教程第12章電路仿真分析ppt課件

1、第12章 電路仿真分析內(nèi)容提示：Protel 99 SE不但可以繪制電路圖和制作印制電路板，而且還提供了電路仿真工具Advanced SIM 99。用戶可以方便地對設(shè)計(jì)的電路信號進(jìn)行模擬仿真。本章將講述Protel 99 SE的仿真工具的設(shè)置和使用，以及電路仿真的基本方法。學(xué)習(xí)要點(diǎn)：仿真元件激勵源及其屬性設(shè)置初始狀態(tài)設(shè)置仿真設(shè)置12.1 仿 真 概 述 Protel 99 SE中的模擬器可對單個或多個原理圖直接進(jìn)行數(shù)字模擬仿真，它使用最新的Berkeley的SPICE3f5/Sspice版本，能夠進(jìn)行模擬數(shù)字混合仿真，采用事件驅(qū)動的數(shù)字器件行為模型，不需要進(jìn)行D/A或A/D變換就可以進(jìn)行精確的

2、數(shù)字和模擬器件的仿真。Protel 99 SE采用一種特殊的語言描述數(shù)字器件，允許使用Xspice的事件驅(qū)動版本，用于仿真的數(shù)字器件都用數(shù)字SimCode語言描述并且存放在Simulatio-ready原理圖庫中。 下面介紹電路仿真的一般流程，流程如圖12.1所示。12.2 仿真元件示例要使仿真順利進(jìn)行，得到比較接近真實(shí)的結(jié)果，要使仿真順利進(jìn)行，得到比較接近真實(shí)的結(jié)果，應(yīng)對元器件的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置。當(dāng)然，這應(yīng)對元器件的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置。當(dāng)然，這些元器件很多參數(shù)都有初始值，而且滿足絕大些元器件很多參數(shù)都有初始值，而且滿足絕大部分仿真要求。部分仿真要求。對于元器件中的一些基本項(xiàng)這里不再重復(fù)說明

3、，對于元器件中的一些基本項(xiàng)這里不再重復(fù)說明，如如Designator是相應(yīng)元器件的名稱，是相應(yīng)元器件的名稱，Part Type是相應(yīng)元器件的數(shù)值，是相應(yīng)元器件的數(shù)值，L代表長度，代表長度，W是是寬度，寬度，Temp為工作溫度，默認(rèn)為為工作溫度，默認(rèn)為27攝氏度。攝氏度。12.2.1 電阻 在Simulation Symbols.Lib庫中，包含了如下4種電阻器。 RES：固定電阻。 RESSEMI：半導(dǎo)體電阻。 RPOT：電位器。 RVAR：可變電阻。 仿真庫中的電阻類型如圖12.2所示。 這些元件有一些特殊的仿真屬性。在放置過程中按下Tab鍵，或放置后雙擊該元件，彈出屬性設(shè)置對話框，如圖12

4、.3所示。12.2.2 電容在Simulation Symbols.Lib庫中，包含了如下3種電容。CAP：定值無極性電容。CAPSEMI：半導(dǎo)體電容。CAP2：定值有極性電容。仿真庫中的電容類型如圖12.4所示。電容的屬性設(shè)置對話框如圖12.5所示。12.2.3 電感在Simulation Symbols.Lib庫中，只有一種電感INDUCTOR，如圖12.6所示。元件列表如圖12.7所示。12.2.3 電感電感的屬性設(shè)置對話框如圖12.8所示。對話框中部分重要項(xiàng)目的含義如下。Designator：電感的名稱，如“L1”。Part Type：電感值，以微亨為單位。IC：在Part Field

5、s選項(xiàng)卡中，表示初始條件，即電感的初始電流值。該項(xiàng)僅在仿真分析工具傅立葉變換中的初始條件選項(xiàng)被選中后才有效。12.2.4 二極管在Diode.Lib庫中，包含了大量的以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)部件命名的二極管，如圖12.9所示。以其中的部分圖示為例，如圖12.10所示。二極管的屬性設(shè)置對話框如圖12.11所示。12.2.5 三極管在BJT.Lib庫中，包含了大量的以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)部件命名的三極管，如圖12.12所示。以其中的部分圖示為例，如圖12.13所示。三極管的屬性設(shè)置對話框如圖12.14所示。12.2.6 JFET結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管包含在JFET.Lib庫文件中。結(jié)型場效應(yīng)管的模型是建立在Shichma

