電路仿真軟件的特點和選用

無錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 甘 雨

電路仿真軟件的特點和選用

無錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 甘 雨

電路仿真技術(shù)有強(qiáng)大的電路分析功能，基本包括了電子測試分析的全部項目。不同廠商的電路仿真軟件所提供的電子仿真元件數(shù)量、電路分析功能和數(shù)據(jù)處理能力有較大的差別。應(yīng)根據(jù)工程設(shè)計和專業(yè)教學(xué)需要選擇合適的電路仿真軟件。

電路仿真；軟件；特點

電路級仿真分析由電子元器件構(gòu)成的電路的性能，包括數(shù)字電路的邏輯仿真和模擬電路的交直流分析、時域和頻域分析等。電路級仿真必須有包含PSPICE參數(shù)的元器件模型庫的支持，仿真信號和輸出數(shù)據(jù)代替了實際電路調(diào)試中的信號源和示波器。電路仿真主要是檢驗設(shè)計方案在功能方面的正確性。電路仿真技術(shù)使工程師在實際電子系統(tǒng)產(chǎn)生之前，就有可能全面地了解電路的各種特性。現(xiàn)在電路仿真也廣泛用于各類學(xué)校的電子專業(yè)教學(xué)。

商品化的電路仿真軟件種類比較多，軟件性能特點各不相同，應(yīng)用的便利性也有差別。根據(jù)工程和教學(xué)的需要選擇合適的電路仿真軟件可大大提高工作效率和教學(xué)效果。

一、電路仿真技術(shù)的功能特點

電路仿真是經(jīng)過廣泛實踐，被證明是相當(dāng)有效的分析技術(shù)，被越來越多的電子設(shè)計者采用。電路仿真技術(shù)可以在下面幾個方面發(fā)揮作用：

1.驗證電子電路設(shè)計

采用電路仿真技術(shù)對不同的電路設(shè)計方案快速地進(jìn)行模擬分析，保證設(shè)計思想正確。在電路形式確定以后，對電路的元件參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析和容差分析，優(yōu)化電路參數(shù)，保證設(shè)計質(zhì)量。電路設(shè)計采用仿真技術(shù)，能極大的減少人工勞動，縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計成本。如濾波器設(shè)計中有大量的復(fù)雜分析。用人工計算全部數(shù)據(jù)的話，要耗費大量的時間。采用電路仿真軟件可以在幾分鐘內(nèi)得到結(jié)果，而且誤差可保持在工程規(guī)范的范圍內(nèi)。

與傳統(tǒng)的電路測量方法相比，計算機(jī)仿真可預(yù)測某特定電路參數(shù)的變化過程和最終結(jié)果，使人們對電路性能的變化規(guī)律有深入的了解。例如，元件參數(shù)的誤差會給產(chǎn)品性能帶來多大的影響？哪個元件的誤差會給電路性能產(chǎn)生最大的作用？采用電路仿真技術(shù)中的蒙特卡洛分析能快速得出結(jié)論。應(yīng)用最壞情況分析，設(shè)計人員可方便地測試各種極端情況，觀察極限條件下電路的反應(yīng)。靈敏性分析使用戶能夠確定由于設(shè)計或元器件參數(shù)更改引起的電路性能參數(shù)（諸如周期、增益或上升時間）的變化比例。

在常規(guī)測量有困難，特別是在實際系統(tǒng)中具有破壞性的實驗研究中，電路仿真技術(shù)尤其有優(yōu)勢。如某些電子設(shè)計涉及高電壓和大電流，不正確的設(shè)計參數(shù)可能造成電子元件損壞，使設(shè)計進(jìn)程受阻。電路仿真用于數(shù)字電路同樣具有高效率、高精度的特點。在搭建電路之前使用仿真技術(shù)，可避免各種致命的損壞，增加成功率。

作為一種模擬技術(shù)，仿真雖然還不能完全取代真實電路的實際測量。但由仿真產(chǎn)生的各種參數(shù)在設(shè)計中有決定性的意義，也為實物試驗提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表1 電子測量項目和電路仿真分析的對應(yīng)關(guān)系

2.電子專業(yè)的輔助教學(xué)

