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1、第4章电路仿真4.1仿真的基础知识界面介绍204基本设置207 观察分析波形2164.2电路仿真实例直流电路的仿真分析220交流电路的仿真分析221 有源放大电路的仿真分析222 数字电路的仿真分析2244.3本章小结4.4习题第第4章章 电路仿真电路仿真 要完成一件电子产品，必须要完成原理图设计、PCB图设计、制板和制造等几个步骤。对电子工程设计而言，一定要保证原理图设计准确无误，方可进行PCB图设计，这就要求设计者对所设计的电路性能进行初步验证。早期的初步验证主要是将设计的电路图接成面包板，然后使用电源、信号发生器、示波器、电表等电子仪器来加以验证。这对于规模较小的电路是可行的，随着大规模
2、集成电路的发展，电路规模越来越大，同时对电路的设计也要求越来越高，传统的验证方法已经完全不可行了。因而计算机辅助电路分析已成为现代电子工程师的助手和工具。EDA软件的功能越来越强大，只要有合适而精确的电路模型，计算机便可仿真出接近真实的电路结果。对于Protel，不但可以对整个电路原理图进行仿真，也可以对电路原理图的一部分进行仿真。本章主要介绍Protel仿真设计流程和实际电路仿真：仿真原理图设计流程、电工电路仿真、模拟电路仿真、数字电路仿真、加法器电路仿真、滤波器电路仿真和PI调节器仿真等。第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识界面介绍界面介绍 采用Protel DXP进行混
3、合信号仿真的设计流程如图所示。在仿真原理图文件前，该原理图文件必须包含所需的信息。以下是为使仿真可靠运行而须遵守的一些规则。 所有的元件必须定义适当的仿真元件模式属性。 必须放置和连接可靠的信号源，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。 必须定义电路的仿真初始条件。设计原理图的一般流程，如图所示。第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识界面介绍界面介绍图混合信号仿真的设计流程 图设计原理图的一般流程 首先，建立一个原理图文档，方法同第1章。界面与原理图文档界面相同，如图4. 1. 3所示。仿真库在Protel Advanced SIM 99软件
4、目录下LibrarySchSIM.ddb中。有两种方式加载仿真元件库。1. 第一种方式第一种方式 如图4. 1. 3所示，选中浏览管理器(Browse Sch)，单击Add/Remove按钮，进入如图4. 1. 4所示对话框。第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识界面介绍界面介绍图原理图文档界面 图4.3 原理图文档界面在图4. 1. 4所示的Change Library File List对话框中显示Protel 99 SE中有如下仿真元件库。74xx. Lib：通用74系列数字集成电路库。BJT. Lib：双极型三极管。BUFFER. Lib：缓冲器库。CAMP. Lib：
5、电流放大器库。CMOS. Lib：CMOS数字集成电路库。COMPARATOR. Lib：比较器库。CRYSTAL. Lib：石英晶体库。DIODE. Lib：二极管库。IGBT. Lib：绝缘栅双极性晶体管库。JFET. Lib：结型场效应晶体管。MATH. Lib：具有各种数学功能的两端口元件库。MESFET. Lib：砷化镓场效应晶体管库。MISC. Lib：杂元件库，包括模数、数模和锁相等电路。MOSFET. Lib：金属氧化物场效应管库。OPAMP. Lib：运算放大器库。OPTO. Lib：光耦器库，包括4N25。REGULATOR. Lib：稳压电源库，包括7805、7812、L
6、M317和TL431。RELAY. Lib：继电器库，包括5V、12V等继电器。SCR. Lib：晶闸管库。第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识界面介绍界面介绍图Change Library File List对话框 Simulation Symbols. Lib：基本仿真元件库，包括电阻、电容、电感、各种电源等基本仿真器件。SWITCH. Lib：开关元件库。TIMER. Lib：时基电路库，包括555和556。TRANSFORMER. Lib：变压器元件库。TRANSLINE. Lib：传输线元件库。TRIAC. Lib：双向晶闸管库。TUBE. Lib：电子管库。UJT
7、. Lib：单结晶体管库。添加常用的元件库(Miscellaneous Devices. Lib)及仿真元件库(Sim)，添加完毕之后单击OK按钮，浏览管理器(Browse Sch)如图4. 1. 5所示。第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识界面介绍界面介绍图添加元件库后的浏览管理器 2. 第二种方式第二种方式 在原理图设计环境下，单击 DesignAddRemove Library菜单命令，如图4. 1. 6所示，来加载仿真用原理图库。完成上述操作后，就会打开“图库加载”(Change Library File List)对话框，如图4. 1. 4所示。选择LibraryS
