Protel DXP原理图与PCB设计-6Z.ppt

第6章电路原理图仿真 本章主要包括以下内容 原理图仿真概述仿真元件仿真的激励源描述仿真初始状态的设置仿真参数的具体设置原理图仿真实例 6 1原理图仿真概述在传统的电路系统设计过程中 设计人员通常采用两种方法来验证所设计的电路系统 这两种方法是数学建模方法和物理实验方法 1 数学建模方法 就是根据设计的电路系统建立一个数学模型 然后采用数学分析的方法对这个模型进行验证 从而验证设计的电路系统是否合理 2 物理实验方法 就是按照设计的电路原理图 利用具体的元件 导线等在面包板或者万能板上搭建具体的实验电路 然后在一定的初始条件和给定激励源的情况下 利用相关的电子仪器仪表验证电路系统的功能是否正常 各项技术指标是否在规定的范围内 从而验证所设计的电路系统是否合理 一般来说 对于设计规模较小的电路系统来说 利用上面的两种方法来验证电路是一种可行的方案 但是对于设计规模较大的电路系统来说 利用上面的两种方法则显得十分繁琐 而且还有工作量大 开发周期长 成本较高等缺点 在ProtelDXP设计系统中 电路仿真器具有如下特点 仿真电路原理图的编辑环境和原理图的编辑环境是相同的 因此设计人员掌握了原理图的编辑环境后 实际上就已经掌握了仿真电路原理图的编辑环境 与电路原理图设计相比 唯一的区别在于仿真电路原理图中的所有元件都应该具有仿真特性 ProtelDXP设计系统提供了一个功能十分强大的数字 模拟混合电路仿真器 能够提供连续的模拟信号仿真和离散的数字信号仿真 提供了大量的仿真元件和十几种仿真激励源 可以对任何复杂的模拟电路 数字电路以及数字 模拟混合电路进行仿真 提供了工作点分析 瞬态特性分析 直流扫描分析 交流小信号分析 噪声分析 参数扫描分析等多种仿真方式 设计人员既可以执行其中的一种仿真方式 也可以同时执行多种仿真方式 仿真电路的输出结果以图形方式进行输出 具有很强的直观性 而且能够以多种方式 从不同的角度来查看仿真结果 例如在进行交流小信号分析时 设计人员可以同时得到幅频特性曲线和相频特性曲线 具有Windows操作系统的界面风格 这样设计人员可以方便地对仿真器进行各种设置 仿真操作更加简单 直观 有效 下面将简要介绍电路原理图仿真操作的一般流程 目的是使读者对整个仿真流程有一个整体把握 从而在电路原理图的仿真过程中做到心中有数 有的放矢 在ProtelDXP设计系统中 电路原理图仿真的一般流程如图6 1所示 图6 1电路原理图仿真的一般流程 1 设计仿真电路原理图在ProtelDXP设计系统中 设计人员将利用原理图编辑器来设计仿真电路原理图 设计仿真电路原理图的方法与前面设计电路原理图的方法完全类似 不同的是在设计仿真电路原理图的过程中 设计人员选择的元件必须具有仿真特性 否则仿真器在仿真过程中将由于找不到相应的仿真元件而给出错误提示并终止仿真过程 2 设置仿真元件参数在ProtelDXP设计系统中 设计人员可以采用两种方法来设置仿真元件的具体参数 一种方法是在执行放置命令后 在放置元件的命令状态下按下Tab键即可弹出相应元件的属性设置对话框 然后就可以进行仿真元件参数的设置工作 另外一种方法是在放置好元件后 通过鼠标左键双击元件即可打开相应的元件属性设置对话框 然后进行设置工作 这里需要特别注意的是 在绘制电路原理图的过程中 元件的标称值可以不进行标注 这时它并不会对PCB板的设计工作造成影响 而在绘制仿真电路原理图的过程中 元件的标称值必须要进行标注并要标注准确 因为这些标称值将会直接影响到仿真的输出波形 3 放置仿真激励源在仿真电路原理图中 设计人员必须要放置一个激励源 激励源实际上就是一个电路的输入信号 在ProtelDXP设计系统中 仿真激励源可以被看作一个特殊的元件 它的具体放置方法 属性参数设置以及编辑操作等与一般的元件是完全相同的 4 放置节点网络标号在设计仿真电路原理图的过程中 为了便于观测波形 设计人员常常在需要观测波形的节点上放置节点网络标号 如果设计人员需要观测仿真电路中的多个输出节点 这时就需要在仿真电路原理图中放置多个节点网络标号 在ProtelDXP设计系统中 放置节点网络标号的具体放置方法 属性参数设置以及编辑操作等与前面原理图设计中一般的网络标号是完全相同的 5 仿真参数的具体设置在电路原理图的仿真过程中 不同的仿真参数设置将会产生不同的仿真结果 因此设计人员必须根据自己的目的来设置仿真参数 一般来说 只有进行了正确的仿真参数设置 才能保证仿真工作的顺利进行和得到设计人员需要得到的仿真结果 6 执行仿真操作完成上面5个步骤的具体操作后 设计人员就可以执行相应的命令来执行仿真过程 等待一段时间即可看到相应的仿真波形 如果仿真电路原理图中有错误 那么系统将会自动终止仿真过程的进行 并且会在消息工作窗口面板中给出相应的错误信息提示 设计人员可以根据这些错误信息提示改正仿真电路原理图中的错误 直到没有错误为止 在仿真操作过程中 系统会自动在同一文件夹下生成一个与原理图同名并且扩展名为 sdf 的仿真波形文件 一般来说 仿真过程中需要进行大量复杂的数字计算 因此仿真操作时间的长短不仅与计算机的配置有关 而且还与具体的仿真方式和仿真参数设置等因素有关 7 仿真结果分析执行完仿真操作后 设计人员需要对相应的仿真结果进行分析 