EDA技術基礎-第3章虛擬儀器使用.ppt

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第3章虛擬儀器使用 本章要點3 1常用指示器件的使用3 2常用虛擬儀器的使用3 3運行電路仿真 本章重點 指示器件的使用 儀器的參數設置 常用虛擬儀器的使用 返回 3 1常用指示器件的使用 1 電壓表 電流表的使用在指示器件庫 Indicators 中提供有電壓表 Voltmeter 和電流表 Ammeter 如圖3 1所示 雙擊電壓表或電流表 屏幕彈出儀表設置對話框 單擊Value選項卡 設置儀表參數 圖3 2中的Resistance欄用于設置內阻 一般為提高測量精度 電壓表的內阻要設置大一些 電流表的內阻要設置小一些 Mode下拉列表框用于選擇交流 AC 直流 DC 工作方式 2 電壓探測器 燈泡 條形光柱的使用電壓探測器相當于一個發(fā)光二極管 但它是一個單端元件 當其端電壓大于設定值時 探測器被點亮 燈泡的額定電壓對交流信號而言是指其最大值 當加在燈泡兩端的電壓在額定電壓的50 100 時 燈泡一邊亮 當在額定電壓的100 150 時 燈泡兩邊亮 當大于額定電壓的150 時 燈泡被燒毀 對于直流而言 燈泡發(fā)出穩(wěn)定的燈光 對于交流而言 燈泡將一閃一閃地發(fā)光 條形光柱類似于幾個LED發(fā)光二極管的串聯(lián) 當電壓超過某個電壓值時 相應的LED之下的數個LED全部點亮 它可以指示當前的電平狀態(tài) 3 數碼管的使用七段數碼管的每一段與引腳之間有唯一的對應關系 在某一引腳上加高電平 其對應的數碼段就發(fā)光顯示 如果要用七段數碼管顯示十進制數 需加上一個譯碼電路 帶譯碼的8421數碼管有4個引腳線 從左到右分別對應4位二進制數的高位至低位 可顯示0 F之間的16個數 數碼管有兩類 即七段數碼管 SEVEN SEG DISPLAY 和帶譯碼的8421數碼管 DCD HEX 其外觀如圖3 5所示 返回 3 2常用虛擬儀器的使用 3 2 1儀器的基本操作3 2 2數字萬用表 Multimeter 3 2 3函數信號發(fā)生器 FunctionGenerator 3 2 4功率計 Wattmeter 3 2 5雙蹤示波器 Oscilloscope 3 2 6波特圖示儀 BodePlotter 3 2 7字信號發(fā)生器 WordGenerator 3 2 8邏輯分析儀 LogicAnalyzer 3 2 9邏輯轉換儀 LogicConverter 3 2 1儀器的基本操作 虛擬儀器有儀器按鈕 儀器圖標和儀器面板3種表示方式 圖3 6所示為數字萬用表的圖標 面板圖及儀器工具欄 圖標上有對應的接線柱 儀器存放在儀器庫欄 移動光標到適當位置單擊放置該儀器 儀器的圖標用于連接線路 雙擊儀器圖標可打開儀器的面板 返回 3 2 2數字萬用表 Multimeter 數字萬用表可以在電路兩節(jié)點之間測量交直流電壓 交直流電流 電阻和分貝值 它能自動調整量程 圖3 7所示為數字萬用表的圖標和面板圖 1 數字萬用表的測量方法 電壓 電流測量選擇面板上的 V 按鈕或 A 按鈕將萬用表設置為測量 電壓或測量電流 測量電壓時萬用表與被測電路相并聯(lián) 測量電流時萬用表串接在被測電路中 根據測量的信號是交流還是直流 通過面板上的 按鈕或 按鈕來切換 電阻測量測量某電路的電阻 需將萬用表兩表筆與被測電路相并聯(lián) 選擇面板上的 按鈕 啟動電路后 在面板上就可以讀出測量的阻值 在測量電阻時應注意 電路中必須有一個接地點 否則無法測出電阻阻值 測量的電路中不能存在交直流信號源 否則測量結果不準確 multiSIM提供的萬用表電阻擋無法判斷二極管 三極管的好壞 2 參數設置 單擊面板上的 Set 參數設置 按鈕 彈出如圖所示的對話框 根據實際情況設置電壓檔 電流檔的內阻 電阻檔的電流值等參數 由于multiSIM提供的數字萬用表默認狀態(tài)是一種理想萬用表 