重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 王 靜

Protel 99 SE電路仿真及應(yīng)用

重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 王 靜

隨著電子新產(chǎn)品日新月異的高速發(fā)展，設(shè)計(jì)電子新產(chǎn)品的方法也在不斷更新，為了擺脫傳統(tǒng)的電路搭板實(shí)驗(yàn)，用仿真軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行電路仿真設(shè)計(jì)是其有效方法之一。本文通過一個(gè)實(shí)例介紹Protel 99 SE軟件的電路仿真功能，用以拋磚引玉，以讓讀者多一條途徑設(shè)計(jì)電路，讓每個(gè)電子新產(chǎn)品都是最優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高電子產(chǎn)品的可靠性與質(zhì)量，縮短電子新產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)效率。

電路仿真；電路設(shè)計(jì)；搭板實(shí)驗(yàn)；可靠性

1.引言

隨著電子工業(yè)和微電子設(shè)計(jì)技術(shù)與工藝的飛速發(fā)展，電子信息類產(chǎn)品的開發(fā)周期明顯縮短，為了滿足社會(huì)發(fā)展的需要，高效、便捷的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD軟件也應(yīng)運(yùn)而生。Protel 99 SE就是這些軟件中的典型代表，在眾多計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具云集的今天，歷經(jīng)考驗(yàn)的Protel 99 SE仍以其易用、高效等優(yōu)點(diǎn)贏得了眾多電子設(shè)計(jì)者的青睞。Protel 99 SE是由澳大利亞Protel Technology公司推出的運(yùn)行于Windows 9X/2000/XP等操作系統(tǒng)之上的電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)，它建立在Protel獨(dú)特的設(shè)計(jì)管理器（Design Explorer）基礎(chǔ)之上，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D視圖預(yù)覽功能，可以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，是一個(gè)32位的設(shè)計(jì)軟件，可以完成電路原理圖設(shè)計(jì)、印制電路板（PCB）設(shè)計(jì)、可編程邏輯器件設(shè)計(jì)和模/數(shù)混合電路仿真等功能。在此，就該軟件的仿真功能作一個(gè)簡(jiǎn)單介紹，其余功能不予贅述。通過“整流濾波穩(wěn)壓電路”為例，說明該軟件仿真的一般步驟，使讀者能夠應(yīng)用軟件的仿真功能分析、設(shè)計(jì)原理圖、調(diào)試電路，擺脫傳統(tǒng)的電路搭板實(shí)驗(yàn)，從而縮短電路新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率，讓每個(gè)電子新產(chǎn)品都是最優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的可靠性與質(zhì)量。

2.繪制仿真原理圖

繪制仿真原理圖操作步驟如下。

首先在硬盤上建立一個(gè)“整流濾波穩(wěn)壓電路仿真”文件夾。啟動(dòng)Protel 99 SE，執(zhí)行菜單File→New命令，彈出New Design Database對(duì)話框，如圖1所示，在Database File Name處輸入：“穩(wěn)壓電路仿真.ddb”的數(shù)據(jù)庫名字；在Database Location處輸入：“整流濾波穩(wěn)壓電路仿真”的文件夾名字，按OK按鈕，即建立了一個(gè)“穩(wěn)壓電路仿真.ddb”數(shù)據(jù)庫文件并把它保存在“整流濾波穩(wěn)壓電路仿真”的文件夾下。

執(zhí)行主菜單File→New命令，彈出New Document對(duì)話框，選擇Schematic Document圖標(biāo)，按OK按鈕，新建一個(gè)默認(rèn)名稱為Sheet1.Sch的空白原理圖文檔，把它更名為“穩(wěn)壓電路仿真.Sch”，如圖2所示。

2.1 加載仿真庫文件

在圖2所示的原理圖編輯界面中，選擇Browse Sch標(biāo)簽，顯示如圖4所示的庫面板，按Add/Remove按鈕，彈出如圖3所示添加仿真庫對(duì)話框，在查找范圍內(nèi)，選擇安裝目錄下：D:Program FilesDesign Explorer 99 SELibrarySch的仿真庫文件Sim.ddb，按Add按鈕，即把選擇的仿真庫添加到下面的Selected Files內(nèi)，按OK按鈕，退出該對(duì)話框。

2.2 放置元件

單擊Browse Sch標(biāo)簽，選擇TRANSFORMER.LIB仿真庫，放置變壓器10TO1，如圖4所示；選擇仿真二極管庫文件DIODE.LIB，放置4個(gè)二極管1N4007，穩(wěn)壓管：1N4736；選擇仿真三極管庫文件BJT.LIB，放置三極管：2N2222A；選擇Simulation Symbols.Lib庫文件，放置電阻:R1-680、R2-4.7K、電容C1-220uF、C2-100uF。

