（电路与系统专业论文）混合信号系统的VHDL—AMS设计与仿真分析[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 应用v h d l 进行数字系统设计的方法和工具已经相当成熟，广泛应用于集 成电路设计、通信系统设计以及嵌入式系统设计等领域。虽然数字化是微电子系 统设计的发展趋势，但数字电路不可能完全取代摸拟电路，因此，v h d l 只用于 数字系统设计，无论从理论的完整性和方法的统一性方面来说，无疑是个缺点。 为此，i e e e 在1 9 9 9 年发布了i e e ev h d ls t d1 0 7 6 1 标准，用于对目前广泛应 用的v h d ls r d1 0 7 6 标准的功能进行扩展，其扩展方面是对模拟电路以及混合信 号系统的描述。基于1 0 7 6 标准和1 0 7 6 1 标准的扩展部分所定义的v h d l ，称为 v h d l a m s 。 本文首先根据i e e e 发布的文献资料，对i e e ev h d ls t d1 0 7 6 1 标准进行剖 析，研究v h d l a m s 引入的新概念和新属性，应用v h d l a m s 对连续系统的建模以 及连续系统与离散系统的通信与控制闯题。然后基于v h d l a 骼设计无线摇控系 统，设计内容包含模电路和数字电路、涵盏通信系统以及控制工程学科领域，并 在m e n t o r 公司的s y s t e m v i s i o n 环境下对模拟电路和混合信号部分的设计进行仿 真验证，并结合遥控通信系统设计，对广泛应用的模拟锁相环进行参数化没计。 先对锁相环进行了理论上的技术论证，然后进行了仿真分析。仿真分析验证了理 论上技术论证的结果。本所作的工作表明，v h d l - a m s 具有强大的混合信号描述 能力，突破了v h d l 只能用于设计数字系统的限制。在系统设计方面，v h d l a m s 比v h d l 应用范围更广、更强大、更有效；实现了数字电路和模拟电路设计方法 的统一。 关键词混合信号；多学科系统；遥控；建模：设计；仿真 a b s t r a c t v h d li sm o r ep o p u l a ru s e dt od e s i g nd i g it a lc i r c u i t sa n dw i d e l yu s e d i na s i cd e s i g n ，c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sd e s g na n de m b e d d e ds y s t e m sd e s i g n a l t h o u g hd i g i t a lc i r c u i t sa r em o r ea n dm o r eu s e di ne l e c t r o n i cs y s t e m s ， b u ti t i sn e a r l yi m p o s s i h 。et h a td i g i t a lc i r c u i t si n s t e a do f a n a l o g c i r c u i t si ne l e c t r o n i cs y s t e m sd e s i g n ，s oi ti sad i s a d v a n t a g et h a tv h d i ， i so n l yu s e dt od e s i g nd i g i t a ls y s t e m s t h e r e f o r e i e e ep u b l i s h e di e e e v h d ls t d1 0 7 6 1t oe x t e n dv h d lf o ra n a l o ga n dm ix e d s i g n a l s y s t e m s d e s c r i p t i o na n ds i m u l a t i o n v h d l ，d e f i n e db yv h d ls t dt 0 7 6a n d1 0 7 6 i ， i sc a l l e dv h d l - a m s n e wc o n c e p ta n df e a t u r e so fv t d l “a m sa r ei n t r o d u c e di nt h i sa r ti c l eb y a n a l y s i so fi e e e v h d l 1 0 7 6 1 h o w t om o d e l a n a l o g c i r c u i t sa n d m i x e c l s i g n a s y s t e m sa n dh o wt oe x c h a n g ei n f o r m a t i o nb e t w e e na n a l o gp a r ts a n dd i g i t a lp a r t si nas ys t e mi sd i s c u s s e di nt