摘? 要: 針對(duì)Protel99SE的數(shù)字電路模型" title="電路模型">電路模型不適用于脈沖電路" title="脈沖電路">脈沖電路仿真的缺陷，通過實(shí)例論述了用創(chuàng)建子電路模型和創(chuàng)建層次式模塊電路來實(shí)現(xiàn)脈沖電路的仿真測試。
關(guān)鍵詞: 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化? Protel99SE? 仿真? 子電路? 層次式電路
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Protel設(shè)計(jì)系統(tǒng)作為電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)軟件中的佼佼者，一直受到廣泛的歡迎。Protel99SE是Protel公司2000年推出的最新版本，內(nèi)部集成了功能強(qiáng)大的模數(shù)混合仿真器，采用Spice仿真內(nèi)核，含有豐富的器件模型庫，能快速簡便地實(shí)現(xiàn)大部分模擬電路和數(shù)字電路" title="數(shù)字電路">數(shù)字電路的仿真[1～2]。且仿真結(jié)果十分精確，提高了電路設(shè)計(jì)的效率和效益。由于Protel99SE的數(shù)字電路(門電路" title="門電路">門電路)模型沒有采用Spice模型，而是采用類C語言(Digital Sim code)編寫，它只注意到電路的輸入與輸出邏輯電平值，而對(duì)門電路的輸入輸出阻抗考慮不夠，從而導(dǎo)致這些模型不適用于輸入、輸出電流較大的數(shù)字電路的仿真。在脈沖電路中，由門電路構(gòu)成的對(duì)稱式多諧振蕩器和微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等電路的輸入、輸出電流都較大，如果直接調(diào)用仿真庫內(nèi)的器件設(shè)計(jì)這些電路并進(jìn)行仿真，結(jié)果將是失敗的。然而，Protel99SE提供了開放的仿真器件庫維護(hù)環(huán)境，用戶可創(chuàng)建新器件模型，它還支持層次式電路的設(shè)計(jì)與仿真。基于這兩點(diǎn)，筆者探索出兩種適合于脈沖電路的仿真方法，其結(jié)果是令人滿意的。
1 創(chuàng)建門電路的子電路模型
直接調(diào)用仿真庫內(nèi)的器件導(dǎo)致仿真失敗的原因是Protel99SE仿真庫內(nèi)的模型不能完整和全面地描述電路的性能。為此，有必要為門電路建立符合要求的子電路模型。下面以TTL電路中的四二輸入與非門T1000為例，介紹子電路模型的建立步驟和方法。
第一步，按圖1畫出門電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。根據(jù)所選器件的有關(guān)參數(shù)(如門電路的延遲時(shí)間、功耗等)選取三極管及電阻等元件，畫出子電路圖。其中多發(fā)射極三極管用兩個(gè)三極管Q1和Q2并聯(lián)代替，RX是為了避免電氣規(guī)則檢查(ERC)出錯(cuò)而設(shè)置的，若短路RX，則在進(jìn)行電氣規(guī)則檢查時(shí)會(huì)報(bào)告出錯(cuò)信息，但并不影響仿真。
第二步，在電路中標(biāo)出有關(guān)節(jié)點(diǎn)。如圖1中的a、b、c、d、e五個(gè)節(jié)點(diǎn)。
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第三步，創(chuàng)建器件電路符號(hào)并完成相關(guān)工作。Protel 99 SE仿真器件的電路符號(hào)、參數(shù)、管腳等信息存放在Design Explorer99SELibrarySchSim.ddb仿真元器件庫中。Protel99SE的仿真器將在此讀取器件的有關(guān)信息。需要做的工作有如下幾項(xiàng):
(1)創(chuàng)建仿真元件庫文件。打開數(shù)據(jù)庫文件Design Explorer 99 SELibrarySchSim.ddb，創(chuàng)建新文件T1000.Lib。
(2)畫元器件符號(hào)并為器件命名。打開文件T1000.Lib，進(jìn)入元器件符號(hào)編輯界面，單擊右鍵，用Tools—Rename Component將器件命名為T1000。畫出T1000的電路符號(hào)，并編排好引腳，用Tools—New Part創(chuàng)建四個(gè)子件1/4、2/4、3/4、4/4。各個(gè)子件的引腳排列與74LS00相同，即在一個(gè)封裝內(nèi)集成四個(gè)與非門，如圖2所示。
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(3)在Browse schlib頁面，單擊Description按鈕，并切換到Designator頁面，在Default區(qū)域中填人放置器件的缺省名稱“U?”，在Designator域中填入TTLGATE，在Foot Print 1域中填入Dip14。再切換到Library Fields頁，為Text Field 1—Text Field 5各個(gè)區(qū)域填寫如下相應(yīng)內(nèi)容:
Text Field 1:Type=SUBCKT(X); 此域定義T1000為子電路。
Text Field 2:model=T1000;??? 此域?qū)⒋俗与娐返哪Ｐ兔x為T1000。
Text Field 3:file={model_path}TTLGATET1000.ckt;此域指出模型文件存放的路徑及文件名。
Text Field 4:pins=1：[1，2，3，14，7]2：[4，5，6，14，7]3：[10，9，8，14，7]4：[13，12，11，14，7];此域定義各子件的管腳分配及管腳排列順序。引腳排列順序必須與模型文件中子電路定義語句所定義的節(jié)點(diǎn)排列順序相對(duì)應(yīng)。
Text Field 5:netlist = %D%1%2%3%4%5%M;此域包含Spice網(wǎng)絡(luò)表的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。其含義可參見參考文獻(xiàn)[4]～[5];該頁的其余區(qū)域可不填。Part Field Name項(xiàng)不用設(shè)置。
第四步，創(chuàng)建器件模型文件。
Protel 99SE的模型文件存放在Design Explorer 99 SELibrarySimSimulation? Model.ddb仿真文件夾中。首先在此數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建文件夾TTLGATE，再創(chuàng)建文件T1000.ckt。Spice語言規(guī)定子電路的擴(kuò)展名為ckt。根據(jù)圖1按Spice模型文件規(guī)范編寫此文件是一件較煩瑣的事情，未能體現(xiàn)Protel的優(yōu)點(diǎn)。下面介紹一種簡便方法:將圖1中的節(jié)點(diǎn)e的標(biāo)號(hào)“e”去掉，并在此節(jié)點(diǎn)上放置接地符號(hào)(0)，單擊Simulate/Create Spice Netlist按鈕，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成Spice網(wǎng)表文件T1000.nsx。將文件中的注釋行和命令行刪除，將節(jié)點(diǎn)0改為節(jié)點(diǎn)e，在文件的最前面添加一行子電路命令語句:.SUBCKT T1000 a b c d e，將文件的最后一句由.END改為.ENDS T1000(子電路結(jié)束語句)，最后將此文件內(nèi)容復(fù)制到新建的子電路模型文件T1000.ckt之中。得到的新器件的模型文件如下所示:
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????修改后的模型文件需重新啟動(dòng)一次系統(tǒng)才能生效。
通過以上幾步即建立了可用于仿真的新器件T1000(T1000系列四二輸入與非門)，用同樣的方法可創(chuàng)建其它門電路及其仿真模型。
2 用新建的器件模型仿真調(diào)試對(duì)稱式多諧振蕩器
由與非門構(gòu)成的對(duì)稱式多諧振蕩器如圖3所示，圖中的與非門T1000就是新建的器件。電路的繪制必須符合Protel99SE仿真電路圖的規(guī)范。
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在仿真設(shè)置對(duì)話框中選擇仿真類型(瞬態(tài)分析)并完成仿真步長(盡量小一些為好)及收集信號(hào)等設(shè)置，單擊RUN按鈕，得到仿真結(jié)果如圖4所示。由圖可測出振蕩周期約為98.768μs(啟動(dòng)測量光標(biāo)測量)，與理論計(jì)算及硬件實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，其它指標(biāo)也與理論分析及硬件實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。
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新建的電路模型不僅可用于脈沖電路的仿真與調(diào)試，它同樣適用于組合電路和時(shí)序電路的仿真與測試，比Protel99SE仿真庫中的門電路模型有更廣泛的適用性。當(dāng)然，模型的精度對(duì)仿真的精度有較大的影響，要提高精度，則要對(duì)子電路進(jìn)行測試并調(diào)整元件及參數(shù)使之滿足要求。
3 用層次式電路仿真" title="電路仿真">電路仿真脈沖電路
Protel99SE具有創(chuàng)建層次式電路的功能，下面以微分型單穩(wěn)態(tài)電路為例介紹用層次式電路圖仿真脈沖電路的方法與步驟。