如果设计人员对仿真的结果感到不满意 那么就需要修改相应的仿真元件参数值以及一些相关的仿真参数设置 然后再次执行仿真操作 直到得到满意的结果为止 最后就可以根据仿真结果来修改设计的电路原理图了 8 文件存储以及打印仿真操作结束后 设计人员有时候需要将仿真文件存储起来 以作为原理图设计的一个参考资料 当然 设计人员也可以将仿真文件打印出来 作为一个文本来进行存档 6 2仿真元件6 2 1查找仿真元件与先前版本的Protel不同 ProtelDXP设计系统并没有为设计人员提供专门的仿真元件库 具有仿真属性的元件分散在各个元件集成库中 前面介绍过 元件的集成库中集成了元件的原理图符号 PCB封装形式 SPICE仿真模型和信号完整性分析 因此设计人员可以通过库文件工作窗口面板来查找一个元件是否具有仿真属性 例如 在图6 2所示的库文件工作窗口面板中浏览 MiscellaneousDevices IntLib 元件集成库中的具体元件时 如果设计人员选中某一元件后 库文件工作窗口面板的模型列表中出现了类型为 Simulation 的模型 那么就表明该元件具有仿真属性 如果设计人员选中某一元件后 模型列表中并没有出现元件的 Simulation 模型 那么就表明该元件不具有仿真属性 图6 2利用库文件面板查看元件的仿真属性 这里以查找元件 74LS04 为例 介绍如何快速查找带有仿真属性的具体元件 74LS04 首先打开库文件工作窗口面板 如图6 2所示 然后单击库文件工作窗口面板中的按钮 这时将会弹出库文件搜索对话框 接下来在库文件搜索对话框中的 Path 输入栏中选择安装目录下的库文件 Name 输入栏中输入 74LS04 ModelType 选择栏中选择 Simulation 选项 如图6 3所示 然后单击按钮 这时系统将在指定的文件夹中进行搜索 搜索后的结果如图6 4所示 图6 3库文件搜索对话框中的参数设置 图6 4元件 74LS04 的搜索结果 6 2 2仿真元件的参数设置在进行电路原理图的仿真过程中 仿真参数的输入一般采用定点数的形式 而且可以不输入参数的物理单位 对于定点数输入来说 如果输入的实际值太大或者太小 那么设计人员可以采用比例因子的方法 一般来说 代表各个比例因子的字母与代表的指数系数关系如下所示 m 1e 3 u 1e 6 n 1e 9 p 1e 12 f 1e 15 K 1e 3 M 1e 6 G 1e 9 T 1e 12 对于没有输入物理单位的参数来说 系统默认的参数物理单位将是国际标准单位 一些国际标准单位如下所示 电阻 欧姆 电容 F 法拉第 电感 H 亨利 电压 V 伏特 电流 A 安培 频率 Hz 赫兹 温度 K 开尔文 功率 W 瓦特 下面将对仿真过程中经常使用的一些分立仿真元件以及参数设置进行介绍 一般来说 各个仿真元件的参数设置对话框基本上是相似的 它们的区别仅仅在于各个参数所代表的物理含义是不一样的 1 电阻在ProtelDXP设计系统中 一般包括以下几种常用的电阻仿真元件 Res 固定电阻 ResSemi 半导体电阻 这里 选择 MiscellaneousDevices IntLib 元件集成库中的固定电阻元件 Res1 然后在放置的过程中按下Tab键 这时将会弹出电阻属性设置对话框 如图6 5所示 图6 5电阻元件的属性设置对话框 在图6 5所示的对话框中 单击模型列表中的仿真模型选项栏 这时将会弹出如图6 6所示的仿真模型参数设置对话框 然后单击该对话框中的标签 这时将会弹出如图6 7所示的电阻电气参数设置对话框 图6 6仿真模型参数设置对话框 图6 7电阻的电气参数设置对话框 在图6 7所示的电阻电气参数设置对话框中 可以看出它只包含一个 Value 输入栏 它的作用是用来设置电阻的具体阻值 按照与上面完全相同的操作方法 可以打开 MiscellaneousDevices IntLib 元件集成库中的半导体电阻元件 ResSemi 的电阻电气参数设置对话框 如图6 8所示 图6 8半导体电阻的电气参数设置对话框 从图6 8中可以看出 半导体电阻的电气参数设置对话框中主要包括以下参数设置 Value 输入栏 用来设置半导体电阻的阻值 Length 输入栏 用来设置半导体电阻的长度 Width 输入栏 用来设置半导体电阻的宽度 Temperature 输入栏 用来设置半导体电阻的工作温度 2 电容在ProtelDXP设计系统中 一般包括以下几种常用的电容仿真元件 Cap 无极性固定电容 CapPol 有极性固定电容 CapSemi 半导体电容 在无极性固定电容和有极性固定电容的电气参数设置对话框中 参数设置主要包括以下两项 Value 输入栏 用来设置电容的具体电容值 InitialVoltage 输入栏 用来设置电容的初始端电压 在半导体电容的电气参数设置对话框中 参数设置主要包括以下4项 Value 输入栏 用来设置半导体电容的具体电容值 Length 输入栏 用来设置半导体电容的长度 Width 输入栏 用来设置半导体电容的宽度 InitialVoltage 输入栏 用来设置半导体电容的初始端电压 3 电感在ProtelDXP设计系统中 元件集成库中的电感名称为Inductor 它的参数设置主要包括以下两项 Value 输入栏 用来设置电感的电感量 InitialCurrent 