第 8章 电路仿真
第 8章 电路仿真
8.1 概述
8.2 SIM 99仿真库中的主要元件
8.3 SIM 99中的激励源
8.4 仿真器设置
8.5 运行电路仿真
本章小结
思考与练习 8
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第 8章 电路仿真
8.1 概述
Protel 99 SE 仿真器包含一个数目庞大的仿真库，
能很好地满足设计的需要。 Protel 99 SE Advanced SIM
99是一个功能强大的数 /模混合信号电路仿真器，运行
在 Protel的 EDA/Client 集成环境下，与 Protel Advanced
Schematic原理图输入程序协同工作，作为 Advanced
Schematic的扩展，为用户提供了一个完整的从设计到
验证的仿真设计环境。
在 Protel 99 SE中执行仿真，需要从仿真用元件库
中放置所需的元件，连接好原理图，加上激励源，然后
单击仿真按钮即可自动开始。作为一个真正的混合信号
仿真器,SIM99集成了连续的模拟信号和离散的数字信
号，可以同时观察复杂的模拟信号和数字信号波形，以
及得到电路性能的全部波形。
第 8章 电路仿真
8.2 SIM 99仿真库中的主要元件
在 SIM99的仿真元件库中, 包含了如下一些主要的仿真
元器件 。
8.2.1 电阻
在库 Simulation Symbols.lib中, 包含了如下的电阻器：
? RES,固定电阻：
? RES2,半导体电阻；
? POT2,电位器；
? RES4,变电阻 。
上述符号代表了一般的电阻类型, 如图 8.1所示 。
在放置过程中按 Tab键, 或放置完后双击该元器件弹出
属性对话框, 进行参数设置 。
第 8章 电路仿真
图 8.1 仿真库中的电阻类型
第 8章 电路仿真
8.2.2 电容
在库 Simulation Symbols.Lib中，包含了如
下的电容：
CAP,定值无极性电容；
ELECTR02,定值有极性电容；
CAPVAR,单连可变电容。
这些符号表示了一般的电容类型，如图 8.2所
示。
第 8章 电路仿真
图 8,2 仿真库中的电容类型
第 8章 电路仿真
8.2.3 电感
在库 Simulation Symbols.Lib中，包含的电感
INDUCTOR。 在电感的属性对话框中可设置如下参
数：
Designator,电感名称（如 L1）；
Part Type,以微亨为单位的电感值（如
27mH）；
IC,在 Part Fields选项卡中设置，表示初始条件，
即电感的初始电压值。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。
第 8章 电路仿真
8.2.4 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 8.3所示，该图简单列出了库中包
含的几种二极管。
图 8.3 仿真库中的二极管类型
第 8章 电路仿真
8.2.5 三极管
在库 Bjt.lib中，包含了数目巨大的以工业标准部件
数命名的的三极管。如图 8.4所示，该图简单列出了库中
包含的三极管型号。
图 8.4 仿真库中的三极管类型
第 8章 电路仿真
8.2.6 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 8.5
所示，该图简单列出了库中包含的结型场效应晶体管。
图 8.5 仿真库中的结型场效应管类型
第 8章 电路仿真
8.2.7 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元器
件。 SIM 99提供了四种 MOXFET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
位数命名的 MOS场效应晶体管。如图 8.6所示，该图简
单列出了库中包含的 MOS场 效应晶体管。
第 8章 电路仿真
图 8.6 仿真库中的 MOS场效应管
第 8章 电路仿真
8.2.8 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,默认电流控制开关；
SW,默认电压控制开关。
如图 8.7所示，该图简单列出了库中包含的电压 /电
流控制开关。
图 8,7 仿真库中的电压 /电流控制开关
第 8章 电路仿真
8.2.9 熔丝
Fuse.lib包含了一般的保险丝元器件。在
熔丝的属性对话框中可设置如下参数：
Designator,熔丝名称（如 F1）；
Curent,熔断电流（单位 A,如 1A）；
Resistance,在 Part Fields选项卡中设置，以
欧姆为单位的串联熔丝阻抗。
第 8章 电路仿真
8.2.10 继电器 （ RELAY）
库 Relay.lib包括了大量的继电器, 如图 8.8所
示 。
在继电器的属性对话框中可设置如下参数：
Designator,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。
第 8章 电路仿真
图 8.8 仿真库中的继电器类型
第 8章 电路仿真
8.2.11 互感（电感耦合器）
库 Transformer.lib包括了大量的电感耦合器。
在电感耦合器的属性对话框中可设置如下参数：
Designator,电感受耦合器名称（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，一次侧阻抗；
RS,可选项，二次侧阻抗。
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8.2.12 TTL和 CMOS数字电路元器件
库 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元器件用到所
设计的仿真图中。
8.2.13 模块电路
SIM 99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 SPECE子电路设定好。