2.3 添加激勵(lì)源

添加一個(gè)正弦交流電壓源VSIN(125V，50Hz)，方法：執(zhí)行菜單Simulate→Sources→1KHz Sine Wave命令，鼠標(biāo)上懸浮著一個(gè)正弦交流電壓源。按鍵盤上的Tab鍵，彈出Part對(duì)話框，如圖5所示，設(shè)置Designator為Vin、Part Type為125V；選擇Part Fields標(biāo)簽，如圖6所示，設(shè)置Amplitude(振幅)為125V、Frequency(頻率)為50Hz。

2.4 連接電路

執(zhí)行菜單Place→Wire命令，連接電路。

2.5 放置節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)

執(zhí)行Place→Net Label命令，放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)：IN、A、B、C、OUT，以便于觀察這幾點(diǎn)的波形，設(shè)計(jì)好的原理圖如圖7所示。

2.6 對(duì)電路進(jìn)行電氣檢查

執(zhí)行菜單Tools→ERC命令，進(jìn)行電路的電氣規(guī)則檢查，如果沒有錯(cuò)誤進(jìn)行下面的操作。

3.仿真器參數(shù)設(shè)置

圖1 新建“穩(wěn)壓電路仿真.ddb”數(shù)據(jù)庫文件

圖2 原理圖編輯界面

圖3 添加仿真庫對(duì)話框

圖4 放置變壓器10TO1

完成電路的編輯后，在仿真之前，要選擇對(duì)電路進(jìn)行那種分析，設(shè)置收集的變量數(shù)據(jù)，以及設(shè)置顯示哪些變量的波形。常見的仿真分析有靜態(tài)工作點(diǎn)分析(Operating Point Analysis)、瞬態(tài)分析(Transient Analysis)、直流掃描分析(DC Sweep Analysis)、交流小信號(hào)分析(AC Small Signal Analysis)、噪聲分析(Noise Analysis)、極點(diǎn)、零點(diǎn)分析(Pole-Zero Analysis)、傳遞函數(shù)分析(Transfer Function Analysis)、溫度掃描分析(Temperature Sweep）、參數(shù)掃描（Parameter Sweep)、蒙特卡洛分析(Monte Carlo Analysis)等分析。本論文主要講解常用到的靜態(tài)工作點(diǎn)分析、瞬態(tài)分析和交流小信號(hào)分析的設(shè)置方法。

圖5 正弦交流電壓源Attributes設(shè)置對(duì)話框

圖6 正弦交流電壓源Part Fields設(shè)置對(duì)話框

圖7 整流濾波穩(wěn)壓電路原理圖

圖8 仿真分析設(shè)置對(duì)話框

圖9 瞬態(tài)分析參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

圖10 輸入、輸出和中間節(jié)點(diǎn)波形

3.1 一般設(shè)置（General Setup）

在仿真分析設(shè)置對(duì)話框的上半部分的分析選項(xiàng)列表中，列出了所有的分析選項(xiàng)，選中每個(gè)分析選項(xiàng)，下面即顯示出相應(yīng)的設(shè)置項(xiàng)。選中General標(biāo)簽，即可在下面的選項(xiàng)中進(jìn)行一般設(shè)置。在Available Signals列表中顯示的是可以進(jìn)行仿真分析的信號(hào)，Active Signals列表框中顯示的是激活的信號(hào)，即需要進(jìn)行仿真的信號(hào)，單擊和按鈕可完成添加或刪除激活信號(hào)，如圖8所示。

3.2 靜態(tài)工作點(diǎn)分析（Operating Point Analysis）

靜態(tài)工作點(diǎn)分析通常用于對(duì)放大電路進(jìn)行分析，當(dāng)放大器處于輸入信號(hào)為零的狀態(tài)的時(shí)候，電路中各點(diǎn)的狀態(tài)就是電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。最典型的是放大器的直流偏置參數(shù)。進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)分析的時(shí)候，不需要設(shè)置參數(shù)。

3.3 瞬態(tài)分析（Transient Analysis）

瞬態(tài)分析用于分析仿真電路中工作點(diǎn)信號(hào)隨時(shí)間變化的情況。進(jìn)行瞬態(tài)分析之前，設(shè)計(jì)者要設(shè)置瞬態(tài)分析的起始和終止時(shí)間、仿真時(shí)間的步長(zhǎng)等參數(shù)。在電路仿真分析設(shè)置對(duì)話框中，選擇Transient/Fourier標(biāo)簽，在如圖9所示的瞬態(tài)分析參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中進(jìn)行設(shè)置。