電壓檔電阻很大 電流檔電阻很小 如果希望測量結果與實際的數值一致 需要重新設置參數 由于數字萬用表測量的是有效值 而交流電壓源的電壓為最大值 兩者之間為0 707倍的關系 所以測出的輸入交流電壓為14 142V 測出的輸出直流電壓為18 722V 3應用實例 圖為一個整流濾波電路 電路中的兩個萬用表分別測量電路輸入交流電壓和輸出直流電壓 3 2 3函數信號發(fā)生器 FunctionGenerator 函數信號發(fā)生器可以輸出正弦波 三角波和方波三種波形 輸出波形的頻率 幅度 直流偏置電壓及占空比等參數均可以調節(jié) 修改時可直接在面板上設置 1 連接方式函數信號發(fā)生器有3個輸出端 即 端 Common 端和 端 通常它與電路的連接有兩種方式 連接 或 和 Common 端子 輸出為正或 負 極性信號 幅值等于 Amplitude 中的數值 將 端與電路輸入中的 端相連 將 端與電路輸入中的 端相連 輸出信號幅值等于 Amplitude 中數值的兩倍 2 應用舉例圖3 11所示為函數信號發(fā)生器的兩種連接方式 兩個信發(fā)生器的參數設置相同 均為輸出頻率1kHz 幅度2V的正弦波 它們分別接到示波器的A B通道 示波器的兩通道參數設置也相同 從輸出波形看 雙極性連接方式輸出信號的幅度為單極性連接方式輸出信號幅度的2倍 返回 3 2 4功率計 Wattmeter 功率計用于測量電路中的平均功率和功率因數 在進行電路連接時 標V兩個端子為電壓輸入端口 與測試電路并聯(lián) 標I的兩個端子為電流輸入端口 與測試電路串聯(lián) 最上面的窗口顯示所得的功率 該功率為平均功率 可自動調整單位 PowerFactor欄內顯示功率因數 數值在0 1之間 圖3 13所示為純電阻負載和感性負載電路的平均功率和功率因數的測試 其中電壓源輸出為峰值電壓 從圖中可得知純電阻負載電路的功率為99 998W 功率因子為1 感性負載電路的功率為71 729W 功率因子為0 847 3 2 5雙蹤示波器 Oscilloscope 示波器可以直觀地觀測信號的時域波形 系統(tǒng)提供了數字式存儲示波器 可以觀察到瞬間變化的波形 圖3 14所示為示波器的圖標和面板圖 1 掃描時基選擇 Timebase Scale 掃描時間 表示X軸方向每一刻度代表的時間 一般初始設置掃描時間與被測電路中的信號周期一致 Xposition X位移 表示X軸方向時間基線的起始位置 Y T表示Y軸顯示A B通道信號波形 X軸方向顯示時間基線 Add表示Y軸顯示A B通道信號迭加波形 X軸方向顯示時基 B A表示將A通道信號作為X軸掃描信號 將B通道信號施加在Y軸上顯示 A B與上述相反 2 輸入通道設置 channela和channelb 示波器有兩個完全相同的輸入通道A和B 其面板如圖3 16所示 其中 Scale 伏 度選擇 用于設置Y軸方向每格的電壓值 Yposition Y位移 用于表示Y軸方向時間基線的起始位置 輸入耦合方式中有三種 AC 表示交流耦合 0 表示接地 可用于確定零電平在屏幕上的基準位置 DC 表示直流耦合 其中B通道中的按鈕在單獨使用時 顯示B通道的反相波形 若與時基調節(jié)中的Add一起使用 則顯示A B通道A B迭加波形 3 觸發(fā)方式設置示波器的觸發(fā)方式設置面板如圖3 17所示 其中 Edge用于選擇上升沿觸發(fā)或下降沿觸發(fā) Level用于選擇觸發(fā)電平的大小 觸發(fā)方式有六種選擇 一般情況下使用 Auto 方式 4 示波器讀數方法為了測量準確和讀數方便 一般在暫停仿真操作凍結波形后 再進行觀測 圖3 14中的指針1處讀數中的T1表示當前位置的時刻 VA1表示當前位置A通道的電壓值 VB1表示當前位置B通道的電壓值 指針1 2處的讀數差中的T2 T1表示兩讀數軸之間的時間差 它一般用于測量信號周期等 VA2 VA1 或VB2 VB1 表示兩讀數軸處A 或B 通道波形的電壓差 一般用于測量信號的幅度 