8、chSIM. ddb，单击Add按钮，就加载了仿真原理图库。浏览管理器(Browse Sch)如图4. 1. 5所示。图添加元件库后的浏览管理器图加载仿真用原理图库在添加仿真元件库之后，就可以从元件库管理器中选择调用所需要的仿真元件。 为了执行仿真分析，原理图中放置的所有元件都必须是仿真元件，以便仿真器正确对待所放置的所有部件。Protel 99 SE提供的仿真元件库是为仿真准备的，只要将它们放在原理图上，该元件将自动连接到相应的仿真模型文件上。另外，Protel 99 SE还为大部分元件生产公司的常用元件制定了标准元件库，这些元件大部分都定义了仿真属性，只要调用这些元件，就可以进行仿真分析。
9、如果仿真检查时发现有元件没有定义仿真属性，设计者则应该为其定义仿真属性。第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识界面介绍界面介绍图加载仿真用原理图库 在设计完原理图，并对该原理图进行ERC检查后，如有错误，应返回原理图修改设计。 Protel Advanced SIM 99可以对用户的设计电路进行一系列的仿真。这个仿真引擎与原理图设计工具Protel Advanced Schematic协同工作，为用户提供了完整的从设计到验证的仿真设计环境。 Protel的模拟/混合信号仿真引擎使用Berkeley的增强版SPICE 3 FS/Xpice的仿真模型。由于数字器件的复杂性，使用标准
10、的、非事件驱动的SPICE指令通常也能仿真数字器件。因此，Protel采用了 Xspice的扩展版本的一种事件驱动的描述语言Digital Sim Code 描述数字器件。它包含了精确的事件驱动的数字元件模型、TTL和CMOS电路模型，使用户可以不用人工插入A/D或D/A转换器而准确地完成模拟与数字元件的混合电路仿真。第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识界面介绍界面介绍 Protel Advanced SIM 99仿真器支持各种仿真功能，包括交流小信号分析、瞬态特性分析、噪声分析、直流分析、蒙特卡罗分析、参数扫描分析、温度扫描分析、傅里叶分析和传递函数分析。 Protel A
11、dvanced SIM 99仿真器提供了功能强大的仿真结果分析工具，可以记录各种需要的仿真数据，显示各种仿真波形如波特图、模拟信号波形、数字信号波形等，并且可以进行波形缩放、波形比较、波形测量等，使用户快速而准确地估计电路性能。第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识基本设置基本设置1. 需要用户设置参数的元件库需要用户设置参数的元件库 下面这些元件库中的元件具有一些普通原理图库中元件所没有的仿真属性域。这些域需要用户来设定参数。(1) Simulation Symbols. Lib：通用器件(电阻、电容、电感、电源、受控源、熔丝等)。(2) DIODE. Lib：二极管。(3)
12、 BJT. Lib：晶体管。(4) JFET. Lib：结型场效应晶体管。(5) MOSFET. Lib：金属氧化物半导体场效应晶体管。(6) MESFET. Lib：金属半导体场效应晶体管。(7) SWITCH. Lib：开关。(8) CRYSTAL. Lib：石英晶体。(9) RELAY. Lib：继电器。(10) TRANSFORMER. Lib：互感(变压器)。(11) TRANSLINE. Lib：传输线。(12) 74xx. Lib：74：系列TTL元件。(13) CMOS. Lib：CMOS4000系列元件。第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识基本设置基本设置2
13、. 不需要用户设置参数的元件库不需要用户设置参数的元件库(1) 7SEGDISP. Lib：通用的不同颜色7段LED。(2) BUFFER. Lib：缓冲器件。(3) CAMP. Lib：电流放大器。(4) COMPARATOR. Lib：比较器。(5) IGBT. Lib：绝缘栅双极型晶体管。(6) MATH. Lib：具有运算功能的两端口器件。(7) MISC. Lib：各种不同的集成电路和其他器件。(8) OPAMP. Lib：运算放大器。(9) OPTO. Lib：光耦合隔离器件。(10) REGULATOR. Lib：电源调节器。(11) SCR. Lib：晶闸管。(12) TIME
14、R. Lib：555时钟芯片。(13) TRIAC. Lib：三端双向晶间管。(14) TUBE. Lib：真空管/电子管。(15) UJT. Lib：单结晶体管。第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识基本设置基本设置3仿真元件参数的设置仿真元件参数的设置 这些元件具有特殊的属性域，如图4. 1. 7所示的“属性”对话框。其中仿真元件特有的属性域在Part Fields18和Part Fields916属性域中，其他元件与此相同。 Lib Ref：元件模型，此项不可改动。 Designator：元件名称。 Part type：元件标称值。 Temp：工作温度，可选项。 L：长度
15、，可选项。 W：宽度，可选项。(1) 电阻。在仿真库电阻。在仿真库Symbols. Lib中有中有4种电阻类型可供仿真原理图用种电阻类型可供仿真原理图用。 RES：定值电阻。 RESSEMI：半导体电阻。 RPOT：分压电阻。 RVAR：可变电阻。第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识基本设置基本设置图元件的“属性”对话框(2) 电容。电容。 CAP：定值无极性电容。 CAP2：定值有极性电容。 CAPSEMI：半导体电容。(3) 电感：电感：INDUCTOR。(4) 二极管二极管DIODE. Lib：在库中，包含了数目巨大的以工业标准部件命名的二极管。：在库中，包含了数目巨大
