简单介绍一下-Verilog-AMS的基础知识

　　混合信号建模语言Verilog-AMS很多人做模拟电路的朋友，都希望有一款“模拟FPGA”，希望有一个“模拟的Verilog”，但现实是没有“模拟的Verilog”只有混合信号建模语言-Verilog-AMS，今天就简单介绍一下-Verilog-AMS。

　　为了便于物理系统的建模，人们在Verilog-2005的基础上，添加了一些新的关键字和语法结构，由此诞生了Verilog-AMS标准。所以Verilog-AMS是Verilog-2005的一个超集。换言之，Verilog-2005又是Verilog-AMS的子集。这里还有一个Verilog-A，具体三者关系如下：

　　

　　该标准定义了标准的Verilog仿真器和模拟解算器之间的互动。而且，Verilog-AMS语言从诞生开始，就是为常用的物理系统的建模，而不仅是为电路网络的建模而创造的。

　　Verilog-AMS基础Verilog-AMS引入了一些重要的新概念。其中最重要的新概念可以总结为两个关键字：discipline和nature。在“标准”的Verilog中net（线网）类型表示的只是具体的物理连接线路。在显示仿真的结果时，可以观察到在一段时间里这条线路的状态变化。因此，net有两个含义：具体的物理连接和时间历史。电路节点表示两个或更多个元件连接在一起的那个点。然而，不能讨论该节点本身的行为，除非指定讨论的对象是该节点的电压或流过该节点的电流，以及其他方面。

　　为了对具体的物理连接和行为进行区别，Verilog-AMS引入了新的关键字。在模型中，节点上的电压或者电流用关键字nature声明。在举例说明之前，必须先解释一下nature和节点之间是怎样相互关联的。

　　节点和网络类型有着密切的关联。例如，电路节点归属于电路网络，磁节点归属于磁网络。各种网络的行为都可以用关键字nature（性质）来描述。例如，电路网络的行为可以用电压和电流来描述；

　　而磁网络的行为可以用磁动势和磁通量来描述。每一类型的网络都有自身的一对性质。这一对性质可以描述为flow（流性质）和potential（势性质）。例如，在电路网络中，电流通过元件从网络的一个节点流到另一个节点；

　　此刻，也可以测量元件两端的电动势。每一类型的网络都具有一对这样的流性质和势性质。（请注意，也可以按照与传统思路完全相反的概念来定义这个电网络，即在该电网络中，定义电流具有势性质，电压具有流性质。

　　从数学角度来定义性质，无论传统的或相反的定义都是可接受的。然而，在电网络中，接受符合传统约定的性质定义比较容易。而在其他类型的网络中，确定究竟哪个物理量为势性质，哪个物理量为流性质可能不那么清楚。）

　　在某特定网络节点性质的定义中，事实上定义了该网络的流性质和势性质。因此，只声明某个线网是一个特定的Verilog类型的线网是不够的，所以必须添加一种新结构，即discipline（规则）来描述该线网。规则由两个部分组成：势性质和流性质。此外，domain（域）可以声明为连续的continuous）或者离散的discrete）。在默认情况下，规则是连续的。

　　电路规则可以用如下语句声明：

discipline electrical
 potential Voltage;
 flow Current;
enddiscipline

与别处-样，代码段中的关键字用粗字体表示。代码段中的Voltage(电压）和Current(电流）是什么?我们知道potential(势）和flow(流）这两部分都是natures(性质），所以Voltage和Current一定是natures。

nature Voltage
 units="V";
 access = V;
 idt_nature = Flux;
 abstol = le-6;
endnature

nature Current
 units="A";

 access I
 idt_nature = Charge;
 abstol = le-12;

endnature

这两个性质声明块的内容都由四条语句组成，但并非每条语句都是必需的。第1条语句units列出了用于表示该性质的符号。Verilog-AMS语言不执行维度分析，所以这条语句只是提供可读性而已。第2条语句中的access给出了访问功能。由于第2条语句中存在access，所以在代码段中，V(nodel)表示引用节点1的电压。第3条语句中的idt_nature表示等号后的物理量具有时间积分的性质。也可以用ddt_nature来表示等号后的物理量具有时间导数的性质。但在这种场合，Flux(通量）和Charge(电荷）应该在别处声明。最后一条语句中的关键字abstol表示允许的绝对误差，这条语句定义了性质块声明的变量在计算过程中的精确度。

在下面的例子中，假设在文件disciplines.vams中包含一些电规则的定义。每个模块的开头都包括该规则定义文件。现在就可以用该文件中定义的电规则来定义一个或者多个节点。

“

electrical nodel,node2;

”

我们可以用与定义线网或端口完全相同的方法在模块中定义节点。在端口声明时，必须声明端口的方向为inout(输入/输岀双向端口）类型。例如，下面的代码段声明了一个电阻模块：

'include "disciplines.vams";
module resistor (nodel , node2 );
inout nodel, node2;
electrical nodel, node2;
parameter real R = 1;

写到这里，只是创建了物理节点。可以用I(nodel,node2)表示在这两个节点之间流动的电流；也可以声明一个或多个支路。两个节点之间的支路可以用下面的语句声明：

“

branch (nodel,node2) res;

”

所以，现在还可以用I(res)来表示流经电阻的电流。

每个流经物理量的计算基准点就是所谓的参考节点。在电路网络中，该参考节点通常称为地线或者接地点。在Verilog-AMS模型中，通常用下面的语句来表示接地点：公众号：OpenFPGA

“

ground gnd;

”

