Protel 99SE仿真电路.docx

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Protel99SE仿真电路

Protel99SE 脉冲电路 仿真

　　Protel设计系统作为电子设计自动化（EDA）软件中的佼佼者，一直受到广泛的欢迎。

Protel99SE是Protel公司2000年推出的版本，内部集成了功能强大的模数混合仿真器，采用Spice仿真内核，含有丰富的器件模型库，能快速简便地实现大部分模块电路和数字电路的仿真[1～2]。

且仿真结构十分精确，提高了电路设计的效率和效益。

由于Protel99SE的数字电路（门电路）模型没有采用Spice模型，而是采用类C语言（DigitalSimcode）编写，它只注意到电路的输入与输出逻辑电平值，而对门电路的输入输出阻抗考虑不够，从而导致这些模型不适用于输入、输出电流较大的数字电路的仿真。

在脉冲电路中，由门电路构成的对称式多谐振荡器和微分型单稳态触发器等电路的输入、输出电流都较大，如果直接调用仿真库内的器件设计这些电路并进行仿真，结果将是失败的。

然而，Protel99SE提供了开放的仿真器件库维护护环境，用户可创新器件模型，它还支持层次式电路的设计与仿真。

基于这两点，笔者探索出两种适合于脉冲电路的仿真方法，其结果是令人满意的。

　　1创建门电路的子电路模型

　　直接调用仿真库内的器件导致仿真失败的原因是Protel99SE仿真库内的模型不能完整和全面地描述电路的性能。

为此，有必要为门电路建立符合要求的子电路模型。

下面以TTL电路中的四二输入与非门T1000为例，介绍子电路模型的建立步骤和方法。

　　第一步，按图1画出门电路的内部结构。

根据所选器件的有关参数（如门电路的延迟时间、功耗等）选取三极管及电阻等元件，画面子电路图。

其中多发射极三极管用两个三极管Q1和Q2并联代替，Rx是为了避免电气规则检查（ERC）出错而设置的，若短路Rx，则在进行电气规则检查时会报告出错信息，但并不影响仿真。

　　第二步，在电路中标出有关节点。

如图1中的a、b、c、d、e五个节点。

　　第三步，创建器件电路符号并完成相关工作。

Protel99SE仿真器件的电路符号、参数、管脚等信息存放在DesignExplorer99SE.ddb仿真元器件库中。

Protel99SE的仿真器将在此读取器件的有关信息。

需要做的工作有如下几项：

（1）创建仿真元件库文件。

打开数据库文件DesignExplorer99SE.ddb，创建新文件T1000.Lib。

（2）画元器件符合并为器件命名。

打开文件T1000.Lib，进入元器件符号编辑界面，单击右键，用Tools-RenameComponent将器件命名为T1000。

画面T1000的电路符号，并编排好引脚，用Tools-NewPart创建四个子件1/4、2/4、3/4、4/4。

各个子件的引脚排列与74LS00相同，即在一个封装内集成四个与非门，如图2所示。

　　（3）在Browseschlib页面，单击Description按钮，并切换到Designator页面，在Default区域中填入放置器件的缺省名称"U？

"，在Designator域中填入TTLGATE，在FootPrint1域中填入Dip14。

再切换到LibraryFields页，为TextField1-TextField5各个区域填写如下相应内容：

TextField1：

Type=SUBCKT（X）；此域定义T1000为子电路。

TextField2：

model=T1000；此域将此子电路的模型名定义为T1000。

TextField3：

file={model_path}.ckt;此域指出模型文件存放的路径及文件名。

TextField4：

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];此域定义各子件的管脚分配及管脚排列顺序。

引脚排列顺序必须与模型文件中子电路定义语句所定义的节点排列顺序相对应。

TextField5：

netlist=%D%1%2%3%4%5%M;此域包含Spice网络表的网络数据。

其含义可参见参考文献[4]～[5]；该页的其余区域可不填。

PartFieldName项不用设置。

　　第四步，创建器件模型文件

Protel99SE的模型文件存放在DesignExplorer99SEModel.ddb仿真文件中。

首先在此数据库中创建文件夹TTLGATE，再创建文件T1000.ckt。

Spice语言规定子电路的扩展名为ckt。

根据图1按Spice模型文件规范编写此文件是一种较烦琐的事情，未能体现Protel的优点。

下面介绍一种简便方法：

将图1中的节点e的标号"e"去掉，并在此节点上放置接地符号（0），单击Simulate/CreateSpiceNetlist按钮，系统会自动生成Spice网表文件T1000.nsx。