峰峰值等 返回 3 2 6波特圖示儀 BodePlotter 波特圖示儀是用來分析電路的頻率響應 可以測試電路的幅頻特性和相頻特性 與實驗室中的掃頻儀相似 其圖標和面板如圖3 20所示 1 連接電路波特圖示儀有IN和OUT兩個端口 IN端口的 端連接電路輸入端 OUT端口的 端連接電路輸出端 而 極與模擬地相連 2 面板操作波特圖示儀測量幅頻特性和相頻特性曲線時 單擊 Magnitude 按鈕顯示幅頻特性曲線 單擊 Phase 按鈕顯示相頻特性曲線 單擊 Save 按鈕保存測量結果 單擊 Set 按鈕設置掃描的分辨率 數值越大精度越高 Vertical 垂直坐標 和Horizontal 水平坐標 可以選擇的類型有Log 對數 和Lin 線性 I和F分別是用來設置坐標起點值和坐標終點值 水平坐標表示測量信號的頻率 垂直坐標表示測量信號的增益或相位 3 測量讀數讀數時可以拖動讀數指針或點擊讀數軸光標鍵 讀數欄內顯示指針處的讀數 圖中讀數為 增益為4 162dB 頻率為18 197kHz 4 應用舉例圖3 21所示為一個晶振頻率測量電路 觀測該晶振的頻率特性曲線 讀出晶振的諧振頻率 搭接電路 由于波特圖示儀在測量時必須在輸入端外加一個交流電壓源的激勵信號 這與掃頻儀是不同的 故電路中加入了一個交流電壓源 打開仿真開關 觀察電路的頻率特性曲線 拖動讀數指針至幅度最小處 從面板中讀出當前值為 增益為 18 955dB 頻率為15 136MHz 單擊 Set 按鈕設置掃描的分辨率為1000 提高測量精度 將觀測的頻率范圍設置為14 5MHz 15 5MHz 重新讀出諧振頻率為15 171MHz 返回 3 2 7字信號發(fā)生器 WordGenerator 字信號發(fā)生器是一個最多能夠產生32位同步邏輯信號的儀器 可以用來對數字邏輯電路進行測試 實際上是一個數字激勵源編輯器 其圖標和面板圖如圖3 22所示 1 連接電路圖標左邊16個端子輸出低16位邏輯信號 右邊16個端子輸出高16位邏輯信號 R端為數據準備就緒端 T端為外觸發(fā)信號端 面板圖最左側是字信號顯示區(qū) 32位的字信號以8位16進制數進行顯示 顯示的內容可以通過滾動條前后移動 輸出狀態(tài)及變化的規(guī)則可自定義 2 設置字信號地址面板圖中的Address區(qū)用于設置字信號地址 如圖3 23所示 其中 Edit欄顯示當前編輯的字信號地址 Current欄顯示當前輸出的字信號地址 Initial欄和Final欄分別用于設定輸出字信號的首地址和末地址 圖3 23字信號地址編輯區(qū) 3 字信號輸出方式設置字信號發(fā)生器被激活后 經過編輯的字信號按照一定的規(guī)律逐行輸出 同時在面板的底部對應于各輸出端的32個小圓圈內將實時顯示輸出字信號各個位 Bit 的值 字信號的輸出方式如圖3 24所示 分為三種方式 Step表示單步輸出 Burst方式表示字信號是從首地址開始至末地址連續(xù)逐條單循環(huán)地輸出字信號 Cycle方式則表示循環(huán)不斷地進行Burst方式的字信號輸出 在Burst和Cycle狀態(tài)下可設置中斷點 通過光標選中某一地址的字信號后 單擊Breakpoint實現(xiàn) 設置為中斷點的字信號在顯示區(qū)中以 號顯示 當運行至該地址時輸出暫停 單擊Burst或Cycle則恢復輸出 圖3 24字信號的輸出方式 4 模式設置單擊圖3 24中的 Pattern 按鈕 屏幕彈出圖3 25所示的對話框 該對話框用來自定義字信號輸出模型和字信號文件的操作 其中 Clearbuffer復選框用于設置是否清除字信號編輯區(qū)的內容 Open復選框用于打開存有字信號內容的字信號文件 Save復選框用于保存字信號的內容 圖3 25模式設置對話框 UpCounter設置輸出遞增編碼的字信號 DownCounter設置輸出遞減編碼的字信號 ShiftRight設置輸出右移編碼字信號 ShiftLeft設置輸出左移編碼字信號 5 