1、11.111.211.311.411.511.6电路仿真的基本概念电路仿真的基本概念Protel 2004仿真元件库仿真元件库初始状态的设置初始状态的设置电路仿真电路仿真仿真器的设置仿真器的设置电路仿真实例电路仿真实例1仿真元件仿真元件在仿真电路中，只有具有“Simulation”（仿真）属性的元件才可用于电路仿真，该元件也叫仿真元件，如图11.1所示。元件的仿真属性如果仿真检查时发现有元件没有定义仿真属性，用户可在图11.1中“Type”下“Simulation”的位置右击鼠标，在弹出的菜单中选择“Add”命令，系统将弹出如图11.2所示的模型选择对话框，从中选择“Simulation”模型
2、即可。模型选择对话框2仿真激励源仿真激励源只有在输入信号作用下，仿真电路才会正常工作。该输入信号被称为仿真激励源。在电路原理图中虽然也使用了VCC等表示提供电源的节点，但是这些符号仅表示电路连接的电源端子，而并没有真正表示在电路中添加了电源器件。3网络标号网络标号如果在某个节点上设置网络标号，用户就可以观察该节点上的电压及电流的变化情况。设置网络标号可通过单击菜单“Place”“Net Label”命令实现，要注意设置网络标号一定要放在元件引脚的外端点或导线上，否则该节点将不会出现在如图11.40所示的仿真分析设置对话框中的“Available Signals”列表栏内。4仿真电路原理图仿真电
3、路原理图根据仿真元件和仿真激励源绘制的原理图就是仿真电路原理图，也是仿真的对象。如图11.3所示就是一个仿真原理图，它由交流电压源（即仿真激励源）及具有仿真属性的电阻、电容等元件组成，其中“VIN”及“VOUT”为网络标号。5仿真方式仿真方式Protel 2004提供了多种仿真方式，用户可根据需要来选择电路的仿真方式。仿真原理图6电路仿真的基本流程电路仿真的基本流程（1）加载仿真元件库（2）选择仿真元件（3）绘制仿真原理图（4）对仿真原理图进行ERC（5）对仿真器进行设置（6）电路仿真7仿真激励源工具栏仿真激励源工具栏Protel 2004为仿真提供了一个激励源工具栏，便于用户进行仿真操作。单
4、击菜单“View”“Toolbars”“Utilities”命令，打开实用工具栏，然后选择激励源工具栏命令，即可得到如图11.4所示的仿真激励源工具栏。在仿真时，用户可以从中选取合适的激励源添加到仿真原理图中。Protel 2004为用户提供了大部分常用的仿真元件，打开C:Program FilesAltium2004LibrarySimulation目录，可见仿真元件库，如图11.5所示。 Protel 2004仿真元件库仿真数学函数元件库Simulation Math Function.IntLib中主要是一些仿真数学函数，如求正弦、余弦、反正弦、反余弦、开方、绝对值等。用户可使用这些函数
5、对电路中的信号进行数学计算，从而获得需要的仿真信号。如图11.6所示为一个对电压取绝对值的仿真数学函数ABSV，其中V为输入，Q为输出。仿真数学函数“ABSV”1直流源直流源直流源用来为仿真电路提供不变的电压或电流激励源。直流源包含了如图11.7所示的直流电压源VSRC和直流电流源ISRC两种直流源元件，其参数设置对话框如图11.8所示（双击图11.1中“Simulation”项可打开该对话框）。直流源的符号直流源参数设置对话框2正弦波形源正弦波形源正弦波形源用来为仿真电路提供正弦的电压或电流激励源。正弦波形源包含了如图11.9所示的正弦波形电压源VSIN和正弦波形电流源ISIN两种正弦波形源
6、元件，其参数设置对话框如图11.10所示。正弦波形源的符号 正弦波形源参数设置对话框3周期脉冲源周期脉冲源周期脉冲源用来为仿真电路提供周期性的连续脉冲电压或电流激励源。周期脉冲源包含了如图11.11所示的周期脉冲电压源VPULSE和周期脉冲电流源IPULSE两种周期脉冲源元件，其参数设置对话框如图11.12所示。 周期脉冲源的符号周期脉冲源参数设置对话框4分段线性源分段线性源分段线性源用来为仿真电路提供任意波形的电压或电流激励源。分段线性源包含了如图11.13所示的分段线性电压源VPWL和分段线性电流源IPWL两种分段线性源元件，其参数设置对话框如图11.14所示。分段线性源的符号分段线性源参
