YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟第7章 逻 辑 模 拟和数模混合模拟 71逻辑模拟的基本步骤7.1.1 逻辑模拟的基本概念 1逻辑模拟及其作用逻辑模拟的基本含义是: 根据给定的数字电路拓扑关系以及电路内部数字 器件的功能和延迟特性，由计算机软件分析计算整个数字电路的功能和特性 。PSpice软件包中逻辑模拟模块的功能包括:(1)模拟分析数字电路输出与输入之间的逻辑关系(2)模拟分析数字电路的延迟特性。(3)对同时包括有模拟元器件和数字单元的电路进行数模混合模拟，可同时 显示出电路内部的模拟信号和数字信号波形分析结果。(4)最坏情况逻辑模拟。对实际的IC产品，每个数字单元的延迟时间均有一 定的范围。逻辑模拟时，每个数字单元的延迟特性均取其标称值。在同时考 虑每个数字单元延迟时间的最大/最小极限值的组合时，将构成最坏情况。针 对这种情况进行的逻辑模拟，称之为最坏情况逻辑模拟。(5)检查数字电路中是否存在时序异常和冒险竞争现象。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟2电路节点分类PSpice软件对电路进行模拟分析时，根据与节点相连元器件类型的不同 ，将电路内部节点分为3类：(1)模拟型节点: 如果与节点相连的元器件均为模拟器件，则该节点为模 拟型节点。第三章和第四章介绍的模拟电路内部的所有节点都是模拟型节 点。（2）数字型节点: 与该节点相连的都是数字器件，数字电路内部只包括 数字型节点。(3)接口型节点: 如果与节点相连的元器件中既有模拟器件，又有数字器 件，则这类节点称为接口型节点。PSpice在分析数模混合电路时，自动用 一个数/模或模/数接口转换电路代替这类节点。采用这种接口电路后，整个 数模混合电路就被分成了若干部分，每一部分将是单纯的数字电路或模拟 电路。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟3. 数字型节点逻辑状态(States)PSpice支持的数字信号可包括6类逻辑状态，如表7-1所示。对模拟电路，PSpice模拟计算各个节点电压信号波形; 对数 字电路，PSpice模拟计算每一个节点的逻辑状态随时间的变化。 用Probe程序显示分析逻辑模拟结果时，不同逻辑状态的显示情 况如图7-1所示。逻辑状态并非必然对应于某一个特定的或稳定的电压值。 例如逻辑状态1和0只分别表示节点电压处于由特定数字器件决 定的高电平和低电平电压范围内。逻辑状态R和F只表示节点电 压处于由特定数字器件决定的低电平阈值电压和高电平阈值电 压之间，并不分别说明该节点电压正以某一特定斜率上升和下 降。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟4逻辑强度(Strength)在逻辑模拟过程中，除要考虑数字信号的逻辑状态外，对每一种逻辑 状态还要考虑其“强度“。当不同强度的数字信号作用于同一个节点时，该节 点的逻辑状态由强度最强的 那个数字信号决定。如果作用于某一节点的几 个数字信号的逻辑状态不同，但强度相同，则该节点的逻辑状态为X, 即不 确定。PSpice内部将数字信号的强度按从弱到强顺序分为0，1，63共64 级。最强的是由外加激励信号提供的激励信号电平。最弱的是Z(高阻)。处 于禁止（disabled）状态的三态门或输出端为集电极开路结构的器件的输出 强度即为Z。 例如，在数宇电路中使用很广泛的总线(Bus)，通常与多个三态门驱 动电路的输出相连。在正常工作时，这些三态门中只有一个处于驱动状态， 其余的均为高阻输出。总线上的逻辑电平将由处于驱动状态的三态门的输出 电平决定。5传输延迟（ Propagation Delay）除逻辑功能外，传输延迟是一个逻辑单元的重要特性参数。对不同的 逻辑单元，描述其传输延迟特性的延迟时间参数名称 YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟和个数不完全相同。但从逻辑模拟角度考虑，为了使模拟结果更符合实际情 沉，在数字电路特性数据库中，对每一个延迟时间参数均给出最小延迟时间 、典型延迟时间和最大延迟时间3个数据。在逻辑模拟过程中，用户可根据需要，选用不同的延迟时间数值。6激励信号 (Stimulus)为了进行逻辑模拟，必须在数字电路输入端施加激励信号。Pspice A/D进 行逻辑模拟时采用的激励信号有3类:（1）时钟信号(Clock Stimulus): 是一种规则的一位周期信号， 因此产生方 法最简单。(2)一般激励信号(Digital Signal Stimulus): 也是一种位信号，但其波形变化 不像时钟信号那样简单。（3）总线激励信号（Digital Bus Stimulus）: 又分2位、4位、8位、16位和 32位共5种。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟7.1.2逻辑模拟的基本步骤 （见实例）7.2 数字电路原理图生成 （见实例）生成逻辑电路原理图的方法与一般模拟电路情况相同。