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仿真软件 电路  

2010-12-16 11:00:01|  分类: 电路基础 |  标签: |举报 |字号 订阅

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                                                        刘立新  周口市职业中专 466000

摘要:本文从介绍当今流行的电路仿真软件入手,着重分析了仿真软件的性能及其仿真器件的数量和精度,介绍了软件的数据显示和处理能力,并对虚拟仪器的教育功能做出了概括总结;通过对三种流行的仿真软件的具体性能的比较,推荐出教学中优先选用的仿真软件。

关键词:仿真、分析、比较、软件。

The analysis and comparison of the circuit simulation software//liu lixin

Abstract: This article introduce the popular circuit simulation software , emphasize analyzed the function of the simulation software ,introduce the amount and the precision of the emluator ,introduce the software’s ability of data display and dispose, and Come to the conclusion of instrument’s education function; According to the comparison of three simulation software’s performance, recommend the first using simulation software in teching.

Key words:  simulation ; analysis; comparison; software.

Author’s address:  Zhoukou City Vocational Middle school, 466000,Zhoukou, Henan Province,China

一.当今流行的电路仿真软件及其特性

电路仿真属于电子设计自动化(EDA)的组成部分。一般把电路仿真分为三个层次:物理级、电路级和系统级。教学中重点运用的为电路级仿真。

电路级仿真分析由元器件构成的电路性能,包括数字电路的逻辑仿真和模拟电路的交直流分析、瞬态分析等。电路级仿真必须有元器件模型库的支持,仿真信号和波形输出代替了实际电路调试中的信号源和示波器。电路仿真主要是检验设计方案在功能方面的正确性。电路仿真技术使设计人员在实际电子系统产生之前,就有可能全面地了解电路的各种特性。目前比较流行的电路仿真软件大体上说有:ORCAD、Protel、Multisim、TINA、ICAP/4、Circuitmaker、Micro-CAP和Edison等一系列仿真软件。

电路仿真软件的基本特点:

●仿真项目的数量和性能:

仿真项目的多少是电路仿真软件的主要指标。各种电路仿真软件都有的基本功能是:静态工作点分析、瞬态分析、直流扫描和交流小信号分析等4项;可能有的分析是:傅里叶分析、参数分析、温度分析、蒙特卡罗分析、噪声分析、传输函数、直流和交流灵敏度分析、失真度分析、极点和零点分析等。仿真软件如SIMextrix只有6项仿真功能,而Tina6.0有20项,Protel、ORCAD、P-CAD等软件的仿真功能在10项左右。专业化的电路仿真软件有更多的仿真功能。对电子设计和教学的各种需求考虑的比较周到。例如TINA的符号分析、Pspice和ICAP/4的元件参数变量和最优化分析、Multisim的网络分析、CircuitMaker的错误设置等都是比较有特色的功能。

Pspice语言擅长于分析模拟电路,对数字电路的处理不是很有效。对于纯数字电路的分析和仿真,最好采用基于VHDL等硬件描述语言的仿真软件,例如,Altera公司的可编程逻辑器件开发软件MAX+plusII等。

●仿真元器件的数量和精度:

      元件库中仿真元件的数量和精度决定了仿真的适用性和精确度。电路仿真软件的元件库有数千个到1--2万个不等的仿真元件,但软件内含的元件模型总是落后于实际元器件的生产与应用。因此,除了软件本身的器件库之外,器件制造商的网站是元器件模型的重要来源。大量的网络信息也能提供有用的仿真模型。设计者如果对仿真元件模型有比较深入的研究,可根据最新器件的外部特性参数自定义元件模型,构建自己的元件库。对于教学工作者来说,软件内的元件模型库,基本上可以满足常规教学需要,主要问题在于国产元器件与国外元器件的替代,并建立教学中常用的国产元器件库。

      电路仿真软件的元件分类方式有两种:按元器件类型如电源、二极管、74系列等分成若干个大类;或按元器件制造商分类,大多数仿真软件有电路图形符号的预览,便于选取使用。

      各电路仿真软件对元件的PSPICE模型都作了简化。如PSPICE的电阻模型有一阶、二阶和指数等3个温度系数。多数软件只定义了前两个温度系数,只有TINA定义了电阻的3个温度系数,而Protel的电阻没有定义温度系数;又比如双极型晶体管有40个PSPICE模型参数,Multisim规定了全部的参数、TINA也有32个,Protel只有22个。对仿真精度要求比较高的设计要采用高精度的元件模型,或根据实际元件修正参数模型。