将文件中的注释行和命令行删除，将节点0改为节点e，在文件的最前面添加一行子电路命令语句：

.SUBCKTT1000abcde，将文件的最后一句由.END改为.ENDST1000（子电路结束语句），最后将此文件内容复制到新建的子电路模型文件T1000.ckt之中。

得到的新器件的模型文件如下所示：

　　修改后的模型文件需重新启动一次系统才能生效。

　　通过以上几步即建立了可用于仿真的新器件T1000（T1000系列四二输入与非门），用同样的方法可创建其它门电路及其仿真模型。

　　2用新建的器件模型仿真调试对称式多谐振荡器

　　由与非门构成的对称式多谐振荡器如图3所示。

图中的与非门T1000就是新建的器件。

电路的绘制必须符合Protel99SE仿真电路图的规范。

　　在仿真设置对话框中选择仿真类型（瞬态分析）并完成仿真步长（尽量小一些为好）及收集信号等设置，单击RUN按钮，得到仿真结果如图4所示。

由图可测出振荡周期约为98.768μs（启动测量光标测量），与理论计算及硬件实验结果相符，其它指标也与理论分析及硬件实验结果相符。

　　新建的电路模型不仅可用于脉冲电路的仿真与调试，它同样适用于组合电路和时序电路的仿真与测试，比Protel99SE仿真库中的门电路模型有更广泛的适用性。

当然，模型的精度对仿具的精度有较大的影响，要提高精度，则要对子电路进行测试并调整元件及参数使之满足要求。

Protel99se电路仿真

一般说来，在电路设计的开始与结束时，设计者总要对所设计的电路的性能进行推算、判断和验证，Protel99SE可以对模拟和数字信号混合电路仿真。

其仿真引擎使用的是伯克利分校的SPICE/XSPICE。

它可以让我们精确地仿真由各种器件，比如TTL、CMOS、BJT等构成的电路。

Protel中支持的电路分析类型有：

静态工作点分析，交流小信号分析，瞬态分析，傅立叶分析，噪声分析，直流分析，参数扫描分析，温度扫描分析和蒙特卡罗分析。

可用于仿真的电路，必须满足以下条件：

1、必须用仿真库中的器件（或用户自己建的器件仿真模型和器件符号）搭成电路，仿真库在\\DesignExplorer99SE\Library\Sch\Sim.ddb文件中；2、必须有激励源；3、对所关心的节点建立网络标号；4、设定初始条件。

SIM99仿真库中的主要元件电路仿真操作步骤

在SIM99的仿真元件库中，包含了如下一些主要的仿真元器件。

一、电阻

在库SimulationSymbols.lib中，包含了如下的电阻器：

RES固定电阻;

