第4章層次原理圖設(shè)計與原理圖仿真知識目標1.掌握原理圖仿真的概念。2.了解層次原理圖概念。

技能目標1.學(xué)會層次原理圖的繪制方法。2.學(xué)會原理圖仿真的方法步驟。第4章層次原理圖設(shè)計與原理圖仿真

4.1層次原理圖概述4.2層次原理圖設(shè)計4.3仿真庫中的主要元器件4.4仿真設(shè)置4.5運行仿真4.1

層次原理圖概述

對于一個非常復(fù)雜的電路原理圖，不可能將這個原理圖畫在一張圖紙上，有時甚至不可能由一個人單獨完成。Protel99SE提供了層次原理圖的設(shè)計方法，它是一種模塊化的設(shè)計方法，即將系統(tǒng)劃分為多個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)下面又可劃分為若干功能模塊，功能模塊再細分為若干個基本模塊。設(shè)計好基本模塊，定義好模塊之間的連接關(guān)系，即可完成整個設(shè)計過程。

4.2

層次原理圖設(shè)計

4.2.1采用自上而下的設(shè)計方法

1.設(shè)計上層方塊圖

1)建立“4PortSerialInterface.ddb”設(shè)計數(shù)據(jù)庫，接著建立名為“4PortSerialInterface.prj”的原理圖文件，如下圖所示。２）選擇“Place”菜單，然后在彈出的下拉菜單中選擇“SheetSymbol”選項，如下圖所示。此操作也可按下P鍵，松開后按下S鍵?；蛴檬髽俗箧I單擊“WiringTools”工具欄中的按鈕。

３）執(zhí)行繪制方塊電路命令后，光標變?yōu)槭中危苿庸鈽说奈恢?，可以發(fā)現(xiàn)方塊電路會隨著光標移動，如左下圖所示。４）此時按下健盤上的Tab鍵，將彈出右下圖所示的“SheetSymbol”對話框。在此對話框里，可以對方塊電路名稱、文件名以及方塊電路的大小、顏色、邊框等進行設(shè)置。設(shè)置結(jié)束后，用鼠標左鍵單擊對話框里的“OK”按鈕加以確認。５)在對話框中，在FileName編輯框設(shè)置文件名為“ISABusandAddressDecoding.Sch”。這表明該電路代表了ISABusandAddressDecoding(1SA總線和地址譯碼)模塊。將Designator編輯框設(shè)置方塊圖的名稱為“ISABusandAddressDecoding”。６)設(shè)置完屬性后，確定方塊電路的大小和位置。將光標移動到適當(dāng)?shù)奈恢煤螅瑔螕羰髽俗箧I，確定方塊電路的左上角位置。然后拖動鼠標，移動到適當(dāng)?shù)奈恢煤螅瑔螕羰髽俗箧I，確定方塊電路的右下角位置。這樣我們就定義了方塊電路的大小和位置，繪制出了一個名為“ISABusandAddressDecoding”的模塊，如下頁圖所示。

7）如果用戶對方塊電路的名稱等文字標注的字體不滿意，可以將圖樣畫面放大，然后移動光標，使其指向該文字標注處，然后雙擊鼠標左鍵。此時將在工作平面上彈出下圖所示的“SheetSymbolName”對話框。用戶可以在此對話框里改變文字說明的內(nèi)容、位置、方向和顏色等。單擊設(shè)置方塊電路文字字體（Font）對話框中的“Change…”按鈕，此時將彈出“字體”對話框，用戶可以根據(jù)需要，在此對話框里設(shè)置字體的類型、樣式、大小和效果等。

8)接著放置方塊電路端口，方法是用鼠標左鍵單擊連線工具欄((Wiring))中按鈕，或者執(zhí)行P1ace\AddsheetEntry命令。

9)執(zhí)行該命令后，光標變?yōu)槭中螤?，然后在需要放置端口的方塊圖上單擊鼠標左鍵，此時光標處就帶著方塊電路的端口符號，如下圖所示。在此命令狀態(tài)下，按Tab鍵，系統(tǒng)會彈出“方塊電路端口屬性設(shè)置”對話框，如下圖所示。

