6基于图表的仿真.docx

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6基于图表的仿真

第6章基于图表的仿真5

6.1介绍5

6.2建立一个基于图表的仿真5

6.2.1概况5

6.2.2绘制电路5

6.2.3放置探针和发生器5

6.2.4放置图表6

6.2.5在图表中添加轨迹6

6.2.6仿真过程7

6.3图表对象8

6.3.1概况8

6.3.2当前图表8

6.3.3放置图表8

6.3.4编辑图表8

6.3.5在图表中添加轨迹8

6.3.6添加曲线命令对话框9

6.3.7图表轨迹编辑10

6.3.8改变轨迹的顺序或颜色10

6.3.9手工Y轴设置10

6.4仿真过程11

6.4.1命令驱动仿真11

6.4.2执行仿真11

6.4.3仿真开始后发生的事件12

第7章分析类型13

7.1介绍13

7.2模拟信号瞬态分析14

7.2.1概述14

7.2.2计算方法14

7.2.3使用模拟图表14

7.2.4定义模拟轨迹表达式15

7.3数字信号瞬态分析16

7.3.1概述16

7.3.2计算方法16

7.3.3使用数字图表17

7.3.4数字数据的显示17

7.4混合模式瞬态分析18

7.4.1概述18

7.4.2计算方法18

7.4.3使用混合图表19

7.5频率分析19

7.5.1概述19

7.5.2计算方法19

7.5.3使用频率图表20

7.6DC扫描分析21

7.6.1概述21

7.6.2计算方法22

7.6.3使用DC扫描分析图表22

7.7AC扫描分析23

7.7.1概述23

7.7.2计算方法23

7.7.3使用AC扫描图表23

7.8DC转移曲线分析24

7.8.1概述24

7.8.2计算方法24

7.8.3使用AC扫描图表24

7.9噪声分析25

7.9.1概述25

7.9.2计算方法26

7.9.3使用噪声分析图表26

7.10失真分析26

7.10.1概述26

7.10.2计算方法27

7.10.3使用失真分析图表27

7.11傅立叶分析27

7.11.1概述27

7.11.2分析方法27

7.11.3使用傅立叶分析图表28

7.12音频分析28

7.12.1概述28

7.12.2分析方法28

7.12.3使用音频分析图表28

7.13交互式分析29

7.13.1概述29

7.13.2计算方法29

7.13.3使用交互式分析图表29

7.14数字一致性分析30

7.14.1概述30

7.14.2分析方法30

7.14.3使用数字一致性分析图表30

第8章激励源和探针33

8.1激励源33

8.1.1概述33

8.1.2放置激励源33

8.1.3编辑激励源34

8.1.4直流激励源34

8.1.5正弦激励源34

8.1.6脉冲激励源35

8.1.7指数激励源35

8.1.8单频率调频激励源36

8.1.9分段线性激励源36

8.1.10文件激励源37

8.1.11音频激励源37

8.1.12数字激励源37

8.2探针38

8.2.1概述38

8.2.2探针放置38

8.2.3探针设置39

第9章SPICE模型的应用40

9.1前言40

9.2使用一个SPICE模型（模型卡）41

9.3SPICE模型库41

9.4*SPICE脚本42

9.5模型仿真失败的处理42

第10章进阶43

10.1温度模型43

10.2固化模型数据43

10.3地和电源范围43

10.3.1为什么需要一个地43

10.3.2电源44

10.4初始条件45

10.4.1前言45

10.4.2设定一个网络的初始条件46

10.4.3设定器件的初始条件46