●数据显示和处理能力:

      运行仿真后会得到大量的数据。仿真数据的显示方式有列表和图线两种。如计算静态工作点后,Protel将节点电压、支路电流、元件消耗能量和电源端等效电阻等数据以列表显示;Pspice和Micro-CAP可将电压、电流和功率标识在电路图中。瞬态分析、直流扫描、交流小信号分析一般以图示显示结果。图线可以被打印或保存为特定格式的文件;部分软件可将波形保存为通用的PEL(以时间-电学量数对组表示的)格式文件,或导出到Excel中。也可以复制图线,把它粘贴到Windows的“画图”中,处理后保存为图片文件;或直接把图线粘贴到Word、PowerPoint、Autherware等软件的文档中。

      各电路仿真软件对波形图线的处理能力不同。但一般都有如下数据处理功能:

1.波形测量:显示为不同类型的坐标刻度(线性、对数、幅度、分贝等),测出图线的有效值、方均根值、峰峰值、平均值、最大值、最小值、周期等。

2.图线计算:对图线进行加、减、乘、除、微分、积分等运算,或将图线变量作为数学函数的自变量,得到新的数学变量。

3.修饰图线:使图线更美观、更容易被理解。可更改图线的粗细、颜色、式样和标记;添加测量数据点标志和数据标签;改变图线的背景色、坐标的式样和颜色等。有些软件允许在图线画面中输入说明性的文字,甚至可以是中文文本。

●虚拟仪器和教育功能:

形象化的虚拟仪器是电路仿真软件的一个特色。最典型的例子是Multisim,该软件的虚拟仪器无论界面的外观还是内在的功能,都达到了同类软件的最高水平。其它设置有虚拟仪器的软件还有TINA、Edison等。

虚拟仪器可以帮助学习者了解电子仪器的作用,深入理解电子测量的方法和技术要领。掌握电子仪器的各种操作方法,特别是各种控制按钮、旋钮的功能。Multisim和TINA虚拟仪器的功能实际上超过了PSPICE本身,比较典型的是网络分析仪和逻辑分析仪。网络分析仪是分析射频组件和射频网络参数的专用仪器;而Multisim的逻辑分析仪具有真正的数字电路分析功能,符合实际数字系统分析的技术要求。部分软件还有虚拟的机电元件,如灯泡、按钮、继电器、接触器等电气元件,调用这些元件可构建机电控制电路。软件元件库中的数学和模拟控制器件可用于自动控制原理分析。

    为适应教育单位对电路原理教学的需求,有的软件设置了教育功能。主要是允许使用者对元器件设置一些隐蔽的错误。如Multisim和TINA可对组件设置开路、短路和漏电阻三项参数;而Altium公司的CircuitMaker可以对组件和电路做更多的教学设置,并且可以加上密码,直接作为实训课的考试工具。

 

二.主要仿真软件的比较

1.ELECTRONICS WORKBENCH EDA(以下简称EWB):

EWB软件是加拿大交互图像技术有限公司(INTERACTIVE IMAGE TECHNOLOGIES Ltd)在九十年代初推出的EDA软件,但在国内开始使用却是近几年的事,现在普遍使用的是在WIN95环境下工作的EWB5.0(在国内曾见过6.0的演示版,注:EWB5.0也可以在WINDOWS3.1环境下使用,但需安装WING32工具),相对其它EDA软件而言,它是个较小巧的软件,只有16M,功能也比较单一,就是进行模拟电路和数字电路的混合仿真,但你绝对不可小看它,它的仿真功能十分强大,可以几乎100%的仿真出真实电路的结果,而且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器等工具,它的器件库中则包含了许多大公司的晶体管元器件、集成电路和数字门电路芯片,器件库中没有的元器件,还可以由外部模块导入,在众多的电路仿真软件中,EWB是最容易上手的,它的工作界面非常直观,原理图和各种工具都在同一个窗口内,未接触过它的人稍加学习就可以很熟练地使用该软件,对于电子设计工作者来说,它是个极好的EDA工具,许多电路你无需动用烙铁就可得知它的结果,而且若想更换元器件或改变元器件参数,只需点点鼠标即可,它也可以作为电学知识的辅助教学软件使用,利用它可以直接从屏幕上看到各种电路的输出波形。EWB的兼容性也较好,其文件格式可以导出成能被ORCAD或PROTEL读取的格式,该软件只有英文版,在中文版的WINDOWS98下它的一些图标会偏移两个位置(在WINDOWS95下正常),但不影响它的使用。

