芯片级维修模拟系统研究

摘要：PSpice是一种非常实用的EDA软件，在计算机辅助设计中具有很重要的作用和地位。将PSpice仿真技术引入计算机硬件维护维修课程教学中，可以节约教学成本，缩短教学实践，提高课堂容量。研究PSpice对主板电路的仿真具有很强的实用性和良好的推广价值。

关键词：PSpice；EDA；计算机辅助设计；仿真

中图分类号：TN349 文献识别码：A 文章编号：1001-828X（2015）020-000-01

一、引言

PSpice是一种用于微机的通用电路分析程序，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。

使用PSpice仿真技术时，可以通过宏建模的方法来建立模型，这样可以满足元件端口特性，同时还可以降低电路结构的复杂性，减少原件的个数，快速得到仿真结果，对于微机芯片级维修技术课程的教学十分适用。

二、主板芯片级维修系统建模

1.主板功能模块划分

从功能上，可以将主板划分为6大部分：开机电路、供电电路、复位电路、CMOS电路、BIOS电路、时钟电路等。

2.建立宏模型

简化法和构造法是用来建立宏模型的常用方法。简化法是尽可能多地去掉一些元件来模拟电路；构造法则忽略模块的具体构成，只关注该模块的输入输出关系，从而来模拟电路。

简化法的使用原则：在不影响输出状态的时候（本系统仅涉及高低电平），尽可能多地去掉电阻、电感、电容等电路中常见的元器件；另外，在模拟简单电路的时候，信号都是接近理想状态的，所以可以将电路中的一些滤波、稳压、限流等电路去掉，只留下关键芯片、元件和电路，简化电路，让电路工作原理和状态变得更加直观，也能缩短模拟时间，提高效率。

构造法的使用原则：在主板电路模拟中，构造法适用于芯片和功能模块的建模。以开机电路中的南桥为例，把南桥看作一个黑盒子，只关注开机键通往南桥的针脚的输入状态和南桥通往开机控制三极管的输出状态，而忽略南桥芯片中其他所有的电路，只实现功能验证就可以了。

三、建模实例

1.电路建模

（1）开机电路

开机电路中涉及到的关键元件有南桥、CMOS电路、1117三端稳压器、开机控制三极管、实时时钟等。本部分以南桥为中心，配以1117三端稳压器、开机控制三极管为关键外围元件。

（2）供电电路

本部分内容较多，限于篇幅，仅以CPU供电为例加以说明。CPU供电部分的核心部件是电源管理芯片，关键的外围元件有电感线圈、场效应管、电解电容等。

（3）复位电路

复位信号通常有两种，一种是由ATX电源的8号针脚产生的，它在开机后的100～500ms会自动产生一个复位信号，送到南桥、BIOS、时钟、电源管理芯片和其他电路；另一种复位信号是由RESET开关产生的，一般由用户触发。主板复位电路十分重要，一旦发生异常，将导致系统无法开机。

复位电路核心芯片是南桥、外围关键元件有ATX电源的8号针脚、复位开关、74门电路、电阻、电容等元器件。

（4）CMOS电路

CMOS是一种可读写存储器，一般内置在主板南桥中，主要用来保存日期、时间、存储器容量、硬盘类型数目、显卡类型、当前硬件配置和用户设置的某些参数等重要信息。

主板CMOS电路组成：CMOS电路主要由CMOS随机存储器、实时时钟电路、跳线、南桥、电池及供电电路组成。

（5）BIOS电路

对计算机提供最低级，最直接的硬件控制。计算机的原始操作都是由固化在BIOS里的程序来完成的。如果BIOS出现问题，计算机将无法正常工作。

BIOS电路核心元件是BIOS芯片外围关键元件是各种滤波电容。

（6）时钟电路

主板时钟电路向CPU、芯片组和各级总线，包括CPU总线、AGP总线、PCI总线、ISA总线等，以及主板的各种接口提供基本的工作频率。

时钟电路核心元件是时钟发生器以及晶振，外围关键元件是电容、电阻、电感等。

2.建模实例

限于篇幅，本文仅讨论开机电路的建模。从前文可知，开机电路主要涉及的关键元件有南桥、CMOS电路、1117三端稳压器、开机控制三极管、实时时钟等。由于CMOS电路在其他部分进行专门讨论，因此在此开机电路中不讨论。开机电路以南桥为中心，配以1117三端稳压器、开机控制三极管为关键外围元件。

（1）开机过程

按下电源开关，触发南桥中的开机电路，南桥输出一个控制开机三极管导通的信号（开机期间一直持续），三极管导通，ATX电源绿色线（14号线）电压被拉低（从未开机的5V变成接地），ATX开始工作，开始全面向主板供电，计算机启动。

（2）建立开机电路模型

使用构造法建立南桥模型，使用简化法去掉其他外围元件，开机三极管和1117稳压管用逻辑门电路代替，建立的开机电路模型如下图：

插入简化后的开机电路图即可

最后使用PSpice进行仿真，在关键检测点上放置探针就可以测出各种电气参数是否正常了。

四、结论

在模拟中使用探针测得各个信号都正常。在使用PSpice对主板的各大部分电路进行仿真的时候，由于PSpice元件库中缺乏很多元件，尤其是集成电路芯片，所以模拟中要建立模型来模拟芯片功能。

课题的创新之处在于使用了先进的仿真技术对主板的各大电路进行建模和仿真，改进了传统的主板维修教学方式，节约教学成本，缩短教学实践，提高课堂容量。

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