第6章

電路仿真

6.1仿真元件庫6.2仿真設置6.3運行電路仿真電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》6.1仿真元件庫

Protel2004為設計者提供了大部分仿真元件，常用的仿真元件庫是MiscellaneousDevices.IntLib，仿真信號源的元件庫為SimulationSources.IntLib，仿真專用函數元件庫為SimulationSpecialFunction.IntLib，仿真數學函數元件庫為SimulationMathFunction.IntLib，信號仿真傳輸線元件庫為SimulationTransmissionLine.IntLib。電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》

一、常用仿真元件庫Protel2004為設計者提供了一個常用仿真元件庫，即MiscellaneousDevices.IntLib。該元件庫包括電阻、電容、電感、振蕩器、三極管、二極管、電池、熔斷器等多種常用元件，所有元件均定義了仿真特性，仿真時只要選默認屬性或者修改為自己需要的仿真屬性即可。電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》

二、仿真信號源元件庫

1．直流源在庫SimulationSources.IntLib中，包含了如下的直流源元件：(1)VSRC直流電壓源。(2)ISRC直流電流源。仿真庫中的直流電壓源和直流電流源符號如圖6.1所示。

圖6.1直流電壓源和直流電流源

電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》2．正弦仿真源

在庫SimulationSources.IntLib中，包含了如下的正弦源元件：(1)VSIN正弦電壓源。(2)ISIN正弦電流源。

仿真庫中的正弦電壓源和正弦電流源符號如圖6.2所示，通過這些仿真源可創建正弦電壓和正弦電流源。圖6.2正弦電壓源和正弦電流源電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》3．周期脈沖源在庫SimulationSources.IntLib中，包含了如下的周期脈沖源元件：(1)VPULSE電壓周期脈沖源。(2)IPULSE電流周期脈沖源。利用這些源可以創建周期性的連續的脈沖。周期脈沖源的符號如圖6.3所示。圖6.3周期脈沖源電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》

4．分段線性源在庫SimulationSources.IntLib中，包含了如下的分段線性源元件；(1)VPWL分段線性電壓源。(2)IPWL分段線性電流源。圖6.4是仿真庫中的分段線性源符號，使用該分段線性源可以創建任意形狀的波形。

圖6.4分段線性源電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》

5．指數激勵源在庫SimulationSources.IntLib中，包含了如下的指數激勵源器件：(1)VEXP指數激勵電壓源。(2)IEXP指數激勵電流源。通過這些指數激勵源可創建帶有指數上升沿或下降沿的脈沖波形。圖6.5中是仿真庫中的指數激勵源器件。

圖6.5指數激勵源

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6.單頻調頻源在庫SimulationSources.IntLib中，包含了如下的單頻調頻源器件：（1）VSFFM單頻調頻電壓源。（2）ISFFM單頻調頻電流源。

通過單頻調頻源可創建一個單頻調頻波。圖6.6所示為仿真庫中的單頻調頻源器件。

圖6.6單頻調頻源電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》

7.線性受控源在庫SimulationSources.IntLib中，包含了如下的線性受控源器件：（1）HSRC線性電流控制電壓源。（2）GSRC線性電壓控制電流源。（3）FSRC線性電流控制電流源。（4）ESRC線性電壓控制電壓源。圖6.7是仿真器中的線性受控源器件。圖6.7線性受控源器件

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8.非線性受控源在庫SimulationSources.IntLib中，包含了如下的非線性受控源器件：（1）BVSRC非線性受控電壓源。（2）BISRC非線性受控電流源。圖6.8是仿真器中包括的非線性受控源器件。

圖6.8非線性受控源符號

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三、仿真專用函數元件庫

SimulationSpecialFunction.IntLib元件庫中的元件是一些專門為信號仿真而設計的函數元件庫，該元件庫提供了常用的運算函數，比如增益、加、減、乘、除、求和、壓控振蕩源等專用的元件。電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》

四、仿真數學函數元件庫

SimulationMathFunction.IntLib元件庫中主要是一些仿真數學函數元件，比如求正弦、余弦、絕對值、反正弦、反余弦、開方等數學計算的函數，使用這些函數可以對仿真電路中的信號進行數學計算，從而獲得自己需要的仿真信號。電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》