16、的以工业标准部件命名的二极管。(5) 电压电压/电流控制开关。电流控制开关。 CWS：默认电流控制开关。 SW：默认电压控制开关。 SW05 VT=500. 0mV的电压控制开关。 SWM10 VT=0. 01mV的电压控制开关。 SWP10 VT=0. 01mV的电压控制开关。 STTL VT=2. 5mV，VH=0. 1mV的电压控制开关。 TTL VT=2mV，VH=1. 2mV，ROFF=100E+6的电压控制开关。 TRIAC VT=0. 99mV，RON=0. 1mV，ROFF=1E+7的电压控制开关。(6) 传输线。传输线。 LITRA.：无损传输线。 LTRA.：有损传输线。
17、URC.：均匀传输线。第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识基本设置基本设置4. SIM 99中的激励源描述及设置中的激励源描述及设置(1) 在直流源库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。直流源的“属性”对话框如图4. 1. 8所示，在该对话框中的部分设置如下。 Designator设置直流源器件名称。 Part Type设置电压源的电压或电流源的电流的幅值。(2) 正弦仿真源库Simulation Symbols. lib中，包含了如下的正弦源器件
18、。 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。对正弦仿真源的“属性”对话框(如图4. 1. 9所示)的设置类似于直流电源库。Designator设置所需的激励源器件的名称，如INPUT。选择Part Fields选项，可设置DC、 AC(在此电源上进行交流小信号分析)、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。第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识基本设置基本设置图直流源的“属性”对话框 (3) 周期脉冲源库周期脉冲源库Simulation Symbols. lib中
19、，中，包含了如下的周期脉冲源器件。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。利用这些源可以创建周期的连续的脉冲。在周期脉冲源的“属性”对话框中(如图4. 1. 10所示)的Attributes和Part Fields选项卡上可作如下设置。 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设置小信号的电压相位。 Initial Value设置电压或电流的起始值。 Pulsed设置延时和上升时间时的电压或电流值。 Time Delay设置激励源从初始状态到激发时的延时，单位为秒。 Rise Ti
20、me设置上升时间，必须大于0。 Fall Time设置下降时间，必须大于0。 Pulse Width设置脉冲宽度，即脉冲激发状态的时间，单位为秒。 Period设置脉冲周期，单位为秒，如5s。 第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识基本设置基本设置图周期脉冲源的“属性”对话框(4) 分段线性源分段线性源(Prece-Wise- Liner Source)库库Simulation Symbols. lib中，包含了如下的分段线性源器件。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。使用该分段线性源可以创建任意形状的波形。分段线性源的“属性
21、”对话框如图4. 1. 11所示，可作如下设置。 Designator设置所需的激励源器件的名称，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设置小信号的电压相位。 Time/Voltage这一对数为时间/幅值；输入由空格隔开的最多8对数。该对数的Time/Current第一个数是单位为秒的时间，第二个数为当时的电压或电流的幅值，如0s 5V、5s 5V、12s 0V、50s 5V、60s 5V。 File Name设置包含分段线性源数据的外部文件。文件必须在同一目录下，文件的扩展名为“pwl”。注意：分段线性源
22、可通过两种途径获得数据。如下为分段线性源获得数据的两种途径。 设计者可以用一列多达8个点的数据描述这个波形。 设计者可以通过一个ASCll码文本文件定义该波形，该文件包含不确定数目的点第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识基本设置基本设置图分段线性源的“属性”对话框 (5) 指数激励源库指数激励源库 Simulation Symbols. lib中，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。通过这些源可创建带有指数上升沿和下降沿的脉冲波形。指数激励源的“属性”对话框如图4. 1. 12所示。AC如果设计者欲在此电源上进行交流小信号分
23、析，可设置此项(典型值为1)。 AC Phase设置小信号的电压相位。 Initial Value设置时间为0时的电压或电流的幅值。 Pulse Value设置输出振幅的最大幅值。 Rise Delay设置上升延迟时间，即输出值从起始值到峰值间的时间差，单位为秒。 Rise Time设置上升时间常数。 Fall Delay设置下降延迟时间，即输出值从峰值到起始值间的时间差，单位为秒。 Fall Time设置下降时间常数。(6) 单频调频源库单频调频源库Simulation Symbols. lib中，包含了如下的单频调频源器件。中，包含了如下的单频调频源器件。 VSFFM：电压源。 SFFM：