输入栏 用来设置电感的初始电流值 4 保险丝在ProtelDXP设计系统中 元件集成库中的保险丝名称为Fuse 它的参数设置包括以下两项 Resistance 输入栏 用来设置保险丝的阻值 Current 输入栏 用来设置保险丝可以承受的电流值 5 变压器在ProtelDXP设计系统中 元件集成库中的变压器名称为Trans 它的参数设置可以包括以下几项 Ratio 输入栏 用来设置变压器的次级 初级电压传输比 Rp 输入栏 用来设置变压器的初级线圈直流电阻 Rs 输入栏 用来设置变压器的次级线圈直流电阻 Leak 输入栏 用来设置变压器的漏感 Mag 输入栏 用来设置变压器的互感 6 继电器在ProtelDXP设计系统中 元件集成库中的继电器名称为Relay 它的参数设置可以包括以下几项 Pullin 输入栏 用来设置继电器的吸合电压 Dropoff 输入栏 用来设置继电器的释放电压 Contact 输入栏 用来设置继电器的接触电阻 Resistance 输入栏 用来设置继电器的线圈电阻 Inductance 输入栏 用来设置继电器的线圈电感 7 晶振在ProtelDXP设计系统中 元件集成库中的晶振名称为XTAL 它的参数设置可以包括以下几项 FREQ 输入栏 用来设置晶振的振荡频率 RS 输入栏 用来设置晶振的串连电阻 C 输入栏 用来设置晶振的等效电容 Q 输入栏 用来设置晶振的品质因子 8 二极管在ProtelDXP设计系统中 元件集成库中的二极管名称为Diode 它的参数设置可以包括以下几项 AreaFactor 输入栏 用来设置二极管的面积因子 StartingCondition 输入栏 用来设置二极管的初始条件 InitialVoltage 输入栏 用来设置二极管的初始电压 Temperature 输入栏 用来设置二极管的环境温度 9 三极管在ProtelDXP设计系统中 元件集成库中的三极管名称为Triode 它的参数设置可以包括以下几项 AreaFactor 输入栏 用来设置三极管的面积因子 StartingCondition 输入栏 用来设置三极管的初始条件 InitialB EVoltage 输入栏 用来设置基极与发射极之间的初始电压 InitialC EVoltage 输入栏 用来设置集电极与发射极之间的电压 Temperature 输入栏 用来设置三极管的环境温度 10 结型场效应管在ProtelDXP设计系统中 结型场效应管的参数设置主要包括以下几项 AreaFactor 输入栏 用来设置结型场效应管的面积因子 StartingCondition 输入栏 用来设置结型场效应管的初始条件 InitialD SVoltage 输入栏 用来设置漏极与源极之间的初始电压 InitialG SVoltage 输入栏 用来设置栅极与源极之间的电压 Temperature 输入栏 用来设置结型场效应管的环境温度 11 MOS场效应管在ProtelDXP设计系统中 MOS场效应管的参数设置主要包括以下几项 Length 输入栏 用来设置MOS场效应管的沟道长度 Width 输入栏 用来设置MOS场效应管的沟道宽度 DrainArea 输入栏 用来设置MOS场效应管的漏极面积 SourceArea 输入栏 用来设置MOS场效应管的源极面积 DrainPerimeter 输入栏 用来设置MOS场效应管的漏极PN结面积 SourcePerimeter 输入栏 用来设置MOS场效应管的源极PN结面积 NRD 输入栏 用来设置MOS场效应管的漏极扩散长度 NRS 输入栏 用来设置MOS场效应管的源极扩散长度 StartingCondition 输入栏 用来设置MOS场效应管的环境温度 12 TTL和CMOS数字电路器件在电路原理图的仿真过程中 TTL和CMOS数字电路器件也是经常使用的元件 因此这里有必要介绍一下它们的电气参数设置 这里 我们只给出一些常见的参数设置 它们主要包括以下几项 Propagation 输入栏 用来设置器件的延迟时间 Loading 输入栏 用来设置器件的输入特性参数 Drive 输入栏 用来设置器件的输出特性参数 Current 输入栏 用来设置器件的标称输出电流 PWRValue 输入栏 用来设置器件的电源电压 GNDValue 输入栏 用来设置器件的接地电压 VILValue 输入栏 用来设置器件的输入低电平电压 VIHValue 输入栏 用来设置器件的输入高电平电压 VOLValue 输入栏 用来设置器件的输出低电平电压 VOHValue 输入栏 用来设置器件的输出高电平电压 WARN 输入栏 用来设置器件的警告信息 6 3仿真的激励源描述在仿真电路原理图中 设计人员必须要放置一个激励源 激励源实际上就是一个电路的输入信号 在ProtelDXP设计系统中 常见的仿真激励源主要包括下面几种 它们存在于安装目录下的 library Simulation SimulationSources IntLib 元件集成库中 VSRC 直流电压激励源 ISRC 直流电流激励源 ESRC 线性电压控制电压激励源 GSRC 线性电压控制电流激励源 HSRC 线性电流控制电压激励源 FSRC 线性电流控制电流激励源 VSIN 正弦电压激励源 ISIN 正弦电流激励源 VPULSE 