觸發(fā)方式及輸出頻率設置圖3 22中的Trigger區(qū)用于設置觸發(fā)方式 有兩種觸發(fā)方式 Internal 內部 和Externa1 外部 當選擇內部觸發(fā)方式時 字信號的輸出直接受輸出方式按鈕 Step Burst Cyc1e 控制 當選擇外部觸發(fā)方式時 必須接入外觸發(fā)脈沖信號 而且要定義 上升沿 或 下降沿 觸發(fā) 然后單擊輸出方式按鈕 待觸發(fā)脈沖到時才啟動輸出 為了保持同步 往往用DataReady端 數據準備就緒 指示 圖3 22中的Frequency區(qū)用于設置字信號輸出頻率 在Burst和Cycle狀態(tài)下的輸出快慢由設定的輸出頻率決定 6 編輯字信號圖3 22所示面板圖中的Edit區(qū)用于字信號模型編輯 如圖3 26所示 字信號編輯時 在顯示區(qū)中用鼠標選擇編輯位置 當前編輯的地址可以在Address區(qū)的Edit欄中看出 然后在字信號模型編輯區(qū)的Hex欄中以16進制數輸入數據 或在ASCII欄以ASCII碼輸入數據 或在Binary欄以二進制數輸入數據 顯示區(qū)中相應位置將顯示已設定的字信號模型 圖3 26字信號模型編輯區(qū) 返回 3 2 8邏輯分析儀 LogicAnalyzer 邏輯分析儀可以同時觀察多路邏輯信號波形 適用于邏輯信號高速采集和準確的時序分析 是分析和設計大規(guī)模數字系統(tǒng)的有力工具 系統(tǒng)提供的分析儀可以同步記錄和顯示16路邏輯信號 其圖標和面板圖如圖3 28所示 1 連接電路邏輯分析儀圖標左側16個端口是輸入信號端 使用時連接電路的測量點 圖標下部的C端口為外時鐘輸入端 Q端口為時鐘控制輸入端 T是觸發(fā)控制輸入端 2 面板輸入端和邏輯波形顯示圖3 28中面板左邊的16個小圓圈對應16個輸入端 從上到下排列依次為最低位至最高位 為區(qū)別各路的波形 一般將輸入的連接導線設置為不同的顏色 波形的時間軸可以通過面板下邊的Clocks Div欄 時基 設置 當波形密集時 可將時基設置小一點 拖動讀數指針可以讀取數據 面板下部的兩個方框內顯示指針處的時間讀數和邏輯讀數 16進制數 3 時鐘控制設置單擊面板下部Clock區(qū)的 Set 按鈕 可以對波形采集的控制時鐘進行設置 時鐘源選擇Internal 必須在內部時鐘頻率欄內輸入相應頻率 Clockqualifier 時鐘觸發(fā)電平控制 的設置決定時鐘控制輸入端對時鐘的控制方式 選中外部時鐘 External 時才起作用 4 觸發(fā)模式設置單擊Trigger區(qū)的 Set 按鈕可以進行觸發(fā)模式設置 觸發(fā)時鐘沿有上升沿 Positive 下降沿 Negative 和任意邊沿 Both 三種選擇選擇 Triggerqualifier 觸發(fā)電平限制 對觸發(fā)有控制作用 若該位設置為 X 則觸發(fā)控制端不起作用 若該位設置為0 或1 則僅當觸發(fā)控制端輸入信號為0 或1 時 觸發(fā)字才起作用 5 應用舉例利用邏輯分析儀分析如圖3 32所示的邏輯電路 其中字信號發(fā)生器產生0001 000f的字信號 輸出頻率為100hz 通過邏輯分析儀觀察輸入端和輸出端的邏輯關系 3 2 9邏輯轉換儀 LogicConverter 邏輯轉換儀是multiSIM軟件中特有的虛擬儀器 實際工作中不存在與之對應的設備 它能完成邏輯表達式 真值表和邏輯電路三者之間的相互轉換 它可以方便的實現(xiàn)邏輯代數的運算 為邏輯電路的設計與仿真帶來了方便 圖3 34是邏輯轉換儀的圖標和面板圖 1 連接電路邏輯轉換儀的圖標中有9個端子 左邊8個用于連接電路的輸入端 右邊的一個端子用于連接電路的輸出端 2 從邏輯電路導出真值表 繪制邏輯電路 將邏輯電路的輸入端連到邏輯轉換儀的輸入端 將邏輯電路的輸出端連到邏輯轉換儀的輸出端 單擊按鈕 電路 真值表 系統(tǒng)自行轉換并在真值表區(qū)列出該電路的真值表 