第 8章 电路仿真
8.3 SIM 99中的激励源
在 SIM 99的仿真元件库中，包含了以下主要激励源。
8.3.1直流源
在库 Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的直流源元
器件：
VSRC 电压源； ISRC 电流源；
仿真库中的电压 /电流源的符号如图 8.9所示 。
图 8.9 电压 /电流源符号
第 8章 电路仿真
8.3.2 正弦仿真源
库 Simulation Symbols.lib 中, 包含了如下的正弦源
元器件：
VSIN 正弦电压源； ISIN 正弦电流源 。
通过这些源可创建正弦波电压和电流源。仿真库
中的正弦电压 /电流源符号如图 8.10所示。
图 8.10 正弦电压 /电流源符号
第 8章 电路仿真
8.3.3 周期脉冲源
库 Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的周期脉冲源
元器件：
? VPULSE,电压脉冲源；
? IPULSE,电流脉冲源；
利用这些源可以创建周期的连续的脉冲。仿真库中
的周期脉冲源符号如图 8.11所示。
图 8.11 周期脉冲源符号
第 8章 电路仿真
在周期脉冲源的属性对话框可设置如下参数：
Designator,设置所需的激励源元器件名称（如
INPUT）；
DC,此项不用设置；
AC,如果欲在此电源上进行交流小信号分析，
可设置此项（典型值为 1）；
AC Phase,小信号的电压相位；
Initial Value,电压或电流的起始值；
Pulsed,上升时间时的电压或电流值；
Time Delay,激励源从初始状态到激发时的延时，
单位为 s；
第 8章 电路仿真
Rise Time,上升时间，必须大于 0；
Fall Time,下降时间，必须大于 0；
Pulse Width,脉冲宽度，即脉冲激发状态的时间,
单位为 s；
Period,脉冲周期，单位为 s；
8.3.4 指数激励源
库 Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的指数激励
源元器件：
VEXP,指数激励电压源；
IEXP,指数激励电流源；
第 8章 电路仿真
利用这些源可创建带有指数上升沿或下降沿的脉冲
波形 。 图 8.12中是仿真库中的指数激励源元器件 。
图 8.12 指数激励源符号
第 8章 电路仿真
8.3.5 单频调频源
库 Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的单频调频源元
器件：
VSFFM 电压源；
ISFFM 电流源；
利用这些源可创建一个单频调频波。图 8.13中是仿
真库中的单频调频源元器件。
图 8.13 单频调频源符号
第 8章 电路仿真
8.3.6 线性受控源
库 Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的线
性受控源元器件：
HSRC,线性电压控制电流源；
GSRC,线性电压控制电压源；
FSRC,线性电流控制电流源；
ESRC,线性电流控制电压源；
仿真器中的线性受控源元器件如图 8.14所示。
第 8章 电路仿真
图 8.14 线性受控源元元器件
第 8章 电路仿真
以上是标准的 SPECE线性受控源，每个线性受控源都
有两个输入节点和两个输出节点。输出节点间的电压或
电流是输入节点间的电压或电流的线性函数，一般由源
的增益、跨导等决定。
在线性受控源的属性对话框可设置如下数：
Designator,设置所需的激励源元器件名称
（ GSRC1）
Part Type,对于线性电压控制电流源，设置跨导，
单位为 S（ 西门子）；
对于线性电压控制电压源，设置电压增益，其无量纲；
对于线性电流控制电压源,设置互阻，单位为 Ω；
对于线性电流控制电流源，设置电流增益，其无量纲。
第 8章 电路仿真
8.3.7 非线性受控源
库 Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的非线性受控源元
器件：
BVSRC 电压源；
BISRC 电流源；
图 8.15是仿真器中包括的非线性受控源元器件。
图 8.15 非线性受控源符号
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8.3.8 压控振荡 （ VCO） 仿真源
库 Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的压控振荡
源元器件：
SINEVCO 压控正弦振荡器；
SQRVCO 压控方波振荡器；
TRIVEO 压控三角波振荡器。
设计者可利用以上元器件在原理图中创建压控振荡器,
图 8.16是仿真器中包括的压控振荡源元器件。
第 8章 电路仿真
图 8.16 压控震荡源元器件
第 8章 电路仿真
8.4 仿真器设置
8.4.1 设置仿真初始状态
设置初始状态是为计算仿真电路直流偏置点而设定一
个或多个电压（或电流）值。在仿真非线性电路、振荡
电路及触发器电路的直流或瞬态特性时，常出现解的不
收敛现象，而实际电路是收敛的，其原因是偏置点发散
或收敛的偏置点不能适应多种情况。设置初始值最通常
的原因就是在两个或更多的稳定工作点中选择一个，以
便仿真顺利进行。
库 Simulation Symbols.lib 中，包含了两个特别的初始
状态定义符：
NS NODESET； IC Initial Condition。
第 8章 电路仿真
1．节点电压设置,NS
该设置使指定的节点固定在所给定的电压下, 仿真
器按这些节点电压求得直流或瞬态的初始解 。 其对双
稳态或非稳态电路的计算收敛可能是必须的, 它可使
电路摆脱, 停顿, 状态, 而进入所希望的状态 。 一般
情况下, 设置是不必要 。
在节点电压设置的属性对话框可设置如下参数：
? Designator,节点名称, 每个节点电压设置必须