脉冲电压激励源 IPULSE 脉冲电流激励源 VPWL 分段线性电压激励源 IPWL 分段线性电流激励源 BVSRC 非线性受控电压激励源 BISRC 非线性受控电流激励源 VSFFM 单频调制电压激励源 ISFFM 单频调制电流激励源 VEXP 指数电压激励源 IEXP 指数电流激励源 这里需要注意的是 ProtelDXP设计系统中的仿真激励源均为理想激励源 对于电压激励源来说 它的内阻为0 对于电流激励源来说 它的内阻为无穷大 1 直流激励源在ProtelDXP设计系统中 直流激励源包括直流电压激励源和直流电流激励源两种 它们的作用是为电路提供一个稳定不变的直流电压或者电流输出 通常 直流激励源在两种情况下使用 一种是在仿真电路上电的时候 设计者希望观察仿真电路中节点的瞬态响应波形 另一种是在输入一个阶跃信号时 设计者希望观察仿真电路中节点的瞬态响应波形 在ProtelDXP设计系统中 仿真激励源通常被看作一个特殊的元件 它的具体放置方法 属性参数设置以及编辑操作等与一般的元件是完全相同的 按照前面打开元件电气参数设置对话框的方法 这里打开直流电压激励源的电气参数设置对话框 如图6 9所示 图6 9直流电压激励源的参数设置对话框 可以看出 这个设置对话框包括以下3项参数设置 Value 输入栏 用来设置电压激励源的直流电压值 ACMagnitude 输入栏 用来设置进行交流小信号分析时的电压值 ACPhase 输入栏 用来设置进行交流小信号分析时的电压初始相位 2 线性受控激励源在ProtelDXP设计系统中 线性受控源主要包括线性电压控制电压激励源 线性电压控制电流激励源 线性电流控制电压激励源和线性电流控制电流激励源 这4个激励源是标准的SPICE线性受控激励源 每个激励源都有两个输入节点和两个输出节点 由于在这种类型的受控激励源中 输出节点间的电压或者电流是输入节点间的电压或者电流的线性函数 因此它们被称为线性受控激励源 由于这几种线性受控激励源的参数设置对话框基本类似 因此 这里将以线性电压控制电压激励源为例来介绍受控激励源的参数设置 在ProtelDXP设计系统中 线性电压控制电压激励源的电气参数设置对话框如图6 10所示 可以看出 这个设置对话框只包括一项参数设置 Gain 输入栏 它的功能是用来设置激励源的电压增益 这是一个无量纲的物理量 图6 10线性电压控制电压激励源的参数设置对话框 3 正弦激励源在ProtelDXP设计系统中 正弦激励源包括正弦电压激励源和正弦电流激励源 它们的作用是用来为电路系统提供一个具有正弦波形的电压或者电流输出 在电路系统的仿真过程中 正弦激励源常常用来作为瞬态特性分析和交流小信号分析的激励源 这里 将以正弦电压激励源为例来介绍正弦激励源的具体参数设置 在ProtelDXP设计系统中 正弦激励源的参数设置对话框如图6 11所示 图6 11正弦电压激励源的参数设置对话框 可以看出 这个对话框中包括以下9项参数设置 DCMagnitude 输入栏 直流参数 对于正弦信号来说 这项将被忽略 ACMagnitude 输入栏 用来设置进行交流小信号分析时的电压值 ACPhase 输入栏 用来设置进行交流小信号分析时的电压初始相位 Offset 输入栏 用来设置正弦信号上的直流电压偏移量 Amplitude 输入栏 用来设置正弦信号的振幅 Frequency 输入栏 用来设置正弦信号的频率 Delay 输入栏 用来设置正弦信号的延迟时间 DampingFactor 输入栏 用来设置正弦信号的阻尼因子 Phase 输入栏 用来设置正弦信号的初始相位 4 脉冲激励源在ProtelDXP设计系统中 脉冲激励源主要包括脉冲电压激励源和脉冲电流激励源 它们的作用是用来为电路系统提供周期性的连续脉冲电压或者电流输出 在电路系统的仿真过程中 脉冲激励源常常用来作为瞬态特性分析的激励源 它可以产生方波 三角波以及梯形波等类型的脉冲信号 这里 将以脉冲电压激励源为例来介绍脉冲激励源的具体参数设置 在ProtelDXP设计系统中 脉冲电压激励源的参数设置对话框如图6 12所示 图6 12脉冲电压激励源的参数设置对话框 可以看出 这个对话框包括以下11项参数设置 DCMagnitude 输入栏 直流参数 对于脉冲信号来说 这项也将被忽略 ACMagnitude 输入栏 用来设置进行交流小信号分析时的电压值 ACPhase 输入栏 用来设置进行交流小信号分析时的电压初始相位 InitialValue 输入栏 用来设置脉冲信号的起始电压 PulsedValue 输入栏 用来设置脉冲信号的电压幅值 TimeDelay 输入栏 用来设置脉冲信号的延迟时间 RiseTime 输入栏 用来设置脉冲信号的上升时间 FallTime 输入栏 用来设置脉冲信号的下降时间 PulseWidth 输入栏 用来设置脉冲信号的脉冲宽度 Period 输入栏 用来设置脉冲信号的周期 Phase 输入栏 用来设置脉冲信号的初始相位 5 分段线性激励源在ProtelDXP设计系统中 分段线性激励源主要包括分段线性电压激励源和分段线性电流激励源 它们的作用是用来为电路系统提供特殊波形的电压或者电流输出 在电路系统的仿真过程中 分段线性激励源常常用来作为交流小信号分析的激励源 它可以用来产生阶跃函数 冲击响应以及单脉冲等多种信号形式 