電子學(xué)是一門實驗性很強(qiáng)的學(xué)科，電子學(xué)原理的學(xué)習(xí)最好和實驗同步進(jìn)行，以加深感性認(rèn)識。實驗需要測量儀器和電子元件。受到客觀條件限制時，用電路仿真驗證理論分析結(jié)論不失為一個有效的方法。電路仿真能記錄分析中的全部數(shù)據(jù)，可以方便地重現(xiàn)各種電學(xué)過程，特別是一些瞬息即逝的現(xiàn)象。如振蕩電路的起振過程，一般只有1毫秒左右。在沒有存儲功能的示波器上無法觀察到這一過程。而使用仿真可記錄電路起振的全過程；再如用電路仿真軟件可構(gòu)建各種運算電路，隨時驗證運算放大器的電路理論，比搭建實驗電路更為簡便快捷。繪制的電路圖和產(chǎn)生的仿真曲線可被復(fù)制到文檔中，使你的實驗報告看起來更有說服力。

學(xué)習(xí)電子電路，不僅要掌握基本原理和計算方法，還要注重電路的設(shè)計、分析和研發(fā)能力的培養(yǎng)。通常實驗室不可能提供世界上各廠家的最新器件。而電路仿真可以采用新器件的模型加以模擬和分析。應(yīng)用電路仿真技術(shù)還可設(shè)計驗證、測試、設(shè)計和創(chuàng)新等不同形式的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生多方面的能力。

表2 部分電路仿真軟件主要參數(shù)

3.學(xué)習(xí)電子工程測量技術(shù)

測量是電子技術(shù)的基本技能之一。電子測量有兩個方面的要求：掌握電子儀器的操作方法和數(shù)據(jù)的采集分析。表1列出了部分電子測量項目和電路仿真分析的對應(yīng)關(guān)系。

在電子測量中，要用到多種信號發(fā)生器：如高頻信號發(fā)生器、低頻信號發(fā)生器和函數(shù)發(fā)生器等。這些儀器產(chǎn)生的信號在電路仿真軟件中都能實現(xiàn)：如瞬態(tài)源可產(chǎn)生函數(shù)發(fā)生器的各種信號，非線性受控源可產(chǎn)生調(diào)幅波等。通過設(shè)置仿真源的信號參數(shù)，能深入理解各種波形的電學(xué)意義。

在仿真軟件的圖線界面中，根據(jù)對測量結(jié)果的期待，選擇波形的顯示參數(shù)，相當(dāng)于調(diào)節(jié)電子儀器的各個旋鈕。電路仿真產(chǎn)生的波形圖線比示波器熒屏有更大的幅面和更精確的坐標(biāo)。軟件的圖線測量工具可對信號曲線實施多種測量，如周期信號的幅值、頻率、周期、相位及脈沖信號的上升時間，信號的過沖幅度等。測量工具是完全圖形化的，具有很強(qiáng)的交互性，能自動計算各項參數(shù)。

波形計算器對波形進(jìn)行數(shù)學(xué)計算。波形計算器使用各種數(shù)學(xué)符號及函數(shù)，計算信號的如平均值，微分積分等數(shù)據(jù)。在大多數(shù)軟件中，利用波形計算器，可以交互地構(gòu)建復(fù)雜的函數(shù)表達(dá)式，產(chǎn)生新的波形。部分仿真軟件的測量結(jié)果可以被直接標(biāo)注到圖表中。

運用某些軟件(如Multisim)中的虛擬儀器，對掌握真實儀器的性能和操作很有幫助。

二、電路仿真軟件的基本性能

隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于Windows的EDA軟件水平不斷提高，現(xiàn)在有很多不同軟件公司生產(chǎn)PC版的電路仿真產(chǎn)品。這些產(chǎn)品有不同技術(shù)檔次和應(yīng)用定位。一些以印制電路板設(shè)計為主要應(yīng)用的軟件也有內(nèi)嵌仿真組件，如ORCAD的PSPICE、Protel的Simulate等。專門用于電路仿真產(chǎn)品品牌比較多，如Multisim、TINA、ICAP/4、Circuitmaker和Micro-CAP等。通常這些軟件都是基于電路仿真語言PSPICE。