作用语句

作用语句(contrihution statement)用于定义模拟模型的线路方程。在作用语句中，使用符号“<+”来表示表达式如何作用于某线路方程组。请注意，“<+”不是传统意义上的赋值操作符，而是对同一个流或者势的多个作用的总和。

因此，作用语句是由模拟仿真器求解的联立方程。作用语句必须放在模拟过程块之中。为了说明作用语句，我们编写了一个电阻器的完整模型：

'include "disciplines.vams"
module resistor (nodel, node2 );
 inout nodel , node2;

 electrical nodel, node2;
 parameter real R = 1;
 branch (nodel, node2) res;

analog begin
 I(res) <+ V(res)/R ;
end

endmodule

可以用类似的方法为其他元件建模。例如，下面的代码段是一个电容器的Verilog-AMS模型:

'include "disciplines.vams"
module capacitor (nodel, node2);
 inout nodel, node2;
 electrical nodel, node2;
 parameter real C = 1;
 branch (nodel , node2) cap;

analog begin
 I(cap) <+ C*ddt(V(cap));
end
endmodule

上面程序中的ddt是一个求导函数。其功能是求出电容两端电压的变化率，即求电压的微分。而下面语句中的idt是一个积分函数，其功能是计算其后面变量（流经电容的电流）的积分。由于作用语句是代数表达式而不是赋值操作，所以可以用以下方程来表示电容电压：

“

V(cap) < + idt ( I(cap))/C;

”

在结束这些基本模型的讨论之前，让我们先考虑一个产生正弦波形的纯电压源，以后需要把这个电压源模型作为基础元件来描述DAC。

'include "constants.vams"
'include "disciplines.vams"
module vsin(a,b);
 inout a, b;
 electrical a,b;
 branch(a,b) vs;

parameter real vo = 1;
parameter real va = 1;
parameter real freq = 1;

analog begin
 V(vs) <+ vo + va * sin('M_TWO_PI*freq*$abstime);
end
endmodule

在文件constants.vams中，定义了许多有用的参数，其中包括M_TWO_PI(即2倍的圆周率—2π)，$time，但是$abstime返回的是一个实型数。

混合信号建模

Verilog-AMS是一种混合信号建模语言，所以我们可以把模拟结构和数字结构写在同一个模块中。下面编写一个简单比较器的模型。该比较器可以对两个模拟电压信号进行比较，把比较结果转换为1比特的数字信号。当第1个输人信号比第2个大时，比较器输出逻辑1，否则输出逻辑0。该比较器的Verilog-AMS模型如下：

"include "disciplines.vams"
module comp(Aplus, Aminus, Dout);
 inout Aplus, Aminus;
 electrical Aplus, Aminus;
 output Dout;
 reg Dout;
initial
 begin
 Dout = l'bl;
 forever
 begin
 @(cross(V(Aplus, Aminus), -1)) Dout = 1'bO;
 @(cross(V(Aplus, Aminus) , +1)) Dout = l'bl;
end
end
endmodule

这个模块有三个端口，其中两个是电路节点，另一个是数字输出端口。在模块体中，必须能检测到其中一个模拟电压大于或小于另一个模拟电压的时刻，根据比较的结果，对开关进行相应的操作，输出逻辑1或者0。这个比较器当然可以用一个简单的比较操作符这个模块有三个端口，其中两个是电路节点，另一个是数字输出端口。在模块体中，必须能检测到其中一个模拟电压大于或小于另一个模拟电压的时刻，根据比较的结果，对开关进行相应的操作，输出逻辑1或者0。这个比较器当然可以用一个简单的比较操作符来表示，但是在这里用cross函数来表示更好一些。当表达式越过0时，立即产生一个数字信号事件。在cross函数中的第2个参数是用来表示方向的，只有从一个方向越过0才能触发事件，+1表示正方向，-1表示负方向，而0或不指定参数，则表示有两个方向。然而cross函数并不触发初始条件事件。因此，编写一个初始化块，先给Dout赋一个初始值，然后检测输入的模拟电压的上升或下降是否越过0,一旦越过，立即触发事件，根据越过0的方向，切换Dout的逻辑值为1或0。公众号：OpenFPGA

Verilog-AMS仿真器

ADC、DAC和PLL的混合信号模型是否可以完全用标准的Venlog语言来建模，可能还有争论。实际上，在这些模型中只有极少量的行为必须用模拟解算器才行。Verilog-AMS真正强大的功能在于允许在Verilog数字模型仿真的同时，进行模拟电路的仿真，而传统的模拟电路仿真必须使用SPICE软件才行。我们可以把SPICE的网表添加到Verilog-AMS的仿真库中。

目前，有许多仿真器支持多种语言的仿真。因此，组成系统模型的子模块可以用Verilog、SystemVerilog、Verilog-AMS、SPICE、VHDL、VHDL-AMS和SystemC等多种语言来编写。

总结

数字电路必须与真实的模拟世界接口，这个接口及与模拟元件的相互作用的建模总是十分困难的。Verilog-AMS扩展了Verilog功能，允许模拟和混合信号建模。典型的转换器包括阶梯型DAC、快闪型ADC和PLL。所有这些元件都可以用Verilog-AMS建模和仿真。目前从这些无件的行为模型还不能自动综合出元件的物理构造，由于rilog-AMS仿真器还是-个相对较新的事物，所以个別Venlog-AMS语法得不到Verilog-AMS仿真器的支持是很冇吋能的。这些仿真器确实提供了SPICE模型与Verilog-AMS之间进行接口的手段，从而允许完整系统的建模。

目前，国内对Verilog-A/Verilog-AMS研究很少，希望借此文章让更多人了解Verilog-A/Verilog-AMS，在未来可能有更大的用途。

编辑：jq