6、n和Hodge的場效應(yīng)管的模型上的。在元件庫中有很多標(biāo)準(zhǔn)，如圖12.15所示。以其中的部分圖示為例，如圖12.16所示。結(jié)型場效應(yīng)管的屬性設(shè)置對話框如圖12.17所示。 12.2.7 MOS場效應(yīng)管在MOSFET.Lib庫文件中。包含了數(shù)目巨大的以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)部件命名的MOS場效應(yīng)管。如圖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，如圖12.19所示。MOS場效應(yīng)管的屬性設(shè)置對話框如圖12.20所示。12.2.8 MES場效應(yīng)管MES場效應(yīng)管包含在MESFET.Lib庫文件中。MES場效應(yīng)管的模型是從S

7、tatz的砷化鎵場效應(yīng)管的模型得到的。在元件庫中有兩種標(biāo)準(zhǔn)，如圖12.21所示。其中的部分圖示見圖12.22。MES場效應(yīng)管的屬性設(shè)置對話框如圖12.23所示。12.2.9 電壓/電流控制開關(guān) SWITCH.Lib庫文件中包含了下列可用于原理圖的開關(guān)，如圖12.24所示。 CSW：默認(rèn)的電流控制開關(guān)。 SW：默認(rèn)的電壓控制開關(guān)。 SW05：動作電壓VT=500.0mV的電壓控制開關(guān)。 AWM10：VT=1000.0mV的電壓控制開關(guān)。 AWP10：VT=0.1V的電壓控制開關(guān)。 STTL：VT=2.5 V，滯環(huán)電壓VH=0.1V的電壓控制開關(guān)。 TTL：VT=2.5 V，VH=1.2V，斷電阻

8、ROFF=100E+6的電壓控制開關(guān)。 TRIAC：VT=0.99V，RON=0.1，斷電阻ROFF=100E+7的電壓控制開關(guān)。 這些開關(guān)如圖12.25所示。 12.2.10 熔絲熔絲元件包含在FUSE.Lib庫文件中，熔絲的符號如圖12.27所示。熔絲的屬性設(shè)置對話框如圖12.28所示。 12.2.11 晶振CRYSTAL.Lib庫文件中包含大量的晶振，包含大部分工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的使用頻率，如圖12.29所示。這些晶振如圖12.30所示。晶振的屬性設(shè)置對話框如圖12.31所示。 12.2.12 繼電器在RELAY.Lib庫文件中包含了5種繼電器，如圖12.32所示。繼電器的原理圖符號如圖12.33

9、所示。繼電器的屬性設(shè)置對話框如圖12.34所示。 12.2.13 互感器互感器在TRANSFORMR.Lib庫文件中，其中包含了很多以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)命名的互感器，如圖12.35所示?；ジ衅鞯脑韴D符號如圖12.36所示?；ジ衅鞯膶傩栽O(shè)置對話框如圖12.37所示。 12.2.14 傳輸線傳輸線模型包含在TRANSLINE.Lib庫文件中，共有3種傳輸線模型原理圖符號，如圖12.38所示。(1)LLTRA無損耗傳輸線(2)LTRA有損耗傳輸線(3)URC均勻分布有損傳輸線12.2.15 TTL和CMOS數(shù)字電路元件 在74XX.Lib庫中包含了74XX系列的TTL邏輯元件；庫CMOS.Lib包含了400

10、0系列的CMOS邏輯元件。設(shè)計(jì)者可把上述元件庫包含的數(shù)字電路元器件用到所設(shè)計(jì)的仿真圖中。74XX系列的TTL邏輯元件列表和4000系列的CMOS邏輯元件列表如圖12.40所示。其中部分原理圖符號如圖12.41所示。 74F83的屬性設(shè)置對話框如圖12.42所示。12.2.16 集成塊庫 名說 明Tsegdisp.lib一般顯示不同顏色的7段LEDBuffer.lib按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)部件排序的緩沖器集成塊Camp.lib按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)部件排序的電流放大器Comparator.lib按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)部件排序的比較器IGBT.lib雙極晶體管Math.lib帶有數(shù)字傳遞功能的兩段口元件Misc.lib各種集成塊和其