h i sa r t i c l e aw i r e e ss r e m o t e c o n t r o l l e ds y s t e mi sd e s i g nb a s e do nv h d l a v l s ，a n dm i x e d s i g n a l s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ep r e s e n t e d w i r e l e s sr e m o t e c o n t r o ls y s t e mis m i x e d s i g n a ls y s t e m s a n di n 0 1 u d e sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dc o n t r 0 1 e n g i n e e r i n ga r e a ：f i n a l l y ，ap a r a m e t e r iz e dp l li sd e s i g na n ds i m u l a t e d b a s e do nv h d i 。一a m s a sr e s u l t ，v h d l a m si sm o r ee f f e c t i v ea n dm o r ep o w e r f u l t od e s i g ne l e c t r o n i cs y s t e m s ，n o to n yf o rd i g i t a ls y s t e m sd e s i g nb u ta ls o f o ra n a l o ga n dm i x e d s i g n a ls y s t e m sb e c a u s eo fi t sc a p a c i t yo fd e s c r i p t i o n 0 fa n a l o ga n dm i x e d s i g n a ls y s t e m a n di tw i l lb e w i d e l y u s e di n m u l t 卜d i s c i p l i n e ss y s t e m sd e s i g ns u c ha sm o b i l e e l e c t r o n i c sa n dc o n t r o l s y s t e m s k e y w o r d s ：m i x e d s i g n a l ：m u l t i d i s c i p l jn e ss y s t e m s ：r e m o t e c o n t r o l m o d e l i n g ：d e s i g n ：s i m u f a t i o n h 柏北l 业大学硕七学位论文：混合信号系统的v h d l a m s 设计与仿真分析 1 1 本课题研究的背景 第一章绪论 伴随着计算机技术的飞速发展以及专用集成电路( a s l c ) 设计技术日趋 完善，电子系统的设计方法发生了革命性的变化。出计算机辅助设计 ( c a d ) 、计算机辅助工程( c a e ) 发展到现在的以硬件描述语言表达设计：鼓 图、以f p g a 作为硬件载体、以计算机为设计开发工具、以软件为开发环 境的电子设计自动化( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ，简称e d a ) 时代。e d a 给电子系统设计带来了革命性的变革，尤其是硬件描述语言( h a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，简称h d l ) 以其“代码复用”( c o d er e u s e ) 远高于传 统的原理图输入法，克服了用原理图设计大规模及超大规模电子系统时的 许多不便，逐渐获得越来越广泛的应用。e d a 是现代电子系统设计的核心 技术。目前，e d a 已发展到s o p c ( s y s y t e mo np r o g r a m m a b l e c h i p ，可编 程片上系统设计) 阶段，即可以将整个系统在大规模或超大规模的可编程逻 辑器件上实现。 硬件描述语言是以语言的形式描述电子系统的行为和硬件结构。 v h d l ( v h s i ch d l ) 是i e e e ( 美国电气电子工程协会、确定的标准硬件描述 语言，是目前广泛应用的硬件描述语言之一，具有强大的行为插述能力。 v h d l 标准制定于1 9 8 7 年，1 9 9 3 年修订，目前广泛使用的v h d l 是基于 i e e ev h d ls t d1 0 7 6 1 9 9 3 标准。但是，i e e ev h d ls t d1 0 7 6 1 9 9 3 标准 定义的v h d l 主要用于以事件驱动( e v e n t - d r i v e n ) 为核心的数字系统设计， 对模拟电路以及混合信号系统的描述方面未做定义。