五、信號仿真傳輸線元件庫

SimulationTransmissionLine.IntLib元件庫中主要包括三個信號仿真傳輸線元件，即URC(均勻分布傳輸線)、LTRA(有損耗傳輸線)、LLTRA(無損耗傳輸線)元件，如圖6.9所示。圖6.9傳輸線類型

電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》(1)LLTRA(無損耗傳輸線)該傳輸線是一個雙向的理想的延遲線，有兩個端口。節點定義了端口的正電壓的極性。(2)LTRA(有損耗傳輸線)單一的損耗傳輸線將使用兩端口響應模型，這個模型屬性包含了電阻值、電感值、電容值和長度，這些參數不可能直接在原理圖文件中設置，但設計者可以創建和引用自己的模型文件。(3)URC(均勻分布傳輸線)分布RC傳輸線模型(即URC模型)是由L.Gertzberrg在1974年所提出的模型上導出的。模型由URC傳輸線的子電路類型擴展成內部產生節點的集總RC分段網絡而獲得。RC各段在幾何上是連續的。URC線必須嚴格地由電阻和電容段構成。

電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》六、元件仿真屬性編輯在電路仿真時，所有元件必須具有仿真屬性，假設當前元件沒有定義仿真屬性，則使用鼠標雙擊該元件，打開“元件屬性”對話框后，在元件的模式列表框中不會顯示Simulation屬性，如圖6.10所示。

圖6.10“元件屬性”對話框

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(1)為了使元件具有仿真特性，可以按“Models”列表框下的按鈕，系統將彈出如圖6.11所示的“添加新模式”對話框。(2)在圖6.11所示對話框中選擇Simulation(仿真)類型，單擊按鈕，系統會打開如圖6.12所示的仿真模式參數設置對話框。

圖6.11“添加新模式”對話框圖6.12仿真模式參數設置對話框

電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》七、仿真源工具Protel2004還為仿真設計提供了一個仿真源工具，方便設計者進行仿真設計操作，執行選單命令View\Toolbars\Utilities，就可以顯示實用工具欄，單擊實用工具欄中的按鈕，即可顯示圖6.13所示的仿真源工具命令。在仿真設計時，可以直接從該工具命令中選取元件添加到原理圖中。

圖6.13仿真源工具命令電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》6.2仿真設置

設置初始狀態是為計算偏置點而設定一個或多個電壓值(或電流值)。在分析模擬非線性電路、振蕩電路及觸發器電路的直流或瞬態特性時，常出現解的不收斂現象，當然實際電路是有解的，其原因是點發散或收斂的偏置點不能適應多種情況。設置初始值最通常的原因就是在兩個或更多的穩定工作點中選擇一個，使仿真順利進行。電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》

一、節點電壓(NS)設置該設置使指定的節點固定在所給定的電壓下，仿真器按這些節點電壓求得直流或瞬態的初始解。該設置對雙穩態或非穩態電路收斂性的計算是必需的，它可使電路擺脫“停頓”狀態。一般情況下，設置是不必要。節點電壓可以在元件屬性對話框中設置，即打開如圖6.10所示的對話框后，對元件仿真屬性進行編輯。接著進行仿真模式參數設置，系統打開如圖6.12所示的對話框，在ModelKind下拉列表中選中InitialCondition選項，然后在ModelSub-Kind列表框中選擇InitialNodeVoltageGuess選項，然后進入Parameters標簽頁設置其初始值。電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》

二、初始條件(IC)設置該設置是用來設置瞬態分析初始條件的，不要把該設置和上述的設置相混淆。NS只是用來幫助直流解的收斂，并不影響最后的工作點(對多穩態電路除外)。IC僅用于設置偏置點的初始條件，它不影響DC掃描。瞬態分析中，一旦設置了參數UseInitialConditions和IC時，瞬態分析就先不進行直流工作點的分析(初始瞬態值)，因而應在IC中設定各點的直流電壓。如果瞬態分析中沒有設置參數UseInitialConditions，那么在瞬態分析前計算直流偏置(初始瞬態)解。這時，IC設置中指定的節點電壓僅當作求解直流工作點時相應的節點的初始值。仿真元件的初始條件設置與節點電壓的設置類似。電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》

