電路仿真軟件的特點和選用

無錫機電高等職業(yè)技術學校 甘 雨

電路仿真軟件的特點和選用

無錫機電高等職業(yè)技術學校 甘 雨

電路仿真技術有強大的電路分析功能，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量、電路分析功能和數據處理能力有較大的差別。應根據工程設計和專業(yè)教學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成的電路的性能，包括數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參數的元器件模型庫的支持，仿真信號和輸出數據代替了實際電路調試中的信號源和示波器。電路仿真主要是檢驗設計方案在功能方面的正確性。電路仿真技術使工程師在實際電子系統(tǒng)產生之前，就有可能全面地了解電路的各種特性?，F在電路仿真也廣泛用于各類學校的電子專業(yè)教學。

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，應用的便利性也有差別。根據工程和教學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效果。

一、電路仿真技術的功能特點

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

1.驗證電子電路設計

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

與傳統(tǒng)的電路測量方法相比，計算機仿真可預測某特定電路參數的變化過程和最終結果，使人們對電路性能的變化規(guī)律有深入的了解。例如，元件參數的誤差會給產品性能帶來多大的影響？哪個元件的誤差會給電路性能產生最大的作用？采用電路仿真技術中的蒙特卡洛分析能快速得出結論。應用最壞情況分析，設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。靈敏性分析使用戶能夠確定由于設計或元器件參數更改引起的電路性能參數（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，電路仿真技術尤其有優(yōu)勢。如某些電子設計涉及高電壓和大電流，不正確的設計參數可能造成電子元件損壞，使設計進程受阻。電路仿真用于數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，可避免各種致命的損壞，增加成功率。

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

表1 電子測量項目和電路仿真分析的對應關系

2.電子專業(yè)的輔助教學

電子學是一門實驗性很強的學科，電子學原理的學習最好和實驗同步進行，以加深感性認識。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據，可以方便地重現各種電學過程，特別是一些瞬息即逝的現象。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。繪制的電路圖和產生的仿真曲線可被復制到文檔中，使你的實驗報告看起來更有說服力。

學習電子電路，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。應用電路仿真技術還可設計驗證、測試、設計和創(chuàng)新等不同形式的訓練，培養(yǎng)學生多方面的能力。

表2 部分電路仿真軟件主要參數

3.學習電子工程測量技術

測量是電子技術的基本技能之一。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據的采集分析。表1列出了部分電子測量項目和電路仿真分析的對應關系。

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)生器和函數發(fā)生器等。這些儀器產生的信號在電路仿真軟件中都能實現：如瞬態(tài)源可產生函數發(fā)生器的各種信號，非線性受控源可產生調幅波等。通過設置仿真源的信號參數，能深入理解各種波形的電學意義。

在仿真軟件的圖線界面中，根據對測量結果的期待，選擇波形的顯示參數，相當于調節(jié)電子儀器的各個旋鈕。電路仿真產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。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，具有很強的交互性，能自動計算各項參數。

波形計算器對波形進行數學計算。波形計算器使用各種數學符號及函數，計算信號的如平均值，微分積分等數據。在大多數軟件中，利用波形計算器，可以交互地構建復雜的函數表達式，產生新的波形。部分仿真軟件的測量結果可以被直接標注到圖表中。

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

隨著微機技術的發(fā)展，基于Windows的EDA軟件水平不斷提高，現在有很多不同軟件公司生產PC版的電路仿真產品。這些產品有不同技術檔次和應用定位。一些以印制電路板設計為主要應用的軟件也有內嵌仿真組件，如ORCAD的PSPICE、Protel的Simulate等。專門用于電路仿真產品品牌比較多，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，數據的顯示和處理方式也不盡相同?？梢詮南铝兴膫€方面來評價電路仿真軟件的實用價值。

1.仿真項目的數量和性能

仿真項目的多少是電路仿真軟件的主要指標。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、參數分析、溫度分析、蒙特卡羅分析、噪聲分析、傳輸函數分析、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，對電子設計和教學的各種需求考慮得比較周到。如TINA的符號分析、Pspice和ICAP/4的元件參數變量和最優(yōu)化分析、Multisim的網絡分析和數字電路仿真、CircuitMaker的錯誤設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對數字元件采用Digital SimCode描述，并用喬治亞大學的XSPICE處理數字仿真。Multisim采用基于VHDL、Verilog或C代碼描述的模擬和數字器件協同模型。對于純數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.仿真元器件的數量和精度

軟件元件庫中仿真元件的數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千到1、2萬個不等的仿真元件，但軟件內含的元件模型總是落后于器件的開發(fā)和應用。因此，除了軟件本身的器件庫之外，器件制造商的網站是元器件模型的重要來源。設計者可根據最新器件的外部參數自定義元件模型，構建自己的元件庫。對于教學工作者來說，軟件的元件模型庫完全可以滿足常規(guī)教學所需。