10.4.4NS（NODESET）属性46

10.4.5PRECHARGE属性47

10.5数字仿真范例47

10.5.1九态逻辑47

10.5.2不确定状态48

10.5.3浮空输入行为48

10.5.4毛刺的处理48

10.6混合模式接口模型（ITFMOD）50

10.6.1概述50

10.6.2使用ITFMOD属性51

10.7录音机和电路分区52

10.7.1概述52

10.7.2单个部分的仿真52

10.7.3录音机对象52

10.7.4录音机模式53

10.8仿真控制属性54

10.8.1概述54

10.8.2误差属性54

10.8.3MOSFET属性54

10.8.4迭代属性54

10.8.5温度属性55

10.8.6数字仿真器属性55

10.9仿真模型的类型56

10.9.1如何描述器件含有模型56

10.9.2原型模型（PrimitiveModels）57

10.9.3原理图型模型（SchematicModels）57

10.9.4VSM模型（VSMModels）57

10.9.5SPICE模型（SPICEModels）58

10.10如何提高交互仿真的速度58

10.10.1前言58

10.10.2使用数字的电阻和二极管模型58

10.10.3优化外部RAM和ROM的访问60

第6章基于图表的仿真

6.1介绍

交互式仿真有很多优势，但在很多场合需要捕捉图表来进行细节分析。

基于图表的仿真是可以做很多的图形分析：

比如小信号交流分析，噪声分析及扫描参数分析等。

*PROTEUS用户只有在购买ASF模块后才能做基于图表的仿真。

6.2建立一个基于图表的仿真

6.2.1概况

基于图表的仿真过程建立有5个主要阶段。

✧绘制仿真原理图。

✧在监测点放置探针。

✧放置需要的仿真分析图表，比如：

用频率图表显示频率分析。

✧将信号发生器或检测探针添加到图表当中。

✧设置仿真参数（比如运行时间），进行仿真。

6.2.2绘制电路

在ISIS中输入需要仿真的电路；电路图的绘制技巧在ISIS手册中有详细的介绍。

6.2.3放置探针和发生器

仿真过程的第二阶段是在监测点放置信号发生器及探针。

探针、信号发生器和其他元件，终端的放置方法是一样的。

选择合适的对象按钮，选择信号发生器、探针类型，将其放置到原理图中需要的位置，可以直接放置到已经存在的连线上，也可以放置好后再连线。

这个阶段中，使用者可以选择将信号发生器隔离出仿真范围。

6.2.4放置图表

仿真的第三个阶段放置分析图表。

图表类型包括模拟、数字、转移、频率、扫描分析等等。

选择图形按钮，选中需要分析的图表，用拖曳的方法放置在原理图中合适的位置。

6.2.5在图表中添加轨迹

在原理图放置多个图表后，必须指定每个图表对应的探针/信号发生器。

每一个图表也可以显示多条轨迹，这些轨迹数据来源一般是单个的信号发生器或者探针，但是ISIS提供一条轨迹显示多个探针，这些探针通过数学表达式的方式混合。

举个例子，一个监测点既有电压探针也有电流探针，这个检测点对应的轨迹就会是功率曲线。

曲线显示对象的添加有两种方式：

✧在原理图中选中探针或激励源拖入到图表当中（在同一个图表当中可以添加多个探针或激励源）。

✧在EDITGRAPHTARCE对话框中选中探针，需要多个探针时添加运算表达式。

6.2.6仿真过程

基于图表的仿真是命令驱动的。

这意味着整个过程是通过信号发生器，探针及图表构成的系统，设定测量的参数，得到图形，验证结果。

其中，任何仿真参数都是通过GRAPH存在的属性定义（比如仿真开始及停止时间等），也可以自己手动添加其他的属性（比如对于一个数字仿真，你可以在仿真器系统当中添加一个’RANDOMISETIMEDELAYS’属性）。