有唯一的标识符, 如 NS1；
? Part Type,节点电压的初始幅值, 如 12V。
第 8章 电路仿真
2．初始条件设置,IC
该设置是用来设置瞬态初始条件的,,IC”仅
用于设置偏置点的初始条件，它不影响 DC扫描。
在初始条件设置的属性对话框可设置如下参数：
? Designator,节点名称，每个初始条件设置
必须有唯一的标识符（如 IC1）；
? Part Type,节点电压的初始幅值，如 5V。
初始状态的设置共有三种途径：, IC”设置,,NS”
设置和定义元器件属性。在电路模拟中，如有这三
种或两种共存时，在分析中优先考虑的次序是定义
元器件属性,,IC”设置,,NS”设置。如果, NS”
和, IC”共存时，则, IC”设置将取代, NS”设置。
第 8章 电路仿真
8.4.2 仿真器设置
在进行仿真前，设计者必须决定对电路进行哪种
分析，要收集哪几个变量数据，以及仿真完成后自动
显示哪个变量的波形等。
1,进入分析（ Analysis） 主菜单
进入 Protel 99 SE原理图编辑的主菜单后，单击
,Simulate\Setup”命令，进入仿真器的设置，如图
8.17所示。
第 8章 电路仿真
图 8.17, Simulate\Setup”命令
第 8章 电路仿真
单击 Setup选取项, 将启动, 仿真器设置, 对话框, 如图
8.18所示 。 在 General选项中, 设计者可以选择分析类别 。
图 8.18, 仿真器设置, 对话框
第 8章 电路仿真
2,瞬态特性分析 (Transient Analysis)
瞬态特性分析是从时间零开始，到用户规定的时间
范围内进入的。瞬态分析的输出是在一个类似示波器的
窗口中，在设计者定义的时间间隔内计算变量瞬态输出
电流或电压值。如果不使用初始条件，则表态工作点分
析将在瞬态分析前自动执行，以测得电路的直流偏置。
瞬态分析通常从时间零开始。若不从时间零开始，
则在时间零和开始时间（ Start Time） 之间，瞬态分析
照样进行，只是不保存结果。从开始时间（ Start Time）
和终止时间 (Stop Time)的间隔内的结果将予保存，并
用于显示。
步长 (Step Time)通常是指在瞬态分析中的时间增
量。
要在 SIM 99中设置瞬态分析的参数，可以通过激活
Transien/Fourier选项便得到如图 8.19所示的, 设置瞬
态分析 /傅里叶分析参数, 对话框。
第 8章 电路仿真
图 8.19, 设置瞬态分析 /傅立叶分析参数, 对话
框
第 8章 电路仿真
3,傅里叶分析（ Fourier）
傅里叶分析是计算瞬态分析结果的一部分，得到
基频,DC分量和谐波。
要进行傅里叶分析，必须激活图 8.19中
Transien/Fourier Analysis选项。
4,交流小信号分析 (AC Small Signal
Analysis)
交流小信号分析将交流输出变量作为频率的函数
计算出来。先计算电路的直流工作点，决定电路中所
有非线性元器件的线性化小信号模型参数，然后在设
计者所指定的频率范围内对该线性化电路进行分析。
通过激活 AC Small Signal Analysis选项可得, 交流小信
号分析参数设置, 对话框。
第 8章 电路仿真
5,直流分析 (DC Sweep Analysis)
直流分析产生直流转移曲线。直流分析将执行
一系列表态工作点分析，从而改变前述定义所选择
电源的电压。设置中可定义或可选辅助源。通过激
活 DC Sweep Analysis选项可得, 直流分析参数设置,
对话框。
6,蒙特卡罗分析（ Monte Carlo Analysis）
蒙特卡罗分析是使用随机数发生器按元件值的
概率分布来选择元件，然后对电路进行模拟分析。
SIM 99中通过激活 Monte Carlo Analysis选项
可得, 蒙特卡罗直流分析参数设置, 对话框。
第 8章 电路仿真
7,扫描参数分析（ Parame
Sweep Anlysis）
扫描参数分析允许设计者以自定义的增
幅扫描元器件的值。扫描参数分析可以改
变基本的元器件和模式，但并不改变子电
路的数据。
设置扫描参数分析的参数，可通过激活
Paramete Sweep Analysis 选项，可得扫
描参数分析对话框。
第 8章 电路仿真
8,扫描温度分析 (Temperature Sweep
Analysis)
扫描温度分析和交流小信号分析，直流分析
及瞬态特性分析中的一种或几种相连的。该设置
规定了在什么温度下进行模拟。如果设计者给了
几个温度，则对每个温度都要做一遍所有的分析。
设置扫描温度分析的参数，可通过激活
Temperature Sweep Analysis选项，可得, 扫描
温度分析, 对话框。
第 8章 电路仿真
9,传递函数分析
传递函数分析计算直流输入阻抗、输出阻抗，以及直
流增益。
设置传递函数分析的参数，可通过激活 Transfer Function
选项，可得, 传递函数分析, 对话框。
10,噪声分析（ Noise Analysis）
电路中产生噪声的元器件有电阻器和半导体元器件，
每个元器件的噪声源在交流小信号分析的每个频率计算
出相应的噪声，并传送到一个输出节点，所有传送到该
节点的噪声进行 RMS（ 均方根）相加，就得到了指定输
出端的等效输出噪声。
设置噪声分析的参数，可通过激活 Noise选项。
第 8章 电路仿真
8.5 运行电路仿真
8.5.1 仿真总体设计流程图
采用 SIM 99进行混合信号仿真的总体设计流程如图 8.20所示。
图 8.20 电路仿真一般流程
设计需要仿真的原理图文件
设置 SIM99 仿真环境
分 析 仿 真 结 果
仿 真 所 设 的 原理
图
第 8章 电路仿真
8.5.2 仿真原理图设计
1,仿真原理图设计步骤
（ 1）调用元件库
在 Protel 99 SE中，默认的原理图库包含中
一系列的数据库中，每个数据库中有数目不等的
原理图库。设计中，一旦加载数据库，则该数据
库下的所有库都将列出来。仿真原理图用库在
"\Library\SCh\SIM.ddb中。
