PSK-I型水位控制器

第一章 PSK-I型水位控制器

一、 主要功能：

1．水位的自动控制

图1.1 Fig 1.1

在水箱的内部有A,B,C,D四个探针，如图1.1所示。分别处于水箱的干涸水位，最低水位，正常水位，最高水位四个位置。

当水位处于水位传感器设定的干涸水位A点以上，最低水位B点以下时，控制器自动启动水泵电机；

当水位高于传感器设定的最低水位B点时，水泵继续运行，直至水位超过传感器设定的正常水位C点并达到传感器设定的最高水位D点时，水泵电机自动停止送水，同时，报警器开始报警。

水箱里的水总是要利用的，在水被利用的同时，水位开始逐渐下降，当水位下降到最高水位D点以下时，停止报警；

当水位低于正常水位C点并下降到最低水位B点时，水泵电机又开始启动供水，进行下一次的循环。如此往复的控制水泵电机的启动与停止，可使水位一直保持在设定的最高水位D点与最低水位B点之间，使水箱一直为外界正常供水。

2. 水位显示

当水位每经过设定的每一个水位时，这个水位所在的指示灯便点亮，以

便使我们随时掌握水位的基本情况。如果水位出现异常，可以及时发现。应当注意的是：当水泵电机停止供水，水位开始下降时，水位所在的指示灯便

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由高到低逐渐熄灭。如果出现指示灯不按顺序灭时，应进行故障检查。在正常情况下，干涸水位A点的指示灯是长期亮的，只有在断线或水位在干涸水位A点之下时，此灯才熄灭，而其余的指示灯是随水位的变化而变化。

3. 干涸水位与断线报警

如果由于某些原因使水位处于干涸水位A点之下或水位传感器连接线

被刮断时，控制器自动报警，并关闭水泵电机，中断供水，以免使事故更严重，此功能保证了“故障导致安全”的原则。

所谓“故障导致安全”是指如果在锅炉烧干的情况下，或水箱漏水的情况下，此控制过程会自动停止水泵供水，防止在危险情况下，使锅炉爆炸或水箱破漏，并报警，等待人员前来修理，最终使事故变为安全。

若属断线故障，按好线后即可自行恢复正常工作；在水位已下降到干涸水位A点以下时，排除故障后应手动强迫给水，待水位上升到干涸水位A点以上时，方能进入自动控制状态，进行正常的供水。

二、主要技术指标

（1） 电源电压： 220V?10% （2） 功耗： <20W

（3） 传感器规格： 根据用户要求确定 （4） 控制按点容量： 10A/220V （5） 环境温度： -20℃～50℃ （6） 相对湿度： <90%

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第二章 仪器的组成与基本原理

一、 仪器的组成及各部分作用

本仪器由光电隔离电路，显示电路，驱动电路，整流电路，水位传感

器，执行器件等组成的逻辑系统，其功能有水位控制，水位显示，最高水位报警，干涸水位报警，断线报警等。由水位传感器给定信号，通过个部分电路协调作用完成上述功能，使水位保持在正常的水位范围之内。

1． 电极式水位传感器

此装置采用的水位传感器均为不锈钢电极式水柱器，共有四根，其支

撑架为公共电极，传感器的规格与尺寸根据控制的对象（水塔，水箱，锅炉等）及用户的要求而定。

将水位传感器安装到需要进行水位控制的容器中，连接好通往控制器

各部分的连线，这时，当水位接触到某一水位电极时，由于液体（普通用的水中都含有一些矿物质）的导电作用，便将该水位的位置信号以电脉冲的方式传送给主机，主机通过各个元器件以后再经过光电隔离作用，进行逻辑判断后即可进行相应的控制，显示，报警等。

既然采用液体导电的方法来去水位信号，就要考虑用直流电源还是交

流电源的问题。如果用直流电源来取水位信号，那么液体中的正电荷向阴极移动，负电荷向阳极移动，发生化学反应，从而破坏水质，大大降低了水的可利用性，还有可能腐蚀传感器，影响传感器的导电效果。而且还需要整流装置来将交流电整流成直流电。为了避免以上各种不利情况，采用交流电源对水位取信号。