在仿真开始时系统做了以下工作：

●产生网络表——网络表提供一个元件列表，引脚之间连接的清单，及元件所使用的仿真模型等。

●分区仿真——ISIS对网络表进行分析，将其中的探针分成不同的类，当仿真进行时，结果也保存在不同的分立文件当中。

●结果处理——最后，ISIS通过这些分立文件在图表中产生不同的曲线。

将图表最大化进行测量分析。

如果在以上中的任何一步有错误，仿真日志会留下详细的记载。

有一些错误是致命的，有一些是警告。

致命的错误报告会直接弹出仿真日志窗口，曲线不产生；警告不会影响到仿真曲线的产生。

大多数错误产生源于电路图绘制，也有一些是选择元件模型错误。

6.3图表对象

6.3.1概况

图表也是设计中的一部分。

图表的目的是用来显示仿真结果。

做什么样分析，用什么样的图表。

仿真图形能否正常显示主要决定于激励源及探针是否正确的添加到图表当中。

6.3.2当前图表

所有图表命令GRAPH菜单下。

在这个菜单下包含一个图表清单，当前图表前有一个标志加以区分。

任何在GRAPH菜单下的命令在图表命令盘框中都有对应。

6.3.3放置图表

1．在模式选择工具栏中选择图表按钮。

2．从对象选择器中选择合适的图表类型。

3．在编辑窗口中左键拖拽放置图表。

6.3.4编辑图表

所有的图表可以移动，重新定义大小，编辑图表属性等。

图表属性是通过EDIT按钮或CTRL+‘E’进入对话框中进行编辑。

6.3.5在图表中添加轨迹

每个图表都可以显示多条轨迹。

每一条轨迹数据显示都是和信号发生器及探针相联系。

然而，对于模拟及混合图表类型，一条轨迹最多可以表示1~4个探针，这些探针通过数学表达式合成。

每一条轨迹都有一个指定作用的标号，这个标号在Y轴旁边。

有些图表只有一个Y轴，所以没有必要指定某条轨迹对应特定的Y轴。

在默认设置中，轨迹名是和探针名是一致的（多个探针，取第一个探针名）-这些可以在轨迹编辑中修改。

轨迹可以通过三种方式定义：

●在图表中放置单个激励源或者探针。

●选取一部分探针，使用ADDTRACE命令快速添加。

●使用ADDTRACECOMMAND对话框添加。

前两种方式可以快速添加激励源及探针，每一次添加都生成独立的曲线；第三种方式可以对探针、激励源灵活操作，特别是曲线需要几个不同监测量合成的场合。

向图表中拖放探针或激励源：

1．选中需要添加的激励源或者探针。

2．按住左键，将探针/激励源移动动图表中，松开即添加完成。

在图表中添加一条新的曲线，曲线代表一个独立的探针/激励源。

注意一点，图表中添加新的曲线时，原有曲线可能会有所变化。

有些图表有两条Y轴，这需要在在图表的左右两边都放置探针/激励源。

此外，对于数模混合图表，添加激励源/探针，系统会自动生成各自类型的曲线（一般在混合图表中的第一个探针/激励源通常会产生一个模拟曲线）。

在一个图表中快速添加激励源/探针：

1．保证你想添加激励源/探针的对象是当前图表。

当前图表在GRAPH菜单下有选中标志。

2．选中要添加的探针或激励源。

3．点击GRAPHMENU菜单下的AddTracecommand命令。

如果有探针/激励源选中，系统会弹出“Quickaddtaggedprobes？

”提示。

4．选择Yes按钮将选中的探针或激励源添加到当前图表中。

这种方式添加的每一个探针/激励源都会产生一条独立的曲线，这条曲线显示了所代表的探针/激励源数据。

如果存在两个Y轴，曲线默认设置是左边的Y轴。

6.3.6添加曲线命令对话框

如果使用者未采用快速添加模式，点击AddTrace命令会弹出AddTrace设置对话框（不同的图表类型有对话框会有一些小差别）。