因此，如何嗣v h d l 来描述模拟电路以及混合信号系统，无论从理论的完整性、方法的统一性 和实用性方面来说，都有着非常重要的意义，因为许多电子系统是混合信 号系统，其中既有数字电路，又有模拟电路。传统上，数字电路与模拟电 路采用不同的描述语言描述和仿真，饲如模拟电路用s p i c e ( 通用电路仿 真程序) ，数字电路用v h d l 。这种独立分析的方法对分析和测试整个系 统的功能与性能带来许多不便，不易获得系统整体的分析和仿真结果。因 此，应用v h d l 描述模拟电路以及混合信号系统是v h d l 的发展方向。 出于v h d l 主要用于描述数字电路，为此，i e e e 予1 9 9 9 年对v h d i 。 进行修订和扩充，发布了i e e es t dv h d l1 0 7 6 1 1 9 9 9 标准，用于扩展 v h d l 对模拟电路以及混合信号系统的结构和行为的描述能力。v h d i 。 1 0 7 6 标准所定义的v h d l 和1 0 7 6l 标准所定义的扩展部分，合称为 v h d l a m s 。 v h d l a m s 中引入了新概念、新属性和新的语句，使得v h d l a m s 两北r 业大学硕士学位论文：混合信号系统的v h d l - a m s 设计与仿真分析 能够很自然描述混合信号系统，在同一环境下对整个混合信号系统进行建 模和仿真分析，实现了数字系统和模拟系统分析和设计方法的统，这无 论从理论上还是实用上都具有十分重要的意义，在多学科系统 ( m u l t i d i s c i p l i n es y s t e m s ) ，如机电系统、控制系统、电磁系统等分析与设 计中具有广阔的应用前景。 虽然，i e e e 于1 9 9 9 年发布了i e e es t d v h d l1 0 7 6 卜1 9 9 9 ，但由于融 合数字电路与模拟电路描述与仿真的难度大，所以近年来，v h d l a m s 的实现方面一直没有太大的进展，支持v h d l a m s 的e d a 软件很少。2 0 0 3 年，m e n t o rg r a p h i c s 公司推出了s y s t e m v i s i o n 集成开发环境，支持 v h d l a m s ，将数字电路和模拟电路描述与仿真有机的融合在一起，提供 了多学科系统分析与设计完整的解决方案。 1 2 课题研究的内容和意义 本课题在v h d l 语言的基础上，剖析i e e ev h d l1 0 7 6 1 标准中引入 的新概念和新特性，应用v h d l a m s 对连续系统的建模和连续系统与离 散系统接口的实现问题，然后以v h d l - a m s 为工具，设计无线遥控系统 以及模拟锁相环的设计与仿真分析。 论文主要分为两大部分。第一部分为第二章，主要剖析v h d l a m s 中引入的新概念、新特性以及应用v h d l ，a m s 对连续系统的建模问题。 第二部分包括第三章和第四章，以v h d l a m s 为描述工具，主要完成无 线摇控系统中数据通信子系统设计和射频子系统的仿真设计，以及模拟锁 相坏的v h d l a m s 设计与仿真分析。 从文中可以看出，应用v h d l a m s 具有以下优点：1 ) 将模拟电路和 数字电路的设计有机地融合在一一起，实现了数电路与模拟电路设计与分析 方法的统一。在设计过程中，只需要根据系统的行为进行描述，无需区分 哪些是数字量，哪些是模拟量。2 ) 容易实现参数化设计。在不改变程序结 构的情况通过改变类属参数的数值改变系统的规模和特陛。3 ) 容易移植。 应用v h d l a m s 描述系统的结构和行为，与具体硬件无关，可以易于移 植，代码复用率高。4 ) 具有更为强大的描述能力。v h d l a m s 可以直接 描述系统的结构或行为，与v h d l 相比，更强大更有效。 从v h d l 到v h d l a m s ，无论从理论的完整性和方法的统一性和实 用性来说，都具有十分重要的价值。从v h d l a m s 标准的制定到广泛应 用，将会使v h d l 的应用领域更为广泛，发挥越来越熏要的作用，成为多 学科系统设计的主要描述工具。本课题鲁在v h d l a m s 方硒做一些基本 性的应用研究工作。 2 嘣北l ：业太学硕士学位论文：混合信号系统的v h d l a m s 设计与仿真分析 第二章v h d l - a m s 语言分析 i e e ev h d ls t d1 0 7 6 1 定义的不是新的硬件描述语言，而是对i e e e v h d ls t d1 0 7 6 1 9 9 3 标准定义的硬件描述语言v h d l 的扩展，扩展v h d l 对模拟电路以及混合信号系统描述的能力。以i e e ev h d ls t dl0 7 6 1 9 9 3 标准以及1 0 7 6 1 所定义的硬件描述语言合称为v h d l a m s ( 注a m s ： a n a l o ga n dm i x e dc i r c u i t ss i m u l a t i o n ) 。