2． 光电耦合器

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光电耦合器是由发光和受光器件组成一体的光耦合器件的总称。它将

发光部分和受光部分组装在一个密封管壳内。发光部分为发光二极管，作为输入端；受光部分为光敏元件，作为输出端。它可以将电信号转化成光信号，由于信号传输以光为媒质，故称为光电耦合器件。它具有抗干扰能力强，隔离性能好，频带宽，响应快，体积小和功耗低等优点。

图2.1 Fig 2.1

常用的三极管型耦合器是由发光二极管和光敏三极管组成，如图2.1所示。当输入端加入电信号，发光二极管有正向电流通过时，即产生人眼看不见的红外光，其光谱范围是700～1000nm，光敏三极管受到光照后产生光电流，此时光电耦合器导通；当输入端无电信号，发光二极管熄灭，光敏三极管截止，光电耦合器不导通。这样以光为媒介，实现了电信号的传输。利用这种特性即可达到开关控制的目的，由于该器件是通过电-光-电的转换来实现对输出设备控制的，彼此之间没有电气连接，因而起到耦合作用的范围与光电耦合器的结构形式有关。光电耦合器的延迟时间通常都在10us之内，发光二极管的驱动电流一般选在1～20mA之内。

光电耦合器在传输信息的同时能够有效地抑制尖脉冲和各种噪声干扰，从而使通道上的信号噪声比大为提高。其原因是：

（1） 干扰源的内阻一般都很高，常为105～106Ω干扰信号只能形成微弱的输入电流，而光耦合器输入部分的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光，输出部分的光敏器件只有在一定的光强下才能导通，因此，光耦合器能够有效地抑制进入输入端的干扰。

（2） 输入回路与输出回路之间在电气上无直接关系，其分布电容极小，一般小于1pF，而绝缘电阻非常大，一般大于1010Ω因此一侧回路的各种干扰

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信号，很难通过电气耦合的途径传到另一侧回路中去。

3． 555定时器

555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能够极方

便地构成施密特触发器，单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活，方便，所以555定时器在波形的产生与变换，测量与控制，家用电器，电子玩具等许多领域中都得到了应用。 正因为如此，自从Signetics公司于1972年推出这种产品以后，国际上各主要的电子器件公司也都相继地产生了自己的555定时器产品。

图2.2 Fig 2.2

此过程中的定时器由比较器C1和比较器C2，基本RS触发器和集电极

开路的放电三极管TD组成。如图2.2所示。

（1） VI1是比较器C1的输入端（也称阈值端，用TH标注）。VI2是比较器C2的输入端（也称触发端，用TR非标注）。C1和C2的参考电压（电压比较的基准）VR1和VR2由VCO经三个等值电阻分压给出。在控制电压输入

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电源→水→C点，构成回路。电流从探头C点开始流经电阻R2，光电耦合器4N29（2）导通，所以结点c1为高电平，经非门MC1413（4）后变为低电平，所以指示灯L2亮。其他部分电路状态没有变化，所以总的现象是指示灯L4，L3 ，L2均亮，而L1不亮，电铃不报警，水泵继续进水。

四、 最高水位与正常水位

当水位位于探头D点（最高水位）时，电流从探头D点→光电隔离→

电源→水→D点，构成回路。电流从探头D点开始流经电阻RD，光电耦合器4N29（1）导通，电流继续流经结点a，最后流回电源。

因光电耦合器4N29（1）导通，所以结点d1为高电平，经非门MC1413

（1）后变为低电平，所以指示灯L1亮。所以三极管9014（1）导通，结点d3处为高电平，经非门MC1413（5）后变为低电平，所以继电器JC1导通，即触点JC1也闭合，电铃开始报警。

又因结点d1处为高电平，所以NE555定时器的输入端6号引脚为高

电平，而此时结点b3仍为高电平，所以NE555定时器的输入端2号引脚仍为高电平，最后其输出端3号引脚输出为低电平，所以三极管9014（2）不导通，继电器JC2也不导通，触点JC2打开，所以CJ10-1不通电，触点CJ10-1-1、 CJ10-1-2、 CJ10-1-3全部打开，所以此时水泵停止进水。这一过程中，总的现象是指示灯L4，L3 ，L2， L1均亮，电铃报警，水泵停止进水。