创建仿真用的原理图在仿真用的数据库
SIM.ddb加载后，如图 8.21所示的包含在
SIM.ddb中的后缀名为,lib的仿真原理图库将列出
在 Browse栏内。
第 8章 电路仿真
图 8.21 SIM.ddb中 包含,Lib库文件
第 8章 电路仿真
（ 2）选择仿真元件
创建仿真用原理图的简便方法是使用 Protel仿
真库中的件。 Protel 99 SE包含了大约 6400多个
元器件模型，这些模型都是为仿真准备的。
在大多数情况下，设计者只需从如图 8.21所示
的库中选择一元件，设定它的值，连接好线路，
就可以进行仿真了。每个元件包含了 Spice仿真用
的所有的信息。
最常用的仿真元器件如下：
? 激励源,给所设计电路一个合适的激励源，
以便仿真器进行仿真；
? 添加网络标号,设计者须在需要观测输出
波形的节点处定义网络标号，以便于仿真器的识
别。
第 8章 电路仿真
（ 3）实施仿真
在设计完原理图后并对该原理图进行 ERC检查，
如有 错误返回原理图设计。然后，设计者就需对
该仿真器设置，决定对原理图进行何种分析，并
确定该分析采有的参数。设置不正确，仿真器可
能在仿真前报告警告信息，仿真后将仿真过程中
的错误写入 Filename.err文件中。仿真完成后，将
输出一系列的文件，供设计者对所设计的电路进
行分析。具体的输出文件和具体的步骤详见实例。
第 8章 电路仿真
8.5.3 模拟电路仿真实例
通过对一个简单模拟电路的仿真，具体说明 Protel
99 SE中仿真器的使用。
（ 1）生成原理图文件
本例是一个简单的整流稳压电路，如图 8.22所示。
一正弦波信号经过 10,1的变压器变压、全波整流桥的
整流以及电容滤波等一系列的变化后，得到一个相当稳
定的低压直流信号。
在该电路中定义了一个有效值为 125V,频率为 50Hz的
正弦波激励源。同时，在需要显示波形的几处添加了网
络标号，用于显示输入波形、输出波形以及一些中间波
形。
第 8章 电路仿真
图 8.22 整流稳压电路原理图
第 8章 电路仿真
（ 2）设置仿真器
在本次仿真中，采用如图 8.23所示的仿真设置项。
将对电路进行瞬态分析。
设置完以后，单击 Run Analyses按钮开始仿
真，或单击 Close按钮结束该设置，再通过
Simulate\Setup\Creat SPICE Netlist菜单实现仿真。
在仿真设置后，将生成,,cfg”文件。该文件
以文本的方式记录下了仿真器的设置环境。
第 8章 电路仿真
图 8.23 仿真器设置
第 8章 电路仿真
（ 3）仿真器输出仿真结果
仿真器的输出文件为,,Nsx”文件和,,Sdf”文件。
为了更好地完善原理图设计，可以执行
,Simulate\Create\SPICE Netlist”命令，之后，将生成
一个后缀为,,Nsx”的文件，如图 8.24所示。,,Sdf”文
件为仿真波形显示。
第 8章 电路仿真
图 8.24 仿真生成的,,Nsx”文件
第 8章 电路仿真
（ 4）仿真编辑器
当仿真完成后，执行, *.sdf”文件，将出现
如图 8.25所示的波形编辑器。波形栏内列出了
所能显示的原理图中节点的波形，或某节点信
号的多次谐波波形。该栏下的三个按钮 Show、
Hide 和 Color分别用于显示波形、隐藏波形和
改变波形颜色等。波形编辑器中的 View选项用
于选择在编辑器中是显示单一波形，还是显示
所有选择了的波形。为更好地观察波形，在此
选择显示单一波形。
第 8章 电路仿真
图 8.25 波形编辑器窗口
第 8章 电路仿真
（ 5）瞬态分析
下面将通过这个波形显示器显示仿真后的一系列的波形。
对原理图进行瞬态分析后，可得到如下的一些信号波形。
输入信号 in的波形，如图 8.26所示，该输入信号周期约为
20ms,幅值为 170V 的正弦波信号。
图 8.26 输入正弦波信号
第 8章 电路仿真
将该信号变压后可得到节点 a的波形，见图 8.27所示。
图 8.27 节点 a处的信号波形
第 8章 电路仿真
输入波形经过全波整流后可得到节点 b的波形，见图 8.28
所示 。
图 8.28 节点 b处的信号波形
第 8章 电路仿真
将该信号再经过稳压等环节后，可得以一平稳的输出直
流波形，见图 8.29所示。
图 8.29 输出直流波形
第 8章 电路仿真
如果选择多波形显示，则设计者所选择的波形显示将在
同一窗口中，如图 8.30所示，这便于信号间的比较。
（ 6）通过仿真完善设计原理图
仿真器输出了一系列的波形，设计者借助这些波形，可以
很方便的发现设计中的不足的问题。
图 8.30 输入、输出和中间节点波形
第 8章 电路仿真
本章小结
1,SIM 99仿真库中的主要元件
其中有：电阻, 电容, 电感, 二极管, 三极管,
JFET 结型场效应晶体管, MOS场效应晶体管, 电压 /
电流控制开关, 熔丝, 继电器, 互感, TTL和 CMOS数
字电路元器件, 模块电路等 。
2,SIM 99中的激励源
包含直流源, 正弦仿真源, 周期脉冲源, 指数激励源,
单频调频源, 线性受控源, 非线性受控源, 压控振荡
（ VCO） 仿真源等 。
第 8章 电路仿真
3,仿真器设置
(1) 设置仿真初始状态
是为计算仿真电路直流偏置点而设定一个或多个电压
（或电流）值。
(2) 仿真器设置
在进行仿真前，设计者必须决定对电路进行哪种分析，
要收集哪几个变量数据，以及仿真完成后自动显示哪个
变量的波形等。
进入 Protel 99 SE原理图编辑的主菜单后，单击
,Simulate\Setup”命令，进入仿真器的设置进行分析,
四,运行电路仿真
仿真原理图设计步骤
（ 1）调用元件库
（ 2）选择仿真元件
（ 3）实施仿真
第 8章 电路仿真
思考与练习 8
? 8.1 什么是电路仿真？请叙述电路原理图的一般步骤。
? 8.2 仿真初始状态的设置有什么意义？如何设置？
? 8.3 Protel SIM 99 仿真器可进行哪几种仿真设置与分
析？其中瞬态分析的主要内容是什么？
? 8.4 采用 SIM 99进行电路仿真的基本流程是什么？