这里 将以分段线性电压激励源为例来介绍分段线性激励源的具体参数设置 在ProtelDXP设计系统中 分段线性电压激励源的参数设置对话框如图6 13所示 图6 13分段线性电压激励源的参数设置对话框 可以看出 这个对话框包括以下各项设置 DCMagnitude 输入栏 直流参数 对于分段线性信号来说 这项也将被忽略 ACMagnitude 输入栏 用来设置进行交流小信号分析时的电压值 ACPhase 输入栏 用来设置进行交流小信号分析时的电压初始相位 Time ValuePairs 列表 用来设置分段线性电压信号转折点的时间 电压幅值对 时间 电压幅值对的第一个数用来设置单位为秒的时间 第二个数则用来设置指定时间处的电压幅值 可见 通过 Time ValuePairs 列表 设计人员可以产生任意的分段线性电压波形 6 非线性受控激励源在ProtelDXP设计系统中 非线性受控激励源主要包括非线性受控电压激励源和非线性受控电流激励源 这两种非线性受控激励源是标准的SPICE非线性受控激励源 有时候也常被称为方程定义激励源 这里 将以非线性受控电压激励源为例来介绍非线性受控激励源的具体参数设置 非线性受控电压激励源的参数设置对话框如图6 14所示 可以看出 这个对话框中只包含一个参数设置 Equation 输入栏 它的功能是用来设置激励源的波形表达式 图6 14非线性受控电压激励源的参数设置对话框 7 单频调制激励源在ProtelDXP设计系统中 单频调制激励源主要包括单频调制电压激励源和单频调制电流激励源 它们的作用是用来为电路系统提供一个单频调制电压或者电流输出 一般来说 单频调制激励源经常在高频电路仿真中使用 这里 将以单频调制电压激励源为例来介绍单频调制激励源的具体参数设置 在ProtelDXP设计系统中 单频调制电压激励源的参数设置对话框如图6 15所示 图6 15单频调制电压激励源的参数设置对话框 可以看出 这个对话框包括以下8项设置 DCMagnitude 输入栏 直流参数 对于单频调制信号来说 这项将被忽略 ACMagnitude 输入栏 用来设置进行交流小信号分析时的电压值 ACPhase 输入栏 用来设置进行交流小信号分析时的电压初始相位 Offset 输入栏 用来设置单频调制信号上的直流电压偏移量 Amplitude 输入栏 用来设置载波信号的振幅 CarrierFrequency 输入栏 用来设置载波信号的频率 ModulationIndex 输入栏 用来设置单频调制信号的调制系数 SignalFrequency 输入栏 用来设置调制信号的频率 8 指数激励源在ProtelDXP设计系统中 指数激励源主要包括指数电压激励源和指数电流激励源 它们的作用是用来为电路系统提供具有指数函数形状的电压或者电流输出 同样 指数激励源也经常在高频电路仿真中使用 这里 将以指数电压激励源为例来介绍指数激励源的具体参数设置 在ProtelDXP设计系统中 指数电压激励源的参数设置对话框如图6 16所示 图6 16指数电压激励源的参数设置对话框 可以看出 这个对话框包括以下9项设置 DCMagnitude 输入栏 直流参数 对于指数信号来说 这项也将被忽略 ACMagnitude 输入栏 用来设置进行交流小信号分析时的电压值 ACPhase 输入栏 用来设置进行交流小信号分析时的电压初始相位 InitialValue 输入栏 用来设置指数信号的起始电压 PulsedValue 输入栏 用来设置指数信号的电压幅值 RiseDelayTime 输入栏 用来设置指数信号的上升延迟时间 RiseTimeConstant 输入栏 用来设置指数信号的上升时间 FallDelayTime 输入栏 用来设置指数信号的下降延迟时间 FallTimeConstant 输入栏 用来设置指数信号的下降时间 6 4仿真初始状态的设置所谓设置初始状态是指为计算偏置点而设置的一个或者多个电压 电流值 通常在仿真非线性电路 振荡器或者触发器等电路的直流或者瞬态特性时 设计人员经常会遇到解的不收敛现象 这是因为设置的偏置点不能适应多种电路情况 这里 设置初始状态的目的就是在两个或者多个稳定工作点中选择一个 从而使得仿真工作能够顺利进行 在ProtelDXP设计系统中 设计人员设置初始状态主要依靠在仿真电路中放置两个特殊的元件来实现 这两个特殊的元件分别是 节点电压初值 IC 节点电压设置 NS 1 节点电压初值 IC 前面提到过 节点电压初值 IC是一个特殊的元件 在ProtelDXP设计系统中 它存放在安装目录下的 Library Simulation 中的元件集成库 SimulationSources IntLib 中 一般来说 节点电压初值 IC的功能是在进行电路系统的瞬态特性分析时 用来设置电路中某些节点上零时刻的电压初值 由于节点电压初值 IC存放在 SimulationSources IntLib 元件集成库中 因此按照与仿真激励源相同的操作方法 可以很容易的打开它的电气参数设置对话框 如图6 17所示 不难看出 该对话框中只包含 InitialVoltage 一个参数设置 它的功能是用来设置电路中节点的电压初值 图6 17节点电压初值 IC的参数设置对话框 在仿真电路原理图中 利用节点电压初值 IC定义了电路中各节点的电压初值后 