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用Protel99SE實現(xiàn)脈沖電路的仿真
摘要：針對Protel99SE的數(shù)字電路模型不適用于脈沖電路仿真的缺陷，通過實例論述了用創(chuàng)建子電路模型和創(chuàng)建層次式模塊電路來實現(xiàn)脈沖電路的仿真測試。關(guān)鍵詞：電子設(shè)計自動化 Protel99SE 仿真 子電路 層次式電路
Protel設(shè)計系統(tǒng)作為電子設(shè)計自動化(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，能快速簡便地實現(xiàn)大部分模塊電路和數(shù)字電路的仿真[1～2]。且仿真結(jié)構(gòu)十分精確，提高了電路設(shè)計的效率和效益。由于Protel99SE的數(shù)字電路（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)計這些電路并進(jìn)行仿真，結(jié)果將的失敗的。然而，Protel99SE提供了開放的仿真器件庫維護(hù)護(hù)環(huán)境，用戶可創(chuàng)新器件模型，它還支持層次式電路的設(shè)計與仿真�；谶@兩點，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。
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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)(如門電路的延遲時間、功耗等)選取三極管及電阻等元件，畫面子電路圖。其中多發(fā)射極三極管用兩個三極管Q1和Q2并聯(lián)代替，Rx是為了避免電氣規(guī)則檢查（ERC）出錯而設(shè)置的，若短路Rx，則在進(jìn)行電氣規(guī)則檢查時會報告出錯信息，但并不影響仿真。
第二步，在電路中標(biāo)出有關(guān)節(jié)點。如圖1中的a、b、c、d、e五個節(jié)點。
第三步，創(chuàng)建器件電路符號并完成相關(guān)工作。Protel 99 SE仿真器件的電路符號、參數(shù)、管腳等信息存放在Design Explorer99SE.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：
（1）創(chuàng)建仿真元件庫文件。打開數(shù)據(jù)庫文件Design Explorer 99 SE.ddb，創(chuàng)建新文件T1000.Lib。
（2）畫元器件符合并為器件命名。打開文件T1000.Lib，進(jìn)入元器件符號編輯界面，單擊右鍵，用Tools-Rename Component將器件命名為T1000。畫面T1000的電路符號，并編排好引腳，用Tools-New Part創(chuàng)建四個子件1/4、2/4、3/4、4/4。各個子件的引腳排列與74LS00相同，即在一個封裝內(nèi)集成四個與非門，如圖2所示。
（3）在Browse schlib頁面，單擊Description按鈕，并切換到Designator頁面，在Default區(qū)域中填入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}.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)點排列順序相對應(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 E
xplorer 99 SEModel.ddb仿真文件中。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)范編寫此文件是一種較煩瑣的事情，未能體現(xiàn)Protel的優(yōu)點。下面介紹一種簡便方法：將圖1中的節(jié)點e的標(biāo)號"e"去掉，并在此節(jié)點上放置接地符號(0)，單擊Simulate/Create Spice Netlist按鈕，系統(tǒng)會自動生成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0改為節(jié)點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：
修改后的模型文件需重新啟動一次系統(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)試對稱式多諧振蕩器
由與非門構(gòu)成的對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。
在仿真設(shè)置對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（啟動測量光標(biāo)測量），與理論計算及硬件實驗結(jié)果相符，其它指標(biāo)也與理論分析及硬件實驗結(jié)果相符。
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，模型的精度對仿具的精度有較大的影響，要提高精度，則要對子電路進(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電路，完成單穩(wěn)態(tài)電路的設(shè)計。在設(shè)計過程中，上層電路及下層電路的節(jié)點必須標(biāo)出網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，且網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號應(yīng)與端口名稱相同；各次級電路的元件序號不能重復(fù)；各電路圖的圖號必須設(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)行電路規(guī)則檢查（ERC）時會報告錯誤，如沒有設(shè)置圖紙?zhí)枙r的錯誤報告為＃1 Error Duplicate Sheet Numbers 0 *.sch And *.sch。當(dāng)然，有些錯誤的存在并不影響仿真（如#1錯誤）。有關(guān)鍵立層次式電路的詳細(xì)介紹請參閱參考文獻(xiàn)[3]。
（2）設(shè)置激勵源的屬性。激勵脈沖的幅度應(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；上升時間(Rise Time)、下降時間（Full Time）、延遲時間（Delay Time）必須設(shè)置為大于0的值，否則仿真失�。患蠲}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)時間Tre決定，其值必須大于電路的分辨時間。
（3）設(shè)置好仿真類型（瞬態(tài)分析）、仿真步長和仿真時間等選項，并選取要觀察的信號。
（4）單擊Simulate/Run按鈕，得仿真波形如圖8所示
。由圖8可見，輸出脈寬為Tw=7.0013μs（啟動測量光標(biāo)測量），這與理論分析及硬件實驗結(jié)果相同，各點波形也與理論分析及硬件實驗的結(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。
圖8 微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的瞬態(tài)仿真波形
上述兩種方法各有優(yōu)缺點，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；缺點是建模較煩瑣。層次式電路仿真的方法的優(yōu)點是只需畫出電路圖而不需創(chuàng)建電路模型，其缺點是次級電路不能被重復(fù)使用，若要重復(fù)調(diào)用次級電路，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]。實驗表明，用上述兩種方法不僅能較好地實現(xiàn)脈沖電路的仿真，也能用于其它數(shù)字電路和數(shù)�；旌想娐返姆抡媾c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)計和實驗。上述兩種方法也存在一點不足之處，那就是電路的傳輸延遲時間TPLH較長。可仔細(xì)調(diào)整三極管等元件的參數(shù)，從而減小延遲時間，使用時必須加以注意。
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