7、数设置对话框5指数激励源指数激励源指数激励源用来为仿真电路提供上升沿或下降沿按指数规律变化的电压或电流激励源。指数激励源包含如图11.15所示的指数激励电压源VEXP和指数激励电流源IEXP两种指数激励源元件，其参数设置对话框如图11.16所示。指数激励源的符号指数激励源参数设置对话框6单频调频源单频调频源单频调频源用来为仿真电路提供单频调频波的电压或电流激励源。单频调频源包含了如图11.17所示的单频调频电压源VSFFM和单频调频电流源ISFFM两种单频调频源元件，其参数设置对话框如图11.18所示。单频调频源的符号 单频调频源参数设置对话框7线性受控源线性受控源线性受控源包含如图11.19
8、所示的线性电压控制电流源GSRC、线性电压控制电压源ESRC、线性电流控制电流源FSRC及线性电流控制电压源HSRC共4种线性受控源元件，其参数设置对话框如图11.20所示。 线性受控源的符号线性受控源参数设置对话框8非线性受控源非线性受控源非线性受控源在仿真电路中可以由用户定义的函数关系表达式产生所需的电压或电流激励源。非线性受控源包含了如图11.21所示的非线性受控电压源BVSRC和非线性受控电流源BISRC两种非线性受控源元件，其参数设置对话框如图11.22所示。 非线性受控源的符号 非线性受控源参数设置对话框仿真专用函数元件库Simulation Special Function.In
9、tLib中主要是一些专门为信号仿真而设计的运算函数，如增益、积分、微分、求和、电容测量、电感测量及压控振荡源等。如图11.23所示为一个电压控制开关模块VSW。电压控制开关模块1LLTRA（Lossless Transmission Line，无损耗传输线），无损耗传输线）LLTRA的符号如图11.24所示，它是理想的双向传输线。它有两个端口，其节点定义了端口的正电压极性。 LLTRA的符号其参数设置对话框如图11.25所示。 LLTRA参数设置对话框2LTRA（Lossy Transmission Line，有损耗传输线），有损耗传输线）LTRA的符号如图11.26所示，它使用两端口响应模型
10、。该模型包含了电阻值、电感值、电容值及长度等参数，这些参数不能直接在原理图文件中设置，但用户可以创建和引用自己的模型文件。 LTRA的符号3URC（Uniform Distributed Lossy Line，均匀分布传输线），均匀分布传输线）URC的符号如图11.27所示，它也称为分布RC传输线模型。该模型由URC传输线的子电路类型扩展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必须严格地由电阻和电容段构成。 URC的符号1电阻电阻常用元件库为用户提供了如图11.28所示的各种类型的电阻。（a）半导体电阻 （b）抽头电阻 （c）热敏电阻 （d）压敏电阻 （e）定值电
11、阻 （f）可调电阻 （g）电位器图11.28 电阻仿真元件（1）定值电阻打开如图11.29所示的电阻属性设置对话框，元件属性设置介绍参见3.3.1节。电阻属性设置对话框下面介绍电阻的仿真参数设置。将指针移到“Models for”下的“Simulation”选项上，双击鼠标左键，系统将弹出如图11.30所示的设置电阻仿真对话框。 设置电阻仿真对话框图11.30中“Model Kind”选项卡显示的是一般信息，用户可以根据自己的仿真要求进行设置；“Parameters”选项卡用来设置仿真参数；“Port Map”选项卡用来设置元件引脚的连接属性。单击“Parameters”选项卡，系统将弹出如图
