如何利用Protel99SE軟件進行模塊電路和數字電路的仿真設計

Protel設計系統作為電子設計自動化（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，內部集成了功能強大的模數混合仿真器，采用Spice仿真內核，含有豐富的器件模型庫，能快速簡便地實現大部分模塊電路和數字電路的仿真［1～2］。且仿真結構十分精確，提高了電路設計的效率和效益。由于Protel99SE的數字電路（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，從而導致這些模型不適用于輸入、輸出電流較大的數字電路的仿真。在脈沖電路中，由門電路構成的對稱式多諧振蕩器和微分型單穩態觸發器等電路的輸入、輸出電流都較大，如果直接調用仿真庫內的器件設計這些電路并進行仿真，結果將的失敗的。然而，Protel99SE提供了開放的仿真器件庫維護護環境，用戶可創新器件模型，它還支持層次式電路的設計與仿真?；谶@兩點，筆者探索出兩種適合于脈沖電路的仿真方法，其結果是令人滿意的。

1 創建門電路的子電路模型

直接調用仿真庫內的器件導致仿真失敗的原因是Protel99SE仿真庫內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畫出門電路的內部結構。根據所選器件的有關參數（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。其中多發射極三極管用兩個三極管Q1和Q2并聯代替，Rx是為了避免電氣規則檢查（ERC）出錯而設置的，若短路Rx，則在進行電氣規則檢查時會報告出錯信息，但并不影響仿真。

第二步，在電路中標出有關節點。如圖1中的a、b、c、d、e五個節點。

第三步，創建器件電路符號并完成相關工作。Protel 99 SE仿真器件的電路符號、參數、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信息。需要做的工作有如下幾項：

（1）創建仿真元件庫文件。打開數據庫文件Design Explorer 99 SE.ddb，創建新文件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各個區域填寫如下相應內容：

Text Field 1：Type=SUBCKT（X）；此域定義T1000為子電路。

Text Field 2：model=T1000；此域將此子電路的模型名定義為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點排列順序相對應。

Text Field 5：netlist=%D%1%2%3%4%5%M;此域包含Spice網絡表的網絡數據。其含義可參見參考文獻［4］～［5］；該頁的其余區域可不填。Part Field Name項不用設置。

第四步，創建器件模型文件。

Protel 99SE的模型文件存放在Design Explorer 99 SEModel.ddb仿真文件中。首先在此數據庫中創建文件夾TTLGATE，再創建文件T1000.ckt。Spice語言規定子電路的擴展名為ckt。根據圖1按Spice模型文件規范編寫此文件是一種較煩瑣的事情，未能體現Protel的優點。下面介紹一種簡便方法：將圖1中的節點e的標號“e”去掉，并在此節點上放置接地符號（0），單擊Simulate/Create Spice Netlist按鈕，系統會自動生成Spice網表文件T1000.nsx。將文件中的注釋行和命令行刪除，將節點0改為節點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（子電路結束語句），最后將此文件內容復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），用同樣的方法可創建其它門電路及其仿真模型。

2 用新建的器件模型仿真調試對稱式多諧振蕩器

由與非門構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仿真電路圖的規范。

在仿真設置對話框中選擇仿真類型（瞬態分析）并完成仿真步長（盡量小一些為好）及收集信號等設置，單擊RUN按鈕，得到仿真結果如圖4所示。由圖可測出振蕩周期約為98.768μs（啟動測量光標測量），與理論計算及硬件實驗結果相符，其它指標也與理論分析及硬件實驗結果相符。

新建的電路模型不僅可用于脈沖電路的仿真與調試，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，則要對子電路進行測試并調整元件及參數使之滿足要求。

3 用層次式電路仿真脈沖電路

Protel99SE具有創建層次式電路的功能，下面以微分型單穩態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創建層次式電路和次級電路，完成單穩態電路的設計。在設計過程中，上層電路及下層電路的節點必須標出網絡標號，且網絡標號應與端口名稱相同；各次級電路的元件序號不能重復；各電路圖的圖號必須設置為不同的值（在Document options菜單中，選擇Organizition標簽頁進行設置），否則，進行電路規則檢查（ERC）時會報告錯誤，如沒有設置圖紙號時的錯誤報告為＃1 Error Duplicate Sheet Numbers 0 *.sch And *.sch。當然，有些錯誤的存在并不影響仿真（如#1錯誤）。有關鍵立層次式電路的詳細介紹請參閱參考文獻［3］。

（2）設置激勵源的屬性。激勵脈沖的幅度應符合TTL電平規范，AC和DC屬性及相應延遲可不設置；上升時間（Rise Time）、下降時間（Full Time）、延遲時間（Delay Time）必須設置為大于0的值，否則仿真失??；激勵脈沖的周期必須根據電路輸出的脈沖寬度Tw及電路的恢復時間Tre決定，其值必須大于電路的分辨時間。

（3）設置好仿真類型（瞬態分析）、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（啟動測量光標測量），這與理論分析及硬件實驗結果相同，各點波形也與理論分析及硬件實驗的結果相同。

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 微分型單穩態觸發器的瞬態仿真波形

上述兩種方法各有優缺點，用子電路模型仿真的方法適用于器件被重復多次調用的情況，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點是只需畫出電路圖而不需創建電路模型，其缺點是次級電路不能被重復使用，若要重復調用次級電路，則必須先將重復性層次式電路轉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脈沖電路的仿真，也能用于其它數字電路和數?；旌想娐返姆抡媾c調試，且仿真結果的誤差極小，能較好地指導電路設計和實驗。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?？勺屑氄{整三極管等元件的參數，從而減小延遲時間，使用時必須加以注意.
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