24、电流源。通过这些源可创建一个单频调频波。单频调频源的“属性”对话框如图4. 1. 13所示。第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识基本设置基本设置图指数激励源的“属性”对话框 (7) 线性受控源库Simulation Symbols. Lib中，包含了如下的线性受控源器件。 HSRC：线性电压控制电流源。 GSRC：线性电压控制电压源。 FSRC：线性电流控制电压源。 ESRC：线性电流控制电流源。线性受控源的“属性”对话框如图4. 1. 14所示，可作如下设置。Designator设置所需的激励源器件的名称，如GSRC1。 Part Type对于线性电压控制电流源，设置跨导，
25、单位为 S(西门子)。对于线性电压控制电压源，设置电压增益，无量纲。对于电流控制电压源，设置互阻，单位为。对于线性电流控制电压源，设置电流增益，无量纲。第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识基本设置基本设置图线性受控源的“属性”对话框图单频调频源的“属性”对话框5. 定义仿真初始状态定义仿真初始状态 1) 定义仿真电路的节点为了很容易地识别电路中感兴趣的节点，可以使用网络标号给这些节点命名，如VIN、VOUT、CLOCK等，这样可以很容易地识别这些节点信号。2) 定义仿真初始状态对于有些电路可能需要预设节点电压以促使模拟解的收敛。在仿真库中有两个特殊的初始状态预置符：. NS和
26、. IC。(1) . NS 节点电压预置符。. NS用于设定节点电压以使电路顺利进入工作点分析状态，然后设定的电压值失效，继续进行实际的工作点分析。(2) . IC初始状态设置符。. IC用于在暂态分析中设定电路初始状态。6. 仿真设置仿真设置(Setup)仿真设置是否合理，直接影响到仿真结果，下面对仿真参数设置加以说明。运行SimulateSetup打开如图4. 1. 15所示的Analyses Setup对话框，在该对话框中可进行如下设置。第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识基本设置基本设置图Analyses Setup对话框 1) 直流分析直流分析(DC Sweep A
27、nalysis) 静态工作点是在分析放大电路中提出来的，它是放大电路正常工作的重要条件。当把放大器的输入信号短路，则放大器处于无信号输入状态，称为静态。如果静态工作点选择不合适，则输出波形会失真，因此设置合适的静态工作点是放大电路正常工作的前提。直流扫描分析就是直流转移特性，当某输入在一定范围内步进变化时，计算电路直流输出变量的相应变化曲线。例如某个电压源从1V到20V变化，步长可由用户设定，在每一个相应的电压上将计算出一套电路参数，并显示。在Source Name下拉列表框中选择一个欲对其扫描的独立电源；在Start value，文本框中设置扫描的开始值；在Stop Value文本框中设置扫
28、描结束值；在 Step Value文本框中设置步长。主独立源(Primary Source)是必须的，而次独立源(Secondary Source)是可选的(随需要而定)。若设置了次独立源，需输入其变量名和相应的起始、终止值和步长。通常第一个扫描变量(主独立源)所覆盖的区间是内循环，第二个(次独立源)扫描区间是外循环。第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识基本设置基本设置2) 交流小信号分析交流小信号分析(AC Small Signal Analysis) 交流分析是在一定的频率范围内计算电路和响应。如果电路中包含非线性器件或元件，在计算频率响应之前就应该得到此元器件的交流小信
29、号参数。在进行交流分析之前，必须保证电路中至少有一个交流电源，即在激励源中的AC属性栏中设置一个大于零的值。在Start Frequency 栏中指定起始频率(1. 00Hz)；在Stop Frequency 栏中指定终止频率(150Hz)；在Test Points栏中指定扫描的点数(100)；在Sweep Type列表框中指定扫描类型。扫描类型只能确定Linear、Octave或Decade中的一个。Linear、Octave和Decade扫描类型特点如下。Linear为线性扫描，是从起始频率开始到终止频率的线性扫描，Linear适用于带宽较窄的情况。Octave为倍频扫描，频率以倍频进行对
30、数扫描，Octave用于带宽较宽的情形。Decade为十倍频扫描，它进行对数扫描，Decade用于带宽特别宽的情况。对交流分析，Protel 99 SE可以方便地查看单个输出变量的一个或两个交流分析Y轴输出类型，如输出的虚部、实部、幅值(幅度或分贝数)、相位(度或弧度)。默认Y轴是幅度，X轴比例可以是线性的或对数的。Protel 99 SE版本还提供了丰富的波形运算函数。 第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识基本设置基本设置3) 蒙特卡罗分析蒙特卡罗分析(Monte Carlo Analysis) 蒙特卡罗分析是一种统计模拟方法，它是在给定电路元器件参数容差为统计分布规律的情