应用v h d l - a m s 进行电子系统仿 真设计的优点在于在同语言环境下可以对混合信号系统进行整体描述 和仿真测试，以获得系统完整的测试结果以便于进行功能和性能分析，实 现了模拟电路与数字电路描述和设计方法的统一。同时，v h d l a m s 进一 步扩大了v h d l 的应用领域，除应用在数字系统设计外，在模拟电路、数 模混合系统以及多学科系统设计中亦可以实现“代码复用”，提高：【程设 计效率，缩短开发周期。 本章主要对v h d l a m s 中增加的新概念、新属性和新语句分别进行描 述，以便掌握v h d l a m s 。 2 1v h d l - a m s 中扩展的新概念 2 1 1 量( q u a n t i t y ) 集总参数连续时间系统的行为描述通常是用微分代数方程组 ( d i f f e r e n t i a la n da l g e b r a i ce q u a t i o n s ，简称为d a e s ) 来进行描述，即： f ( x ，d x 出，) = 0 其中f 是表达式的向量形式，x 是未知交量的向量形式，d x d t 是未知变量 的向量形式的导数( 包括阶导数和高阶导数) 。微分代数方程组的数值解 法在数值分析课程中有详细的研究。根据微分代数方程组的结构形式，可 将微分代数方程组分为几类，各类方程组都有其相应的数值求解方法。在 v h d l a m s 中，微分，代数方程组的求解是用模拟解算器( a n a l o gs o l v e r l 来实现的。微分代数方程组的未知量通常是时间，的函数，并且变量是连 续的，最多有有限个问断点。用模拟解箅器在求解微分方程组时一般采 用离散化的方法，选用有限个y 的离散时闻点，将微分代数方程转化为差 分方程组( d i f f e r e n c ee q u a t i o n s ) ，通过求解差分方程组，进而求得原微分代 数方程组的数值解。 在v h d l a m s 语言中，新增加的第个概念是用于定义量的关键字 q u a n t i t y ，表示微分代数方程组中的未知量。量之问的关系代表连续系统 的行为，未知量的值可以通过模拟解算器来求解。q u a n t i t y 是浮点的标量 类型，在v h d l a m s 中可以在任何可以用信号s i g n a l 描述的地方出现。 量分为三种，分别是自由量( f r e eq u a n t i t y ) 、支路量( b r a n c hq u a n t i t y ) 西j t1 ：业大学硕士学位论文：混合信号系统的v h d l - a m s 设计与仿真分析 和源量( s o u r c eq u a n t i t y ) 。支路量用于守恒系统的建模，源量用于频域和噪 声仿真。除显式的量外，v h d l a m s 同时以预定义属性的形式定义了一些 隐式的量( i m p l i c i t q u a n t i t y ) ，例如量q 对时削的导数( q d o t ) 、对时间的积 分( q i n t e g ) 、拉普拉斯传输函数( q l t o 以及量q 对上一个固定时间的间隔 值q d e l a y e d ( t ) 等。同时，预定义属性可以级联，如q d o t d o t 表示量q 对时间的二阶导数。这些隐式的量支持时域、频域和混合信号系统的建模。 守恒连续系统中存在有两种类型的量：一种是a c r o s s 类型，描述具有 力的效果的量；另一种是t h r o u g h 类型，描述具有流性质的的量。a c r o s s 类型的量用来表示像电压、温度、压力等这类物理鲎，t h r o u g h 类型韵量用 来表示像电流、热流或液体流动速率等这类物理量。 在v h d l a m s 中，性质( n a t u r e ) 用来描述守恒系统所具有的物理性质， 可以是电类或非电类。在n a t u r e 中也定义了a c r o s s 类型和t h r o u g h 类型。 例如在电学系统程序包e l e c t r i c a l s y s t e m s 有对电压和电流的描述： p a c k a g ee l e c t r i c a l s y s t e m si s s u b t y p ev o l t a g ei sr e a lt o l e r a n c e “d e f a u l t v o l t a g e ”； s u b t y p ec u r r e n ti sr e a lt o l e r a n c e “d e f a u l t c u r r e n t ”； n a t u r ee l e c t r i c a li s v o l t a g ea c r o s s c u r r e n tt h r o u g h e n dp a c k a g ee l e c t r i c a l s y s t e m s ； 可以看出。v o l t a g e 是a c r o s s 类型c u r r e n t 是t h r o u g h 类型，都具有e l e c t r i c a l 性质。