五、 水位下降过程

1． 如果因外界用水，使水位又回到探头D点以下，探头C点以上时，同理电流从探头D点仍不构成回路。电流从探头D点开始流经电阻RD，光电耦合器4N29（1）不导通，结点d1处为低电平，经非门MC1413（1）后变为高电平，所以指示灯L1不亮。即NE555定时器的输入端6号引脚为低电平，而此时结点b3为高电平，即NE555定时器的输入端2号引脚为高电平，所以NE555定时器的输出端应跟上次保持不变，仍为低电平，三极管9014（2）不导通，继电器JC2也不导通，所以水泵仍保持不进水状态。

又因结点d1处为低电平，三极管9014（1）不导通，结点d3处为低电

平，经非门MC1413（5）后变为高电平，结点b3，a3均为高电平，所以导致继电器JC1不导通，即触点JC1也不闭合，电铃也不报警。这一过程中，指

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示灯L1不亮，电铃不报警，水泵仍继续不进水状态。但此时探头C,B,A均构成回路，所以总的现象是指示灯L4，L3，L2均亮，而L1不亮，电铃不报警，水泵处于停水状态。

2． 当水位降至探头C点时，电流从探头C点构成回路。电流从探头C点开始流经电阻RC，光电耦合器4N29（2）导通，电流继续流经结点a，最后流回电源。因光电耦合器4N29（2）导通，所以结点c1为高电平，经非门MC1413（2）后变为低电平，所以指示灯L2仍亮。所以此时的现象是指示灯L4，L3，L2均亮，而L1不亮，电铃不报警，水泵仍然处于停水状态。 3． 当水位降至探头C点以下，探头B点以上时，电流从探头C点不构成回路。电流从探头C点开始流经电阻RC，光电耦合器4N29（2）不导通，结点c1处为低电平，经非门MC1413（2）后变为高电平，所以指示灯L2不亮了。所以此时的现象是指示灯L4，L3亮，而L2，L1不亮，电铃不报警，水泵仍然处于停水状态。

4． 当水位降至探头B点以后，电流从探头B点构成回路。电流从探头B点流经电阻RB，使光电耦合器4N29(3)导通，继续流经结点a，最后流回电源。因光电耦合器4N29（3）导通，所以结点b1为高电平，流经非门MC1413（3）后变为低电平，此时指示灯L3仍亮，此时三极管9014（3）导通，结点b3为高电平，经非门MC1413（6）后变为低电平，再经非门MC1413（7）变为高电平。所以继电器JC1无法在这条线路上导通，JC1继续保持原来不导通状态，即JC1也不闭合，电铃不报警。因结点b3为高电平，即NE555定时器的输入端2号引脚为高电平，而此时探头接触不到探头D点，所以NE555定时器的输入端6号引脚为低电平， NE555定时器的输出应和上次保持不变，仍为低电平，三极管9014（2）不导通，继电器JC2也不导通，所以水泵仍保持不进水状态。所以此时的现象是指示灯L4，L3亮，而L2，L1不亮，电铃不报警，水泵仍然处于停水状态。

5． 当水位刚低于探头B点时，电流从探头B点够不成回路。电流从探头B点开始流经电阻RB，光电耦合器4N29（3）不导通，所以结点b1处为低电平，通过非门MC1413（3）以后变为高电平，所以指示灯L3不亮了。因结点b1处为低电平，此时三极管9014（3）不导通，所以结点b3处为低电平。经过非门MC1413（6）后变为高电平，再经非门MC1413（7）后变回低电平。

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此时的继电器JC1导通，继而JC1闭合，触点CJ10-2-1,CJ10-2-2也闭合，报警发声电路马上工作。因结点b3处为低电平，所以在进入NE555定时器时，输入端2号引脚是低电平，而此时探头D点不接触水，所以光电耦合器4N29（1）不导通，结点d3为低电平，即NE555定时器的输入端6号引脚为低电平，所以其输出端3号引脚输出为高电平。此时的三极管9014（2）导通，继电器JC2导通，触点JC2闭合，继电器CJ10-1通电，其相应触点CJ10-1-1， CJ10-1 -2，CJ10-1-3全部闭合，水泵马上开始供水。所以此时的现象是指示灯L4，亮，而L3，L2，L1不亮，电铃报警，水泵电机开始处于进水状态。