11、他元件Opanp.lib按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)部件排序的運(yùn)算放大器Opto.lib一般隔離Regulator.lib按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)部件排序的電壓調(diào)節(jié)器SLR.lib晶閘管整流器Timer.lib555時鐘Triac.lib三端雙向晶閘管元件Tube.lib不同的閥門UJT.lib不同的單結(jié)晶體管12.3 激勵源及其屬性設(shè)置在在SIM 99的仿真元件庫中，的仿真元件庫中，包含了以下主要激勵源。包含了以下主要激勵源。12.3.1 直流仿真源在Simulation Symbols.lib庫中，包含了下列直流源(ConstantDCsimulationsources)元器件。VSRC：電壓源。ISRC：電流源。仿真庫

12、中的電壓/電流源的符號如圖12.43所示。直流源的屬性設(shè)置對話框如圖12.44所示。 12.3.2 交流仿真源 在Simulation Symbols.lib庫中，包含了下列正弦源(Sinusoidalsimulationsources)元器件。 VSIN：正弦電壓源。 ISIN：正弦電流源。 通過這些源可創(chuàng)建正弦波電壓源和電流源。仿真庫中的正弦電壓/電流源符號如圖12.45所示。 正弦仿真信號源的屬性設(shè)置對話框如圖12.46所示。 12.3.3 周期性脈沖仿真源 在Simulation Symbols.lib庫中，包含了下列周期脈沖源(PeriodicPulsesimulationsourc

13、es)元器件。 VPULSE：電壓脈沖源。 IPULSE：電流脈沖源。 利用這些源可以創(chuàng)建周期的連續(xù)的脈沖。仿真庫中的周期脈沖源符號如圖12.47所示。 周期脈沖源的屬性設(shè)置對話框如圖12.48所示。12.3.4 分段線性仿真源 在Simulation Symbols.lib庫中，包含了下列分段線性源(Piece-Wise-Linearsimulationsources)元器件。 VPWL：分段線性電壓源。 IPWL：分段線性電流源。 通過這些源可創(chuàng)建任意形狀的波形。仿真庫中的分段線性源符號如圖12.49所示。 分段線性源的屬性設(shè)置對話框如圖12.50所示。12.3.5 指數(shù)仿真源 在Simu

14、lation Symbols.lib庫中，包含下列指數(shù)激勵源(Exponentialsimulationsources)元器件。 VEXP：指數(shù)激勵電壓源。 IEXP：指數(shù)激勵電流源。 利用這些源可創(chuàng)建帶有指數(shù)上升沿或下降沿的脈沖波形。仿真庫中的指數(shù)激勵源元器件如圖12.52所示。 指數(shù)激勵源的屬性設(shè)置對話框如圖12.53所示。 12.3.6 調(diào)頻仿真源 在Simulation Symbols.lib庫中，包含了下列單頻調(diào)頻源(FrequencyModulatedsimula-tionsources)元器件。 VSFFM：單頻調(diào)頻電壓源。 ISFFM：單頻調(diào)頻電流源。 利用這些源可創(chuàng)建一個單頻

15、調(diào)頻波。在仿真庫中的單頻調(diào)頻源元器件符號如圖12.54所示。 單頻調(diào)頻源的屬性設(shè)置對話框如圖12.55所示。 12.3.7 線性受控源 在Simulation Symbols.lib庫中，包含了如下4種線性受控源(LinearDependantsimula-tionsources)元器件。 HSRC：線性電壓控制電流源。 GSRC：線性電壓控制電壓源。 FSRC：線性電流控制電流源。 ESRC：線性電流控制電壓源。 仿真器中的線性受控源元器件如圖12.56所示。 線性受控源的屬性對話框如圖12.57所示。 12.3.8 非線性受控源 在Simulation Symbols.lib庫中，包含了下

16、列非線性受控源(Non-LinearDependant-simulationsources)元器件。 BVSRC：非線性壓控源。 BISRC：非線性流控源。 設(shè)計(jì)者可利用以上元器件在原理圖中創(chuàng)建非線性受控源，如圖12.58所示是仿真器中包括的非線性受控源元器件。12.3.9 頻率/電壓轉(zhuǎn)換器仿真源在Simulation Symbols.lib庫中，包含了頻率/電壓轉(zhuǎn)換器仿真源(F/Vconverter-simulationsources)元器件FTOV，F(xiàn)TOV元器件符號如圖12.60所示。頻率/電壓轉(zhuǎn)換器仿真電源的屬性設(shè)置對話框如圖12.61所示。12.3.10 壓控振蕩器仿真源 在Simu