2.PROTEL:

PROTEL是澳大利亚的PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件,在电子行业的CAD软件中,它当之无愧地排在众多EDA软件的前面,是电子设计者的首选软件,它较早就在国内开始使用,在国内的普及率也最高,有些学校的电子专业还专门开设了课程来学习它,几乎所有的电子公司都要用到它,许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用,运行在DOS环境,对硬件的要求很低,在无硬盘286机的1M内存下就能运行,但它的功能也较少,只有电原理图绘制与印制板设计功能,其印制板自动布线的布通率也低,而现今的PROTEL已发展到PROTEL99SE,是个庞大的EDA软件,完全安装有200多兆,它工作在WINDOWS9X环境下,是个完整的板级全方位电子设计系统,它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计(包含印制电路板自动布线)、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能,并具有Client/Server (客户/服务器)体系结构,同时还兼容一些其它设计软件的文件格式,如ORCAD,PSPICE,EXCEL等,其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。

3.PSPICE:

PSPICE是较早出现的EDA软件之一,1985年就由MICROSIM公司推出,在电路仿真方面,它的功能可以说是最为强大,在国内被普遍使用,现在使用较多的是PSPICE6.2,工作于WINDOWS环境,占用硬盘空间20多兆,整个软件由原理图编辑、电路仿真、激励编辑、元器件库编辑、波形图等几个部分组成,使用时是一个整体,但各个部分各有各的窗口。PSPICE发展至今,已被并入ORCAD,成为ORCAD-PSPICE,但PSPICE仍然单独销售和使用,新推出的版本为PSPICE9.1,工作于WINDOWS95/98/NT平台上,要求是奔腾以上CPU、32M内存、50M以上剩余硬盘空间、800X600以上显示分辨率,是功能强大的模拟电路和数字电路混合仿真EDA软件,它可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出、并在同一个窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果,无论对哪种器件哪些电路进行仿真,包括IGBT、脉宽调制电路、模/数转换、数/模转换等,都可以得到精确的仿真结果,对于库中没有的元器件模块,还可以自已编辑。

以下图表2-1为目前10个具有代表性的电路仿真软件主参数的统计。表中安装容量是指软件安装后在硬盘中所占的空间,Protel的安装包括了PCB设计组件;电源种类的多少和软件对电源的分类有关,如有的软件将同一电源分别放在多个目录下,有的软件将5种瞬态分析源放在一个图标中;Pspice的正式版的仿真元件数为1.6万。

 

软件名称、版本

安装容量(M)

电源种类数

仿真元件数

虚拟设备数

模拟分析种类

数字仿真

混合仿真

图线处理能力

样例文件数

B2 SPICE A/D V4

66

67

1.5万

17

64

CircuitMaker

12

29

0.6万

2

10

84

ICAP/4V8.7.10

23

63

1.4万

11

24

IVEX Spice

13

4

0.3万

8

16

MicroCap V7

11

34

1.5万

8

150

Multisim 2001

183

28

1.6万

11

18

31

Protel 99 SE

259

24

0.6万

10

39

Pspice V9.1Student

41

40

280

10

10

SIMextrix

13

14

0.5万

6

92

Tina6.0

83

18

2万

5

20

207

由以上图表比较可知,在常用的电路仿真软件中,Multisim2001的性能比较突出,无论从仿真元件库中元件的数量上,还是虚拟设备的种类以及虚拟分析的种类上都比别的软件要好,尤其是电路故障的隐蔽设置,更为教学提供了极大的方便。顺便指出,Multisim2001是有名的仿真软件EWB的升级版本,其性能又比EWB提升许多倍。所以,目前在教学中普遍采用的电路仿真软件为EWB或Multisim2001,该软件能完全满足目前教学中的各种试验、仿真、考核等,是教学中的首选软件。

参考文献:

1 赵世强,许杰,荆炳礼等.电子电路EDA技术.西安:西安电子科技大学出版社,2000

2 周政新. EDA电子设计自动化实践与训练.北京: 中国民航出版社,2002

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