31、况下，用一组组随机数求得元器件参数的随机抽样序列，对这些随机抽样的电路进行直流、交流小信号和瞬态分析，并通过多次分析结果估算出电路性能的统计分布规律。以下是设置参数说明。默认容差：在Protel 99 SE中，用户可对6种器件进行容差设置，即：电阻、电容、电感、晶体管、直流电源和数字器件的传播延迟(Propagation Delay For digital Devices)。对这些器件的默认容差为10%，可以更改，可以设置为百分比或绝对值。如一电阻器标称值为1k，那么在电阻容差中输入15或15%均可，但表示的意义不一样，前者此电阻将在985和1015之间变化；而后者此电阻可在850和1150之
32、间变化。默认容差分布：在蒙特卡罗分析中，有三种分布供选择：均匀分布(Uniform)、高斯分布(Gaussian)和最坏情况分布(Worst Case)。以下是该对话框Monte Carlo选项卡中的参数设置说明。Designator：在此下拉列表框中选择所要特定设置容差的器件。Parameter：在必要时输入参数。电阻、电容、电感等不需要输入参数，但晶体管则需要输入参数。选择晶体管Q1，参数为BF。Device：设置器件容差。Lot：设置批量容差。Distribution：设置容差分布。Tracking#：设置跟踪数(Tracking Number)，用户可以为多个器件设定特定容差。第第4章
33、章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识基本设置基本设置4) 温度扫描分析温度扫描分析(Temperature Sweep Analysis) 温度扫描是指在一定的温度范围内进行电路参数计算，用以确定电路的温度漂移等性能指标。5) 瞬态分析和傅里叶分析瞬态分析和傅里叶分析(Transient/Fourier Analysis)瞬态响应分析是对时域中的输入信号确定时域中的输出。计算机瞬态偏置点的方法与直流偏置点不同。直流偏置点被看做固定偏置点。对于固定偏置点，电路节点的初始值对计算偏置点和非线性元件的小信号参数时节点初始值也考虑在内，因此有初始值的电容和电感也被看作是电路的一部分而保留下来
34、。瞬态分析的输出量可用离散形式表示，这些数据用于计算傅里叶级数的系数。在Transient Analysis选项组中， Time Step 是时间步长；Stop Time为终止时间(或停止时间)；Maximum Step 是时间步长的最大值，一般取两者相等。瞬态分析总是从时间t=0开始，然而，可以从时间Start Time 开始打印结果。Start Time 是瞬态响应的初始时刻。事实上从t=0到t=Start Time 时间内也分析了电路，只是没有输出或存储这些结果而已。第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识基本设置基本设置 如果Use Initial Condition(使
35、用初始条件)作为选择项在Tran命令结束时被指定，那么在瞬态分析开始前不计算瞬态分析的偏置点，而是直接使用电容上的初始电压和电感中的初始电流值。因此，如果指定使用初始条件，必须提供电容和电感的初始状态值。在Fourier选项组中，Fun. Frequency指定傅立叶分析的基频，默认值为信号源的频率。Harmonics指定傅立叶分析的谐波次数，即傅立叶分析的系数个数，默认值是10，即9次谐波(09)。 在Default Parameter选项组中，其前面有个检查框，当其被选中时，所有参数都将不能修改，而必须使用默认参数值。但用户可能通过此组中的参数Cycles Displayed 和Point
36、s Per Cycles来指定这些默认参数值。Cycles Displayed用于指定波形中显示的信号周期个数；Points Per Cycles用于指定每个波形周期中显示的点数。设定完成后，单击即可。如果用户觉得没必要使用默认参数值，则去掉Default Parameter前面的选中状态即可，同时会发现所有数据输入区域均变亮了，此时表明可以随意设定相应的参数值。这里使用默认参数，只显示两个周期波形数据。 单击Run Analysis按钮，就会得到瞬态分析和傅里叶分析结果。在给出波形的同时，Protel 99 SE还产生了一大堆傅里叶分析的相关数据，并存于. sim文件中。在此文件中，Prot
37、el 99 SE为每个端口都列出了其相应的傅里叶分析数据。 第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识基本设置基本设置6) 噪声分析噪声分析(Noise Analysis) 电阻和半导体器件等都能产生噪声，噪声电平取决于频率。电阻和半导体器件产生不同类型的噪声(在噪声分析中，电容、电感和受控源视为无噪声元器件)，对交流分析的每一个频率，电路中每一个噪声源(电阻或晶体管)的噪声电平都被计算出来。它们以输出节点的电平通过将各均方根值相加得到。噪声分析在电路设计中较为常见。在Protel 99 SE中，可以测量和分析以下噪声。 输出噪声：在某个特定输出端口上测量噪声。输入噪声：从输入端口
38、上测量得到的噪声。输入噪声可以通过输出噪声和电路的增益来求得。器件噪声：每个器件对输出噪声的贡献。输出噪声大小即为所有产生噪声的器件噪声的叠加。参数设置说明如下。(1) Noise Sources：选择一个用于计算噪声的参考电源。(2) Start Frequency：指定起始频率。(3) Stop Frequency：指定终止频率。(4) Test Points：指定扫描的点数。(5) Points/Summary：指定计算噪声范围。在此选项中，如输入0则只计算输入和输出噪声；如输入1则同时计算各个器件的噪声。(6) OutPut Node：指定输出噪声节点。(7) Reference No