n a t u r e 中的a c r o s s 类型和t h r o u g h 类型必须是r e a l 或其予类型，因 为连续系统中的物理量都是浮点类型的量。 量亦可以用于描述端点。例如： e n t i t ya d d e ri s p o r t ( q u a n t i t yq 1 ，q 2 ：i nr e a l ；q u a n t i t ys u m ：o u tr e a l ) ； e n de n t i t ya d d e r ； 挑述两输入和一个输出端的加法器。 2 1 2 端点( t e r m i n a l ) v h d l a m s 中新增加的第二个概念是端点( t e r m i n a l ) ，用于定义守恒系 统端口的端点及内部的端点。每个端点都定义在一个属性( n a t u r e ) 上， 具有清晰的物理概念，表明此端点隶属于某一个物理系统a 在v h d l a m s 中，端点可以在任何可以用信号( s i g n a l ) 描述的地方使用，而且端点还可以 作为实体的接口允许在p o r t 语句中使用。如： p o r t ( t e r m i n a la n o d e ，c a t h o d e ：e l e c t r i c a l ) ； 怒2 2 极管( d i o d e ) 的端口描述， 二极管两个端点a n o d e 和c a t h o d e ，具有 西北工业大学硕士学位论文：混合信号系统的v h d l a m s 设计与仿真分析 e l e c t r i c a l 性质，表示它们是电学系统的两个端点。 有了端点的定义后，很容易说明a c r o s s 与t h r o u g h 之间的差别，a c r o s s 类型的量表示两个端点之间数量的差异，而t h r o u g h 类型的量表示从一个 端点流向另一个端点的物理量，在两个端点处数值是相同的。如： t e r m i n a lt 1 t 2 ：e l e c t r i c a l ； q u a n t i t yva c r o s sit h r o u g ht l t ot 2 ； v 表示端点t 1 到t 2 之间的电压，i 表示流过浚支路的电流。 在v h d l a m s 中，守恒系统的能量守恒特性是通过端点来体现的。 在上节中介绍的守恒连续系统中存在的a c r o s s 类型的量和t h r o u g h 类型的 量都是定义在端点上的。 第一个端点同时还隐含声明了一个参考( r e f e r e n c e ) 量和个贡献 ( c o n t r i b u t i o n ) 量，分别以两个预定义属性t r e f e r e n c e 和t c o n t r i b u t i o n 表示。 在属性t r e f e r e n c e 中，t 表示t e r m i n a l ，此属性定义了t 的参考量。它 是一个a c r o s s 类型的量，其类型与t 的a c r o s s 类型的量相同，它的正f p l u s ) 端点是t ，负( m i n u s ) 端点是t 所属n a t u r e 的参考端点。 在属性t c o n t r i b u t i o n 中，t 表示t e r m i n a l ，此属性定义了t 的贡献量。 它是一个t h r o u g h 类型的量，其类型与t 的t h r o u g h 类型的量相同，其值是 所的与该端点相连的t h r o u g h 类型量的代数和。 2 1 3 支路量( b r a n c hq u a n t i t y ) 支路量是定义在端点之闯的量。例如在图2 1 所示的电容模型中，支 路量的声明语句： q u a n t i t yv ca c r o s si ct h r o u g hpt om ： 声明了两个支路量v c 和i c ，它们分别是a c r o s s 和t h r o u g h 类型的量，表示 从端点p 到端点m 的支路上具有力的效果的物理量和具有流效果的物理 量，在此例中表示端点p 和端点m 之间的电压和从p 到m 的电流。p 称为 两个支路量的正端点，m 表示两个支路的负端点。 _ _ _ _ _ _ _ _ 。、- 一- m 翻2 - 1电容模型 a c r o s s 和t h r o u g h 类型的量是由端点的性质决定的。例如在电容模型 中，v c 的类型是端点p 和m 的、具有e l e c t r i c a l 性质的a c r o s s 类型，表示 加在电容两端的电压；l c 的类型是端点p 和m 的、具育e l e c t r i c a l 性质的 t h r o u g h 类型，表示流过电容的电流。 在电容模型中，a c r o s s 型的量v c 与预定义属性p r e f e r a n c e 和 m r e f e r a n c e 之间有如下关系： 5 荫北：l ：业大学硕士学位论文：混合信号系统的v h d l - a m s 设计与仿真分析 v c 。p r e f e r a n e e 。