Protel2004在庫SimulationSources.IntLib中提供了兩個特別的初始狀態定義符，如圖6.14所示。

圖6.14節點電壓和初始條件狀態定義符(1).NS即NODESET。(2).IC即InitialCondition（初始條件）。只要向當前的仿真原理圖添加這兩個元件符號，然后進行設置，即可實現整個仿真電路的節點電壓和初始條件的設置。初始狀態的設置共有三種途徑：“.IC”設置、“.NS”設置定義元件屬性。在電路仿真時中，如有這三種或兩種共存時，在分析中優先考慮的次序是：定義元件屬性、“.IC”設置、“.NS”設置。如果“.NS”和“.IC”共存時，則“.IC”設置將取代“.NS”設置。電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》

三、仿真器的設置1．進入分析(Analysis)主選單

(1)執行Design\Simulate\MixedSim命令，進入電路“仿真分析設置”對話框，如圖6.15所示。圖6.15“仿真分析設置”對話框

電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》(2)選擇GeneralSetup選項，那么在對話框中顯示的是仿真分析的一般設置，如圖6.15所示。設計者可以選擇分析對象，在AvailableSignals列表中顯示的是可以進行仿真分析的信號；ActiveSignals列表框中顯示的是激活的信號，即將要進行仿真分析的信號；按和按鈕可設置激活的信號。

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2．瞬態特性分析瞬態特性分析(TransientAnalysis)是從時間零開始，到設計者規定的時間范圍內進行的。設計者可規定輸出的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，所有與時間無關的源，用它們的直流值，也可以用設計者規定的各元件的電平值作為初始條件進行瞬態分析。在Protel2004中設置瞬態分析的參數，可以通過激活Transient／FourierAnalysis選項，在如圖6.16所示的“瞬態分析／傅里葉分析參數設置”對話框進行設置。電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》

圖6.16“瞬態分析／傅里葉分析參數設置”對話框電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》瞬態分析的輸出是在一個類似示波器的窗口中，在設計者定義的時間間隔內計算變量瞬態輸出電流或電壓值。如果不使用初始條件，則靜態工作點分析將在瞬態分析前自動執行，以測得電路的直流偏置。瞬態分析通常從時間零開始。在時間零和開始時間(StartTime)之間，瞬態分析照樣進行，但并不保存結果。在開始時間(StartTime)和終止時間(StopTime)的間隔內將保存結果，用于顯示。電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》步長(StepTime)通常是用在瞬態分析中的時間增量。實際上，步長設置不是固定不變的。采用變步長，是為了自動完成收斂。最大步長(MaxStepTime)限制了分析瞬態數據時的時間片的變化量。瞬態分析中，如果選擇了UseInitialConditions選項，則瞬態分析就先不進行直流工作點的分析(初始瞬態值)，因而應在IC中設定各點的直流電壓。電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》仿真時，如果設計者并不確定所需輸入的值，可選擇默認值，從而自動獲得瞬態分析用參數。開始時間(StartTime)一般設置為零。StopTime、StepTime和MaxStepTime與顯示周期(CyclesDisplayed)、每周期中的點數(PointsPerCycle)以及電路激勵源的最低頻率有關。如選中UseTransientDefaults選項，則每次仿真時將使用系統默認的設置。電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》

3.傅里葉分析傅里葉分析(FourierAnalysis)是計算瞬態分析結果的一部分，得到基頻、DC分量和諧波。不是所有的瞬態分析結果都要用到，只用到瞬態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即瞬態分析至少要持續1／FREQ(s)。電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》如圖6.16所示，要進行傅里葉分析，必須選中Transient／FourierAnalysis選項。在此對話框中，可設置傅里葉分析的參數：●選中EnableFourier，則可以進行傅里葉分析。●FourierFundamentalFrequency：設置傅里葉分析的基頻。●FourierNumberofHarmonics：設置所需要的諧波數。傅里葉分析中的每次諧波的幅值和相位信息將保存在Filename.sim文件中。

電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》4.直流掃描分析

直流掃描分析(DCSweepAnalysis)產生直流轉移曲線。在Protel2004仿真時，通過激活DCSweepAnalysis選項，可得如圖6.17所示的“直流分析參數設置”對話框。

圖6.17“直流分析參數設置”對話框

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圖6.17中的PrimarySource定義了電路中的主電源，選中EnableSecondary選項可以使用從電源。Primary／SecondaryStart，Primary／SecondaryStop和Primary／SecondaryStep定義了主/從電源的掃描范圍和步長。電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》4.交流小信號分析交流小信號分析(ACSmallSignalAnalysis)將交流輸出變量作為頻率的函數計算出來。先計算電路的直流工作點，決定電路中所有非線性元件的線性化小信號模型參數，然后在設計者所指定的頻率范圍內對該線性化電路進行分析。交流小信號分析所希望的輸出通常是一個傳遞函數，如電壓增益、傳輸阻抗等。