六、故障情况

如果因为外界原因使水位降至探头A点以下时，电流无法从探针A流

过。光电耦合器4N29（4）不导通，所以结点a1处为低电平，通过非门MC1413（4）以后变为高电平，所以指示灯L4不亮了。因结点a2处为低电平，此时三极管9014（4）不导通，所以结点a3处为低电平，此时的三极管9015导通，继电器JC1导通，触点JC1闭合，继电器CJ10-2通电，其相应触点CJ10-2-1， CJ10-2-2，全部闭合，电铃开始报警。

又因结点a3处为低电平，与门CD4082输出为低电平，所以三极管9014

（2）不导通，继电器JC2不导通，触点JC2处于常开状态，此时水泵停止进水。所以此时的现象是指示灯L4， L3，L2，L1均不亮，电铃报警，水泵电机马上停止进水状态。

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第四章 EDA方法设计PSK-I型水位控制器

第一节 EDA技术

一、 EDA技术的发展历程

电子电路的设计要经过设计方案提出，方案验证和修改三个阶段，有时

甚至需要经历多次反复。传统的设计方法一般是采用搭接实验电路的方式进行的，这种方法费用高，效率低。随着计算机的发展，某些特殊类型的电路可以通过计算机来完成电路设计。但目前能实现设计自动化的电路类型不多，大部分情况下要以“人”为主体，借助计算机来完成设计任务，这种设计模式称作计算机辅助设计（Computer Aided Design）,简称CAD.

EDA（Electronic Design Automatic）技术，也称电子设计自动化技术，是在电子CAD技术的基础上发展起来的计算机设计软件系统。它是计算机技术，信息技术和CAM（计算机辅助制造），CAT（计算机辅助测试）等技术发展的产物。利用EDA工具，电子设计师可以从概念，算法，协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计，性能分析到设计出印刷板的整个过程在计算机上自动处理完成。

随着电子和计算机技术的发展，电子产品已与计算机系统紧密相连。电子产品的智能化日益完善，电路的集成度越来越高，而产品的更新周期却越来越短。EDA技术使得电子线路的设计人员能在计算机上完成电路的功能设计，逻辑设计，性能分析，时序测试直至印刷电路板的自动设计。包括印刷板的温度分布和电磁兼容测试。目前EDA技术已成为世界各大公司，企业和科研单位广泛使用。

EDA工程就是以计算机为工作平台，以EDA软件工具为开发环境，以

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硬件描述语言为设计语言，以可编程器件为实验载体，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程。

EDA工程广义的定义范围包括半导体工艺设计自动化，可编程器件设计自动化，电子系统设计自动化，印刷电路板设计自动化，仿真与测试故障诊断以及形式验证自动化。EDA工程狭义的定义范围是指电子设计自动化，不包含电子生产自动化。90年代后期，出现了以高级语言描述，系统级仿真和综合技术等为特征的第三代EDA工具，电子设计由辅助手段变为主要手段的主要特征是自动化程度的提高，人工干预的减少。EDA的出现，极大的提高了系统设计的效率，使广大的电子设计师开始实现“概念驱动工程”的梦想。设计师们摆脱了大量的具体设计工作，而把精力集中于创造性的方案与概念构思上，从而极大的提高了设计效率，缩短了产品的研制周期。 EDA工具的出现，给电子系统设计带来了革命化的变化。随着Intel公司Pentium处理器的推出，ALTERA,XILINX等公司几十万乃直上百万门规模的FPGA的上市，以及大规模的芯片组和高速，高密度印刷板的应用，EDA工程在功能仿真，时序分析，集成电路自动测试，高速电路板设计及操作平台的扩展等方面都面临着新的巨大的挑战。