(1)按圖5、圖6、圖7創(chuàng)建層次式電路和次級(jí)電路，完成單穩(wěn)態(tài)電路的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，上層電路及下層電路的節(jié)點(diǎn)必須標(biāo)出網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，且網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)應(yīng)與端口名稱相同;各次級(jí)電路的元件序號(hào)不能重復(fù);各電路圖的圖號(hào)必須設(shè)置為不同的值(在Document options菜單中，選擇Organizition標(biāo)簽頁進(jìn)行設(shè)置)，否則，進(jìn)行電器規(guī)則檢查(ERC)時(shí)會(huì)報(bào)告錯(cuò)誤，如沒有設(shè)置圖紙?zhí)枙r(shí)的錯(cuò)誤報(bào)告為#1 Error Duplicate Sheet Numbers 0 *.sch And *.sch。當(dāng)然，有些錯(cuò)誤的存在并不影響仿真(如#1錯(cuò)誤)。有關(guān)建立層次式電路的詳細(xì)介紹請參閱參考文獻(xiàn)[3]。
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(2)設(shè)置激勵(lì)源的屬性。激勵(lì)脈沖的幅度應(yīng)符合TTL電平規(guī)范，AC和DC屬性及相應(yīng)延遲可不設(shè)置;上升時(shí)間(Rise Time)、下降時(shí)間(Full Time)、延遲時(shí)間(Delay Time)必須設(shè)置為大于0的值，否則仿真失敗;激勵(lì)脈沖的周期必須根據(jù)電路輸出的脈沖寬度TW及電路的恢復(fù)時(shí)間Tre決定，其值必須大于電路的分辨時(shí)間。
(3)設(shè)置好仿真類型(瞬態(tài)分析)、仿真步長和仿真時(shí)間等選項(xiàng)，并選取要觀察的信號(hào)。
(4)單擊Simulate/Run按鈕，得仿真波形如圖8所示。
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由圖8可見，輸出脈寬為TW=7.0013μs(啟動(dòng)測量光標(biāo)測量)，這與理論分析及硬件實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。各點(diǎn)波形也與理論分析及硬件實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相同。
層次式電路仿真脈沖電路的方法同樣適宜于其它電路的仿真。
上述兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，用子電路模型仿真的方法適用于器件被重復(fù)多次調(diào)用的情況，有一勞永逸之感;缺點(diǎn)是建模較煩瑣。層次式電路仿真的方法的優(yōu)點(diǎn)是只需畫出電路圖而不需創(chuàng)建電路模型，其缺點(diǎn)是次級(jí)電路不能被重復(fù)使用，若要重復(fù)調(diào)用次級(jí)電路，則必須先將重復(fù)性層次式電路轉(zhuǎn)化為一般性層次式電路[6]。實(shí)驗(yàn)表明，用上述兩種方法不僅能較好地實(shí)現(xiàn)脈沖電路的仿真，也能用于其它數(shù)字電路和數(shù)模混合電路的仿真與調(diào)試，且仿真結(jié)果的誤差極小，能較好地指導(dǎo)電路設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。上述兩種方法也存在一點(diǎn)不足之處，那就是電路的傳輸延遲時(shí)間TPLH 較長。可仔細(xì)調(diào)整三極管等元件的參數(shù)，從而減小延遲時(shí)間，使用時(shí)必須加以注意。
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參考文獻(xiàn)
1 梁恩主. Protel99SE電路仿真.計(jì)算機(jī)自動(dòng)測量與控制，2000；8(5):59～60
2 吳 霞，盧 颯.用Protel99實(shí)現(xiàn)電子電路仿真分析與設(shè)計(jì).電子技術(shù)，2001(11):60～62
3 梁恩主， 梁恩維. Protel99SE電路設(shè)計(jì)與仿真應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社，2000：311～322.
4 孫全意，丁立波，張 合.三種電路仿真軟件比較及器件模型加入方法. 半導(dǎo)體技術(shù)，2001(6):42～45
5 程 涵.如何修改Protel99SE仿真庫及仿真模型. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，2001;10:42～45.
6 清源計(jì)算機(jī)工作室. Protel99SE電路設(shè)計(jì)與仿真. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001:82～83