? 8.5 请设计一个十进制的 8421BCD的计数器电路，并
用 SIM99给予仿真。
第 8章 电路仿真
8.1 概述
8.2 SIM 99仿真库中的主要元件
8.3 SIM 99中的激励源
8.4 仿真器设置
8.5 运行电路仿真
本章小结
思考与练习 8
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第 8章 电路仿真
8.1 概述
Protel 99 SE 仿真器包含一个数目庞大的仿真库，
能很好地满足设计的需要。 Protel 99 SE Advanced SIM
99是一个功能强大的数 /模混合信号电路仿真器，运行
在 Protel的 EDA/Client 集成环境下，与 Protel Advanced
Schematic原理图输入程序协同工作，作为 Advanced
Schematic的扩展，为用户提供了一个完整的从设计到
验证的仿真设计环境。
在 Protel 99 SE中执行仿真，需要从仿真用元件库
中放置所需的元件，连接好原理图，加上激励源，然后
单击仿真按钮即可自动开始。作为一个真正的混合信号
仿真器,SIM99集成了连续的模拟信号和离散的数字信
号，可以同时观察复杂的模拟信号和数字信号波形，以
及得到电路性能的全部波形。
第 8章 电路仿真
8.2 SIM 99仿真库中的主要元件
在 SIM99的仿真元件库中, 包含了如下一些主要的仿真
元器件 。
8.2.1 电阻
在库 Simulation Symbols.lib中, 包含了如下的电阻器：
? RES,固定电阻：
? RES2,半导体电阻；
? POT2,电位器；
? RES4,变电阻 。
上述符号代表了一般的电阻类型, 如图 8.1所示 。
在放置过程中按 Tab键, 或放置完后双击该元器件弹出
属性对话框, 进行参数设置 。
第 8章 电路仿真
图 8.1 仿真库中的电阻类型
第 8章 电路仿真
8.2.2 电容
在库 Simulation Symbols.Lib中，包含了如
下的电容：
CAP,定值无极性电容；
ELECTR02,定值有极性电容；
CAPVAR,单连可变电容。
这些符号表示了一般的电容类型，如图 8.2所
示。
第 8章 电路仿真
图 8,2 仿真库中的电容类型
第 8章 电路仿真
8.2.3 电感
在库 Simulation Symbols.Lib中，包含的电感
INDUCTOR。 在电感的属性对话框中可设置如下参
数：
Designator,电感名称（如 L1）；
Part Type,以微亨为单位的电感值（如
27mH）；
IC,在 Part Fields选项卡中设置，表示初始条件，
即电感的初始电压值。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。
第 8章 电路仿真
8.2.4 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 8.3所示，该图简单列出了库中包
含的几种二极管。
图 8.3 仿真库中的二极管类型
第 8章 电路仿真
8.2.5 三极管
在库 Bjt.lib中，包含了数目巨大的以工业标准部件
数命名的的三极管。如图 8.4所示，该图简单列出了库中
包含的三极管型号。
图 8.4 仿真库中的三极管类型
第 8章 电路仿真
8.2.6 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 8.5
所示，该图简单列出了库中包含的结型场效应晶体管。
图 8.5 仿真库中的结型场效应管类型
第 8章 电路仿真
8.2.7 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元器
件。 SIM 99提供了四种 MOXFET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
位数命名的 MOS场效应晶体管。如图 8.6所示，该图简
单列出了库中包含的 MOS场 效应晶体管。
第 8章 电路仿真
图 8.6 仿真库中的 MOS场效应管
第 8章 电路仿真
8.2.8 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,默认电流控制开关；
SW,默认电压控制开关。
如图 8.7所示，该图简单列出了库中包含的电压 /电
流控制开关。
图 8,7 仿真库中的电压 /电流控制开关
第 8章 电路仿真
8.2.9 熔丝
Fuse.lib包含了一般的保险丝元器件。在
熔丝的属性对话框中可设置如下参数：
Designator,熔丝名称（如 F1）；
Curent,熔断电流（单位 A,如 1A）；
Resistance,在 Part Fields选项卡中设置，以
欧姆为单位的串联熔丝阻抗。
第 8章 电路仿真
8.2.10 继电器 （ RELAY）
库 Relay.lib包括了大量的继电器, 如图 8.8所
示 。
在继电器的属性对话框中可设置如下参数：
Designator,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。
第 8章 电路仿真
图 8.8 仿真库中的继电器类型
第 8章 电路仿真
8.2.11 互感（电感耦合器）
库 Transformer.lib包括了大量的电感耦合器。
在电感耦合器的属性对话框中可设置如下参数：
Designator,电感受耦合器名称（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，一次侧阻抗；
RS,可选项，二次侧阻抗。
第 8章 电路仿真
8.2.12 TTL和 CMOS数字电路元器件
库 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元器件用到所
设计的仿真图中。
8.2.13 模块电路