各種電路仿真軟件的界面和功能各有特點，數(shù)據(jù)的顯示和處理方式也不盡相同。可以從下列四個方面來評價電路仿真軟件的實用價值。

1.仿真項目的數(shù)量和性能

仿真項目的多少是電路仿真軟件的主要指標(biāo)。各種電路仿真軟件基本的分析功能包括靜態(tài)工作點分析、瞬態(tài)分析、直流掃描和交流小信號分析等4項。還可能有的分析功能有：傅里葉分析、參數(shù)分析、溫度分析、蒙特卡羅分析、噪聲分析、傳輸函數(shù)分析、直流和交流靈敏度分析、失真度分析、極點和零點分析等。仿真功能比較少的軟件如SIMextrix只有6項，而TINA有多達(dá)20項。Protel、Orcad、P-CAD等軟件的仿真功能在10項左右。專業(yè)化的電路仿真軟件有更多的仿真功能，對電子設(shè)計和教學(xué)的各種需求考慮得比較周到。如TINA的符號分析、Pspice和ICAP/4的元件參數(shù)變量和最優(yōu)化分析、Multisim的網(wǎng)絡(luò)分析和數(shù)字電路仿真、CircuitMaker的錯誤設(shè)置等都是比較有特色的功能。

PSPICE語言長于分析模擬電路，對數(shù)字電路的處理不很理想。各種軟件的解決方法也不一樣：如Protel對數(shù)字元件采用Digital SimCode描述，并用喬治亞大學(xué)的XSPICE處理數(shù)字仿真。Multisim采用基于VHDL、Verilog或C代碼描述的模擬和數(shù)字器件協(xié)同模型。對于純數(shù)字電路的分析和仿真，最好采用基于VHDL等硬件描述語言的仿真軟件，如Altera公司的可編程邏輯器件開發(fā)軟件MAX+plus II等。

2.仿真元器件的數(shù)量和精度

軟件元件庫中仿真元件的數(shù)量和精度決定了仿真的適用性和精確度。電路仿真軟件的元件庫有數(shù)千到1、2萬個不等的仿真元件，但軟件內(nèi)含的元件模型總是落后于器件的開發(fā)和應(yīng)用。因此，除了軟件本身的器件庫之外，器件制造商的網(wǎng)站是元器件模型的重要來源。設(shè)計者可根據(jù)最新器件的外部參數(shù)自定義元件模型，構(gòu)建自己的元件庫。對于教學(xué)工作者來說，軟件的元件模型庫完全可以滿足常規(guī)教學(xué)所需。

電路仿真軟件的元件分類方式有兩種：按元器件類型如電源、二極管、74系列等分成若干個大類；或按元件制造廠商分類。大多數(shù)仿真軟件有電路圖形符號的預(yù)覽，便于取用。各電路仿真軟件對元件的PSPICE模型都作了簡化。如PSPICE的電阻模型有一階、二階和指數(shù)等三個溫度系數(shù)。多數(shù)軟件只定義了前兩個溫度參數(shù)，只有TINA定義了電阻的三個溫度參數(shù)，而Protel的電阻未定義溫度系數(shù)；又如雙極型晶體管有40個PSPICE模型參數(shù)，Multisim規(guī)定了全部的參數(shù)、TINA也有32個，Protel只有22個。所以對仿真精度要求比較高的設(shè)計要采用高精度的元件模型，或根據(jù)實際元件修正模型參數(shù)。查閱和修改組件模型的方法各個軟件的處理各有不同。有的在元件屬性框中即可修改元件模型參數(shù)，而有的要打開專門的模型參數(shù)文件或界面才能修改。

3.數(shù)據(jù)顯示和處理能力

運行仿真后會得到大量的電路數(shù)據(jù)。仿真數(shù)據(jù)的顯示方式有列表和圖線兩種。如計算直流靜態(tài)工作點后，Protel將節(jié)點電壓、支路電流、元件消耗功能和電源端等效電阻等數(shù)據(jù)以列表顯示；Pspice和Micro-CAP可將電壓、電流和功率標(biāo)示在電路圖中。瞬態(tài)分析、直流掃描、交流小信號分析一般以圖線顯示結(jié)果。圖線可以被打印或保存為特定格式的文件；部分軟件可將波形保存為通用的PWL（以時間—電學(xué)量數(shù)對組表示的）格式文件，或?qū)С龅紼xcel中。也可以復(fù)制圖線，把它粘貼到Windows的“畫圖”中，處理后保存為圖片文件；或直接把圖線粘貼到Word、PowerPoint、Autherware等軟件的文檔中。

