 可选项，该属性定义了所定义的模型的并行器件数。Off 可选项，在直流工作点分析中使三极管电压为零。IC 可选项，初始条件，即三极管的初始电压值。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。Temp 可选项，元件工作温度，以摄氏度为单位，缺省时为27。,六、JFET结型场效应管 结型场效应管包含在JFET.LIB库文件中。如图4-5所示，该图简单列出了库中包含的结型场效应管。,对结型场效应管的属性对话框可如下设置：Designator 结型场效应管名称（如 Q1）。Area 可选项，该属性定义了所定义的模型的并行器件数。Off 可选项，在直流工作点分
7、析中使终止电压为零。IC 可选项，表初始条件，即通过三极管的初始电压值。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。Temp 可选项，元件工作温度，以摄氏度为单位。缺省时为27。,七、MOS场效应晶体管 SIM 99提供了四种MOSFET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件命名的MOS场效应晶体管。如图 4-6所示，该图简单列出了库中包含的MOS场效应晶体管。,对MOS场效晶体管的属性对话框可如下设置：Designator M0S场效晶体管名称(如Q1)。L 可选项，沟道长度，单位为米（m）
8、。W 可选项，沟道宽度，单位为米（m）。AD 可选项，漏区面积，单位为平方米（m2）。AS 可选项，源区面积，单位为平方米（m2）。PD 可选项，漏区周长，单位为米（m）。P 可选项，源区周长，单位为米（m）。NRD 可选项，漏极的相对电阻率。NRS 可选项，源极的相对电阻率。Off 可选项，在直流工作点分析中使终止电压为零。IC 可选项，初始条件。Temp 可选项，元件工作温度，以摄氏度为单位。缺省时为27。,八、MES场效应管 在库Mesfet.lib中包含了一般的MES场效应管。MES场效应管模型是从Statz的砷化镓场效应管的模型得到的，如图4-7所示。,对MES场效应管的属性对话框可
9、如下设置：Designator MES场效应管名称,如 Q1。Area 可选项，该属性定义了所定义的模型下的并行器件数。该设置项将影响该模型的许多参数。Off 可选项，在直流工作点分析中使终止电压为零。IC 可选项，表示初始条件，即通过MES场效应管的初始电压值。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。,九、电压电流控制开关 在元件库SwitchLib中，包含的可用于仿真的开关如图4-8所示.（1）CSW 默认电流控制开关。（2）SW 默认电压控制开关。（3）SW05 VT=500.0m的电压控制开关。（4）SWM10 VT=0.01的电压控制开关。（5）SWP10 V
10、T=0.01的电压控制开关。（6）STTL VT=2.5，VH=0.1的电压控制开关。（7）TTL VT=2，VH=1.2，ROFF=100E+6的电压控制开关。（8）TRIAC VT=0.99，RON=0.1，ROFF=1E+7的电压控制开关。,对电压电流控制开关的属性对话框可如下设置：Designator 电压电流控制开关名称（如S1）。ONOFF 可选项，初始条件选择，该选项可为 ON或 OFF。设计者可以采取以下措施改善开关的特性。（1）将理想开关阻抗设置为和其他电路元件相比足够大或低到可以忽略是明智的，如果把所有情况下用近似于理想的开关阻抗将加剧上面提到的不连续问题。当然，在模拟实际
11、的器件如MOSFET时，开态电阻将按模拟器件尺寸调整到实际水平。（2）对于如MOS场效应管器件的模型，设置现实的阻抗值。（3）如果在开关模型中必须使用大范围的开态到关态电阻（ROFF/RON1E+12），那么在瞬态分析期间，所允许误差上的容限应利用。利用此容限后，在开关点附近将更加精细，不会由于电路中的迅速变化而产生误差。在傅里叶变换中容许的错误将减少，此时将TRTOL参数设为1。（4）如开关放置在电容周围，则参数CHGTOL同样应当减少（可尝试1E-16）。,TRTOL和CHGTOL参数可在 Simulate setupAdvancedAnalyses setup中设置。SPICE仿真器内支
12、持如表4-1所示的开关参数。,十、熔丝 Fuse.lib 包含了一般的熔丝器件。对熔丝的属性对话框可如下设置：Designator 熔丝名称（如F1）。Current 熔断电流（单位A），如1A。Resistance 可选项，以为单位的串联的熔丝阻抗。,十一、继电器（RELAY）元件库Relay.lib包括了大量的继电器，如图4-9所示。对继电器的属性对话框可如下设置：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。Resistance 线圈阻抗。Inductor 线圈电感。,十二、晶振 元件库Crystal.lib中包含了不