39、de：指定输出噪声参考节点，此节点一般为地(即为0节点)。(8) Sweep Type：指定扫描类型，这些设置和交流分析差不多，在此只作简要说明。Linear为线性扫描，是从起始频率开始到终止频率的线性扫描，Test Points是扫描中的总点数，一个频率值由当前一个频率值加上一个常量得到，第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识基本设置基本设置7) 传递函数分析传递函数分析(Transfer Function Analysis)传递函数分析用于计算电路的直流输入、输出电阻和直流增益。参数设置说明如下。(1) Source Name：指定参考的输入信号源。(2) Referenc
40、e Node：指定参考节点。可以方便地查看整个电路的直流输入、输出电阻和直流增益。8) 参数扫描分析参数扫描分析(Parameter Sweep Analysis)参数扫描分析可以与直流、交流或瞬态分析等分析类型配合使用，对电路所执行的分析进行参数扫描，对于研究电路参数变化对电路特性的影响提供了很大的方便。在分析功能上与蒙特卡罗分析和温度扫描分析类似，它是按扫描变量对电路的所有分析参数进行扫描的，分析结果产生一个数据列表或一组曲线图。用户还可以设置第二个参数扫描分析，但参数扫描分析所收集的数据不包括子电路中的器件。以下是设置参数说明。 Parameter：在列表中选择欲对其扫描分析的参数。 R
41、elative values：如果选择了此选项，则在Start Value和 Stop Value中所输入的值是一个相对值，而不是绝对值，即在器件参数或默认的基础上变化。不同的参数值所画出来的曲线不一样，曲线之间偏离的大小表明此参数对电路性能影响的程度。 General是总选项卡(标签页)、该页可以设置需要运动的分析，需要收集的数据、网表范围、需要画图或显示数据的信号。按钮Advanced进入高级分析设置窗口。第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识基本设置基本设置 按下列操作步骤：Design Explorer 99 SE|Example|Circuit Simulation|
42、Power Supply. ddb，打开原理图如图4. 1. 16所示，以图4. 1. 16为例说明如何分析观察波形。 运行仿真命令SimulateRun，同工具栏上的按钮，仿真器输出文件为“. sdf”文件，“. sdf”文件为输出波形显示，显示的仿真波形如图4. 1. 17所示。如想终止仿真过程，单击按钮。第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识观察分析波形观察分析波形图线性稳压源的仿真分析原理图 图线性稳压源的仿真分析结果 在如图4. 1. 17中的节点区域，右击，弹出如图4. 1. 18所示的快捷菜单。其中，Insert Cell用于波形下移；Delete Cell用于删
43、除波形；View Single Cell用于观看单一的输出波形。选择View Single Cell命令，输出单一的波形如图4. 1. 19所示。 第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识观察分析波形观察分析波形图节点区域右键快捷菜单 图View Single Cell功能举例在如图4. 1. 19所示的区域中右击，打开如图4. 1. 20所 示 的 快 捷 菜 单 。 其 中 ， Fit Waveforms用 于 适 合 波 形 ； Document Options用于文档选项；Scaling用于比例。单击Document Options命令，打开如图4. 1. 21所示的Do
44、cument Options对话框 ，可设置波形分析器工作窗口中相关的显示属性。Grid用于设置栅格项； Foreground框前景色； Background框背景色。双击其颜色框，在弹出的“颜色设置”对话框中可以更改这些项在 工 作 窗 口 中 的 显 示 颜 色 。 单 击 wap Foreground/Background 按钮后，将前景色和背景色相互交换来显示。Bold Waveform复选框选中表示波形将加粗显示。 Show Data Point复选框选中表示在波形中显示所有数据点。Show Designation Symbol复选框选中表示用不同符号来表示同一单元中不同波形上的数据
45、点。第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识观察分析波形观察分析波形图Document Options对话框 图波形区域右键快捷菜单 单击快捷菜单中的Scaling命令，打开 如 图 4. 1. 22所 示 的 Scaling Options对话框。在该对话框中可以更改波形图中 X轴、Y轴的坐标类型。对于X轴，有Log对数坐标、Linear直线坐标两种可选的坐标类型。对于 Y轴 ， 有 Real 实 部 坐 标 、Imaginary虚部坐标、 Magnitude 幅值坐标、Magnitude Decibels以分贝为单位的幅值坐标、 Phase In Degrees以角度为单位的
46、相位坐标和Phase In Radians 以弧度为单位的相位坐标共6种可选的坐标类型。第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识观察分析波形观察分析波形图Scaling Options对话框【例4.1】分析含有一个独立源的直流分压电路。 先从最简单的分压装置开始学习如何用Protel 99 SE来分析直流分压电路，如图4. 2. 1所示，两个电阻R1、R2和独立电压源V串联起来，在节点OUT输出分压后的电压。首先创建一个新的项目，绘出电路原理图，对各元器件的参数进行设置，同时做好电气规则检查。接下来就可以利用Protel的仿真工具SIM 99进行模拟。在菜单Simulation中