在對話框中，將端口名Name編輯框設(shè)置為INT_1；I/OType選項有不指定(Unspecified)、輸出(Output)、輸入(1nput)和雙向(Bidirectional)4種，在此設(shè)置為Input；放置位置(Side)設(shè)置為left；端口樣式(Style)設(shè)置為Right；其他選項設(shè)計者個人來設(shè)置。

10)設(shè)置完屬性后，將光標移動到適當(dāng)?shù)奈恢煤螅瑔螕羰髽俗箧I將其定位。依此操作可以在ISABusandAddressDecoding模塊和4PortUARTandLineDrivers模塊上放置所有端口，如下圖所示。

11)將電氣關(guān)系上具有相連關(guān)系的端口用導(dǎo)線或總線連接在一起，即完成了層次原理圖的上層方塊圖，如圖所示。

(2)由方塊電路符號產(chǎn)生新原理圖中的I／0端口符號

1)選擇執(zhí)行Design\CreateSheetFromSymbol命令。

2)執(zhí)行該命令后，光標變成了十字狀，移動光標到某一方塊電路上，單擊鼠標左鍵，會出現(xiàn)如下圖所示的“確認端口I/O方向”對話框。

3)此處選擇“No”按鈕，所產(chǎn)生的I/O端口的電氣特性與原來的方塊電路中的相同，則Protel99SE自動生成一個文件名為“ISABusandAddressDecoding．Sch”的原理圖文件，并布置好I／0端口，如下圖所示。

(3)下層模塊具體化生成的電路原理圖文件，已經(jīng)有了I/O端口，在確認了新的電路原理圖上的I/O端口符號與對應(yīng)的方塊電路上的I/O端口符號完全一致后，設(shè)計者就可以按照該模塊組成，放置元件和連線，繪制出具體的電路原理圖，繪制電路原理圖的過程在這里不再贅述。

4.2.2采用自下而上的設(shè)計方法

如果在設(shè)計中采用自下而上的設(shè)計方法，則先設(shè)計原理圖，再設(shè)計方塊電路。Protel99SE也提供了一條捷徑，即由一張已經(jīng)設(shè)置好端口的原理圖直接產(chǎn)生方塊電路符號。

假如我們已經(jīng)繪制好了下層的兩張電路原理圖，“4PortUARTandLineDrivers.Sch”和“ISABusandAddressDecoding.Sch”。

(1)在和兩張設(shè)計好的電路原理圖文件同一目錄下，創(chuàng)建一個新的“4PortSerialInterface.prj”原理圖文件。

(2)在新的原理圖文件編輯窗口狀態(tài)，選擇執(zhí)行Design\CreateSymbolFromSheet命令。

(3)執(zhí)行該命令后，會出現(xiàn)下頁圖所示的對話框。選擇要產(chǎn)生的方塊電路的文件，然后單擊“OK”按鈕確認。

(4)此后，同樣會出現(xiàn)確認端口I/O方向?qū)υ捒?。單擊“No”按鈕，方塊電路會出現(xiàn)在光標上，移動光標至適當(dāng)位置，按照前面放置方塊電路的方法，將其定位。則可自動生成名為“4PortUARTandLineDrivers”的方塊電路，如下圖所示。然后根據(jù)層次原理圖設(shè)計的需要，可以對方塊電路上的端口進行適當(dāng)調(diào)整。

(5)以同樣的操作方法生成名為“ISABusandAddressDecoding”的方塊電路，并對方塊電路上的端口適當(dāng)調(diào)整。

(6)將電氣關(guān)系上具有相連關(guān)系的端口用導(dǎo)線或總線連接在一起，即完成了上層方塊圖的設(shè)計。結(jié)果見下圖所示。

4.3仿真庫中的主要元器件由Protel99SE設(shè)計的電路原理圖，不必進行實際安裝調(diào)試，只要使用SIM數(shù)／?；旌闲盘柗抡嫫?，就可以進行多種性能分析，觀察復(fù)雜的模擬信號和數(shù)字信號波形，從而及時發(fā)現(xiàn)錯誤，修正錯誤，有效地提高了設(shè)計質(zhì)量。