SIM 99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 SPECE子电路设定好。
第 8章 电路仿真
8.3 SIM 99中的激励源
在 SIM 99的仿真元件库中，包含了以下主要激励源。
8.3.1直流源
在库 Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的直流源元
器件：
VSRC 电压源； ISRC 电流源；
仿真库中的电压 /电流源的符号如图 8.9所示 。
图 8.9 电压 /电流源符号
第 8章 电路仿真
8.3.2 正弦仿真源
库 Simulation Symbols.lib 中, 包含了如下的正弦源
元器件：
VSIN 正弦电压源； ISIN 正弦电流源 。
通过这些源可创建正弦波电压和电流源。仿真库
中的正弦电压 /电流源符号如图 8.10所示。
图 8.10 正弦电压 /电流源符号
第 8章 电路仿真
8.3.3 周期脉冲源
库 Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的周期脉冲源
元器件：
? VPULSE,电压脉冲源；
? IPULSE,电流脉冲源；
利用这些源可以创建周期的连续的脉冲。仿真库中
的周期脉冲源符号如图 8.11所示。
图 8.11 周期脉冲源符号
第 8章 电路仿真
在周期脉冲源的属性对话框可设置如下参数：
Designator,设置所需的激励源元器件名称（如
INPUT）；
DC,此项不用设置；
AC,如果欲在此电源上进行交流小信号分析，
可设置此项（典型值为 1）；
AC Phase,小信号的电压相位；
Initial Value,电压或电流的起始值；
Pulsed,上升时间时的电压或电流值；
Time Delay,激励源从初始状态到激发时的延时，
单位为 s；
第 8章 电路仿真
Rise Time,上升时间，必须大于 0；
Fall Time,下降时间，必须大于 0；
Pulse Width,脉冲宽度，即脉冲激发状态的时间,
单位为 s；
Period,脉冲周期，单位为 s；
8.3.4 指数激励源
库 Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的指数激励
源元器件：
VEXP,指数激励电压源；
IEXP,指数激励电流源；
第 8章 电路仿真
利用这些源可创建带有指数上升沿或下降沿的脉冲
波形 。 图 8.12中是仿真库中的指数激励源元器件 。
图 8.12 指数激励源符号
第 8章 电路仿真
8.3.5 单频调频源
库 Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的单频调频源元
器件：
VSFFM 电压源；
ISFFM 电流源；
利用这些源可创建一个单频调频波。图 8.13中是仿
真库中的单频调频源元器件。
图 8.13 单频调频源符号
第 8章 电路仿真
8.3.6 线性受控源
库 Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的线
性受控源元器件：
HSRC,线性电压控制电流源；
GSRC,线性电压控制电压源；
FSRC,线性电流控制电流源；
ESRC,线性电流控制电压源；
仿真器中的线性受控源元器件如图 8.14所示。
第 8章 电路仿真
图 8.14 线性受控源元元器件
第 8章 电路仿真
以上是标准的 SPECE线性受控源，每个线性受控源都
有两个输入节点和两个输出节点。输出节点间的电压或
电流是输入节点间的电压或电流的线性函数，一般由源
的增益、跨导等决定。
在线性受控源的属性对话框可设置如下数：
Designator,设置所需的激励源元器件名称
（ GSRC1）
Part Type,对于线性电压控制电流源，设置跨导，
单位为 S（ 西门子）；
对于线性电压控制电压源，设置电压增益，其无量纲；
对于线性电流控制电压源,设置互阻，单位为 Ω；
对于线性电流控制电流源，设置电流增益，其无量纲。
第 8章 电路仿真
8.3.7 非线性受控源
库 Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的非线性受控源元
器件：
BVSRC 电压源；
BISRC 电流源；
图 8.15是仿真器中包括的非线性受控源元器件。
图 8.15 非线性受控源符号
第 8章 电路仿真
8.3.8 压控振荡 （ VCO） 仿真源
库 Simulation Symbols.lib 中，包含了如下的压控振荡
源元器件：
SINEVCO 压控正弦振荡器；
SQRVCO 压控方波振荡器；
TRIVEO 压控三角波振荡器。
设计者可利用以上元器件在原理图中创建压控振荡器,
图 8.16是仿真器中包括的压控振荡源元器件。
第 8章 电路仿真
图 8.16 压控震荡源元器件
第 8章 电路仿真
8.4 仿真器设置
8.4.1 设置仿真初始状态
设置初始状态是为计算仿真电路直流偏置点而设定一
个或多个电压（或电流）值。在仿真非线性电路、振荡
电路及触发器电路的直流或瞬态特性时，常出现解的不
收敛现象，而实际电路是收敛的，其原因是偏置点发散
或收敛的偏置点不能适应多种情况。设置初始值最通常
的原因就是在两个或更多的稳定工作点中选择一个，以
便仿真顺利进行。
库 Simulation Symbols.lib 中，包含了两个特别的初始
状态定义符：
NS NODESET； IC Initial Condition。
第 8章 电路仿真
1．节点电压设置,NS
该设置使指定的节点固定在所给定的电压下, 仿真
器按这些节点电压求得直流或瞬态的初始解 。 其对双
稳态或非稳态电路的计算收敛可能是必须的, 它可使
电路摆脱, 停顿, 状态, 而进入所希望的状态 。 一般
情况下, 设置是不必要 。
在节点电压设置的属性对话框可设置如下参数：
? Designator,节点名称, 每个节点电压设置必须
有唯一的标识符, 如 NS1；
? Part Type,节点电压的初始幅值, 如 12V。
第 8章 电路仿真