12、11.31所示的电阻参数设置对话框。 电阻参数设置对话框（2）半导体电阻半导体电阻参数设置对话框如图11.32所示。其中，“Value”、“Length”、“Width”及“Temperature”分别设置半导体电阻的阻值、长度、宽度及工作温度。半导体电阻参数设置对话框（3）可调电阻可调电阻参数设置对话框如图11.33所示，可调电阻的实际阻值为“Value”文本框中的数值乘以可调电阻系数“Set Position”文本框中的数值。 可调电阻参数设置对话框2电容电容常用元件库为用户提供了如图11.34所示的各种类型的电容。（a）定值无极性电容 （b）定值有极性电容 （c）半导体电容电容仿真元件（
13、1）定值电容无论有无极性，定值电容都具备以下两个参数。“Value”：电容值。“Initial Voltage”：电路初始工作时电容两端的电压。（2）半导体电容半导体电容参数“Value”、“Length”、“Width”及“Initial Voltage”分别设置半导体电容的电容值、长度、宽度及电路初始工作时半导体电容两端的电压。3电感电感常用元件库为用户提供了如图11.35所示的各种类型的电感。（a）定值电感 （b）可调电感 （c）加铁芯的定值电感 （d）加铁芯的可调电感电感仿真元件（1）定值电感无论是否加铁芯，定值电感都具备以下两个参数。“Value”：电感值。“Initial Curr
14、ent”：电路初始工作时流入电感的电流。（2）可调电感无论是否加铁芯，可调电感的实际值为“Value”项中的数值乘以可调电感系数“Set Position”项中的数值。“Initial Current”为电路初始工作时流入电感的电流。4二极管二极管常用元件库为用户提供了如图11.36所示的各种类型的二极管。（a）普通二极管 （b）肖特基二极管 （c）变容二极管 （d）稳压管 （e）发光二极管二极管仿真元件5集成芯片集成芯片以常用元件库中集成芯片ADC-8为例，其参数设置对话框如图11.37所示。 ADC-8元件参数设置对话框?11.3.1 节点电压设置节点电压设置节点电压可在初始电压设置对话框
15、中设置，即打开如图11.38所示的对话框，在“Model Kind”下拉列表中选择“Initial Condition”选项，再在“Model Sub-Kind”中选择“Initial Node Voltage Guess”选项，然后单击“Parameters”选项卡进行初始电压设置。初始电压设置对话框在瞬态分析中，一旦设置了参数“Use Initial Conditions”和IC，瞬态分析就先不进行直流工作点的分析，因而应在IC中设定各点的直流电压。如果瞬态分析中没有设置参数“Use Initial Conditions”，那么在瞬态分析前计算直流偏置（初始瞬态）解。这时IC设置中指定的节
16、点电压仅当做求解直流工作点时相应的节点的初始值。下面进行初始条件的设置。打开如图11.38所示的对话框，在“Model Kind”下拉列表中选择“Initial Condition”选项，再在“Model Sub-Kind”中选择“Set Initial Condition”选项，然后单击“Parameters”选项卡进行初始条件设置。Protel 2004在仿真信号源元件库“Simulation Sources.IntLib”中提供了如图11.39所示的两个特别的初始状态定义符。 .NS即Node Set（节点设置）。 .IC即Initial Condition（初始条件）。定义初始状态元件
17、?11.4.1 进入仿真设置环境进入仿真设置环境单击菜单“Design”“Simulate”“Mixed Sim”命令或单击仿真工具栏（“Mixed Sim”）中的 按钮，系统将弹出如图11.40所示的仿真分析设置对话框。仿真分析设置对话框 在该对话框左边的“Analyses/Options”列表框中的项目为仿真分析类别，图11.40显示的是仿真分析的一般设置（“General Setup”）。此时“Availabu Signals”列表框中显示的是可以进行仿真分析的信号，“Active Signals”列表框中显示的是激活的信号，也就是将要进行仿真分析的信号。用户可以利用 （ ）按钮添加全部