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。大多數仿真軟件有電路圖形符號的預覽，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、二階和指數等三個溫度系數。多數軟件只定義了前兩個溫度參數，只有TINA定義了電阻的三個溫度參數，而Protel的電阻未定義溫度系數；又如雙極型晶體管有40個PSPICE模型參數，Multisim規(guī)定了全部的參數、TINA也有32個，Protel只有22個。所以對仿真精度要求比較高的設計要采用高精度的元件模型，或根據實際元件修正模型參數。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，而有的要打開專門的模型參數文件或界面才能修改。

3.數據顯示和處理能力

運行仿真后會得到大量的電路數據。仿真數據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據以列表顯示；Pspice和Micro-CAP可將電壓、電流和功率標示在電路圖中。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—電學量數對組表示的）格式文件，或導出到Excel中。也可以復制圖線，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。但一般都有如下數據處理功能：

(1)波形測量：顯示為不同類型的坐標刻度(線性、對數、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：對圖線進行加、減、乘、除、微分、積分等運算?；驅D線變量作為數學函數的自變量，得到新的數學變量。

(3)修飾圖線：使圖線更美觀、更容易被理解?？筛膱D線的粗細、顏色、式樣和標記；添加測量數據點標志和數據標簽；改變圖線的背景色、坐標的式樣和顏色等。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在的功能，都達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習者了解電子儀器的作用，深入理解電子測量的方法和技術要領。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，比較典型的是網絡分析儀和邏輯分析儀。網絡分析儀是分析射頻組件和射頻網絡參數的專用儀器；而Multisim的邏輯分析儀具有真正的數字電路分析能力，符合實際數字系統(tǒng)分析的技術要求。部分軟件還有虛擬的機電元件，如燈泡、按鈕、繼電器、接觸器等電氣元件，調用這些元件可構建機電控制電路。軟件元件庫中的數學和模擬控制器件可用以分析自動控制原理。

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

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設計組件，如Altium；電源種類數的多少和軟件對電源的分類有關，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中；Pspice正式版的仿真元件數為1.6萬個。

三、怎樣選擇電路仿真軟件？

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

1.考慮生產和教學對電路仿真軟件的需求

首先要考慮軟件的實際生產能力，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)現有的PCB設計軟件兼容；軟件的價格及提供哪些售后服務等等。如果本單位的產品比較復雜，就要考慮從電路設計、分析、優(yōu)化，系統(tǒng)仿真、甚至機電系統(tǒng)設計在內的全面解決方案。

2.評估電路仿真軟件的性能

各公司的軟件產品有不同的銷售定位，電路仿真軟件的功能、擴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不同的業(yè)務需求。一般的教學單位只要學習電路仿真的相關原理，不必強求軟件的高性能。使用學生版或教育版的軟件完全可以應對日常教學所需。而作為電子生產企業(yè)，則要采用企業(yè)版或加強版的軟件，還要考慮產品的設計、生產和管理等一系列問題，對軟件的維護和技術支持也有一定的要求。所以應盡量采用大公司的產品。如ICAP/4、Orcad等；如果對電路設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適用領域廣泛，包括電子學、電力電子學、電機工程、機械工程、電光學、光學、控制系統(tǒng)以及數據采樣系統(tǒng)等等。

3.根據教學需要選擇適用的軟件

在教學中，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據。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，是各級學校電路教學的理想仿真工具。Multisim的缺點是電路圖畫面只能放大到200%，電路線條比較細，投影到大屏幕上不太清晰。比較適合于職業(yè)技術學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量比較好，適合教師用于教學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計的教學。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據，非常直觀；MicroCAP有最強大的參數掃描功能，可時設置多達20個參數進行掃描分析。如果是電子學的初學者，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，和實物形象相當接近，有助于認識和理解電路。

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計應用的軟件如：Intusoft公司的電源仿真設計軟件Power Supply Designer和磁性元件(設計分析變壓器和電感器)的設計軟件Magnetics Designer；芬蘭APLAC公司用于射頻電路設計和仿真的軟件APLAC；以及美國Ansoft公司的系列產品等。很多的半導體器件生產商為了推廣它們的產品，也開發(fā)了專門的電路設計和仿真軟件。如Altera公司的可編程邏輯器件設計軟件Max+Plus II；TI公司的開關電源專用設計軟件SWIFT Designer；Linear公司的電路仿真和開關電源設計軟件SwicherCAD等。

最后要說明的是，現在電路仿真軟件的發(fā)展方向已不再局限在電子學范圍內。電路仿真技術在增強數?；旌闲盘柕姆抡婺芰Φ耐瑫r，正在向電力電子、電光學、甚至是電機工程、機電工程等領域擴展，為工程實際和教學帶來更多的方便。

本文提到的軟件試用版，可以從各自生產商的官方網站上下載。

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甘雨（1953—），男，江蘇蘇州人，副教授，現供職于無錫機電高等職業(yè)技術學校電子信息工程系，研究方向：電路仿真，印制電路板設計，電子組裝標準等。