2．初始条件设置,IC
该设置是用来设置瞬态初始条件的,,IC”仅
用于设置偏置点的初始条件，它不影响 DC扫描。
在初始条件设置的属性对话框可设置如下参数：
? Designator,节点名称，每个初始条件设置
必须有唯一的标识符（如 IC1）；
? Part Type,节点电压的初始幅值，如 5V。
初始状态的设置共有三种途径：, IC”设置,,NS”
设置和定义元器件属性。在电路模拟中，如有这三
种或两种共存时，在分析中优先考虑的次序是定义
元器件属性,,IC”设置,,NS”设置。如果, NS”
和, IC”共存时，则, IC”设置将取代, NS”设置。
第 8章 电路仿真
8.4.2 仿真器设置
在进行仿真前，设计者必须决定对电路进行哪种
分析，要收集哪几个变量数据，以及仿真完成后自动
显示哪个变量的波形等。
1,进入分析（ Analysis） 主菜单
进入 Protel 99 SE原理图编辑的主菜单后，单击
,Simulate\Setup”命令，进入仿真器的设置，如图
8.17所示。
第 8章 电路仿真
图 8.17, Simulate\Setup”命令
第 8章 电路仿真
单击 Setup选取项, 将启动, 仿真器设置, 对话框, 如图
8.18所示 。 在 General选项中, 设计者可以选择分析类别 。
图 8.18, 仿真器设置, 对话框
第 8章 电路仿真
2,瞬态特性分析 (Transient Analysis)
瞬态特性分析是从时间零开始，到用户规定的时间
范围内进入的。瞬态分析的输出是在一个类似示波器的
窗口中，在设计者定义的时间间隔内计算变量瞬态输出
电流或电压值。如果不使用初始条件，则表态工作点分
析将在瞬态分析前自动执行，以测得电路的直流偏置。
瞬态分析通常从时间零开始。若不从时间零开始，
则在时间零和开始时间（ Start Time） 之间，瞬态分析
照样进行，只是不保存结果。从开始时间（ Start Time）
和终止时间 (Stop Time)的间隔内的结果将予保存，并
用于显示。
步长 (Step Time)通常是指在瞬态分析中的时间增
量。
要在 SIM 99中设置瞬态分析的参数，可以通过激活
Transien/Fourier选项便得到如图 8.19所示的, 设置瞬
态分析 /傅里叶分析参数, 对话框。
第 8章 电路仿真
图 8.19, 设置瞬态分析 /傅立叶分析参数, 对话
框
第 8章 电路仿真
3,傅里叶分析（ Fourier）
傅里叶分析是计算瞬态分析结果的一部分，得到
基频,DC分量和谐波。
要进行傅里叶分析，必须激活图 8.19中
Transien/Fourier Analysis选项。
4,交流小信号分析 (AC Small Signal
Analysis)
交流小信号分析将交流输出变量作为频率的函数
计算出来。先计算电路的直流工作点，决定电路中所
有非线性元器件的线性化小信号模型参数，然后在设
计者所指定的频率范围内对该线性化电路进行分析。
通过激活 AC Small Signal Analysis选项可得, 交流小信
号分析参数设置, 对话框。
第 8章 电路仿真
5,直流分析 (DC Sweep Analysis)
直流分析产生直流转移曲线。直流分析将执行
一系列表态工作点分析，从而改变前述定义所选择
电源的电压。设置中可定义或可选辅助源。通过激
活 DC Sweep Analysis选项可得, 直流分析参数设置,
对话框。
6,蒙特卡罗分析（ Monte Carlo Analysis）
蒙特卡罗分析是使用随机数发生器按元件值的
概率分布来选择元件，然后对电路进行模拟分析。
SIM 99中通过激活 Monte Carlo Analysis选项
可得, 蒙特卡罗直流分析参数设置, 对话框。
第 8章 电路仿真
7,扫描参数分析（ Parame
Sweep Anlysis）
扫描参数分析允许设计者以自定义的增
幅扫描元器件的值。扫描参数分析可以改
变基本的元器件和模式，但并不改变子电
路的数据。
设置扫描参数分析的参数，可通过激活
Paramete Sweep Analysis 选项，可得扫
描参数分析对话框。
第 8章 电路仿真
8,扫描温度分析 (Temperature Sweep
Analysis)
扫描温度分析和交流小信号分析，直流分析
及瞬态特性分析中的一种或几种相连的。该设置
规定了在什么温度下进行模拟。如果设计者给了
几个温度，则对每个温度都要做一遍所有的分析。
设置扫描温度分析的参数，可通过激活
Temperature Sweep Analysis选项，可得, 扫描
温度分析, 对话框。
第 8章 电路仿真
9,传递函数分析
传递函数分析计算直流输入阻抗、输出阻抗，以及直
流增益。
设置传递函数分析的参数，可通过激活 Transfer Function
选项，可得, 传递函数分析, 对话框。
10,噪声分析（ Noise Analysis）
电路中产生噪声的元器件有电阻器和半导体元器件，
每个元器件的噪声源在交流小信号分析的每个频率计算
出相应的噪声，并传送到一个输出节点，所有传送到该
节点的噪声进行 RMS（ 均方根）相加，就得到了指定输
出端的等效输出噪声。
设置噪声分析的参数，可通过激活 Noise选项。
第 8章 电路仿真
8.5 运行电路仿真
8.5.1 仿真总体设计流程图
采用 SIM 99进行混合信号仿真的总体设计流程如图 8.20所示。
图 8.20 电路仿真一般流程
设计需要仿真的原理图文件
设置 SIM99 仿真环境
分 析 仿 真 结 果
仿 真 所 设 的 原理
图
第 8章 电路仿真
8.5.2 仿真原理图设计
1,仿真原理图设计步骤
（ 1）调用元件库
在 Protel 99 SE中，默认的原理图库包含中
一系列的数据库中，每个数据库中有数目不等的
原理图库。设计中，一旦加载数据库，则该数据
库下的所有库都将列出来。仿真原理图用库在
"\Library\SCh\SIM.ddb中。
创建仿真用的原理图在仿真用的数据库
SIM.ddb加载后，如图 8.21所示的包含在