13、同规格的晶振。对晶振的属性对话框可如下设置：Designator 晶振名称（如Y1）。Freq 晶振频率，如3MHz。RS 以为单位的电阻值。C 以F为单位的电容值。Q 等效电路的Q值。,十三、互感（电感耦合器）元件库Transformer.lib包括了大量的电感耦合器。对电感耦合器的属性对话框可如下设置：Designator 电感耦合器名称（如 T1）。Ratio 二次一次转换比,这将改变模型的默认值。RP 可选项，一次阻抗。RS 可选项，二次阻抗。LEAK 泄放电感。MAG 磁化电感。,十四、传输线 元件库Transline.lib中包含了如下几种传输线符号，如图4-10所示。,(1)TR
14、A 无损耗传输线 该传输线线是一个双向的理想的延迟线，有两个端口。节点定义了端口的正电压极性。对无损耗传输线的属性对话框可如下设置：Designator 无损耗传输线名称。ZO 可选项，特性阻抗，单位为。TD 传输线的延迟时间，指节点间。F 频率（指节点间）。NL 在频率为F时相对于传输线波长归一化的传输线电学长度（指节点间）。IC 可选项，表示初始条件，即通过MOS场效应管的初始值。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。传输线长度可用两种形式表示：一种是由传输线的延时TD确定的，例如TD=15ns；另一种是给出一个频率F和参数NL来确定。如规定了F而未给出NL，则认
15、为NL=0.25（即频率为1/4波长的频率，F为二次谐波频率）。,（2）LTRA 有损耗传输线 单一的有损耗传输线将使用两端口响应模型。这个模型属性包含了电阻值、电容值、电感值和长度，这些参数不可能直接在原理图文件中设置，但设计者可以创建和引用自己的模型文件。首先拷贝Ltra.mdl文件，编辑这个新模型文件，并且改变“.MODEL”陈述后的一串值，这样就可以将属性修改成设计者所需要的，同时对该文件改名。在原理图中使用这个新模型，只要在元件的Part Type Field中输入新模型名称。例如：从已存在的模型文件Ltra.mdl.MODELLTRA LTRA(R=0.000 L=9.130n C
16、=3.650p LEN=1.000)设计者可以创建一个新文件ltra10.MDL：.MODEL LTRA10 LTRA(R=0.2 L=32n C=13p LEN=10.000),（3）URC 均匀分布传输线 分布RC传输线模型（即URC模型）是从L.Gertzberrg在1974年所提出的模型上导出的。模型由URC传输线的子电路类型扩展成内部产生节点的集总RC分段网络而获得。RC各段在几何上是连续的。URC线必须严格地由电阻和电容段所组成。对均匀分布传输线的属性对话框可如下设置：Designator 均匀分布传输线名称。L 可选项，RC传输线的长度。N 或选项，RC传输线模型使用的段数。,十
17、五、TTL和 CMOS数字电路器件 库74XXlib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。对数字电路器件的属性对话框可如下设置：Designator 数字电路器件名称，如 U1。Propagation 可选项，元件的延时，可以设置为最大或最小来使用，默认值为典型值。Drive 可选项，输出驱动特性，可以设置为最大或最小来使用。Current 可选项，标识器件功率的输出电流，可以设置为最大或最小来使用，默认值为典型值。,PWR Value 可选项，电源支持电压。将改变默认数字元件支持电压值，一旦定义该值，则 GND Value值也需定义。GN
18、D Value 可选项，地支持电压。将改变默认数字元件支持电压值，一旦定义该值，则PWR Value值也需定义。VIL Value 低电平输入电压。VIH Value 高电平输入电压。VOL Value 低电平输出电压。VOH Value 低电平输出电压。WARN 在类C的模型中，设置该项为开状态，则将显示如无效功能等等的警告信息。默认设置为关状态。,十六、集成电路 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SPICE子电路设定好。,4.2 SIM 99仿真库中的激励源 一、直流
19、源 在元件库 Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的直流源器件：VSRC 电压源。ISRC 电流源。这些源提供了用来激励电路的一个不变的电压或电流输出。仿真库中的电流源和电压源符号如图4-11所示。,对直流源的属性对话框可如下设置：Designator 直流源器件名称。AC Magnitude 如果设计者欲在此电源上进行交流小信号分析，可设置此项（典型值为l）。AC Phase 小信号的电压相位。,二、正弦仿真源 在元件库 Simulation Symbols.lib中，包含了如下的正弦仿真源器件：VSIN 正弦电压源。ISIN 正弦电流源。通过这些仿真源可创建正弦波电