電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》在Protel2004仿真時，設置交流小信號分析的參數，可以通過激活ACSmallSignalAnalysis選項，打開如圖6.18所示的“交流小信號分析參數設置”對話框。圖6.18“交流小信號分析參數設置”對話框電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》圖中的掃描類型(SweepType)和測試點數目(TestPoints)決定了頻率的增量。掃描類型共有三種選擇：1）Linear定義掃描中線性遞增的測試點數。2）Decade定義掃描中以10的倍數遞增的測試點數。3）Octave定義掃描中以8的倍數遞增的測試點數。在進行交流小信號分析前，原理圖必須包括至少一個交流源，且該交流源已適當設置。電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》5.噪聲分析噪聲分析(NoiseAnalysis)是同交流分析一起進行的。電路中產生噪聲的元件有電阻器和半導體元件，對每個元件的噪聲源，在交流小信號分析的每個頻率上計算出相應的噪聲，并傳送到一個輸出節點，所有傳送到該節點的噪聲進行RMS(均方根)值相加，就得到了指定輸出端的等效輸出噪聲。同時計算出從輸入源到輸出端的電壓(電流)增益，由輸出噪聲和增益就可得到等效輸入噪聲值。電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》設置噪聲分析的參數，可激活NoiseAnalysis選項，打開如圖6.19所示的“噪聲分析設置”對話框來操作。圖6.19“噪聲分析設置”對話框電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》6.傳遞函數分析傳遞函數分析(TransferFunctionAnalysis)用來計算直流輸入阻抗、輸出阻抗以及直流增益。設置傳遞函數分析的參數，可激活TransferFunctionAnalysis選項，打開如圖6.20所示的“傳遞函數分析”對話框進行操作。圖6.20“傳遞函數分析”對話框SourceName中定義了參考的輸入源；ReferenceNode設置了參考源的節點。

電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》7.掃描溫度分析

設置掃描溫度分析的參數，可通過激活TemperatureSweep選項，打開如圖6.21所示的“掃描溫度分析”對話框進行操作。圖6.21“掃描溫度分析”對話框

●Start/StopTemperature定義了掃描的范圍，StepTemperature定義了掃描的步幅。●在仿真中，如要進行掃描溫度分析，則必須定義相關的標準分析。

電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》8.參數掃描分析參數掃描分析(ParameterSweepAnalysis)允許設計者以自定義的增幅掃描元件的值。掃描參數分析可以改變基本的元件和模式，但并不改變子電路的數據。設置參數掃描分析的參數，可通過激活ParameterSweep選項，可打開如圖6.22所示的“參數掃描分析”對話框進行操作。電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》

圖6.22“掃描參數分析”對話框電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》在SweepVariable(參數域)中輸入參數，該參數可以是一個單獨的標識符，如R1；也可以是帶有元件參數的標識符，如R1[resistance]，可以直接從下拉列表中選擇。StartValue和StopValue定義了掃描的范圍，StepValue定義了掃描的步幅。設計者可以在SweepType(掃描類型)項中選擇掃描類型。如果選擇了UseRelativeValues選項，則將設計者輸入的值添加到已存在的參數中或作為默認值。電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》9.蒙特卡羅分析蒙特卡羅分析(MonteCarloAnalysis)是使用隨機數發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。蒙特卡羅分析可在元件模型參數賦給的容差范圍內，進行各種復雜的分析，包括直流分析、交流及瞬態特性分析。這些分析結果可以用來預測電路生產時的成品率及成本等。電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》在Protel2004仿真時，激活MonteCarloAnalysis選項打開如圖6.23所示的“蒙特卡羅分析參數設置”對話框，進行蒙特卡羅直流分析參數設置。圖6.23“蒙特卡羅分析參數設置”對話框電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》蒙特卡羅分析是用來分析在給定電路中各元件容差范圍內的分布規律，然后用隨機數對各元件取值。Protel2004中元件的分布規律(Distribution)有：●Uniform：平直分布，元件值在定義的容差范圍內統一分布。●Gaussian：高斯曲線分布，元件值的定義中心值加上容差±3，在該范圍里呈高斯分布。●WorstCase：與Uniform類似，但只使用該范圍的結束點。對話框中的NumberofRuns選項，為設計者定義的仿真數，如定義10次，則將在容差允許范圍內，每次運行將使用不同的元件值來仿真10次。設計者如果希望用一系列的隨機數來仿真，則可設置Seed選項，該項的默認值為-1。電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》6.3運行電路仿真一般來說，要對電路圖進行仿真分析，