实际 上，数字电路原理图中元器件符号类型只包括: 基本数字电路单 元、激励信号源和端口符号，比一般模拟电路还要少，元器件互 连也只涉及互连线Wire)和总线(Bus)。在生成数字电路原理图时 ，电路图的绘制方法可直接参考第二章介绍的内容。*逻辑模拟的关键问题是如何根据模拟要求，设置好激励信号 波形。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟DIGSTIMn类信号波形设置DIGSTIM激励信号源可产生时钟信号、一般信号和总线 信号，其波形由StmEd程序设置。操作步骤：在电路图中放置DIGSTIM符号使其处于选中状态执行Edit/Pspice Stimulus元件名=Digstim1YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟7.3 逻辑模拟和模拟结果显示（见实例）YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟a. 半加器电路：YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟文件名保存为：L9.STLYANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟半加器电路结果分析：半加器逻辑功能检查：时间范围BA进位(CARRY)和（SUM）050ns000050100ns010升至1100150ns1001150200ns111降为0YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟b. 4位计数器电路：YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟b. 4位计数器电路：选择 DigClock/SOURCE输入信号的设置:周期为1us，脉宽为 05us的时钟信号。COMMAND1: 0s 1COMMAND2: 2us 0COMMAND3: 5us 1 选择 STIM1/SOURCE清零信号设置:YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟总线信号波形的显示格式：总线名MSB:LSB;显示名;采用的进制标示符不同进制数的代表表示符2进制 字母B8进制 字母O10进制 字母D16进制 字母H或XYANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟7.4 数/模混合模拟数/模混合电路中同时包括有数字逻辑单元(如:门电路、触 发器等)和各种模拟元器件(如电阻、电容、晶体管等)。由于 数字信号是以高低电平(1，0)为特征的数字量，模拟信号是 连续变化的电信号，是两类性质完全不同的电学量，因此给 数/模混合电路的模拟分析带来新的问题。本节在介绍数/模混 合电路特点和处理方法的基础上，介绍PSpiceMD进行数/模 混合模拟的基本步骤，重点说明如何设置与数/模混合模拟有 关的参数。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟7.4.1 数/模接口等效电路 1 接口型节点不管数/模混合电路多么复杂，其内部节点可分为模拟型节点、数字型节点 和接口型节点3种。其中接口型节点是指同时与逻辑器件和模拟元器件相连的 节点。在对数/模混合电路进行模拟分析时，关键就是如何处理接口型节点， 实现数字信号和模拟信号之间的转换。 2. 接口等效电路PSpiceA/D 处理接口型节点的基本方法是为数字逻辑单元库中的每一个基 本逻辑单元都同时配备 AtoD 和 DtoA 两类接口型等效子电路。其中AtoD 子 电路的作用是将模拟信号转化数字信号，DtoA子电路则用于将数字信号转化 为模拟信号。如果一个逻辑单元输入端与接口型节点相连，进行数/模混合模 拟时，系统将在该输入端自动插入一个AtoD子电路，将接口型节点处的模拟 信号转化为数字信号，送至逻辑单元的输入端。同样，如果逻辑单元的输出 端与接口型节点相连，则系统将在该输出端自动插入一个DtoA子电路。这样 通过在接口型节点处自动插入一个或多个接口型等效子电路，既将数字和模 拟两类元器件隔开，同时又实现了数字和模拟两类信号之间的转换。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混合模拟7.4.2 数/模混合模拟步骤如上所述，PSpice进行数/模混合模拟的基本方法是在接口 型节点处插入接口型等效电路，将数/模混合电路分成若干 个部分。每一部分只包括数字或模拟元器件。由于接口等效 子电路是由系统自动插入的，用户只需考虑是否要修改接口 等效子电路的模型级别以及子电路中电源电压的内定值。另 外在显示模拟结果波形时，要处理数字和模拟两类信号，并 要考虑新增的数字型节点。除此以外，数/模混合模拟与第 七章介绍的逻辑模拟步骤基本相同。下面结合一个振荡器电 路实例，介绍数/模混合模拟的具体步骤。 YANGTZE NORMAL UNIVERSITY物理学及电子信息工程系7 逻辑模拟和数模混