在Transient Analysis列表中共用11個(gè)參數(shù)設(shè)置選項(xiàng)，這些參數(shù)的含義分別是：

Transient Analysis Start Time參數(shù)用于設(shè)置瞬態(tài)分析的起始時(shí)間。瞬態(tài)分析通常從時(shí)間零開始，在時(shí)間零和開始時(shí)間，瞬態(tài)分析照樣進(jìn)行，但并不保存結(jié)果。而開始時(shí)間和終止時(shí)間的間隔將保存，并用于顯示。

Transient Analysis Stop Time參數(shù)用于設(shè)置瞬態(tài)分析的終止時(shí)間。

Transient Analysis Step Time參數(shù)用于設(shè)置瞬態(tài)分析的時(shí)間步長(zhǎng)，該步長(zhǎng)不是固定不變的。

Transient Analysis Max Step Time參數(shù)用于設(shè)置瞬態(tài)分析的最大時(shí)間步長(zhǎng)。

Use Initial Conditions項(xiàng)用于設(shè)置電路仿真的初始狀態(tài)。當(dāng)勾選該項(xiàng)后，仿真開始時(shí)將調(diào)用設(shè)置的電路初始參數(shù)。

Always set Default項(xiàng)用于設(shè)置使用默認(rèn)的瞬態(tài)分析設(shè)置，選中該項(xiàng)后，列表中的前四項(xiàng)參數(shù)將處于不可修改狀態(tài)。

Cycles Displayed參數(shù)用于設(shè)置默認(rèn)的顯示周期數(shù)。

Points Per Cycle參數(shù)用于設(shè)置默認(rèn)的每周期仿真點(diǎn)數(shù)。

Fourier Analysis項(xiàng)用于設(shè)置進(jìn)行傅立葉分析，勾選該項(xiàng)后，系統(tǒng)將進(jìn)行傅立葉分析，顯示頻域參數(shù)。

Fourier Analysis Fund.Frequency用于設(shè)置進(jìn)行傅立葉分析的基頻。

Fourier Analysis Harmonics用于設(shè)置進(jìn)行傅立葉分析的諧波次數(shù)。

3.4 整流濾波穩(wěn)壓電路分析設(shè)置

2)在Collect Data For欄，從列表中選擇“Node Voltage，Supply Current，Device Current and Power”。

3)為這個(gè)分析勾選“Operating Point Analysis”和“Transient/Fourier Analysis”。

4.信號(hào)仿真分析

參數(shù)設(shè)置好后，單擊圖8中的Run Analyses按鈕運(yùn)行仿真，自動(dòng)顯示仿真波形如圖10所示。

從圖10中可以看出：一個(gè)幅值為125V、頻率為50Hz的正弦交流電壓源經(jīng)過10:1的變壓器變壓，變?yōu)榉禐?2.5V、頻率為50Hz的正弦交流電壓，再經(jīng)過全波橋式整流電路的整流以及電容濾波等一系列變化后，得到一個(gè)相當(dāng)穩(wěn)定的低壓直流信號(hào)。如果仿真波形不出來，則需對(duì)如圖9所示的“瞬態(tài)分析參數(shù)設(shè)置對(duì)話框”中的仿真設(shè)置進(jìn)行修改，去掉Always set defaults（總是使用默認(rèn)值）前的“√”，即可設(shè)置瞬態(tài)分析的：Start Time、Stop Time、Step Time、Max Step Time等參數(shù)。而如果讀者對(duì)仿真結(jié)果不滿意，則可以對(duì)原理圖中的元器件參數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，例如：調(diào)整電阻、電容的值或者換器件，再進(jìn)行仿真，直到對(duì)仿真波形滿意。這比搭板實(shí)驗(yàn)換元器件方便多了，設(shè)計(jì)者可以借助這些波形圖，找出設(shè)計(jì)中存在的不足和問題，從而加以改進(jìn)，以使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化，提高制版的成功率，縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期。

以上通過整流濾波穩(wěn)壓電路簡(jiǎn)單介紹了Protel 99 SE軟件的電路仿真功能，還有很多更好、更尖端的應(yīng)用等待大家去探索、創(chuàng)新，上述介紹僅是拋磚引玉。

[1]邱寄帆.Protel 99SE印制電路板設(shè)計(jì)與仿真[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[2]王靜.Altium Designer Winter 09電路設(shè)計(jì)案例教程[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2010.

[3]蔡杏山.Protel 99SE電路設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,2007.

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2011年重慶市科技攻關(guān)項(xiàng)目“基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)長(zhǎng)江流域水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用”（項(xiàng)目編號(hào)：CSTC，2011AC2078），項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：王靜。

王靜（1960—），女，重慶人，重慶電子工程職業(yè)學(xué)院副教授，高級(jí)工程師，研究方向：EDA及嵌入式系統(tǒng)等方面的教學(xué)與科研。