RESSEMI半导体电阻；

RPOT电位器；

RVAR变电阻。

上述符号代表了一般的电阻类型，如图l所示。

这些元器件有一些特殊的仿真属性域，在放置过程中按TAB键或放置完成后双击该器件得到属性对话框，可如下设置：

Designator电阻器名称（如R1）；

PartType以欧姆为单位的电阻值（如100kΩ）；

L可选项，电阻的长度（仅对半导体电阻有效）；

W可选项，电阻的宽度（仅对半导体电阻有效）；

Temp可选项，元件工作温度，以摄氏度为单位，缺省时为27℃（仅对半导体电阻有效）；

Set仅对电位器和可变电阻有效（在“PartFieldsl～8”选项卡中设置取值0～l）。

二、电容

在库SimulationSymbols.Lib中，包含了如下的电容：

CAP定值无极性电容；

CAPZ定值有极性电容；

CAPSEMI半导体电容。

这些符号表示了一般的电容类型，如图2所示。

对电容的属性对话框可如下设置：

Designator电容名称（如C1）；

PartType以法拉为单位的电容值（如22uF）；

L可选项，以公尺为单位的电容的长度（仅对半导体电容有效）；

W可选项，以公尺为单位的电容的宽度（仅对半导体电容有效）；

IC可选项，初始条件，即电容的初始电压值。

在“PartFieldsl～8”选项卡中设置。

该项仅在仿真分析工具傅里叶变换中的使用初始条件被选中后，才有效。

三、电感

在库SimulationSymbols.Lib中，包含了INDUCTOR电感，对电感的属性对话框可如下设置：

Designator电感名称（如L1）；

PartType以亨为单位的电感值（如27mH）；

IC可选项，初始条件，即电感的初始电压值。

在“PartFields1～8”选项卡中设置。

该项仅在仿真分析工具博里叶变换中的使用初始条件被选中后，才有效。

四、二极管

在库Diode．lib中，包含了数目巨大的以工业标准部件数命名的二极管。

如图3所示，该图简单列出了库中包含的几种二极管。

对二极管的属性对话框可如下设置：

Designator二极管名称（如D1）；Area可选项，该属性定义了所定义的模型的并行器件数；IC可选项，初始条件，即通过2极管的初始电压值。

该项仅在仿真分析工具傅里叶变换中的使用初始条件被选中后，才有效；Temp可选项，元件工作温度，以摄氏度为单位，缺省时为27℃。

五、三极管

在库Bjt.lib中，包含了数目巨大的以工业标准部件数命名的三极管。

如图4所示，该图简单列出了库中包含的三极管型号。

对三极管的属性对话框可如下设置：

Designator三极管名称（如Q1）；Area可选项，该属性定义了所定义的模型的并行器件数；IC可选项，初始条件，即通过三极管的初始电压值。

该项仅在仿真分析工具傅里叶变换中的使用初始条件被选中后，才有效；Temp可选项，元件工作温度，以摄氏度为单位，缺省时为27℃。

六、JFET：

结型场效应晶体管

结型场效应晶体管包含在Jfet.lib库文件中。

如图5所示，该图简单列出了库中包含的结型场效应晶体管。

对结型场效应晶体管的属性对话框可如下设置：

Designator结型场效应晶体管名称（Q1）Area可选项，该属性定义了所定义的模型的并行器件数；IC可选项，初始条件，即通过三极管的初始电压值。

该项仅在仿真分析工具傅里叶变换中的使用初始条件被选中后，才有效；Temp可选项，元件工作温度，以摄氏度为单位。

缺省时为27℃。

七、MOS场效应晶体管MOS场效应晶体管是现代集成电路中最常用的器件。

SIM99提供了四种MOSFET模型，它们的伏安特性公式各不相同，但它们基于的物理模型是相同的。

在库MOSfet.lib中，包含了数目巨大的以工业标准部件数命名的MOS场效应晶体管。

如图6所示，该图简单列出了库中包含的MOS场效应晶体管，对MOS场效应晶体管的属性对话图框可如下设置：

DesignatorMOS场效应晶体管名称（如Q1）；

L沟道长度；

w沟道宽度；

AD漏区面积；

AS源区面积；

PD漏区周长；

PS源区周长。

I

C可选项，初始条件，即通过MOS场效应晶体管的初始值。

在“PartFields1～8”选项卡中设置。

该项仅在仿真分析工具博里叶变换中的使用初始条件被选中后，才有效；

Temp可选项，元件工作温度，以摄氏度为单位。

缺省时为27℃。

八、电压／电流控制开关

库SWitch．lib包含了如下的可用于仿真的开关：

CSW默认用电流控制开关

STIL/SW默认电压控制开关。

如图7所示，该图简单列出了库中包含的电压／电流控制开关。

对电压／电流控制开关的属性对话框可如下设置：

Designator电压／电流控制开关名称（如S1）；

ON／OFF可选项，初始条件选择，该选项可为ON或OFF。

此开关模型描述了一个几乎理想化的开关。

实际中，开关不可能十分理想，是因为电阻值不能从0到无穷大变化，而是总有一个有限的正值。

通过适当选择开态和关态电阻，可使得这两个电阻与其他电路元件相比较时能看作零和无穷大。