m r e f e r a n c e ； 2 1 4 联立语句( s i m u l t a n e o u ss t a t e m e n t s ) i e e es t dv h d l1 0 7 6 1 补充了一类新语句，即用于描述连续系统行为 的联立语句。联立语句提供了表示微分代数方程的方法，可以直接描述系 统输入、输出间的关系或守恒系统中的支路方程。模拟解算器通过求解联 立语旬中的微分，代数方程组，从而解出满足方程组的量的解。 联立语句可用于任何可以用并行信号语句的地方。而且与语句的书写 顺序无关。共有五种类型的联立语句： ( 1 )简单联立语句： ( 2 )联立条件( i f ) 语句 ( 3 )联立情况( c a s e ) 语句 ( 4 ) 联立过程( p r o c e d u r e ) n 句 ( 5 )联立空( n u l l ) 语旬 简单的联立语句基本格式如下： 标号： 表达式= = 表达式； 例如，电阻的欧姆定律可表示如下： i = = v r ： 其中i 是t h r o u g h 类型的量，表示流过电阻的电流，v 是a c r o s s 类型的量， 表示加在电阻两端的电压，r 是一个常量表示电阻的阻值。 联立i f 语句和联立c a s e 语句可描述分段定义的系统行为。例如个电 流限幅器的电压和电流的关系用联立i f 语甸描述为： i fv i n v a m xu s e i o u t = = i m a x ； e i s i fv i n v i l ，i n 2 2 v i 2 ，o u t p u t 。 v o ) ； 加法积分器的v h d l a m s 建模如下： e n t i t ya d d e r i n t e r g r t o ri s g e n e r i c ( k l ，k 2 ：r e a l ：= 1 o ) ； p o r t ( q u a n t i t yi n l ，i n 2 ：i nr e a l ； q u a n t i t yo u t p u t ：o u tr e a l ) ； e n de n t i t ya d d e “n t e g r a t o r ； a r c h i t e c t u r ea r to fa d d e r i n t e g r a t o ri s q u a n t i t yt m p ：r e a l ； b e g i n t m p 。2 k l + i n l + k 2 + i n 2 ； o u t p u t = = t m p i n t e g ； e n da r c h i t e c t 毡r ea r t ； 在一个v h d l a m s 模型中，守恒系统建模方式和信号流建模方式可以 混合使用。例如可以用守恒语义来描述元件，利用信号流语义将元件连接 起来构成一个系统。 2 2 3 混合信号系统v h d l a m s 建模 v h d l a m s 可以描述连续离散信号系统，v h d l a m s 为这两个部分 之间的转换建立了通信和控制机制。v h d l a m s 提供了b r e a k 语句和 鹾北i ：业大学硕士学位论文：混合信号系统的v h d l - a m s 设计与仿真分析 q a b o v e 属性，分别用于离散部分对连续部分和连续部分对离散部分的通 信和控制。 1 离散系统对连续系统的控制 v h d l a m s 中新增加了一条中断( b r e a k ) 语句，为了实现离散系统对连 续系统的控制。中断语句有顺序和并发两种形式。 顺序中断语句的语句定义为： 中断语句：= 标号： b r e a k ( 中断列表 1 w h e n 条件表达式 其中，中断列表：= 中断量， ，中断量) 中断量：= 【中断选择语句 量名= 表达式 中断选择语句：= f o r 量名称h s e 中断列表中包含中断元素，中断元素中的q u a n t i t y 称为中断量，如果在中 断元素中存在中断选择语句，则出现在此语句中的爨称为选择量。中断语 句可以绘中断量赋新的初始条件，其值由中断元素中的表达式决定。中断 量、选择量与赋初始条件的表达式必须具有相同的类型。如果中断语句中 包含w h e n 条件，则当条件满足时才执行。 并发的中断语句定义为： 并发中断语句：= 【标号： b r e a k 中断列表j 【敏感语句 w h e n 条件l 与顺序的中断语句相比多了敏感语句项，在执行时并发的中断语句转换成 包含一个顺序中断语句及紧跟其后的w a i t 语句，形式为： 进程标号： p r o c e s s b e g i n b r e a k 【中断列表】 w h e n 条件】； w a i t 【敏感语句】； e n dp r o c e s s ； 如果并发中断语句包含w h e n 语句，则避程中的中断语句也包含同样 的w h e n 语句；如果并发中断语句包含中断列表，则进程中的中断语句也 包含同样的中断列表；如果并发中断语句包含敏感语句，则进程中的w a i t 语句也包含同样的敏感列表。 无论是顺序中断语旬还是并发中断语句，在仿真过程中当被执行时， 都会通知模拟解算器发生了不连续，需要在此中断时刻重新计算系统新的 状态( 即中断点或静态点) 。