这个对话框允许您选择新建曲线名字，曲线的类型（模拟、数字等），Y轴的位置（左或右），多达4个的探针，及探针表达式等。

使用AddTracecommand命令在一个图表中添加一条曲线：

1．在GRAPH菜单下选择AddTrace命令，如果原理图中有选中的探针，系统会弹出快速添加的提示，选择NO，弹出AddtransientTrace对话框。

2．通过TRACETYPE按钮选择图表允许范围内的合适曲线类型，添加到图表中。

3．选中所添加曲线相适合的Y轴位置。

只有在图表允许两条Y轴时有效。

4．通过P1到P4的对话框选择探针，这些对话框有显示探针名的下拉菜单。

选中探针，探针名会显示在探针选择对话框及名字对话框中。

如果曲线表达式无效，那么只有探针P1有效—仿真后，系统会产生一条代表P1的曲线。

5．重复步骤3、4，添加曲线需要的所有探针或者激励源。

6．在曲线表达式对话框输入表达式。

添加的探针名由P1、P2、P3、P4表示，通过表达式完成探针叠加。

如果曲线类型并不支持曲线表达式，表达式对话框无效。

7．点击OK确定，在图表中添加曲线完成。

6.3.7图表轨迹编辑

图表中一条轨迹可以通过编辑改变轨迹名称及表达式。

选中，编辑及取消选择轨迹曲线：

1．保证要被编辑的曲线所在图表未被选中。

2．右键单击曲线名选种曲线，曲线名呈高亮状态。

3．在曲线名上点击鼠标左键，弹出EDITGRAPHTRACE对话框。

4．编辑曲线名或表达式。

对于曲线不支持的表达式更改无效。

5．选择OK完成改变。

6．在图表中曲线名外位置点击右键释放曲线的选中。

6.3.8改变轨迹的顺序或颜色

按住鼠标左键可以拖动标号来改变曲线在图表中的位置：

●对于数字信号，移动它们仅仅改变了电平变化的顺序。

●对于模拟信号，可以将曲线从左拖到右，也可以改变曲线颜色分配等。

6.3.9手工Y轴设置

一个图表中Y轴的默认设置是提供曲线最大可视的Y值。

在一些场合，当你需要在原理图中比较多个图表时，这种默认设置就需改变。

ISIS允许你设置并锁定左右Y轴的最大坐标值。

手动改变Y轴范围：

1．放置图表，添加曲线，仿真图表。

2．选中图表，进入编辑窗口，在右下方即为Y轴范围更改选项。

3．点击选项进入Y轴设置对话框

4．选中LOCKVALUES复选框，输入合适的最大值及最小值。

注意：

当这些选项呈灰色时表示它们在这个图表中是不可用的。

比如有些图表只有左Y轴，这样右边Y轴不可用的。

4．关闭对话框重新仿真。

6.4仿真过程

6.4.1命令驱动仿真

在设计PROTEUS时，一个主要的目标是将软件设计得更为人性化。

以前的一些仿真平台都是按照标准输入一些数据，得到仿真结果。

这方面来说，PROTUES有其独到之处，绘制原理图，放置图表以后，每一次更新图表只需按空格键重新仿真，这种方式称为命令驱动仿真。

ISIS中也可以同时放置多个图表，进行多个实验。

对于给定图表，重要的一步是对放置合适的探针。

ISIS要利用这些信息来计算确定设计中的哪一部分需要仿真，无需手动分割，这对以后的PCB整板设计也是非常有益的。

6.4.2执行仿真

一旦图表放置好，探针及激励源指定好以后。

在图表中使用

命令或直接通过空格键执行仿真。

ISIS会自动分析设计，确定哪一部分需要仿真，更新图表，显示新的数据。

通过这个仿真过程，产生一个仿真日志。

仿真正确或只有警告时，日志不会弹出，只有存在致命错误时，仿真日志会弹出，图表也不进行更新。

Toupdateagraphandviewthesimulationlog:

（更新图表观测仿真日志）：

1．保证要更新的图表是当前图表，将图表最大化，选择SIMULATE命令

2．仿真结束时，如果有错误发生，会有提示显示这部分结果，选择YES，仿真数据，如果选择NO，系统会弹出仿真日志。

没有错误发生或者有错误发生选择YES，仿真日志可以通过VIEWLOG菜单下调出。

6.4.3仿真开始后发生的事件

当使用者刷新图表，使用GRAPH菜单下的SIMULATE命令或者SPACE键。

在这个过程中包含了以下内容：

●网络表编辑——网络表提供一个元件列表，引脚之间连接的清单，及元件所使用的仿真模型等。

网络表在进行引脚连线时非常有用。

●网络表链接——有一些元器件是通过子网络表或模型文件建模，这些模型文件的保存路径可以通过SETPATHSCOMMAND对话框中MODULEPATH设置。

PROTUES提供很多模型文件，使用者也可以创建自己的模型文件。

一个模型文件看成一个分立的子电路设计，它的父电路就是那些需要建模的元器件。

每一次利用这种方式建模时候，在模型文件替换网络表中原始器件时，模型和原来器件的输入输出连接管脚应保持一致。

在网络表链接过程的最后，网络表中剩下的每一个元器件都有一个PRIMITIVE属性，这种模式可以直接由PROSPICE仿真。

●分区仿真——ISIS观测那些放置探针的点，曲线产生就由信号注入点和这些地方决定。

一个信号激励视为一个输入，仿真过程中每一点析结果都会保存于一个独立的文件当中。

做更深入的分析，需要注意一些仿真前提：

比如：

一个分区电路A有一个输出到分区电路B的输入，这时，A必须先进行仿真。

●仿真器调用——ISIS在对每一个分区电路进行仿真计算时，都需调用PROSPICE。

每一次仿真器调用导致一个新的分区文件，这个过程信息同样添加到仿真日志当中，仿真日志中保留仿真过程中的每个动作。

●结果处理——最后，ISIS通过分区文件在图表当中建立不同的曲线，图表重新刷新，对曲线进行测量分析。

在整个过程中如果有错误发生，有致命错误也有警告，错误细节都会记录在仿真日志当中。

致命错误时图表不刷新，立即弹出日志窗口；警告时图表仍刷新，使用者可以选择观察仿真日志。

大多数错误来源于绘制电路错误，模型文件链接错误等。

第7章分析类型

7.1介绍

Proteus中有13种基于图表的分析方法，每一种都展示了PROSPICE支持的各种电路分析的结果：

模拟信号分析

与示波器非常相似，模拟信号分析图用于绘制电压和/或电流随时间变化的图形。

另外，包含几个探针值的表达式的图形也可以绘制，例如：

电流乘以电压的表达式可以绘制即时功率的图形。

此类分析通常称之为瞬态分析。

数字信号分析

与逻辑分析仪非常相似，用于绘制随时间变化的逻辑电平的图形。

描记线可以通过单一的数据位或一条总线的二进制值来表示。

数字图表使用事件驱动的仿真方法来计算。

混合模式分析

在同一个图表中包含模拟和数字信号。

频率分析

绘制小信号电压或电流随频率变化的图形，也即是波特图，可以显示幅度和相位的变化。

另外，通过使用表达式，可以绘制输入和输出阻抗图。

注意：

图中的值是相对于指定输入激励源的增益值。

DC扫描分析

绘制稳态工作点的电压或电流随扫描变量变化的图形。

与模拟分析类似，可以绘制由多个探针值构成的表示式的图形。

AC扫描分析

绘制一簇对应于扫描变量每一个值的频率图。

转移特性分析

通过扫描一个或两个输入激励源来绘制特性曲线或曲线簇，并绘制稳态的电压和电流值。

第一个激励源变量值为X轴，第二个激励源变量的每一个变化值将生成一条曲线。

噪声分析

输入或输出噪声电压随频率的变化图。

也产生单个噪声贡献的列表。

失真分析

绘制2次谐波和3次谐波的频谱图。

也可以绘制互调失真图。

傅立叶分析

显示瞬态分析的谐波成分。

类似于频谱分析仪。

音频分析

执行瞬态分析，然后通过PC机的声卡播放结果。