SPICE仿真器内支持如表l所示的开关参数。

表1开关模型的参数。

九、熔丝

Fuse.lib包含了一般的保险丝器件。

对熔丝的属性对话框可如下设置：

Designaor熔丝名称（如F1）；

Curent熔断电流（单位A，如1A）；

Resistance可选项，以欧姆为单位的串联熔丝阻抗。

＋、继电器（RELAY）

库Relay.lib包括了大量的继电器，如图8所示。

对继电器的属性对话框可如下设置：

Designatr继电器名称；

Pullin触点引入电压；

DroPoff触点偏离电压；

Contar触点阻抗；

Resignator线圈阻抗。

Inductor线圈电感。

十一、互感（电感耦合器）

库Transformer.lib包括了大量的电感耦合器。

对电感耦合器的属性对话框可如下设置：

Desigator电感耦合器名称（如T1）；

Ratio二次侧／一次侧变压比，这将改变模型的默认值；

RP可选项，一次测阻抗；

RS可选项，二次侧阻抗。

十二、TTL和CMOS数字电路器件

在74XX.lib包含了74XX系列的TTL逻辑元件；库Cmos.lib包含了4000系列的CMOS逻辑元件。

设计者可把上述元件库包含的数字电路器件用到所设计的仿真图中。

对数字电路器件的属性对话框可如下设置：

Designator数字电路器件名称（如U1）；

ProPagation可选项，元件的延时，可以设置为最大或最小来使用，默认值为典型值；

Drive可选项，输出驱动特性，可以设置为最大或最小来使用；

Current可选项，标识器件功率的输出，可以设置为最大或最小来使用默认值为典型植；

PWRValue可选项，电源支持电压。

将改变默认数字元件支持电压值，一旦定义该值，则GNDValue值也需定义；

GNDValue可选项，地支持电压。

将改变默认数字元件支持电压值，一旦定义该值，则PWRValue值也需定义；V

ILValue低电平输入电压；

VIHValue高电平输入电压；

VOLValue低电平输出电压；

VOHValue低电平输出电压。

举例如下：

如CMOS数字器件支持5V电压，一部情况下．它的任一输出管脚的高电平为5V，但是，一旦VOH被设置为5V，那么输出管脚的高电平将为8V。

十三、模块电路

SIM99中复杂元件都被用SPICE的子电路完全模型化，该元件没有设计者需设置的选项。

对于这些元器件，设计者只需简单放置并设置该标号。

所有的仿真用参数都已在SPICE子电路设定好。

表2是SIM99中的仿真用数据库中包含的元件库以及所包含有的复杂元件的不同类型的符号。

这些元件属性对话框中的PartType域中包括了该器件的SPICE模型，如果设计者不愿修改所引用的SPICE模型，请不要修改该PartType域，所有标识可选项均有默认值，一般情况下，该默认值适用于太多仿真，设计者一般毋须修改这些值。

表2集成块所在的元件库及说明在Protel99中，每一仿真元件的特性由元件电气图形符号库和元件模型参数数据库描述。

仿真测试原理图内元件电气图形符号存放在DesignExplorer99\Library\SCH\Sim.ddb仿真分析用元件电气图形符号库文件包内，共收录了5800多个元器件，分类存放在如下元件电气图形符号库（.lib）文件中：

74XX.lib74系列TTL数字集成电路

7SEGDISP.lib7段数码显示器

BJT.lib工业标准双极型晶体管

BUFFER.lib缓冲器

CAMP.lib工业标准电流反馈高速运算放大器

CMOS.libCMOS数字集成电路元器件

Comparator.lib比较器

Crystal.lib晶体振荡器

Diode.lib工业标准二极管

IGBT.lib工业标准绝缘栅双极型晶体管

JFET.lib工业标准结型场效应

MATH.lib二端口数学转换函数

MESFET.libMES场效应管

Misc.lib杂合元件

MOSFET.lib工业标准MOS场效应管

OpAmp.lib工业标准通用运算放大器

OPTO.lib光电耦合器件（实际上该库文件仅含有4N25和通用的光电耦合器件OPTOISO两个元件）

Regulator.lib电压变换器，如三端稳压器等

Relay.lib继电器类

SCR.lib工业标准可控硅

SimulationSymbols.lib仿真测试用符号元件库

Switch.lib开关元件

Timer.lib555及556定时器

Transformer.lib变压器

TransLine.lib传输线

TRIAC.lib工业标准双向可控硅

TUBE.lib电子管

UJT.lib工业标准单结管

在放置元件过程中，按下Tab键调出元件属性窗口，设置元件有关参数时，必须注意：

一般仅需要指定必须参数，如序号、型号、大小（如果打算从电原理图获取自动布局所需的网络表文件时，则需要给出元器件的封装形式）；而对于可选参数，一般用“*”代替（即采用缺省值），除非绝对必要，否则不宜改变。