SIM.ddb中的后缀名为,lib的仿真原理图库将列出
在 Browse栏内。
第 8章 电路仿真
图 8.21 SIM.ddb中 包含,Lib库文件
第 8章 电路仿真
（ 2）选择仿真元件
创建仿真用原理图的简便方法是使用 Protel仿
真库中的件。 Protel 99 SE包含了大约 6400多个
元器件模型，这些模型都是为仿真准备的。
在大多数情况下，设计者只需从如图 8.21所示
的库中选择一元件，设定它的值，连接好线路，
就可以进行仿真了。每个元件包含了 Spice仿真用
的所有的信息。
最常用的仿真元器件如下：
? 激励源,给所设计电路一个合适的激励源，
以便仿真器进行仿真；
? 添加网络标号,设计者须在需要观测输出
波形的节点处定义网络标号，以便于仿真器的识
别。
第 8章 电路仿真
（ 3）实施仿真
在设计完原理图后并对该原理图进行 ERC检查，
如有 错误返回原理图设计。然后，设计者就需对
该仿真器设置，决定对原理图进行何种分析，并
确定该分析采有的参数。设置不正确，仿真器可
能在仿真前报告警告信息，仿真后将仿真过程中
的错误写入 Filename.err文件中。仿真完成后，将
输出一系列的文件，供设计者对所设计的电路进
行分析。具体的输出文件和具体的步骤详见实例。
第 8章 电路仿真
8.5.3 模拟电路仿真实例
通过对一个简单模拟电路的仿真，具体说明 Protel
99 SE中仿真器的使用。
（ 1）生成原理图文件
本例是一个简单的整流稳压电路，如图 8.22所示。
一正弦波信号经过 10,1的变压器变压、全波整流桥的
整流以及电容滤波等一系列的变化后，得到一个相当稳
定的低压直流信号。
在该电路中定义了一个有效值为 125V,频率为 50Hz的
正弦波激励源。同时，在需要显示波形的几处添加了网
络标号，用于显示输入波形、输出波形以及一些中间波
形。
第 8章 电路仿真
图 8.22 整流稳压电路原理图
第 8章 电路仿真
（ 2）设置仿真器
在本次仿真中，采用如图 8.23所示的仿真设置项。
将对电路进行瞬态分析。
设置完以后，单击 Run Analyses按钮开始仿
真，或单击 Close按钮结束该设置，再通过
Simulate\Setup\Creat SPICE Netlist菜单实现仿真。
在仿真设置后，将生成,,cfg”文件。该文件
以文本的方式记录下了仿真器的设置环境。
第 8章 电路仿真
图 8.23 仿真器设置
第 8章 电路仿真
（ 3）仿真器输出仿真结果
仿真器的输出文件为,,Nsx”文件和,,Sdf”文件。
为了更好地完善原理图设计，可以执行
,Simulate\Create\SPICE Netlist”命令，之后，将生成
一个后缀为,,Nsx”的文件，如图 8.24所示。,,Sdf”文
件为仿真波形显示。
第 8章 电路仿真
图 8.24 仿真生成的,,Nsx”文件
第 8章 电路仿真
（ 4）仿真编辑器
当仿真完成后，执行, *.sdf”文件，将出现
如图 8.25所示的波形编辑器。波形栏内列出了
所能显示的原理图中节点的波形，或某节点信
号的多次谐波波形。该栏下的三个按钮 Show、
Hide 和 Color分别用于显示波形、隐藏波形和
改变波形颜色等。波形编辑器中的 View选项用
于选择在编辑器中是显示单一波形，还是显示
所有选择了的波形。为更好地观察波形，在此
选择显示单一波形。
第 8章 电路仿真
图 8.25 波形编辑器窗口
第 8章 电路仿真
（ 5）瞬态分析
下面将通过这个波形显示器显示仿真后的一系列的波形。
对原理图进行瞬态分析后，可得到如下的一些信号波形。
输入信号 in的波形，如图 8.26所示，该输入信号周期约为
20ms,幅值为 170V 的正弦波信号。
图 8.26 输入正弦波信号
第 8章 电路仿真
将该信号变压后可得到节点 a的波形，见图 8.27所示。
图 8.27 节点 a处的信号波形
第 8章 电路仿真
输入波形经过全波整流后可得到节点 b的波形，见图 8.28
所示 。
图 8.28 节点 b处的信号波形
第 8章 电路仿真
将该信号再经过稳压等环节后，可得以一平稳的输出直
流波形，见图 8.29所示。
图 8.29 输出直流波形
第 8章 电路仿真
如果选择多波形显示，则设计者所选择的波形显示将在
同一窗口中，如图 8.30所示，这便于信号间的比较。
（ 6）通过仿真完善设计原理图
仿真器输出了一系列的波形，设计者借助这些波形，可以
很方便的发现设计中的不足的问题。
图 8.30 输入、输出和中间节点波形
第 8章 电路仿真
本章小结
1,SIM 99仿真库中的主要元件
其中有：电阻, 电容, 电感, 二极管, 三极管,
JFET 结型场效应晶体管, MOS场效应晶体管, 电压 /
电流控制开关, 熔丝, 继电器, 互感, TTL和 CMOS数
字电路元器件, 模块电路等 。
2,SIM 99中的激励源
包含直流源, 正弦仿真源, 周期脉冲源, 指数激励源,
单频调频源, 线性受控源, 非线性受控源, 压控振荡
（ VCO） 仿真源等 。
第 8章 电路仿真
3,仿真器设置
(1) 设置仿真初始状态
是为计算仿真电路直流偏置点而设定一个或多个电压
（或电流）值。
(2) 仿真器设置
在进行仿真前，设计者必须决定对电路进行哪种分析，
要收集哪几个变量数据，以及仿真完成后自动显示哪个
变量的波形等。
进入 Protel 99 SE原理图编辑的主菜单后，单击
,Simulate\Setup”命令，进入仿真器的设置进行分析,
四,运行电路仿真
仿真原理图设计步骤
（ 1）调用元件库
（ 2）选择仿真元件
（ 3）实施仿真
第 8章 电路仿真
思考与练习 8
? 8.1 什么是电路仿真？请叙述电路原理图的一般步骤。
? 8.2 仿真初始状态的设置有什么意义？如何设置？
? 8.3 Protel SIM 99 仿真器可进行哪几种仿真设置与分
析？其中瞬态分析的主要内容是什么？
? 8.4 采用 SIM 99进行电路仿真的基本流程是什么？
? 8.5 请设计一个十进制的 8421BCD的计数器电路，并
用 SIM99给予仿真。