47、选择Create Spice Netlist命令，然后阅读生成的网单文件，检查设置正确与否。接下来设置仿真工作环境，运行SimulationSetupl，选择Operation Analysis进行直流工作点分析，观察它的信号。单击SimulationRun菜单命令，进行仿真，在仿真结果文件中将看到直流分析结果如图4. 2. 2所示，这就是该电路的直流工作点In为18V，out为16V。如图4. 2. 3所示为out显示波形，是一条16V的水平直线。第第4章章 电路仿真电路仿真4.2 电路仿真实例直流电路的仿真分析直流电路的仿真分析 图直流分压电路图直流分析结果 对于一个分压装置，如果电源的电
48、压发生变化，输出电压也会随之按比例变化，可以利用Protel 99 SE的直流扫描功能来实现这种变化。在SimulationSetup菜单中，选中DC命令，然后进入DC设置状态。其中，TYPE：设置扫描类型；SOURCE：设置扫描变量；START和STOP：分别设置扫描变量变化的扫描范围；STEP：设置扫描步长，它决定扫描的点数和精度；Protel中的直流扫描是线性扫描LIN；在本例中用到的是线性扫描，它也是默认的扫描方式，扫描变量是V(电压)，它的值从0开始，每隔0. 1V取值一次，终止于12V。分压装置的输出电压随着R1与R2比值的不同而不同，可以对R1进行扫描，来观察输出电压V(2)随R
49、1值的变化而变化的情况(对DC？)请自己试一试。Protel可以对下面几种变量进行扫描。(1) 独立源类。任何独立电压源和独立电流源都可以作为扫描变量。(2) 模型参数类。(3) 温度变量。(4) 总体参数。第第4章章 电路仿真电路仿真4.2 电路仿真实例直流电路的仿真分析直流电路的仿真分析 图out显示波形【例4.2】分析RC充放电电路。在电子线路中，常用RC电路来模拟充放电的情况，在这里我们用Protel来研究RC充放电电路的特性，电路如图4. 2. 4所示。如图4. 2. 4(a)所示的输入电源设置为直流10V，初始条件IC为0V。如图4. 2. 4(b)所示， 初始条件IC为10V。进
50、行瞬态分析得输出波形如图4. 2. 5所示。可见，如图4. 2. 4(a)所示中的电容C1为充电过程，如图4. 2. 4(b)所示的电容C1为放电过程。第第4章章 电路仿真电路仿真4.2 电路仿真实例交流电路的仿真分析交流电路的仿真分析图RC充放电电路a)b)图RC输出波形 有源放大电路是指在电路中含有半导体器件的电路，包括二极管、双极性晶体管、MOS晶体管等。在这样的电路中，由于半导体器件的电学特性大都是非线性的，同时还有各种寄生效应，所以如果不使用EDA软件，很难计算出精确结果。Protel SIM 99的特点就是能够对有源电路进行各种分析，如直流工作点、交流小信号分析等。【例4.3】分析
51、发射极单管放大电路。 单管放大电路有三种形式：共发射极、共基极和共集电极。它们的电路结构各不相同，电路性能和用途也各不一样。首先以共发射极放大电路为例，来分析讨论静态工作点对动态范围的影响，放大电路主要性能指标的计算、低频响应和高频响应特性的分析等。1) 写输入文件电路图如图 4. 2. 6所示。在此共发射极单管放大电路中，Q1是放大管，它的基极的直流电位由R1和R3的分压来确定，V1提供输入小信号，R2控制三极管的CE间的电压，R4为射极负反馈电阻，R5为负载电阻，OUT为输出端。可以从直流工作点的调整、输出电压动态范围、频率响应、输入输出电阻等方面对该共射极放大电路进行分析。第第4章章 电
52、路仿真电路仿真4.2 电路仿真实例有源放大电路的仿真分析有源放大电路的仿真分析图共发射极单管放大电路2) 瞬态特性分析在如图4. 2. 7所示的“参数设置”对话框中进行参数设置后，单击Run Analyses按钮开始进行瞬态特性分析，分析结果如图4. 2. 8所示。其他分析情况与此类似，请读者自己总结。第第4章章 电路仿真电路仿真4.2 电路仿真实例有源放大电路的仿真分析有源放大电路的仿真分析图“参数设置”对话框图分析结果 在实际应用中，除了模拟电路外，还有数字电路和数字/模拟混合电路。与模拟电路不同，在数字电路中，设计者主要关心的是各数字节点的逻辑状态(也称逻辑电平)。数字节点就是仅与数字电
53、路元器件相连的节点，仿真该电路的结果就是计算电路中各个节点的值，对于数字节点，这些值就是逻辑电平(如“1”、“0”、“X”)。大多数的数字电路元器件有两种模型，第一种模型是计时模型，它描述元器件的计时特性。第二种模型是I/O模型，它描述元器件的负载和驱动特性，有几个特殊的数字电路元器件仅有I/O模型。数字电路元器件所起的作用和电阻等在模拟电路中所起的作用相似，每一个元器件有一个或多个输入及一个或多个输出，而且有些元器件(如触发器)具有记忆功能。数字电路元器件的计时特性是由计时模型和I/O模型共同决定的，计时模型用来设置像建立和持续时间那样的时间约束条件，传播延迟设置为计时模型中的延迟和由电路负
54、载所决定的附加延迟之和，对于每个元器件，其负载延迟由其负载及引线电容共同决定。第第4章章 电路仿真电路仿真4.2 电路仿真实例数字电路的仿真分析数字电路的仿真分析【例【例4.4】数字】数字/模拟电路仿真实例。模拟电路仿真实例。(1) 生成原理图文件。在本例中，采用数字/模拟混合电路。该电路用来显示一个BCD码，电路的前部分是数字电路部分，后部分是模拟电路部分，电路如图4. 2. 9所示。第第4章章 电路仿真电路仿真4.1 电路仿真的基础知识图数字/模拟混合电路 数字电路的仿真分析数字电路的仿真分析 在实际应用中，除了模拟电路外，还有数字电路和数字/模拟混合电路。与模拟电路不同，在数字电路中，设