SIM999中的激励源

在电路仿真过程中需要各种各样的激励源，这些激励源也取自sim.ddb数据库文件包内的SimulationSymbols.lib元件库文件中，包括直流电压激励源VSRC（voltagesource）与直流电流激励源ISRC（currentsource）、正弦波电压激励源VSIN（voltagesource）与正弦波电流激励源ISIN（currentsource）、周期性脉冲信号激励源VPULSE（voltagesource）与IPULSE（currentsource）、分段线性激励源VPWL（voltagesource）与IPWL（currentsource）等。

常用的直流电压激励源VSRC、正弦电压激励源VSIN、脉冲电压激励源VPLUS，可通过单击“Simulate”菜单下的“Source”命令选择相应激励源后，将其拖到原理图编辑区内。

1）直流电压激励源VSRC与直流电流激励源ISRC

这两种激励源作为仿真电路工作电源，在属性窗口内，只需指定序号（Designator，如VDD、VSS等）及大小（PartType，如5、12等），如图9所示。

2）正弦波信号激励源（SinusoidWaveform）

正弦波激励源在电路仿真分析中常作为瞬态分析、交流小分析的信号源，执行菜单命令“Simulate\Source”，选择SineWave类型的激励源，就可以放置正弦波激励源，其参数设置对话框如图10所示。

DCMagnitudeDC幅度（忽略）

ACMagnitudeAC幅度（交流小信号分析时，通常为1V）

ACPhaseAC相位

Offset偏置电压

Amplitude振幅

Frequency频率

Delay延迟时间

DampingFactor阻尼因子

Phase初始相位

在Protel99SE中正弦电压源的名称为VSIN，正弦电流源为ISIN。

3）脉冲激励源（Pulse）

脉冲激励源在瞬态分析中用得比较多，放置脉冲激励源的方法是：

执行菜单命令“Simulate\Source”，在弹出的子菜单内选择“Pulse”类型的激励源即可。

双击脉冲激励源符号，将弹出如图11所示的属性设置对话框

DCMagnitudeDC幅度（忽略）

ACMagnitudeAC幅度（交流小信号分析时，通常为1V）

ACPhase交流相位

InitialValue初始电压

PulsedValue脉冲电压值

TimeDelay延迟时间

RiseTime上升时间

FallTime下降时间

PulseWidth脉冲宽度

Period脉冲周期

Phase脉冲相位

在Protel99SE中，脉冲电压源为VPULSE，脉冲电流源为IPULSE

4）分段线性激励源VPWL与IPWL（PieceWiseLinear）

分段线性激励源的波形由几条直线段组成，是非周期信号激励源。

为了描述这种激励源的波形特征，需给出线段各转折点时间——电压（或电流）坐标（对于VPWL信号源来说，转折点坐标由“时间/电压”构成；对于IPWL信号源来说，转折点坐标由“时间/电流”构成）.图7-12分段线性激励源属性

分段线性源形中的每一点可由（Ti，Vi）描述，并且每一对值（Ti，Vi）表

明信号源在时刻Ti的值。

在99SE中，分段线性电压源的名称为VPWL，分段线性电流源名称为IPWL。

可在分段线性电压源属性对话框的Time/Voltage区域中输入各时刻所对应

的电压值。

如是分段线性电流源则输入各时刻所对应的电流值。

FileName区域，用户也可以通过文件输入的方法给出分段线性电压源的波

形数据。

此法对波形复杂、数据量大时使用。

用户只需把分段线性源的波形

数据存于一个扩展名为.pwl的文件即可。

5）调频波激励源——VSFFM（电压调频波）和ISFFM（电流调频波）

调频波激励源也是高频电路仿真分析中常用到的激励源，调频波激励源位于Sim.ddb数据库文件包内的SimulationSymbols.lib元件库文件中，放置调频波信号源的操作方法与放置电阻、电容等的方法相同.

此外，SimulationSymbols.lib元件库内尚有其他激励源，如受控激励源、指数函数、频率控制的电压源等，这里就不一一列举了，根据需要可从该元件库文件中获取。

如果实在无法确定某一激励源或元件参数如何设置时，除了从“帮助”菜单中获得有关信息外，还可以从Protel99的仿真实例中受到启发。

Offiset偏置电压

Amplitude振幅电压

CarrierFrequency载波频率

ModulationIndex调制系数

SignalFreqency、信号频率

在Protel99SE中，单频调频电压源的名称为VSFFM，单频调频电流源的

名称为ISFFM。

6）指数源

前面三个参数同上。

InitialValue初始电压

PulseValue峰值电压

RiseDelay上升延迟时间

RiseTime上升时间常数

FallDelay下降