應使其包含以下的必要信息：

①所有的元器件和部件須引用適當的仿真器件模型；

②必須放置和連接可靠的激勵信號源，以便仿真過程中驅動整個電路；

③在需要繪制仿真數據的節點處必須添加網絡標號；

④如果必要的話，必須定義電路的仿真初始條件。電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》

一、對電路圖進行仿真分析的方法步驟

采用Protel2004進行混合信號仿真的設計流程如圖6.24所示。

圖6.24電路仿真一般流程

電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》設計仿真原理圖步驟為：

（1）調用元件庫

仿真元件庫存放有多種原理圖仿真元件。設計仿真原理圖時，一定要先加載仿真元件庫，仿真元件庫存放路徑為Altium＼Library＼Simulation，仿真元件庫如圖6.25所示。圖6.25仿真元件庫電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》

（2）選擇仿真用原理圖元件

原理圖中所放置的所有部件都必須包含特別的仿真信息。一般情況下是引用適當的Spice器件模型。

（3）放置元件連接線路（4）添加激勵源和網絡標號

在電路實施仿真之前，一定要給所設計電路添加合適的激勵源，以便仿真器進行仿真。同時在需要觀測輸出波形的節點處，定義網絡標號，以便于仿真器的識別。（5）實施仿真

在設計好仿真原理圖后，先對該原理圖進行ERC檢查，如有錯誤，返回到原理圖設計中進行修正，直至完全正確。接著，設計者就可以對仿真器設置，確定對原理圖進行何種仿真分析，并設置分析所用的參數。設置不正確，仿真器可能在仿真前報告警告信息，仿真后將仿真過程中的錯誤寫入Filename.err文件中。電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》

二、電路仿真舉例1.模擬電路仿真實例：簡易整流穩壓電路的仿真分析(1)設計仿真原理圖文件

圖6.26整流穩壓電源

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（2）執行選單命令Design\Simulate\MixedSim，彈出“AnalysesSetup”對話框，如圖6.29所示。我們選擇對電路進行直流工作點分析和瞬態分析，觀察A、B、in和Out等4點的分析結果。

圖6.29整流穩壓電路的仿真設置電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》

（3）設置完以后，單擊按鈕開始仿真，不一會系統會彈出一個運行仿真的消息框“Message”，如圖6.30所示。若“Message”框的內容無錯誤或警告提示，說明仿真運行成功。圖6.30運行仿真的消息框“Message”

電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》當仿真完成后，仿真器輸出“*.sdf”文件，顯示仿真分析波形，圖6.31所示顯示的瞬態分析波形。當

“*.sdf”文件處于打開時，通過選單命令和工具欄可對顯示圖形及表格進行分析和編輯。單擊下面的“OperationPoint”標簽，會顯示直流工作點分析結果，如圖6.32所示。圖6.31瞬態分析波形顯示圖6.32直流工作點分析結果電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》

（4）在仿真的過程中，系統會同時創建SPICE網絡表。仿真分析后，仿真器就生成一個后綴為“.nsx”的文件，“.nsx”文件為原理圖的SPICE模式表示。如圖6.33所示。圖6.33仿真器生成的“.nsx”文件

電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》（5）設計者通過仿真結果完善原理圖設計。輸出“*.sdf”文件顯示了一系列的波形，設計者借助這些波形，可以很方便地發現設計中的不足和問題。從而，不必經過實際的制板，就可修正原理圖存在的不足。電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》2.數字電路仿真實例：

雙穩態電路仿真分析（1）繪制原理圖繪制好的雙穩態電路如圖6.34所示。圖6.34雙穩態電路電子線路計算機輔助設計（Protel2004）(第2版）》

（2）執行選單命令Design\Simulate\MixedSim，彈出“AnalysesSetup”對話框，如圖6.37所示。我們選擇對電路進行