各電路仿真軟件對波形圖線的處理能力不同。但一般都有如下數(shù)據(jù)處理功能：

(1)波形測量：顯示為不同類型的坐標(biāo)刻度(線性、對數(shù)、幅度、分貝等)；測出圖線的有效值、方均根值、峰峰值、平均值、最大值、最小值、周期等。

(2)圖線計算：對圖線進(jìn)行加、減、乘、除、微分、積分等運算。或?qū)D線變量作為數(shù)學(xué)函數(shù)的自變量，得到新的數(shù)學(xué)變量。

(3)修飾圖線：使圖線更美觀、更容易被理解。可更改圖線的粗細(xì)、顏色、式樣和標(biāo)記；添加測量數(shù)據(jù)點標(biāo)志和數(shù)據(jù)標(biāo)簽；改變圖線的背景色、坐標(biāo)的式樣和顏色等。有些軟件允許在圖線畫面中輸入說明性的文字，甚至可以是中文文本。

4.虛擬儀器和教育功能

形象化的虛擬儀器是電路仿真軟件的一個特色。最典型的例子是Multisim，該軟件的虛擬儀器無論界面的外觀還是內(nèi)在的功能，都達(dá)到了同類軟件的最高水平。其它備有虛擬儀器的軟件有TINA和EDISON等。

虛擬儀器可以幫助學(xué)習(xí)者了解電子儀器的作用，深入理解電子測量的方法和技術(shù)要領(lǐng)。掌握電子儀器的各種操作方法，特別是各種控制按鈕、旋鈕的功能。Multisim和TINA虛擬儀器的功能實際上已超過了PSPICE本身，比較典型的是網(wǎng)絡(luò)分析儀和邏輯分析儀。網(wǎng)絡(luò)分析儀是分析射頻組件和射頻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的專用儀器；而Multisim的邏輯分析儀具有真正的數(shù)字電路分析能力，符合實際數(shù)字系統(tǒng)分析的技術(shù)要求。部分軟件還有虛擬的機(jī)電元件，如燈泡、按鈕、繼電器、接觸器等電氣元件，調(diào)用這些元件可構(gòu)建機(jī)電控制電路。軟件元件庫中的數(shù)學(xué)和模擬控制器件可用以分析自動控制原理。

為適應(yīng)教育單位對電路原理教學(xué)的需求，有的軟件設(shè)置了教育功能。主要是允許使用者對元器件設(shè)置一些隱藏的錯誤，以提高訓(xùn)練學(xué)生提高分析問題和解決問題的能力。如Mulisim和TINA可對組件設(shè)置開路、短路和漏電阻三項參數(shù)；而Altium公司的另一個電路仿真產(chǎn)品CircuitMaker可以對組件和電路做更多的教學(xué)設(shè)置，并且可加上密碼，以防止應(yīng)用者修改組件屬性。

表2是10個有代表性的電路仿真軟件主要參數(shù)的統(tǒng)計。表中安裝容量是指軟件安裝后在硬盤中所占用的空間，有些軟件安裝后包括PCB設(shè)計組件，如Altium；電源種類數(shù)的多少和軟件對電源的分類有關(guān)，如有的軟件將同一電源分別放在多個目錄下，有的軟件將5種瞬態(tài)分析源放在一個圖標(biāo)中；Pspice正式版的仿真元件數(shù)為1.6萬個。

三、怎樣選擇電路仿真軟件？

在電子工程的生產(chǎn)設(shè)計或電子學(xué)專業(yè)教學(xué)中，對電路仿真軟件可能有不同的要求，應(yīng)從軟件功能特點和工作實際需要兩個方面來考慮。

1.考慮生產(chǎn)和教學(xué)對電路仿真軟件的需求

首先要考慮軟件的實際生產(chǎn)能力，用此軟件能完成什么樣的工作？該軟件的模型庫能否滿足設(shè)計需要；軟件有哪些電路仿真功能；電路圖有哪些輸出格式，是否和企業(yè)現(xiàn)有的PCB設(shè)計軟件兼容；軟件的價格及提供哪些售后服務(wù)等等。如果本單位的產(chǎn)品比較復(fù)雜，就要考慮從電路設(shè)計、分析、優(yōu)化，系統(tǒng)仿真、甚至機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計在內(nèi)的全面解決方案。