電路原理圖要進行仿真分析，必須使用具有仿真模型的元件。Protel99SE提供有Sim.ddb仿真元件數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包含了多種仿真元件庫

。

4.3.2仿真元件數(shù)據(jù)庫Sim.ddb中的激勵源在SIM的仿真元件庫中，包含了以下主要激勵源。在元件庫SimulationSymbols.lib中，主要激勵源有：直流電壓源、直流電流源、正弦電壓源、正弦電流源、電壓脈沖源、電流脈沖源、分段線性電壓源、分段線性電流源、指數(shù)激勵電壓源、指數(shù)激勵電流源、單頻調(diào)頻電壓源、單頻調(diào)頻電流源、線性電壓控制電流源、線性電流控制電壓源、線性電流控制電流源、線性電壓控制電壓源、非線性受控電壓源、非線性受控電流源、頻率/電壓(F/V)轉(zhuǎn)換仿真源器件、壓控正弦振蕩器、壓控方波振蕩器、壓控三角波振蕩器等。4.4

仿真設(shè)置

電路原理圖運行仿真之前，要先進行仿真狀態(tài)和參數(shù)的設(shè)置，包括：初始狀態(tài)和初始條件，以及選擇仿真項目并進行參數(shù)設(shè)置。

4.4.1設(shè)置仿真初始狀態(tài)設(shè)置初始狀態(tài)是為計算仿真電路直流偏置點而設(shè)定一個或多個電壓（或電流）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)解的不收斂現(xiàn)象，當(dāng)然，實際電路是收斂的，設(shè)置初始值最通常的原因就是在兩個或更多的穩(wěn)定工作點中選擇一個，以便仿真順利進行。元件庫SimulationSymbols.lib中，包含了兩個特別的初始狀態(tài)定義符：

.NSNODESET。

.ICInitialCondition。

⒈節(jié)點電壓設(shè)置.NS

該設(shè)置使指定的節(jié)點固定在所給定的電壓下，仿真器按這些節(jié)點電壓求得直流或瞬態(tài)的初始解。該設(shè)置對雙穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)電路的計算收斂可能是必須的，它可使電路擺脫“停頓”狀態(tài)，而進入所希望的狀態(tài)。一般情況下，不必設(shè)置該項。對節(jié)點電壓設(shè)置的屬性對話框可如下設(shè)置：

Designator器件名稱，每個節(jié)點電壓設(shè)置必須有唯一的標識符，如NS1、NS2等。

PartType節(jié)點電壓的初始幅值，如12V。⒉初始條件設(shè)置.IC

該設(shè)置是用來設(shè)置瞬態(tài)初始條件的，不要把該設(shè)置和上述的設(shè)置相混淆。“.NS”只是用來幫助直流解的收斂，并不影響最后的工作點（對多穩(wěn)態(tài)電路除外）?！?IC”僅用于設(shè)置偏置點的初始條件，它不影響DC掃描。瞬態(tài)分析中的設(shè)置項中一旦設(shè)置了參數(shù)UseInitialConditions（.IC）時，瞬態(tài)分析就先不進行直流工作點的分析（初始瞬態(tài)值），因而應(yīng)在該“.IC”中設(shè)定各點的直流電壓。

初始狀態(tài)的設(shè)置共有三種途徑：“.IC”設(shè)置、“.NS”設(shè)置和定義器件屬性。在電路仿真中，如有這三種或兩種共存時，在分析中優(yōu)先考慮的次序是定義器件屬性、“.IC”設(shè)置、“.NS”設(shè)置。如果“.NS”和“.IC”共存時，則“.IC”設(shè)置將取代“.NS”設(shè)置。

4.4.2仿真分析設(shè)置⒈進入分析（Analysis）主菜單單擊“Simulate\Setup”命令，如左下圖所示。進入仿真器的設(shè)置，彈出“AnalysesSetup”對話框，如右下圖所示。在General選項中，設(shè)計者可以選擇分析類別。⒉瞬態(tài)特性分析（TransientAnalysis）