17、lation Symbols.lib庫中，包含了3種壓控振蕩器仿真源(VCOsimulationsources)元器件。 SINVCO：壓控正弦振蕩器。 SQRVCO：壓控方波振蕩器。 TRIVCO：壓控三角波振蕩器。 仿真器中的壓控振蕩器仿真源元器件如圖12.62所示。 壓控振蕩器仿真源的屬性對話框如圖12.63所示。12.4 設(shè)置初始狀態(tài)設(shè)置初始狀態(tài)是為計(jì)算仿真電路直流偏置點(diǎn)而設(shè)定一設(shè)置初始狀態(tài)是為計(jì)算仿真電路直流偏置點(diǎn)而設(shè)定一個或多個電壓個或多個電壓(或電流或電流)值。在仿真非線性電路、振蕩值。在仿真非線性電路、振蕩電路及觸發(fā)器電路的直流或瞬態(tài)特性時，常出現(xiàn)解的電路及觸發(fā)器電路的直流或瞬

18、態(tài)特性時，常出現(xiàn)解的不收斂現(xiàn)象，而實(shí)際電路是收斂的，其原因是偏置點(diǎn)不收斂現(xiàn)象，而實(shí)際電路是收斂的，其原因是偏置點(diǎn)發(fā)散或收斂的偏置點(diǎn)不能適應(yīng)多種情況。設(shè)置初始值發(fā)散或收斂的偏置點(diǎn)不能適應(yīng)多種情況。設(shè)置初始值最通常的原因就是在兩個或更多的穩(wěn)定工作點(diǎn)中選擇最通常的原因就是在兩個或更多的穩(wěn)定工作點(diǎn)中選擇一個，以便仿真順利進(jìn)行。一個，以便仿真順利進(jìn)行。在在Simulation Symbols.lib庫中，包含了如下兩個特庫中，包含了如下兩個特別的初始狀態(tài)定義符。別的初始狀態(tài)定義符。NS NODESET：節(jié)點(diǎn)電壓設(shè)置：節(jié)點(diǎn)電壓設(shè)置NS。IC Initial Condition：初始條件設(shè)置：初始條件設(shè)置I

19、C。12.4.1 節(jié)點(diǎn)電壓設(shè)置元件(NS) 該設(shè)置使指定的節(jié)點(diǎn)固定在所給定的電壓下，仿真器按這些節(jié)點(diǎn)電壓求得直流或瞬態(tài)的初始解。其對雙穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)電路的計(jì)算收斂可能是必須的，它可使電路擺脫“停頓形狀，而進(jìn)入所希望的狀態(tài)。一般情況下，設(shè)置不是必需。節(jié)點(diǎn)電壓設(shè)置元件如圖12.64所示。 節(jié)點(diǎn)電壓設(shè)置元件的屬性對話框如圖12.65所示，可設(shè)置下列參數(shù)。 Designator：節(jié)點(diǎn)名稱，每個節(jié)點(diǎn)電壓設(shè)置必須有唯一的標(biāo)識符，如NS1。 Part Type：節(jié)點(diǎn)電壓的初始幅值，如12V。 12.4.2 初始條件設(shè)置元件(IC) 該設(shè)置是用來設(shè)置瞬態(tài)初始條件的，IC僅用于設(shè)置偏置點(diǎn)的初始條件，它不影響DC掃

20、描。放置的初始條件設(shè)置元件如圖12.66所示。 初始條件設(shè)置的屬性對話框如圖12.67所示，可設(shè)置下列參數(shù)。 Designator：節(jié)點(diǎn)名稱，每個初始條件設(shè)置必須有唯一的標(biāo)識符，如“IC1”。 Part Type：節(jié)點(diǎn)電壓的初始幅值，如5V。12.5 仿 真 設(shè) 置 在進(jìn)行仿真前，設(shè)計(jì)者必須決定對電路進(jìn)行哪種分析，要收集哪幾個變量數(shù)據(jù)，以及仿真完成后自動顯示哪個變量的波形等。 (1) 進(jìn)入Protel 99 SE原理圖編輯的主菜單后，選擇SimulateSetup命令，如圖12.68所示。 (2) 彈出仿真器設(shè)置對話框，如圖12.69所示。在General選項(xiàng)卡中，設(shè)計(jì)者可以選擇分析類別(Se