如圖3 35所示 圖3 35要轉換的電路及轉換后的真值表 3 從真值表導出邏輯表達式 根據輸入端的個數用鼠標單擊邏輯轉換儀面板頂部輸入端的小圓圈 選定輸入信號 由A到H 選定輸入信號后 真值表區(qū)將自動出現(xiàn)輸入信號的所有組合 而真值表區(qū)右端輸出列全部顯示為 用鼠標單擊 可以在 0 1 X 之間切換 根據實際要求修改真值表的輸出值0 1和X 不定 單擊按鈕 真值表 表達式 在面板底部邏輯表達式欄出現(xiàn)相應的邏輯表達式 表達式中的 表示邏輯變量 非 如A 表示 單擊按鈕 真值表 簡化表達式 可獲得簡化邏輯表達式 經過轉換后的簡化表達式如圖3 36所示 圖3 36真值表導出簡化邏輯表達式 例 多數表決電路 多數人同意提案通過 1 選定輸入信號后 真值表區(qū)將自動出現(xiàn)輸入信號的所有組合 而真值表區(qū)右端輸出列全部顯示為 2 用鼠標單擊 可以在 0 1 X 之間切換 根據實際要求修改真值表的輸出值0 1和X 不定 3 單擊按鈕 真值表 表達式 在面板底部邏輯表達式欄出現(xiàn)相應的邏輯表達式 表達式中的 表示邏輯變量 非 如A 表示 4 單擊按鈕 真值表 簡化表達式 可獲得簡化邏輯表達式 經過轉換后的簡化表達式如圖3 36所示 4 其它轉換在邏輯轉換儀底部邏輯表達式欄內輸入表達式 與 非 式及 或 非 式均可 然后單擊按鈕 表達式 真值表 得到相應的真值表 單擊按鈕 表達式 門電路 則得到相應的邏輯電路圖 單擊按鈕 表達式 與非電路 得到由與非門構成的電路 轉換后的邏輯門電路將出現(xiàn)在電路工作區(qū)并處于選中狀態(tài) 可以進行移動或刪除操作 返回 3 3運行電路仿真 仿真電路創(chuàng)建完畢 接入儀器或運行分析方法可以獲得仿真分析結果 執(zhí)行View ShowSimulationSwitch 仿真開關 可以設置仿真開關的顯示狀態(tài) 啟動仿真打開電路文件后 用鼠標單擊主窗口右上角的啟動圖標 或選擇Simulation Run菜單 系統(tǒng)啟動仿真軟件 自動將分析結果顯示在各儀器儀表上 如果有錯誤 在仿真過程中會自動彈出窗口 顯示電路仿真結果和仿真中出現(xiàn)的問題 執(zhí)行菜單View ShowGrapher 顯示分析圖 系統(tǒng)將在分析圖窗口中顯示仿真結果 3 3 1仿真電路運行 暫停仿真如果要暫停仿真操作 用左鍵單擊主窗口右上角的暫停圖標 或選擇菜單Simulation Pause 暫停 實現(xiàn)暫停 一般在用示波器 邏輯分析儀等觀測波形時 為了測量和讀數方便準確 執(zhí)行暫停操作凍結波形后 再進行測量和讀數 停止仿真用鼠標單擊主窗口右上角的停止圖標 停止仿真操作 若需要對電路中的元器件 儀器等參數進行修改 或進行其它操作時 一般要在系統(tǒng)已處于停止仿真狀態(tài)下進行 3 3 2仿真分析儀器參數設置 對于示波器 邏輯分析儀等儀器在進行瞬態(tài)分析時必須設置儀器參數 執(zhí)行菜單Simulation DefaultInstrumentSetting 屏幕彈出現(xiàn)圖3 45所示的默認儀器設置對話框 圖3 45默認儀器參數設置 其中 initailcondition 初始條件 有四種選擇 zero 零狀態(tài) User defined 用戶自定義 calculatedcoperationpoint 計算直流工作點 和automaticallydetermindinitailcondition 自動設置初始條件 一般選擇第四種 在觀察波形時 應該根據電路情況設置好instrumentanalysis區(qū) 儀器分析 中的starttime 開始時間 和endtime 結束時間 在使用儀器觀察波形時 有時發(fā)現(xiàn)放置運行速度很慢 甚至沒有輸出 原因在于參數設置中maximumtimestep 最大時間步長 設置太小 實際應用時應根據不同的電路 設置不同的最大時間步長