20、压和电流源。仿真库中的正弦电压源和正弦电流源符号如图4-12所示。,对正弦仿真源的属性对话框可如下设置：Designator 设置所需的激励源器件名称(如INPUT)。DC Magnitude 此项将被忽略。AC Magnitude 如果设计者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。OFFSET 电压或电流的正弦偏置。Amplitude 正弦曲线的峰值，如100V。Frequency 正弦波的频率，单位为 Hz。Delay 激励源开始的延时时间，单位为s。Damping Factor 每秒正弦波幅值上的减少量，设置为正值将使正弦波以指数形式
21、减少,为负值则将使幅值增加。如果为0，则给出一个不变幅值的正弦波。Phase Delay 时间为 0时的正弦波的相移。,三、周期脉冲源 在元件库 Simulation Symbolslib中，包含了如下的周期脉冲源器件：VPULSE 电压脉冲源。IPULSE 电流脉冲源。利用这些周期脉冲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4-13所示。,对周期脉冲源的属性对话框可如下设置：Designator 设置所需的激励源器件名称（如 INPUT）。DC 此项将被忽略。AC 如果设计者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。Init
22、ial Value 电压或电流的初始值。Pulsed 延时和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。Rise Time 上升时间，必须大于 0。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。,四、分段线性源 在元件库 Simulation Symbolslib中，包含了如下的分段线性源器件：VPWL 分段线性电压源。IPWL 分段线性电流源。利用这些分段线性源可以创建任意形状的波形。仿真库中的分段线性源符号如图4-14所示。,对分段线性源的属性对话框
23、可如下设置：Designator 设置所需的激励源器件名称（如 INPUT）。DC 此项将被忽略。AC 如果设计者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。Time/Voltage 这是一对数，为时间/电压（电流）幅值。输入由空格隔开的最多8对数。该对数的第一个数是时间（单位为s），第二个数为当时的电压或电流幅值，如0U 5V 5U 5V 12U 0V 50U 5V 60U 5V,五、指数激励源 在元件库 Simulation Symbols.lib中，包含了如下的指数激励源器件：VEXP 指数激励电压源。IEXP 指数激励电流源。通过这些指
24、数激励源可创建带有指数上升沿（或）下降沿的脉冲波形。图4-15中是仿真库中的指数激励源器件。,对指数激励源的属性对话框可如下设置：Designator 设置所需的激励源器件名称（如 INPUT）。DC 此项将被忽略。AC 如果设计者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 时间为0时的电压或电流的幅值。Pulse Value 输出振幅的最大幅值。Rise Delay 上升延迟时间，即输出值从起始值到峰值间的时间差，单位为s。Rise Time 上升时间常数。Fall Delay 下降延迟时间，即输出值从峰值到起始值
25、间的时间差，单位为s。Fall Time 下降时间常数。,六、单频调频源 在元件库 Simulation Symbols.lib中，包含了如下的单频调频源器件：VSFFM 单频调频电压源。ISFFM 单频调频电流源。通过这些单频调频源可创建一个单频调频波。图4-16中是仿真库中的单频调频源器件。,对单频调频源的属性对话框可如下设置：Designator 设置所需的激励源器件名称(如INPUT)。DC 此项将被忽略。AC 如果进行交流小信号分析,可设置此项（典型值为l）。AC Phase 小信号的电压相位。OFFSET 偏置，如 2.5。Amplitude 输出电压或电流的峰值，如 2.5。Ca
26、rrier 载频，如100kHz。Modulation 调制指数，如 5。Signal 调制信号频率，如 5kHz。注意：波形将用如下的公式定义：V(t)=VOVA*sin（2*PI*Fc*tMDI*sin(2*PI*Fs*t)）其中：t 为即时时间；VO为偏置；VA为峰值；Fc为载频；DI 为调制指数；Fs为调制信号频率。,七、线性受控源 在元件库 Simulation Symbols.lib中，包含了如下的线性受控源器件：GSRC 线性电压控制电流源。HSRC 线性电流控制电压源。FSRC 线性电流控制电流源。ESRC 线性电压控制电压源。图4-17是仿真器中的线性受控源器件。,对线性受控