21、lect to Netlist)、需要畫圖或顯示數(shù)據(jù)的信號(Active Signal)。12.5 仿 真 設(shè) 置(3) 單擊Advanced按鈕，彈出如圖12.71所示對話框。該對話框顯示的是有關(guān)SPICE軟件分析電路時需要的一些參數(shù)，一般無須改動，默認(rèn)值就可以了。其中VCC輸入框用于輸入TTL電路的電源電壓，默認(rèn)為5V。VDD輸入框用于輸入CMOS電路的電源電壓，默認(rèn)為15V。12.5.1 Transient/FourierAnalysis(瞬態(tài)/傅立葉分析) 瞬態(tài)分析通常從時間零開始。若不從時間零開始，則在時間零和開始時間(Start Time)之間，瞬態(tài)分析照樣進(jìn)行，只是不保存結(jié)果。從

22、開始時間(Start Time)和終止時間(Stop Time)的間隔內(nèi)的結(jié)果將予保存，并用于顯示。步長(Step Time)通常是指在瞬態(tài)分析中的時間增量。Transient/FourierAnalysis(瞬態(tài)/傅立葉分析)選項(xiàng)卡如圖12.72所示。 12.5.2 ACSmallSignal(交流小信號分析) 交流小信號分析將交流輸出變量作為頻率的函數(shù)計(jì)算出來。先計(jì)算電路的直流工作點(diǎn)，決定電路中所有非線性元器件的線性化小信號模型參數(shù)，然后在設(shè)計(jì)者所指定的頻率范圍內(nèi)對該線性化電路進(jìn)行分析。 AC Small Signal(交流小信號分析)選項(xiàng)卡如圖12.73所示。 (1)AC Analysi

23、s選項(xiàng)組 Start Frequency：開始分析頻率。 Stop Frequency：結(jié)束分析頻率。 Test Point：分析點(diǎn)數(shù)。 (2)Sweep Type選項(xiàng)組 Linear：線性掃描。 Decade：十倍頻程掃描(對數(shù)掃描)。 Octave：倍程掃描。12.5.3 DCSweep(直流掃描分析) 直流分析產(chǎn)生直流轉(zhuǎn)移曲線。直流分析將執(zhí)行一系列表態(tài)工作點(diǎn)分析，從而改變前述定義所選擇電源的電壓。 DC Sweep(直流掃描分析)選項(xiàng)卡如圖12.74所示。 Source Name：電源名稱。 Secondary：設(shè)置第二個掃描電源的名稱。 Start Value：掃描初始值。 Stop

24、Value：掃描終止值。 Step Value：掃描步長。12.5.4 MonteCarlo(蒙特卡羅分析)蒙特卡羅分析是使用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器按元件值的概率分布來選擇元件，然后對電路進(jìn)行模擬分析。 在SIM 99中通過單擊Monte Carlo Analysis標(biāo)簽可獲得蒙特卡羅直流分析參數(shù)設(shè)置界面，如圖12.75所示。12.5.5 ParameterSweep(參數(shù)掃描分析) 設(shè)置掃描參數(shù)分析的參數(shù)，可通過單擊Parameter Sweep Analysis 標(biāo)簽，獲得掃描參數(shù)分析界面，如圖12.76所示。 Parameter：選擇需要掃描的參數(shù)。 Secondary：設(shè)置第二個掃描電源的名稱。 Start Value：掃描初始值。 Stop Value：掃描終止值。 Sweep Type：掃描形式設(shè)置，通常不選中Relative Value(相對值)項(xiàng)。12.5.6 TemperatureSweep(溫度掃描分析) 溫度掃描分析與交流小信號分析、直流分析及瞬態(tài)特性分析中的一種或幾種相連。該設(shè)置規(guī)定了在什么溫度下進(jìn)行模擬。如果設(shè)計(jì)者給了幾個溫度，則對每個溫度都要做一遍所有的分析。要設(shè)置掃描溫度分析的參數(shù)，可通過單擊Temperature Sweep Analysis標(biāo)簽，獲得掃描溫度分析界面，如圖12.77所示。12.5.7 TransferFunction(傳遞函數(shù)分析)傳遞函數(shù)