中断语句的执行会产生一个特征表达式的集 合，你为中断集。此集合中的方程用于计算用于静态点和中断点。 离散部分通过两种方式向连续部分传递信息：一是在联立语句中使用 数字信号。当离散部分的信号发生变化时，利用中断语句通知连续部分响 应此变化，从而离散部分的信息传递连续部分：二是当离散部分的信号发 生事件时，通过中断语句为连续部分的量赋新值，即中断点的值，而影晌 9 嘏北i + 业大学硕十学位论文：混台信号系统的v h d l a m s 蹬计与仿真分析 连续部分的状态。 对于第一种方式，以一个d a 转换器为例来说明： e n t i t yd a ci s g e n e r i e ( v m a x ：r e a l ) ； p o r t ( t e r m i n a lt a ：e l e c t r i c a l ；s i g n a ld ：b i t v e c t o r ( 3d o w n t oo ) ) ； e n de n t i t yd a c ； a r c h “e c t u r eb e h a vo fd a ci s q u a n t i t yva c r o s sit h r o u g ht a ； b e g i n b r ：b r e a ko ud ： v 2 2 v m a x + b i t t o r e a d ( d ) ； e n da r c h i t e c t u r eb e h a v ； 其中d 是一个信号，每当d 发生变化时，都会引起并发中断语句b r 的执行， 同时通知模拟解算器此刻的中断发生。在计算中断点时，由于d 出现地简 单联立语句中，所以v 的值会随着d 的变化而发生变化。 第二种方式是在进程中执行中断语句，例如： p r o c e s s b r e a kx 2 1 o , y 2 o 0 e n dp r o c e s s ； 这中断语句的执行将使量x 和y 在中断点处分别得到新值1 0 和0 0 。 另外语占新增加的预定义属性s r a m p 和s s l e w 也可以实现离散 系统对连续系统的影响。 2 连续系统对离散系统的控制 为实现连续系统对离散系统的控制，v h d l a m s 中引入了一个预定义 属性q a b o v e ( e ) 。q a b o v e ( e ) 是个隐式信号，前缀q 是一个标量类型 的量，e 是一个与q 相同类型的表达式。隐式信号q a b o v e ( e ) 的值是布尔 型的，当q 的值大于e 的值时为“真”，小于e 的值时为“假”。当q 值的 交化从而使q 与闽值e 的大小关系发生变化时，在信号q a b o v e ( e ) 上产 生一个事件，这个事件可以激活进程，从而引起离散系统状态的变化，实 现连续系统对离散系统的控制作用。q 的值是由模拟解算器计算出来沟， 仿真时q a b o v e ( e ) 信号同其它隐式信号一样进行更新。由于q u a n t i t y 可 以出现在任何浮点类型允许的表达式中，所以进程通过取q u a n t i t y 的值， 获得连续部分的信息。例如： s i g o 0 ，s = 3 00 ； b r e a kv = - vw h e nn o ts a b o v e ( o o ) ； s d o t = = v ： i fv 0 0u s e v d o t g - v + 4 2 + a i r r e s ； e l s e v d o t g + v ” a i r r e s ； e n du s e ； e n da r c h i t e c t u r ebl ： 2 3 频域交流和噪声建模 v h d l a m s 支持基于小信号模型的频域交流和噪声建模，连续系统的 小信号模型来自泰勒级数展开，对需要分析线性系统旌加频域源，进行频 域分析。为此，v h d l - a m s 中又定义了一种量称为源量( s o u r c eo u a n t i t y ) 。 针对频域分折类型的不同，有两种源，一种是频谱源( s p e c t r a ls o u r c e ) ，定 义交流小信号仿真的输入源。另一种源是噪声源( n o i s es o u r c e ) ，代表噪声 仿真的输入源。 频谱源定义的语法形式为： q u a n t i t y 标识符列表：子类型说明s p e c t r u m 幅度表达式，相位表达式 其中的幅度表达式和相位表达式，分别定义输入交流源的幅值和相位。例 如： q u a n t i t yq s p e c ：r e a ls p e c t r u mm a g n i t u d e ，p h a s e 声明了一个频谱源量q s p e c ，m a g n i t u d e 和p h a s e 是q s p e c 的幅值和相位 表达式。 噪声源定义的语法形式为： 辑北r 业大学硕士学位论文：混合信号系统的v h d l - a m s 设计与仿真分析 q u a n t i t y 标识符列表：子类型说明n o i s e 功率表达式 其中功率表达式定义了输入噪声源的功率。