如果进行瞬态特性分析时选中了仿真方式设置对话框中的 UseInitialConditions 复选框 那么仿真程序将不再计算直流工作点 而是直接采用节点电压初值 IC定义的电压初值来作为进行瞬态特性分析的初始条件 如果没有选中仿真方式设置对话框中的 UseInitialConditions 复选框 那么进行瞬态特性分析之前依然要进行直流工作点分析 从而获得瞬态特性分析时电路中各节点零时刻的电压初值 这里需要注意的是 节点电压初值 IC属于一种单端元件 只能用来定义瞬态特性分析时电路节点的电压初值 而不能用来定义节点零时刻的电压初值 2 节点电压设置 NS 与节点电压初值 IC一样 节点电压设置 NS也是一个特殊的元件 它也存放在安装目录下的 Library Simulation 中的元件集成库 SimulationSources IntLib 中 一般来说 节点电压设置 NS的功能是在分析双稳态或者不稳定电路的瞬态特性分析时 用来设置电路中某些节点电压直流解的预收敛值 即先假设对应节点的电压收敛于节点电压设置 NS指定的数值 然后再进行计算 如果收敛则去掉 NS约束 接着继续进行计算 直到达到一个真正的收敛值为止 由于节点电压初值 IC也存放在 SimulationSources IntLib 元件集成库中 因此按照与仿真激励源相同的操作方法 也可以打开相应的电气参数设置对话框 与节点电压初值 IC类似 它的参数设置对话框中也只包含 InitialVoltage 一个参数设置 它的功能是用来设置电路中某些节点的预收敛值 6 5仿真参数的具体设置首先 在ProtelDXP设计系统中打开一个仿真原理图文件 这里将以安装目录下的 Examples CircuitSimulation SimpleRCCircuit 中的文件 SimpleRCCircuit schdoc 为例 打开仿真原理图文件 SimpleRCCircuit schdoc 后 系统将会同时启动原理图编辑器 然后执行菜单命令 Design Simulate MixedSim 这时系统将会弹出如图6 18所示的仿真方式设置对话框 图6 18仿真方式设置对话框 1 GeneralSetup 选项在仿真方式设置对话框中 GeneralSetup 选项的功能是用来设置各种仿真方式的公共参数 选中 GeneralSetup 选项后 对话框的右侧将会显示出各项参数 如图6 18所示 不难看出 各种仿真方式的公共参数设置主要包括以下几项 CollectDataFor 选择栏 用来设置仿真过程中系统需要计算的各种数据类型 在ProtelDXP设计系统中 仿真程序为设计人员提供了6种数据类型 它们分别是节点电压 NodeVoltage 电源电流 SupplyCurrent 器件电流 DeviceCurrent 消耗功率 Power 支路变量 SubcircuitVARs 和激活信号 ActiveSignals SheetstoNetlist 选择栏 用来设置仿真过程中仿真程序的作用范围 单击右侧的下拉按钮 可以看到系统为设计人员提供了两个选择项 它们分别是当前仿真原理图 Activesheet 和当前项目文件 Activeproject SimViewSetup 选择栏 用来进行仿真过程中的波形显示设置 单击右侧的下列按钮 可以看出系统提供了以下两个选择项 Keeplastsetup 选择项 按照上一次仿真操作的设置来显示相应的波形 Showactivesignal 选择项 用来显示当前激活信号的仿真波形 AvailableSignals 列表 用来显示仿真过程中所有可供选择的观察信号 一般来说 这里列表的内容将会随着 CollectDataFor 选择栏中的不同选择项而变化 ActiveSignals 列表 用来设置仿真过程中将要显示波形的激活信号 按钮 功能是用来将 AvailableSignals 列表中的所有信号添加到 ActiveSignals 列表中 按钮 功能是用来将 AvailableSignals 列表中的选中信号添加到 ActiveSignals 列表中 按钮 功能是用来将 ActiveSignals 列表中的已选信号移除到 AvailableSignals 列表中 按钮 功能是用来将 ActiveSignals 列表中的所有信号移除到 AvailableSignals 列表中 2 OperatingPointAnalysis 复选框 OperatingPointAnalysis 复选框的功能是用来设置仿真过程中是否使用工作点分析仿真方式 这里 工作点分析就是通常所说的静态工作点分析 在进行工作点分析的过程中 仿真原理图中的电感元件将被看作短路以及电容元件将被看作断路 然后计算电路中各节点的对地电压和支路电流 一般情况下 工作点分析是一种常见的仿真方式 它是系统默认的仿真方式 通常在进行瞬态特性分析和交流小信号分析的过程中 仿真程序将会先执行工作点分析操作 目的是为了确定电路系统中非线性元件线性化参数的初始值 在ProtelDXP设计系统中 进行工作点分析仿真方式时不需要设置分析参数 因此这里就不给出这种仿真方式下的设置对话框了 3 Transient FourierAnalysis 复选框 Transient FourierAnalysis 