55、计者主要关心的是各数字节点的逻辑状态(也称逻辑电平)。数字节点就是仅与数字电路元器件相连的节点，仿真该电路的结果就是计算电路中各个节点的值，对于数字节点，这些值就是逻辑电平(如“1”、“0”、“X”)。大多数的数字电路元器件有两种模型，第一种模型是计时模型，它描述元器件的计时特性。第二种模型是I/O模型，它描述元器件的负载和驱动特性，有几个特殊的数字电路元器件仅有I/O模型。数字电路元器件所起的作用和电阻等在模拟电路中所起的作用相似，每一个元器件有一个或多个输入及一个或多个输出，而且有些元器件(如触发器)具有记忆功能。数字电路元器件的计时特性是由计时模型和I/O模型共同决定的，计时模型用来设置
56、像建立和持续时间那样的时间约束条件，传播延迟设置为计时模型中的延迟和由电路负载所决定的附加延迟之和，对于每个元器件，其负载延迟由其负载及引线电容共同决定。第第4章章 电路仿真电路仿真4.2 电路仿真实例数字电路的仿真分析数字电路的仿真分析(2) 仿真器的设置。与上例不同的是，数字/模拟混合电路将不进行静态工作点的分析。在此仅选择瞬态分析，其他的分析以此类推，仿真器的设置如图4. 2. 10所示。(3) 仿真器输出的仿真结果。采用该设置完成仿真后，仿真器将输出“. sdf”文件， “. sdf”为输出波形的显示。如果执行SimulateCreate SPICE Netlist菜单命令，则会生成“
57、. nsx”文件(原理图的SPICE模式表示)。第第4章章 电路仿真电路仿真4.2 电路仿真实例数字电路的仿真分析数字电路的仿真分析图仿真设置(4) 通过该文件的波形显示，可以更清楚地了解原理图电路的时序关系。原理图电路中，74LS90 的输出波形如图4. 2. 11所示。当如图4. 2. 11所示的输出信号经过一系列的数字逻辑运算以后，锁存器74LS373 的输入信号如图4. 2. 12所示，而7段LED输入端的信号如图4. 2. 13所示。(5) 设计者通过仿真完善原理图的设计。通过上述的波形，使设计者不必通过元器件的连接，就可知道各部分的时序关系。从而得以检查所设计电路与所期望电路的功能
58、是否一致，从而便于完成原理图的设计。综上所述，SIM 99提供了一种方便的电路仿真方式。设计者通过该仿真程序可以在制板前发现原理图设计中可能存在的问题，以减少重复设计。本章只简单介绍了SIM 99，在实践中只有多使用才可获得更丰富的经验。第第4章章 电路仿真电路仿真4.2 电路仿真实例数字电路的仿真分析数字电路的仿真分析图74LS90的输出波形第第4章章 电路仿真电路仿真4.2 电路仿真实例数字电路的仿真分析数字电路的仿真分析图锁存器74LS373 的输入信号图7段LED输入端的信号 本本章章介介绍绍了了Protel 99 SE电电路路仿仿真真的的基基础础知知识识、仿仿真真界界面面，仿仿真真元
59、元件件及及其其参参数数设设置置，介介绍绍了了波波形形显显示示窗窗口口的的分分析析和和操操作作方方法法详详细细介介绍绍了了真真流流电电路路交交流流电电路路有有源源放放大大电电路路和和数数字字电路的仿真分析。电路的仿真分析。第第4章章 电路仿真电路仿真4.3 本章小结(1) 练习调入仿真元件库。提示：首先在设计文件管理器中选择Browse Sch选项卡，在Browse选项区域中的下拉列表框中选择Libraries，单击Add/Remove按钮，在弹出的Change Library File List对话框上部的“查找范围”下拉列表框中，选择Protel 99 SE所在的文件夹，再选择路径：Prot
60、el 99 SE文件夹LibrarySch，在元件库列表中找到Sim，单击对话框下部的Add按钮，就可以看到Selected Files区域中将显示仿真元件库Sim的路径，最后单击OK按钮，就把仿真元件库添加到了元件库管理器。库文件选择窗格如图4. 1. 3所示的左侧Browse Sch浏览器。(2) 练习熟悉仿真元件库和库中的内容。(3) 练习熟悉基本仿真元件及元件设置。(4) 练习仿真设置，熟悉仿真设置的对话框，设置各种仿真选项。第第4章章 电路仿真电路仿真4.4 习题有源放大电路的仿真分析有源放大电路的仿真分析(5) 使用瞬态分析方法，分析如图4. 4. 1所示电路的整流过程。(6) 在
61、如图4. 4. 2(b)所示的电路中，电源V1的电压波形如图4. 4. 2(a)所示，试求电路中OUT端的电压波形。提示：该练习需要采用瞬态分析。信号源V1采用分段电源VPWL，需要按照信号波形设置时间/电压(Time/Voltage)字段。第第4章章 电路仿真电路仿真4.4 习题有源放大电路的仿真分析有源放大电路的仿真分析图习题(5)单相桥式整流电容滤波电路图4.37a 电压波形图4.37b RC电路图习题(6)RC电路及电压波形 (7) 如图4. 4. 3所示，使用瞬态分析法分析场效应管组成的共源极放大电路的输入与输出波形。提示：其中电压源V1为正弦电源VSIN，电压的幅值(Amplitude)为20mV、频率(Frequency)1kHz。(8) 试用工作点分析和瞬态分析方法研究如图4. 4. 4所示的差动放大器求出放大倍数。提示：电压源V1为正弦电源VSIN，电压的幅值(Amplitude)为10mV、频率(Frequen- cy)1kHz。选择菜单命令SimulateSetup进行仿真设置和仿真。第第4章章 电路仿真电路仿真4.4 习题有源放大电路的仿真分析有源放大电路的仿真分析图习题(7)场效应管组成的共源极放大电路图习题(8)第4章内容结束第第4章章 电路仿真电路仿真再见!