瞬態(tài)特性分析是從時間零開始，到用戶規(guī)定的時間范圍內(nèi)進行的。設(shè)計者可規(guī)定輸出開始到終止的時間長短和分析的步長，初始值可由直流分析部分自動確定，所有與時間無關(guān)的源，用它們的直流值，也可以在設(shè)計者規(guī)定的各元件上的電平值作為初始條件進行瞬態(tài)分析。在SIM99中設(shè)置瞬態(tài)分析的參數(shù)，通過激活“Transient/一步Fourier”標簽頁，可得如下頁圖所示的“設(shè)置瞬態(tài)分析／傅里葉分析參數(shù)”對話框。

⒊傅里葉分析（Fourier）

傅里葉分析是計算瞬態(tài)分析結(jié)果的一部分，得到基頻、DC分量和諧波。不是所有的瞬態(tài)結(jié)果都要用到，它只用到瞬態(tài)分析終止時間之前的基頻的一個周期。若PERIOD是基頻的周期，則PERIOD=1／FREQ，也就是說，瞬態(tài)分析至少要持續(xù)1／FREQ(s)。

⒋交流小信號分析（ACSmallSignalAnalysis）

交流小信號分析將交流輸出變量作為頻率的函數(shù)計算出來。先計算電路的直流工作點，決定電路中所有非線性器件的線性化小信號模型參數(shù)，然后在設(shè)計者所指定的頻率范圍內(nèi)對該線性化電路進行分析。

⒌直流分析（DCSweepAnalysis）

直流分析產(chǎn)生直流轉(zhuǎn)移曲線。直流分析將執(zhí)行一系列靜態(tài)工作點分析，從而改變前述定義所選擇電源的電壓。設(shè)置中，可定義或可選輔助源。

⒍蒙特卡羅分析（MonteCarloAnalysis）

蒙特卡羅分析是使用隨機數(shù)發(fā)生器按元件值的概率分布來選擇元件，然后對電路進行模擬分析。所以蒙特卡羅分析可在元器件模型參數(shù)賦給的容差范圍內(nèi)，進行各種復(fù)雜的分析，包括直流分析、交流及瞬態(tài)特性分析。這些分析結(jié)果可以用來預(yù)測電路生產(chǎn)時的成品率及成本等。

⒎掃描參數(shù)分析（ParameterSweepAnalysis）

掃描參數(shù)分析允許設(shè)計者以自定義的增幅掃描器件的值。掃描參數(shù)分析可以改變基本的器件和模式，但并不改變子電路的數(shù)據(jù)。

8.溫度掃描分析（TemperatureSweepAnalysis）

溫度掃描分析和交流小信號分析、直流分析及瞬態(tài)特性分析中的一種或幾種相連的。該設(shè)置規(guī)定了在什么溫度下進行模擬。如設(shè)計者給了幾個溫度，則對每個溫度都要做一遍所有的分析。

⒐傳遞函數(shù)分析(TransferFunctionAnalysis)

傳遞函數(shù)分析計算直流輸入阻抗、輸出阻抗，以及直流增益。⒑噪聲分析（NoiseAnalysis）

該設(shè)置是進行電路的噪聲分析。噪聲分析是同交流分析一起進行的。4.5運行仿真

4.5.1電路原理圖仿真分析基本方法步驟電路原理圖仿真分析基本方法步驟為：（1）設(shè)計電路原理圖文件；（2）設(shè)置SIM仿真環(huán)境；（3）運行仿真；（4）分析仿真結(jié)果。

4.5.2電路仿真舉例

1.單管放大電路的仿真分析（1）電路原理圖(下圖所示)

（2）仿真器進行設(shè)置仿真的設(shè)置視具體電路而定。本電路采用如下圖所示的仿真設(shè)置項，對電路進行直流工作點分析、瞬態(tài)分析分析。（3）運行仿真單擊RunAnalyses