Protel 99 SE電路仿真及應用

重慶電子工程職業(yè)學院 王 靜

Protel 99 SE電路仿真及應用

重慶電子工程職業(yè)學院 王 靜

隨著電子新產品日新月異的高速發(fā)展，設計電子新產品的方法也在不斷更新，為了擺脫傳統(tǒng)的電路搭板實驗，用仿真軟件在計算機上進行電路仿真設計是其有效方法之一。本文通過一個實例介紹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計電路，讓每個電子新產品都是最優(yōu)化設計，提高電子產品的可靠性與質量，縮短電子新產品的開發(fā)周期，提高設計效率。

電路仿真；電路設計；搭板實驗；可靠性

1.引言

隨著電子工業(yè)和微電子設計技術與工藝的飛速發(fā)展，電子信息類產品的開發(fā)周期明顯縮短，為了滿足社會發(fā)展的需要，高效、便捷的計算機輔助設計CAD軟件也應運而生。Protel 99 SE就是這些軟件中的典型代表，在眾多計算機輔助設計工具云集的今天，歷經(jīng)考驗的Protel 99 SE仍以其易用、高效等優(yōu)點贏得了眾多電子設計者的青睞。Protel 99 SE是由澳大利亞Protel Technology公司推出的運行于Windows 9X/2000/XP等操作系統(tǒng)之上的電路設計系統(tǒng)，它建立在Protel獨特的設計管理器（Design Explorer）基礎之上，具有很強的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D視圖預覽功能，可以進行聯(lián)網(wǎng)設計，是一個32位的設計軟件，可以完成電路原理圖設計、印制電路板（PCB）設計、可編程邏輯器件設計和模/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簡單介紹，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，使讀者能夠應用軟件的仿真功能分析、設計原理圖、調試電路，擺脫傳統(tǒng)的電路搭板實驗，從而縮短電路新產品的設計周期，提高設計效率，讓每個電子新產品都是最優(yōu)化設計，提高產品的可靠性與質量。

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“整流濾波穩(wěn)壓電路仿真”文件夾。啟動Protel 99 SE，執(zhí)行菜單File→New命令，彈出New Design Database對話框，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“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對話框，選擇Schematic Document圖標，按OK按鈕，新建一個默認名稱為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所示添加仿真庫對話框，在查找范圍內，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，按OK按鈕，退出該對話框。

2.2 放置元件

單擊Browse Sch標簽，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 添加激勵源

添加一個正弦交流電壓源VSIN(125V，50Hz)，方法：執(zhí)行菜單Simulate→Sources→1KHz Sine Wave命令，鼠標上懸浮著一個正弦交流電壓源。按鍵盤上的Tab鍵，彈出Part對話框，如圖5所示，設置Designator為Vin、Part Type為125V；選擇Part Fields標簽，如圖6所示，設置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)點網(wǎng)絡標號

執(zhí)行Place→Net Label命令，放置網(wǎng)絡標號：IN、A、B、C、OUT，以便于觀察這幾點的波形，設計好的原理圖如圖7所示。

2.6 對電路進行電氣檢查

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

3.仿真器參數(shù)設置

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，要選擇對電路進行那種分析，設置收集的變量數(shù)據(jù)，以及設置顯示哪些變量的波形。常見的仿真分析有靜態(tài)工作點分析(Operating Point Analysis)、瞬態(tài)分析(Transient Analysis)、直流掃描分析(DC Sweep Analysis)、交流小信號分析(AC Small Signal Analysis)、噪聲分析(Noise Analysis)、極點、零點分析(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)工作點分析、瞬態(tài)分析和交流小信號分析的設置方法。

圖5 正弦交流電壓源Attributes設置對話框

圖6 正弦交流電壓源Part Fields設置對話框

圖7 整流濾波穩(wěn)壓電路原理圖

圖8 仿真分析設置對話框

圖9 瞬態(tài)分析參數(shù)設置對話框

圖10 輸入、輸出和中間節(jié)點波形

3.1 一般設置（General Setup）

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

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

靜態(tài)工作點分析通常用于對放大電路進行分析，當放大器處于輸入信號為零的狀態(tài)的時候，電路中各點的狀態(tài)就是電路的靜態(tài)工作點。最典型的是放大器的直流偏置參數(shù)。進行靜態(tài)工作點分析的時候，不需要設置參數(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信號隨時間變化的情況。進行瞬態(tài)分析之前，設計者要設置瞬態(tài)分析的起始和終止時間、仿真時間的步長等參數(shù)。在電路仿真分析設置對話框中，選擇Transient/Fourier標簽，在如圖9所示的瞬態(tài)分析參數(shù)設置對話框中進行設置。

在Transient Analysis列表中共用11個參數(shù)設置選項，這些參數(shù)的含義分別是：

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

Transient Analysis Stop Time參數(shù)用于設置瞬態(tài)分析的終止時間。

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

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

Use Initial Conditions項用于設置電路仿真的初始狀態(tài)。當勾選該項后，仿真開始時將調用設置的電路初始參數(shù)。

Always set Default項用于設置使用默認的瞬態(tài)分析設置，選中該項后，列表中的前四項參數(shù)將處于不可修改狀態(tài)。

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

Points Per Cycle參數(shù)用于設置默認的每周期仿真點數(shù)。

Fourier Analysis項用于設置進行傅立葉分析，勾選該項后，系統(tǒng)將進行傅立葉分析，顯示頻域參數(shù)。

Fourier Analysis Fund.Frequency用于設置進行傅立葉分析的基頻。

Fourier Analysis Harmonics用于設置進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)為這個分析勾選“Operating Point Analysis”和“Transient/Fourier Analysis”。

4.信號仿真分析

參數(shù)設置好后，單擊圖8中的Run Analyses按鈕運行仿真，自動顯示仿真波形如圖10所示。

從圖10中可以看出：一個幅值為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，得到一個相當穩(wěn)定的低壓直流信號。如果仿真波形不出來，則需對如圖9所示的“瞬態(tài)分析參數(shù)設置對話框”中的仿真設置進行修改，去掉Always set defaults（總是使用默認值）前的“√”，即可設置瞬態(tài)分析的：Start Time、Stop Time、Step Time、Max Step Time等參數(shù)。而如果讀者對仿真結果不滿意，則可以對原理圖中的元器件參數(shù)值進行調整，例如：調整電阻、電容的值或者換器件，再進行仿真，直到對仿真波形滿意。這比搭板實驗換元器件方便多了，設計者可以借助這些波形圖，找出設計中存在的不足和問題，從而加以改進，以使產品的設計達到最優(yōu)化，提高制版的成功率，縮短新產品的開發(fā)周期。

以上通過整流濾波穩(wěn)壓電路簡單介紹了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印制電路板設計與仿真[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[2]王靜.Altium Designer Winter 09電路設計案例教程[M].北京:中國水利水電出版社,2010.

[3]蔡杏山.Protel 99SE電路設計[M].北京:人民郵電出版社,2007.

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2011年重慶市科技攻關項目“基于無線傳感網(wǎng)絡對長江流域水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)與應用”（項目編號：CSTC，2011AC2078），項目負責人：王靜。

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