复选框的功能是用来设置仿真过程中是否使用瞬态特性分析 傅立叶分析仿真方式 瞬态特性分析是一种时域分析方式 它的功能是用来获得电路中各节点的对地电压 支路电流或者元件功率等信号的瞬时值 即信号随时间变化的瞬态关系 可见它的功能类似于在示波器上直接观察信号的波形 傅立叶分析是一种频域分析方式 它的功能是用来获得电路中各种非正弦的激励源信号以及节点电压信号的频谱 实际上 傅立叶分析是计算了瞬态特性分析结果的一部分 它可以得到分析信号的直流分量 基波以及各次谐波分量 通常 瞬态特性分析和傅立叶分析是同时进行的两种仿真方式 它们也是系统默认的仿真方式 在仿真方式设置对话框中选中 Transient FourierAnalysis 选中后 这时对话框的右侧将会显示出瞬态特性分析 傅立叶分析仿真方式下的各项参数 如图6 19所示 图6 19瞬态特性分析 傅立叶分析仿真方式 不难看出 瞬态特性分析 傅立叶分析仿真方式的参数设置包括以下11项 TransientStartTime 输入栏 用来设置进行瞬态特性分析时的开始时间 TransientStopTime 输入栏 用来设置进行瞬态特性分析时的终止时间 TransientStepTime 输入栏 用来设置进行瞬态特性分析时的时间步长 TransientMAXStepTime 输入栏 用来设置进行瞬态特性分析时的最大步长 UseInitialConditions 复选框 用来设置进行瞬态特性分析时是否使用元件的初始设置条件 一般来说 如果仿真电路中存在电容和电感等储能元件时 那么最好选中该复选框 否则就需要在电路中放置节点电压初值 IC UseTransientDefaults 复选框 用来设置是否使用进行瞬态特性分析时的系统默认参数值 如果选中该复选框 那么仿真分析时就使用系统默认的参数值 否则将使用设计人员设置的参数值 DefaultCyclesDisplayed 输入栏 用来设置进行瞬态特性分析时仿真结果中显示的周期数目 设计人员既可以直接输入需要设置的周期数目 也可以直接选择右边下拉列表中的周期数目选项 DefaultPointsPerCycle 输入栏 用来设置进行瞬态特性分析时每个周期中的取样点数 一般情况下 取样点数越多 仿真输出波形的光滑程度越好 但是会花费较长的仿真时间 取样点数越少 仿真输出波形的光滑程度越差 但是花费的仿真时间却很少 因此 设计人员应该根据自己的仿真要求 合理地选择所需要的取样点数 EnableFourier 复选框 用来设置进行瞬态特性分析时是否采用傅立叶分析方式 如果选中该复选框 那么在进行瞬态特性分析的仿真过程中将同时进行傅立叶分析 否则将不进行傅立叶分析 FourierFundamentalFrequency 输入栏 用来设置傅立叶分析时的基频 FourierNumberofHarmonics 输入栏 用来设置进行傅立叶分析时所需要的谐波数 通常设置为10次 4 DCSweepAnalysis 复选框 DCSweepAnalysis 复选框的功能是用来设置仿真过程中是否使用直流扫描分析仿真方式 在进行直流扫描分析的过程中 仿真程序将会随着输入信号源的电压变化而进行一系列的工作点分析 从而获得需要的直流传输特性曲线 这种直流扫描分析方法经常用来获取运算放大器 TTL和CMOS等电路的直流传输特性曲线 然后就可以确定输入信号的最大范围和噪声容限等参数 这里需要注意的是 直流扫描分析方法也可以用来获取场效应管的转移特性曲线 但是直流扫描分析方法不适用于获取阻容耦合放大器的输入 输出特性曲线 在仿真方式设置对话框中选中 DCSweepAnalysis 后 这时对话框的右侧将会显示出直流扫描分析仿真方式下的各项参数 如图6 20所示 图6 20直流扫描分析仿真方式 不难看出 直流扫描分析仿真方式的参数设置主要包括以下几项 PrimarySource 选择栏 用来设置进行直流扫描分析时的信号激励源 一般来说 设计人员通过选择栏右侧的下拉列表就可以选择需要进行直流扫描分析的激励源 PrimaryStart 输入栏 用来设置进行直流扫描分析时信号激励源的初始值 PrimaryStop 输入栏 用来设置进行直流扫描分析时信号激励源的终止值 PrimaryStep 输入栏 用来设置进行直流扫描分析时信号激励源幅值变化的步长 一般来说 根据信号幅值的变化范围 步长通常设为变化范围的1 左右 EnableSecondary 复选框 用来设置是否选择另外的信号激励源来进行直流扫描分析 如果选中该复选框 那么设计人员就可以接下来进行第二个信号激励源的参数设置 如果没有选中该复选框 那么下面的信号激励源参数设置将变为无效 5 ACSmallSignalAnalysis 复选框 ACSmallSignalAnalysis 复选框的功能是用来设置仿真过程中是否使用交流小信号分析仿真方式 交流小信号分析是一种线性频域分析方式 它的功能是用来获取电路中非线性元件的频率特性 在进行交流小信号分析的过程中 仿真程序首先计算电路中的直流工作点 目的是为了确定电路中非线性元件的线性化小信号模型参数 然后在指定的频率范围内 对已经线性化的电路进行频率扫描分析 这相当于使用扫频仪来观察电路的幅频特性和相频特性 这里需要特别注意的是 在进行交流小信号分析时 