18、（单个）或利用 （ ）按钮移去全部（单个）激活的信号。 在该对话框右上方的“Collect Data For”下拉列表中，有5种不同的数据存储类型。 在该对话框的“Analyses/Options”仿真方式列表框中，最下面有一个高级选项设置“Advanced Options”，该选项中的内容是各种仿真方式要遵循的基本条件，一般不要修改。在仿真分析设置对话框中选中“Transient/Fourier Analysis”复选框，系统将显示如图11.41所示的对话框，由于工作点分析的仿真参数均来自电路给定的参数，所以不需要用户进行单独设置。直流工作点分析参数设置对话框1瞬态特性分析（瞬态特性分析（T
19、ransient Analysis）瞬态特性分析是从时间零开始到用户设定的终止时间范围内进行的，属于时域分析。通过瞬态分析系统将输出各个节点电压、电流及元件消耗功率等参数随时间变化的曲线。瞬态分析在时间零和开始时间之间只分析但并不保存结果，而在用户设定的开始时间（Start Time）和终止时间（Stop Time）之间才既分析并同时保存结果，用于最后输出。2傅里叶特性分析（傅里叶特性分析（Fourier Analysis）傅里叶特性分析是瞬态分析的一部分，属于频谱分析，可与瞬态分析同步，主要用来分析电路中各个非正弦波的激励和节点的频谱，以获得电路中的基频、直流分量及谐波等参数。在每次进行傅里
20、叶分析后，分析得到的谐波的幅值和相位的详细信息都将保存在项目输出文件夹中的ProjectName.sim文件中，并显示在主窗口中。3瞬态瞬态/傅里叶特性分析参数设置傅里叶特性分析参数设置在仿真分析设置对话框中选中“Transient/Fourier Analysis”复选框，系统将显示如图11.42所示的对话框，具体参数设置介绍如下。 瞬态/傅里叶特性分析参数设置对话框在仿真分析设置对话框中选中“DC Sweep Analysis”复选框，系统将显示如图11.43所示的对话框，具体参数设置介绍如下。直流扫描分析参数设置对话框在仿真分析设置对话框中选中“AC Small Signal Analy
21、sis”复选框，系统将显示如图11.44所示的对话框，具体参数设置介绍如下。 交流小信号分析参数设置对话框在仿真分析设置对话框中选中“Noise Analysis”复选框，系统将显示如图11.45所示的对话框，具体参数设置介绍如下。噪声分析参数设置对话框在仿真分析设置对话框中选中“Pole-Zero Analysis”复选框，系统将显示如图11.46所示的对话框，具体参数设置介绍如下。极点-零点分析参数设置对话框在仿真分析设置对话框中选中“Transfer Function Analysis”复选框，系统将显示如图11.47所示的对话框，具体参数设置介绍如下。传递函数分析参数设置对话框在仿真分
22、析设置对话框中选中“Temperature Sweep”复选框，系统将显示如图11.48所示的对话框，具体参数设置介绍如下。温度扫描分析参数设置对话框在仿真分析设置对话框中选中“Parameter Sweep”复选框，系统将显示如图11.49所示的对话框，具体参数设置介绍如下。参数扫描分析参数设置对话框在仿真分析设置对话框中选中“Monte Carlo Analysis”复选框，系统将显示如图11.50所示的对话框，具体参数设置介绍如下。蒙特卡罗分析参数设置对话框在上面的步骤全部完成后，单击仿真工具栏（“Mixed Sim”）中的 按钮，可对电路进行仿真。当系统以用户设定的方式对原理图进行分析
23、后，将生成后缀为.sdf的输出文件和后缀为.nsx的原理图的SPICE模式表示文件，并在波形显示器中显示用户设定节点仿真后的输出波形，用户可根据该文件分析并完善原理图的设计。打开后缀为.nsx的文件，单击菜单“Simulate”“Run”命令，也可实现电路仿真，这种方式和直接从原理图进行仿真生成的波形文件相同。?11.6.1 模拟电路仿真实例模拟电路仿真实例【例11.1】 以一个简单的晶体管交流放大电路为例，说明模拟电路仿真方法。1新建一个项目新建一个项目首先新建一个如图11.51所示的晶体管交流放大电路项目。新建晶体管交流放大电路项目2绘制仿真电路原理图绘制仿真电路原理图绘制欲仿真的晶体管交