27、源的属性对话框可如下设置：Designator 设置所需的激励源器件名称，如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，量纲为1。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，量纲为1。,八、非线性受控源 在元件库 Simulation Symbolslib中，包含了如下的非线性受控源器件：BVSRC 非线性受控电压源。BISRC 非线性受控电流源。图4-18所示为仿真器中包括的非线性受控源器件。,对非线性受控源的属性对话框可如下设置：Designator 设置所需的激励源器件
28、名称。Part Type 定义源波形的表达式，如V（IN）2。设计中可使用标准函数来创建一个表达式。表达式中也可包含一些标准符号。为了在表达式中引用所设计的电路中的节点的电压和电流，设计者必须首先在原理图中为该节点定义一个网络标号，这样设计者就可以使用如下的语法来引用该节点。V(NET)表示在节点NET处的电压。I（NET）表示在节点NET处的电流。上述定义如下例所述。假设设计者已在电路图中定义了名为 IN的网络标号，那么如下的在 Part Type中输入的表达式将是有效的：如 V（IN）3、COS（V（IN）。,九、频率/电压(F/V)转换仿真源 在元件库 Simulation Symbol
29、slib中，包含了如下的频率/电压(F/V)转换仿真源器件：对频率/电压(F/V)转换仿真源的属性对话框可如下设置：Designator 设置所需的激励源器件名称，如FTOV1。VIL 输入门限低电平。VIH 输入门限高电平。CYCLES 输出电压周期数。,十、压控振荡器（VCO）仿真源 在元件库 Simulation Symbols.lib中，包含了如下的压控振荡源器件：INEVCO 压控正弦振荡器。QRVCO 压控方波振荡器。TRIVCO 压控三角波振荡器。图4-19所示为仿真器中包括的压控振荡源器件。,对压控振荡器的属性对话框可如下设置：Designator 设置所需的激励源器件名称，如
30、 SQRVCO1。LOW 输出最小值，默认为0。HIGH 输出最大值，默认为5。CYCLE 频宽比，该数值从0到1，默认为0.5。该参数仅对压控方 波振荡器和压控三角波振荡器有效。RISE 上升时间，默认为1s。该参数仅对压控方波振荡器有效。FALL 下降时间，默认为1s。该参数仅对压控方波振荡器有效。C1 输入控制电压点1，默认为0V。C2 输入控制电压点2，默认为1V。C3 输入控制电压点3，默认为2V。C4 输入控制电压点4，默认为3V。C5 输入控制电压点5，默认为4V。,F1 输出频率点1，默认为0Hz。F2 输出频率点2，默认为1kHz。F3 输出频率点3，默认为2kHz。F4 输
31、出频率点4，默认为3kHz。F5 输出频率点5，默认为4kHz。,4.3 仿真设置 一、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，当然，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。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。,节点电压设置.NS 该设置使指定的
32、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。该设置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。对节点电压设置的属性对话框可如下设置：Designator 器件名称，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。,初始条件设置.IC 该设置是用来设置瞬态初始条件的，不要把该设置和上述的设置相混淆。“.NS”只是用来帮助直流解的收敛，并不影响最后的工作点（对多稳态电路除外）。“.IC”仅用于设置偏置点的初始条件，它不影响DC扫描。瞬态分析中的设置项
33、中一旦设置了参数 Use Initial Conditions（.IC）时，瞬态分析就先不进行直流工作点的分析（初始瞬态值），因而应在该“.IC”中设定各点的直流电压。,对初始条件设置的属性对话框可如下设置：Designator 器件名称，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。当然，设计者也可以通过设置每个器件的属性来定义每个器件的初始状态。同时，在每个器件中规定的初始状态将先于“.IC”设置中的值被考虑。综上所述，初始状态的设置共有三种途径：“.IC”设置、“.NS”设置和定义器件属性。在电路模拟中，如有这三种或两种共存时，在分析