例如： q u a n t i t yq n o i s e ：r e a ln o i s ep o w e r ； 声明了一个噪声源量q n o i s e ，p o w e r 是它的功率表达式。可以在上面的幅 谴表达式、相位表达式和功率表达式中调用预定义函数f r e q u e n c y ，返 回当前的仿真频率值。预定义函数只能出现在这三类表达式中。 2 4 频域交流小信号仿真 频域交流仿真用于分析电路的频率特性。进行频域交流小信号仿真， 苜先需要决定系统的小信号模型，然后在每一个频率点计算每一个量的频 域值。 小信号模型是在静态点处所有方程相对于变量的泰勒展开式的线性格 式组成的一组特征表达式。小信号模型的确定包括下列步骤： 1 ) 确定系统的静态点： 2 ) 模拟解算器确定显式集的特征表达式： 3 ) 将每一个特征表达式被替换为特征表达式在静态点相对于其中所 有量的线性格式。 求解小信号模型实际上是解一个线性代数方程组，且在每个频率点求 解的线性方程组的系数矩阵中对应于显式方程的部分都是不变的。 另外，预定义q l t f 和q z t f 分别实现了l a p l a c e 域和z 域的传递函 数，它们可以用予描述像滤波器一样的系统行为。 2 5v h d l - a m s 新增的预定义属性 在v h d l1 0 7 6 的基础上，v h d l a m s 新增了1 6 个预定义属性。这些 新增的预定义属性按照可以分为四类：数据类型类、容差类、量类和信号 类。 ( 1 ) 数据类型类。数据类型类用来定义数据类型的属性。这类属性包 括n a c f o s s 和n t h r o u g h 两种，其中n 代表性质( n a t u r e ) ，表示一种物理量。 上面两类属性返回的是性质的a c r o s s 类型和t h r o u g h 类型，分别表示性质 中具有力的效果和流的效果的物理量类型。 ( 2 ) 容差类。容差类属性包括t t o l e r a n c e 和q t o l e r a n c e 两种， 分别表示类型t 和量q 的容差，在仿真器中用于控制解的精确度。 ( 3 ) 量类。量类属性用于产生一种特殊的量，是以属性的前缀( 最或端 口1 为基础而形成的，反映了该前缀的有关信息。 量类属性包括： q d o t ：建立量q 对时间的微分。 1 2 西北工业大学硕士学位论文：混合信号系统的v h d ，a m s 设计与仿真分析 q i n t e g ：建立量q 对时间的积分。 q d e l a y e d ( t ) ：建立在n o w - t 时刻的量q ，n o w 代表当前时刻。 q z o h ( t ，i n i t i a l d e l a y ) ：建立以t 作为取样周期，以i n i t i a ld e l a y 作 为首次取样，对q 的取样值，此属性用于连续信号进行取样。 q l t f ( n u m ，d e n ) ：建立量q 的l a p l a c e 域传递函数，h u m 、d e n 分别为 其中分子、分母多项式的系数。 q z t f ( n u m ，d e n ，t ，i n i t i a l d e l a y ) ：建立量q 的z 域传递函数，n b m 、 d e n 分别为其中分子、分母多项式的系数。t 为取样周期，i n i t i a ld e l a y 为 首次取样时间。 s r a m p ( t r ，t f 】) 】：建立以t r 和t f 作为上升时间和下降时间的信号s 的值。 s s l e w ( m a x r i s e s l o p e ，m a x f a l l s l o p e ) 】：建立以m a x r i s e s l o p e 和 m a x f a l l s l o p e 作为上升和下降最大斜率的信号s 的值。 q s l e w ( m a x r i s e s l o p e ，m a x f a l l s l o p e ) ：建立以m a x r i s e s l o p e 和 m a x f a l l s l o p e 作为上升和下降最大斜率的量q 的值。s r a m p 和s s l e w 用于得到跟踪离散信号值的连续信号，q s l e w 用于得到连续信号值的离 散信号。 t r e f e r a n c e 和t c o n t r i b u t l 0 n ：建立端口t 的r e f e r a n c e 和 c o n t r i b u t i o n 量。在电学中它们代表该端口的电压量和流过端口电流量之 和。 ( 4 ) 信号类。信号类属性只有一种：q a b o v e ( e ) ，前面已经介绍过这 种属性。 2 6v h d l - a m s 在多学科系统中的应用示例 v h d l a m s 不但可以用于描述数字系统，而且还可以用于基于微分代 数方程( 组) 的系统描述中，如机械系统、机电系统、控制系统、热力学 系统、电磁系统等，大大地扩展了v h d l 的应用范围，成为多学科系统设