24、流放大电路原理图，如图11.52所示。晶体管交流放大电路原理图3设置仿真节点设置仿真节点本例中，设置如图11.52所示的“VIN”、“VCE”和“VOUT”网络标号。设置网络标号可通过单击菜单“Place”“Net Label”命令实现，要注意设置仿真节点一定要放在元件引脚的外端点或导线上，否则该节点将不会出现在如图11.40所示的仿真分析设置对话框中“Available Signals”列表框内。4设置仿真器设置仿真器打开如图11.40所示的仿真分析设置对话框，先将仿真节点“VIN”、“VCE”和“VOUT”移入“Active Signals”列表框中，再选中参数扫描分析（“Paramete
25、r Sweep”）复选框，同时选中瞬态特性分析，如图11.53所示。选中仿真分析项目及仿真分析信号选中参数扫描分析，设置参数扫描分析的参数，如图11.54所示。瞬态特性分析参数采用默认值。设置仿真分析项目参数5运行电路混合仿真运行电路混合仿真单击仿真工具栏（“Mixed Sim”）中的 按钮，对电路进行仿真。在工作窗口显示如图11.55所示的仿真输出波形图文件（.sdf），并同时弹出如图11.56所示的仿真信息面板，给出仿真的信息。图11.55 晶体管交流放大电路仿真输出波形图图11.56 仿真信息面板【例11.2】 以一个简单的数字电路为例，说明数字电路仿真方法。1新建一个项目新建一个项目首
26、先新建一个如图11.57所示的分频电路项目。在该电路中，电路的输入信号CPI的频率分频后与输出信号CPO的频率之比为3 2，故可称其为分频电路，也可称为2/3分频电路。同时它还将单相时钟脉冲CPI转换成两相时钟脉冲QA和QB，QA和QB是两个频率相同而相位不同的时钟脉冲。具体创建方法见第2章。 新建分频电路项目2绘制仿真电路原理图绘制仿真电路原理图绘制欲仿真的分频电路原理图，如图11.58所示。分频电路原理图在仿真原理图的设计中要根据仿真的要求添加电源、信号源或初始状态的仿真元件模型等，并合理设置属性参数。本例中，电源端子符号从布线工具栏中选取，集成电路芯片74LS02、04、74从NSC L
27、ogic Gate.IntLib库中提取，周期脉冲源和直流电压源从Simulation Sources.IntLib库中提取，也可直接从如图11.4所示的仿真激励源工具栏中选取。在对上述元件的参数进行设置时，其中周期脉冲源的参数设置如图11.59所示。周期脉冲源参数设置3设置仿真节点设置仿真节点在本例中，设置如图11.58所示的“CPI”、“QA”、“QB”和“CPO”网络标号。设置网络标号可通过单击菜单“Place”“Net Label”命令实现，要注意设置仿真节点一定要放在元件引脚的外端点或导线上，否则该节点将不会出现在如图11.40所示的仿真分析设置对话框中“Available Sign
28、als”列表框内。4设置仿真器设置仿真器打开如图11.40所示的仿真分析设置对话框，先将仿真节点“CPI”、“QA”、“QB”和“CPO”移入“Active Signals”列表框中，再选中瞬态特性分析（“Transient/Fourier Analysis”），如图11.60所示。选中仿真分析项目及仿真分析信号瞬态特性分析参数设置如图11.61所示。 瞬态特性分析参数设置5运行电路混合仿真运行电路混合仿真单击仿真工具栏（“Mixed Sim”）中的 按钮，对电路进行仿真。在工作窗口显示如图11.62所示的仿真输出波形图文件（.sdf），并同时弹出“Message”面板，给出仿真的信息。分频电路仿真输出波形图单击图11.62左下角的波形数据面板标签“Sim Data”，在左边波形数据面板的“Wave Name”列表中给出了可测试节点，用户在该波形列表中双击欲显示的节点，或者先选中欲显示的节点，再单击 按钮，就可以将该节点的输出波形在右边的波形显示器中显示出来，如图11.63所示。 显示选中节点的波形