二、 EDA技术的基本特征

EDA工程的主要特征是：硬件工具采用工作站和高档微机，软件采用

EDA工具。

功能包括：原理图输入，硬件描述语言输入，波形输入，仿真技术，可

测试技术，逻辑综合，形式验证，时序分析等各个方面。

设计方法采用自顶向下的方法，设计工作从高层开始，使用标准化硬件

描述语言（VHDL 或VerilogHDL）描述电路行为，自顶向下跨过各个层次，完成整个电子系统的设计。

EDA工具提供了良好的逻辑综合与优化功能，它能够将设计人员设计

的逻辑级电路图自动的转换为门级电路，并生成相应的网表文件，时序分析文件和各种报表。若设计没有错误，最终可生成可以编程下载的文件。通常在下载前，设计人员还要对设计的电路进行一些校验工作。这些工作即可通过EDA的功能仿真和时序仿真来完成。

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三、 EDA技术的范畴和功能

EDA技术是在电子CAD技术的基础上发展起来的计算机设计软件系

统。电子产品从系统设计，电路设计到PCB设计，IC设计都可以用EDA工具完成。其中仿真分析，规则检查，自动布局和自动布线是计算机取代人工的最有效部分。

利用EDA工具，可以大大缩短设计周期，提高设计效率，减少设计风

险，对于电路设计师和我们来说，正确的应用仿真分析验证方案，正确评价仿真分析结果，是有效应用EDA工具提高设计质量的重要一环。并且EDA仿真技术为用户提供了全功能，全频带的分析仪器平台，实现了系统结构或电路特征模拟以及参数设计，为提供虚拟电子实验室创造了必要条件。

四、 现代电子技术概念

现代电子设计技术的核心是EDA工程。EDA工程就是以计算机为工作

平台，以EDA软件工具为开发环境，以VHDL硬件描述语言为设计语言，以可编程器件为实验载体，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程，如图4.1。硬件描述语言是一种用于设计电子系统硬件的计算机语言，它以软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能，电路结构和连接形式。硬件描述语言适合大规模电子系统的设计。

流片 ↑ 实现载体 ↑

集成设计环境 ↑

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EDA工具 ↑ 硬件描述语言 ↑

设计方法学 ↑ EDA理论基础 图4.1 Fig 4.1

第二节 用MAX+PLUS II对逻辑功能进行设计

MAX+PLUS II（Multiple Array Matrix and Programmable Logic User

Systems）开发工具是美国Altera公司设计的一种CAE软件工具，利用该工具所配备的编辑，编译，仿真，综合，芯片编程等功能，将设计电路图或电路

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描述程序转换成基本的逻辑单元写入到可编程的芯片中，作成ASIC芯片。它是EDA设计中不可缺少的一种有用工具，目前在国内使用较为普遍。利用MAX+PLUS II可以灵活而高效地设计电路，利用其完整的，可及时访问的在线帮助，使我们很方便的设计电路。

一、 MAX+PLUSII的设计过程

为了使大家迅速地掌握MAX+PLUS II软件的使用，在此首先介绍MAX+PLUS II软件的组成和设计流程。MAX+PLUS II是由设计输入，设计处理，设计校验和器件编程四部分组成。 MAX+PLUS II信息处理和层次显示

设计输入：文本编辑器，图形编辑器，符号编辑器，波形编辑器。 项目编辑：编译器，数据库，网表提取，建库器。

项目校验：MAX+PLUS II 仿真器，MAX+PLUS II时间分析器。 器件编辑：MAX+PLUS II编辑器。

1. 设计输入

MAX+PLUS II软件的设计输入方法有多种，主要包括文本设计输入方式，

原理图输入方式，高级设计输入方式，波形设计输入方式，层次设计输入方式和低层设计输入方式。另外，还可以利用第三方EDA工具生成的网表文件输入，输入法不同生成的设计文件也不同，设计者可以根据自己的实际情况灵活选择使用。

（1） 原理图输入

应用MAX+PLUS II提供的各种原理图库进行设计输入是一种最为直接的也是我们最熟悉的输入方式。用这种方式输入时，为提高效率，应采用自顶向下逻辑分块，把大规模的电路划分成若干小块的方法。原理图输入的效率较低，但容易实现仿真，也便于信号的观察以及电路的调整。