仿真电路原理图中必须至少包括一个交流源 同时该交流源已经进行过初始设置 在仿真方式设置对话框中选中 ACSmallSignalAnalysis 后 这时对话框的右侧将会显示出交流小信号分析仿真方式下的各项参数 如图6 21所示 图6 21交流小信号分析仿真方式 StartFrequency 输入栏 用来设置进行交流小信号分析时的起始频率 StopFrequency 输入栏 用来设置进行交流小信号分析时的终止频率 SweepType 选择栏 用来设置进行交流小信号分析时的具体扫描类型 通常情况下 系统为设计人员提供了三种扫描类型 它们分别是 Linear 类型 扫描频率采用线性方式 Decade 类型 扫描频率采用10倍频方式 Octave 类型 扫描频率采用8倍频方式 TestPoints 输入选择栏 用来设置进行交流小信号分析时的测试点数目 6 NoiseAnalysis 复选框 NoiseAnalysis 复选框的功能是用来设置仿真过程中是否使用噪声分析仿真方式 它一般是同交流小信号分析一起进行的 由于电路系统中电容和电感等阻抗元件的存在 因此必将导致电路在不同的频率范围内产生不同大小的噪声 熟悉电路的读者知道 电路中不同的元件对于不同频段上的噪声敏感程度是不同的 因此设计人员有必要定量掌握电路中噪声的大小 而噪声分析仿真方式正是为了定量描述电路系统中的噪声大小 在进行噪声分析的过程中 首先选取一个节点作为输出节点 接下来在指定的频率范围内计算电路中电容和电感等噪声源在指定节点处产生的噪声电压 目的是对这些噪声电压进行均方根叠加 然后选定电路系统中的一个独立电压源或者电流源 计算电路系统中从该独立电压源或者电流源到上面输出节点处的增益 最后用叠加后的噪声除以增益就可以得到上述独立电压源或者电流源处的等效噪声大小 在仿真方式设置对话框中选中 NoiseAnalysis 后 这时对话框的右侧将会显示出噪声分析仿真方式下的各项参数 如图6 22所示 图6 22噪声分析仿真方式 噪声分析仿真方式的参数设置包括以下8项 NoiseSource 选择栏 用来设置进行噪声分析时的等效噪声源 一般来说 设计人员通过选择栏右侧的下拉列表就可以选择需要进行噪声分析的等效噪声源 StartFrequency 输入栏 用来设置进行噪声分析时的起始频率 StopFrequency 输入栏 用来设置进行噪声分析时的终止频率 SweepType 选择栏 用来设置进行噪声分析时的具体扫描类型 通常情况下 系统也为设计人员提供了三种扫描类型 它们分别是 Linear 类型 扫描频率采用线性方式 Decade 类型 扫描频率采用10倍频方式 Octave 类型 扫描频率采用8倍频方式 TestPoints 输入选择栏 用来设置进行噪声分析时的测试点数目 PointsPerSummary 输入选择栏 用来设置进行噪声分析时的扫描点数 OutputNode 选择栏 用来设置进行噪声分析时的噪声输出节点 ReferenceNode 选择栏 用来设置进行噪声分析时的参考节点 一般情况下 设计人员将其设置为 0 表示此时以接地点作为参考节点 7 TransferFunctionAnalysis 复选框 TransferFunctionAnalysis 复选框的功能是用来设置仿真过程中是否使用传递函数分析仿真方式 在进行传递函数分析的过程中 它的主要功能是用来计算电路系统的直流输入电阻 直流输出电阻以及直流增益等 在仿真设置对话框中选中 TransferFunctionAnalysis 后 这时对话框的右侧将会显示出传递函数分析仿真方式下的各项参数 如图6 23所示 图6 23传递函数分析仿真方式 传递函数分析仿真方式的参数设置包括以下两项 SourceName 选择栏 用来设置进行传递函数分析时的信号源名称 ReferenceNode 选择栏 用来设置进行传递函数分析时的参考节点 8 TemperatureSweep 复选框 TemperatureSweep 复选框的功能是用来设置仿真过程中是否使用温度扫描分析仿真方式 一般来说 由于电路系统中的元件参数会随着环境温度的变化而变化 所以温度变化会最终影响到电路系统的性能指标 可见 对于电路系统的设计人员来说 掌握电路系统中有关性能指标随温度变化的情况是十分必要的 而温度扫描分析正是为了获得这方面的变化情况 通常 温度扫描分析也是一种常用的仿真方式 它常与瞬态特性分析 直流扫描分析和交流小信号分析的一种或者几种联合使用 在进行电路系统的瞬态特性分析 直流扫描分析和交流小信号分析时 利用温度扫描分析即可获得电路中性能指标随温度变化的情况 在仿真设置对话框中选中 TemperatureSweep 后 这时对话框的右侧将会显示出温度扫描分析仿真方式下的各项参数 如图6 24所示 图6 25参数扫描分析仿真方式 在仿真设置对话框中选中 ParameterAnalysis 后 这时对话框的右侧将会显示出参数分析仿真方式下的各项参数 如图6 25所示 参数扫描分析仿真方式的参数设置包括以下几项 PrimarySweepVariable 选择栏 用来设置进行参数扫描分析的电路元件 通过选择右侧下拉列表中的相应选项 设计人员可以获得希望进行参数扫描分析的元件 PrimaryStartValue 输入栏 用来设置进行参数扫描分