34、中优先考虑的次序是定义器件属性、“.IC”设置、“.NS”设置。如果“.NS”和“.IC”共存时，则“.IC”设置将取代“.NS”设置。,二、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。进入分析（Analysis）主菜单 当完成了对电路的编辑后，设计者此时可对电路进行分析工作。进入Protel 99 SE 原理图编辑的主菜单后,如图4-20所示。,单击“Simulate Setup”命令，进入仿真器的设置，弹出“Analyses Setup”对话框，如图4-21所示。在General选项中，设计者可以选择分析类别。,
35、瞬态特性分析（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行的。设计者可规定输出开始到终止的时间长短和分析的步长，初始值可由直流分析部分自动确定，所有与时间无关的源，用它们的直流值，也可以在设计者规定的各元件上的电平值作为初始条件进行瞬态分析。在SIM 99中设置瞬态分析的参数，通过激活“Transient/Fourier”标签页，可得如图4-22所示的“设置瞬态分析傅里叶分析参数”对话框。,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，则静态工作点分析将在瞬态分析前自动执行，以
36、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。,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。不是所有的瞬态结果都要用到，它只用到瞬态分析终止时间之前的基频的一个周期。若PERIOD是基频的周期，则 PERIOD=1FREQ，也就是说，瞬态分析至少要持续 1FREQ(s)。如图4-22 所示，要进行傅里叶分析，可以单击“Transient/Four
37、ier Analysis”标签页。在此对话框中，可设置傅里叶分析的参数：Fund.Frequency 傅里叶分析的基频。Harmonics 所需要的谐波数。傅里叶分析中的每次谐波的幅值和相位信息将保存在Filename.sim文件中。,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。交流小信号分析所希望的输出通常是一传递函数，如电压增益、传输阻抗等。SIM 99中设置交流小信号分析的参数，通过激活“A
38、C Small Signal Analysis”标签页，可得如图4-23所示的“交流小信号分析参数设置”对话框。,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静态工作点分析，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。SIM 99中设置直流分析的参数，通过激活“DC Sweep Analysis”标签可得如图4-24所示的“直流分析参数设置”对话框。图 4-24中的 Source Name定义了电路中的独立电源；Start Value、Stop Value和Step Value定义了扫描范围和分辨率。,蒙特卡罗分析（Mont
39、e 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。所以蒙特卡罗分析可在元器件模型参数赋给的容差范围内，进行各种复杂的分析，包括直流分析、交流及瞬态特性分析。这些分析结果可以用来预测电路生产时的成品率及成本等。SIM 99中通过激活“Monte Carlo Analysis”标签，可得如图 4-25所示的“蒙特卡罗直流分析参数设置”对话框。,蒙特卡罗分析是在给定电路中各元件容差范围内的分布规律，然后用一组组的随机数对各元件取值。SIM 99中元件的分布规律有：Uniform 为一平直的分布，器件值在定义的容差范围内统一分布。Ga
40、ussian 为高斯曲线分布，中心的定义值并且容差为3。对话框中的Runs选项，为设计者定义的仿真数，如定义10次，则将在容差允许范围内，每次运行将使用不同的器件值来仿真10次。设计者如果希望用一系列的随机数来仿真，则可设置Seed选项，该项的默认值为-1。蒙特卡罗分析的关键在于产生随机数。随机数的产生依赖于计算机的具体字长。用一组随机数取出一组新的元件值。然后就作指定的电路模拟分析，只要进行的次数足够多，就可得出满足一定分布规律的、一定容差的元件，在随机取值下的整个电路性能的统计分析。,扫描参数分析（Parameter Sweep Analysis）扫描参数分析允许设计者以自定义的增幅扫描器
41、件的值。扫描参数分析可以改变基本的器件和模式，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“Parameter Sweep Analysis”标签页，可得如图4-26所示的“扫描参数分析”对话框。,8.温度扫描分析（Temperature Sweep Analysis）温度扫描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。设置温度扫描分析的参数，可通过激活“Temperature Sweep Analysis”标签页，可见图4-27所示的“温度扫描分析”对话框。,传递函数