（2） 硬件描述语言输入

MAX+PLUS II包含一个集成的文本编辑程序（Text Editor），适合于输入和编辑用Altera硬件描述语言（VHDL）编写的设计文件MAX+PLUS II Compiler 可以对这些语言表达的逻辑进行综合，并将其反射到Altera的任何

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器件中。采用这种语言描述的优点是效率较高，结果也较容易仿真，信号观察也较方便，但语言输入必须依赖综合器。

（3） 波形输入

波形编辑程序（MAX+PLUS II Waveform Editor）用于建立和编辑

波形设计文件及输入仿真向量和功能测试向量。波形编辑器还有逻辑分析仪的功能，我们可以通过它查看仿真结果。

（4） 层次设计输入

层次设计可以包含了几种不同格式建立的文件，例如原理图输入，HDL

设计输入，波形设计输入和EDIF网表输入等。MAX+PLUS II在设计方案中支持多级层次，这种灵活性使我们可以采用最合适设计中每个部分的设计输入方法。

2. 设计处理

MAX+PLUS II处理一个设计时，在Compiler在设计文件中读取信息并

产生编程文件和仿真文件，定时分析程序（Timing Analyzer）可分析设计的定时，信息处理程序（Message Processor）可自动定位错误。 （1） 自动定位错误

MAX+PLUS II的Message Processor与MAX+PLUS II的所有应用程序

通信，可以给出信息（错误，警告等）。我们可以利用它自动打开错误源文件，并以高亮度方式显示错误位置。 （2） 逻辑综合与试配

MAX+PLUS II Compiler的逻辑综合（Logic Synthesise）模块对设计

方案进行逻辑综合并能看到设计实现的真实结果，该模块选择合适的逻辑化简算法，去除冗余逻辑，确保尽可能有效地使用器件的逻辑资源，还可去除设计方案中没用的逻辑。 （3） 定时驱动的编译

Compiler可以实现用户指定的定时要求，例如，传播延时（tpd）,时钟

到输出的延时（tco），建立时间(tsu)和时钟频率(fmax)等。我们可以为选定的逻辑功能指定定时要求，也可以把设计作为一个整体来指定定时要求。 （4） 设计规则检查

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MAX+PLUS II Compiler包括设计规则检查器（Design Doctor）。

该程序将检查项目中的所有设计文件，以发现在编辑器件中可能存在的可靠性不好的逻辑。

（5） 编程文件的产生（由计算机自动生成）

装配程序（Assmbler）模块为一个已编译的设计创建一个或多个编程目

标文件（.pof）,SRAM目标文件(.sof)或JEDEC文件(.jed)。MAX+PLUS II 编程器使用这些文件和标准的Altera硬件对器件进行编程 。此外，MAX+PLUS II 可以产生Intel格式的十六进制文件(.hex)，Tabular文本文件(.ttf)和配置FLEX8000器件使用的串行位流文件(.sbf)。

3. 设计校验

设计校验包括设计仿真和定时分析，其作用是测试逻辑操作和设计的内

部定时。 （1） 仿真

编译成功的设计并不一定完全正确，只有通过仿真才能验证电路是否

真正达到设计要求。Simulation可分为三种，即逻辑特性(Functional)仿真，延时特性仿真(Timing)和连接(Linked)仿真。仿真器利用编译器产生的数据文件工作，因此，确定某种仿真类型需在编译之前进行。

MAX+PLUS II提供了功能编译选项。此时，只运行仿真网表的提取，

而不布局布线，所以，此时的仿真没有延时信息，所有的延时均为零延时，而且可以预测所有内信号。

功能检查完成后，需进行后仿真。首先，需进行编译，这时应选择带

延时的完全的编译过程。对每一个设计项目，都有一个配置文件ACF，所有的配置参数都存在这个文件里

MAX+PLUS II的仿真器具有很强的灵活性，可以控制对单器件或多器

件设计的仿真。仿真器使用编译期间生成的二进制仿真网表进行功能，定时的仿真，或把组合连接起来的多个器件作为一个设计进行仿真。

可以使用简明的向量输入语言定义输入激励，也可以使用MAX+PLUS

II的波形编译程序直接画出波形。仿真结果可以在波形编译器或文本编译器中看到。

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