也可以把电路的输出生成Windows的WAV文件保存。

交互式分析

执行交互式仿真，在图表中显示结果。

本分析方法可以让你结合交互式仿真和基于图表的仿真的优点。

一致性分析

执行数字仿真，然后把结果与先前保存的一系列结果相比较。

特别用于制作软件测试工具，来对基于微控制器的应用进行测试。

此外，所有类型的分析都是从计算工作点开始的，也即是，在时刻0的所有节点的初始电压值、支路电流和态变数。

关于工作点的帮助信息可以从ISIS中得到。

7.2模拟信号瞬态分析

7.2.1概述

本类图表显示的图形与你在示波器上看到的一样。

X轴显示时间，Y轴显示电压值或电流值。

我们经常称此类分析为瞬态分析，因为它是发生在时域的。

瞬态分析也许是最经常用到的分析类型。

所有你能够从真实示波器中测量到的数据都可以从模拟图表中测量得到。

它可以用来检查电路是否正常工作，可以快速测量增益值，可以直观地看到已经失真的信号，可以测量流过电源或元器件的电流值等等。

7.2.2计算方法

从学术上来说，本类分析与非线性节点分析有关，它使用了所有SPICE仿真器使用的计算方法。

考虑到具体一个时刻，电路中的所有元器件都可以由电流源和/或电阻代替。

这种安排可以通过根据欧姆定律和基尔霍夫定律建立的联立方程来描述，并通过高斯消除法来求解。

每一次求得的解，包括电流源和电阻值，根据元件模型内部定义的规则进行调整，这个过程会一直重复，直到得到一个稳定的结果。

对于一个包含前导时间的仿真分析，有两个独立的阶段。

先是计算电路的工作点――即在仿真一开始时电路的电压值。

然后考虑前导时间对电路的影响，并对每一步进行重新计算（像前面说的迭代收敛）。

每一步时间增量对于计算的稳定性是至关重要的，PROSPICE将在用户定义的门限内自动进行调整。

对于快速变化的电路，如高速开关线驱动器相对于平滑变化的电路，需要较小的时间步长，也更费事。

使用时间步控制和迭代解都会增加大量的计算，使瞬态分析相当地慢。

因为算法包含了迭代运算，所以结果有可能不会收敛。

这种情况最经常发生在初始时间点，这意味着仿真不能在特定的时刻为工作点建立一个稳定的或唯一的一组值。

偶尔也会出现在电路行为变得严重不可测的特定时刻。

PROSPICE使用了一系列的技术去避免这类问题，但不可能完全避免。

也即是说，基于Berkeley的SPICE3F5，你可以尽可能地得到你想要的。

7.2.3使用模拟图表

模拟图表既可以只使用左边的Y轴，也可以使用左边和右边的Y轴。

探针可以通过两种方式放置到特定的轴上：

选取然后拖动探针到图形的对应边上。

通过“增加瞬态踪迹（AddTransientTrace）”对话框。

通常使用左右两边的Y轴去分离不同单位的踪迹。

例如：

如果要同时显示电压和电流踪迹，通常可以使用左边的Y轴显示电压，而右边的Y轴显示电流。

也可以把数字探针放到模拟图表中，但混合图表更适合于此类应用。

使用瞬态分析图表分析模拟电路的步骤：

1.为电路增加需要的激励源，驱动电路的输入端。

2.在电路中放置探针，可以在电路中的各个节点放置，也可以在输出端放置。

3.绘制模拟图表。

4.把探针（如果需要，包括激励源）放入到图表中。

5.编辑图表（用鼠标指向图表，然后按CTRL+E键，设置仿真停止时间、标签和需要的控制属性）。

6.开始仿真，可以从Graph菜单选择Simulate命令或使用空格键。

7.2.4定义模拟轨迹表达式

通常，我们只是把电压和电流探针加入到图表中，来观察电路的工作情况。

但是不要忘了，我们也可以建立基于探针值的数学表达式来进行模拟瞬态分析。

例如：

我们在电路的输出端放置了电压和电流探针，把它们相乘，就可以得到这一点的输出功率图。

绘制输出功率图的步骤：

1.在电路的输出端放置电压和电流探针。

2.打开“增加瞬态踪迹（AddTransientTrace）”，可以通过快捷键