42、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”标签页，可得如图4-28所示的“传递函数分析”对话框。,噪声分析（Noise Analysis）电路中产生噪声的器件有电阻器和半导体器件，每个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。同时计算出从输入源到输出端的电压（电流）增益，由输出噪声和增益就可得到等效输入噪声值。设置噪声分析的参数，可通过激活“Noise”标签，可得如图 4-29所示的“噪声
43、分析设置”对话框。,4.4 运行电路仿真,对电路原理图进行仿真分析的基本方法步骤为：（1）设计电路原理图文件；（2）设置SIM 99仿真环境；（3）运行仿真；（4）分析仿真结果。,一、设计仿真原理图文件 设计电路原理图文件，应使其包含以下的必要信息：所有的元器件和部件须引用适当的仿真器件模型；必须放置和连接可靠的激励信号源，以便仿真过程中驱动整个电路；在需要绘制仿真数据的节点处必须添加网络标号；如果必要的话，必须定义电路的仿真初始条件。,仿真原理图设计步骤：（1）调用元件库 在Protel 99 SE中，包含有一个数量极大的仿真器件数据库SIM.ddb，这个数据库中存放有多种原理图元件库。设计
44、仿真原理图时，一定要先加载且只能加载SIM.ddb数据库。仿真器件数据库SIM.ddb加载后，包含在SIM.ddb中的28个后缀名为.lib的仿真原理图元件库将列出在Browse栏内，如图4-31所示的。,（2）选择仿真元件 为了执行仿真的分析，原理图中所放置的所有部件都必须包含特别的仿真信息。一般情况下是引用适当的Spice器件模型。（3）实施仿真 在设计好仿真原理图后，先对该原理图进行ERC检查，如有错误，返回到原理图设计中进行修正，直至完全正确。接着，设计者就可以对仿真器设置，确定对原理图进行何种仿真分析，并设置分析所用的参数。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
45、中的错误写入Filename.err文件中。,二、电路仿真举例（一）简单整流稳压电路的仿真分析 1.设计仿真原理图文件 采用如图4-32所示简单的整流稳压电路。图中交流正弦波信号经过10：1的变压器变压、二极管整流桥的整流、电容滤波和串联稳压等一系列的变化后，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幅值为170V，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。,在本次仿真中，采用如4-33所示的仿真设置项。将对电路进行直流工作点分析、瞬态分析和交流小信号分析。,设置完以后，单击 Run Analyses按钮开始仿
46、真，或单击“Close”按钮结束该设置，再通过执行“SimulateSetupCreat SPICE Netlist”菜单命令实现仿真。仿真完成后的波形显示如图4-34所示。,图4-37所示为交流小信号分析波形。图4-38所示为直流工作点分析结果。,当仿真完成后，打开“*.sdf”文件，窗口右侧将出现如图4-39所示的浏览仿真数据窗口。,波形栏内列出了所能显示的原理图中节点的波形，或某节点信号的其他分析结果。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。图4-4
47、0显示的是输入信号in的波形，该输入信号为周期约为20ms，幅值为170V的正弦波信号。图4-41是将in信号变压后得到节点a的波形。图4-42所示为输入波形经过全波整流后可得到节点b的波形。图4-43所示为经过稳压等环节后，在out节点得到一平稳的输出直流波形。,（二）振荡器和积分器电路仿真 振荡器和积分器电路在第二章中已经用国标符号画出，但为了运行仿真，需要将电路图中的所有元件使用SIM.ddb数据库的元件，因此用于仿真的振荡器和积分器电路图，如图4-44所示。,电路中的电阻、电容全部换为Sim.ddb数据库中的元件，电阻的符号形状有所不同。另外单独添加了为VCC和VDD供电的直流电源。并为电路设置了初始条件IC。采用如图4-45和图4-46所示的仿真设置项，对电路进行瞬态分析。,执行“SimulateRun”菜单开始仿真。运行仿真后，生成的“.sdf”文件，如图4-47所示。图中所示为瞬态分析结果，振荡器输出为矩形波，而积分器输出为锯齿波。,单击图4-47下部的“Operating Point”标签，会弹出图4-48所示的直流工作点分析结果数据。当仿真完成后在主窗口左边将出现如图4-49 所示的浏览仿真数据窗口。通过浏览仿真数据窗口可以方便地查看电路中任一节点的电压以及任一元件的电流和功率。,