2.評估電路仿真軟件的性能

各公司的軟件產(chǎn)品有不同的銷售定位，電路仿真軟件的功能、擴(kuò)展性和價格相差很大。

同一軟件有不同的版本，以不同的功能和價格適應(yīng)不同的業(yè)務(wù)需求。一般的教學(xué)單位只要學(xué)習(xí)電路仿真的相關(guān)原理，不必強(qiáng)求軟件的高性能。使用學(xué)生版或教育版的軟件完全可以應(yīng)對日常教學(xué)所需。而作為電子生產(chǎn)企業(yè)，則要采用企業(yè)版或加強(qiáng)版的軟件，還要考慮產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)和管理等一系列問題，對軟件的維護(hù)和技術(shù)支持也有一定的要求。所以應(yīng)盡量采用大公司的產(chǎn)品。如ICAP/4、Orcad等；如果對電路設(shè)計和仿真有更高的綜合性要求，可以考慮美國Synopsys公司的Saber。Saber適用領(lǐng)域廣泛，包括電子學(xué)、電力電子學(xué)、電機(jī)工程、機(jī)械工程、電光學(xué)、光學(xué)、控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)等等。

3.根據(jù)教學(xué)需要選擇適用的軟件

在教學(xué)中，要求電路仿真軟件能清晰地展示電路圖、信號圖線和各種電路數(shù)據(jù)。Multisim在所有電路仿真軟件中，它的仿真元器件、仿真分析類型和虛擬儀器都是最全的，是各級學(xué)校電路教學(xué)的理想仿真工具。Multisim的缺點是電路圖畫面只能放大到200%，電路線條比較細(xì)，投影到大屏幕上不太清晰。比較適合于職業(yè)技術(shù)學(xué)校的電路仿真軟件是TINA 6.0簡體中文版，該軟件不但菜單和對話框是簡體中文，所有的幫助也都是用中文寫成，學(xué)生比較容易理解和接受。Altium的電路圖和仿真圖線界面的顯示質(zhì)量比較好，適合教師用于教學(xué)幻燈演示和制作各種文檔中的插圖。Altium也很適合用于印制電路板設(shè)計的教學(xué)。ICAP/4的優(yōu)點是可以把仿真得到的電路波形插入電路圖中，即可以顯示電路中任何一點的波形。Orcad的Pspice在電路中顯示仿真得到的節(jié)點電壓、支路電流和元件消耗功率等數(shù)據(jù)，非常直觀；MicroCAP有最強(qiáng)大的參數(shù)掃描功能，可時設(shè)置多達(dá)20個參數(shù)進(jìn)行掃描分析。如果是電子學(xué)的初學(xué)者，則可以用有3D界面的電路仿真軟件Edison，該軟件界面生動直觀，和實物形象相當(dāng)接近，有助于認(rèn)識和理解電路。

4.專用電路仿真軟件

除了通常的電路仿真軟件外，還有一些專門針對某一類設(shè)計應(yīng)用的軟件如：Intusoft公司的電源仿真設(shè)計軟件Power Supply Designer和磁性元件(設(shè)計分析變壓器和電感器)的設(shè)計軟件Magnetics Designer；芬蘭APLAC公司用于射頻電路設(shè)計和仿真的軟件APLAC；以及美國Ansoft公司的系列產(chǎn)品等。很多的半導(dǎo)體器件生產(chǎn)商為了推廣它們的產(chǎn)品，也開發(fā)了專門的電路設(shè)計和仿真軟件。如Altera公司的可編程邏輯器件設(shè)計軟件Max+Plus II；TI公司的開關(guān)電源專用設(shè)計軟件SWIFT Designer；Linear公司的電路仿真和開關(guān)電源設(shè)計軟件SwicherCAD等。

最后要說明的是，現(xiàn)在電路仿真軟件的發(fā)展方向已不再局限在電子學(xué)范圍內(nèi)。電路仿真技術(shù)在增強(qiáng)數(shù)模混合信號的仿真能力的同時，正在向電力電子、電光學(xué)、甚至是電機(jī)工程、機(jī)電工程等領(lǐng)域擴(kuò)展，為工程實際和教學(xué)帶來更多的方便。

本文提到的軟件試用版，可以從各自生產(chǎn)商的官方網(wǎng)站上下載。

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甘雨（1953—），男，江蘇蘇州人，副教授，現(xiàn)供職于無錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校電子信息工程系，研究方向：電路仿真，印制電路板設(shè)計，電子組裝標(biāo)準(zhǔn)等。