基于Altium Designer的電路仿真

陳斌

摘要：為了縮短電子新產(chǎn)品的開發(fā)周期，擺脫傳統(tǒng)的電路搭板實(shí)驗(yàn)，用仿真軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)是其有效方法之一。A1tius Designer是PROTEL軟件的后續(xù)升級(jí)版本，具有強(qiáng)大的電子設(shè)計(jì)功能．它提供了豐富的仿真分析資源，其電路仿真可以用于對(duì)模擬和數(shù)字器件的電路分析．本文通過(guò)一個(gè)實(shí)例介紹Altium Designer軟件的電路仿真功能，用以拋磚引玉，以讓讀者多一條途徑設(shè)計(jì)電路，提高電路設(shè)計(jì)能力。

關(guān)鍵詞：Altium Designer、電路仿真

中圖分類號(hào)：TM13文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

一、前言

Altium Designer幫助設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)新一代智能、可互連的電子產(chǎn)品，它統(tǒng)一了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的設(shè)計(jì)工作，提高了設(shè)計(jì)工作的抽象水平，為所有電子產(chǎn)品的核心部分即器件智能化的設(shè)計(jì)和部署提供了完整的解決方案。AtiumDesigner中的電路仿真是混合模式仿真器，可以用于對(duì)模擬和數(shù)字器件的電路分析。SPICE仿真可以足夠真實(shí)地反映電路特性，能極其方便、快捷、經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，這對(duì)縮短電子產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低電子產(chǎn)品的開發(fā)費(fèi)用，提高電子產(chǎn)品的綜合性能，參與產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，都有著十分重要的意義。

1、Altium Designer

Altium由Nick Martin于1985年始創(chuàng)于澳大利亞。Protel的設(shè)計(jì)環(huán)境，能進(jìn)行電路原理圖設(shè)計(jì)、印制電路板設(shè)計(jì)、混合信號(hào)電路仿真及信號(hào)完整性分析等，以較有效的方式完成高質(zhì)量的電子產(chǎn)品開發(fā)。Protel 99SE提供了高級(jí)模擬數(shù)字器件混合仿真功能,其仿真引擎使用Berkeley的SPICE3FS/Xspice版本,可以精確地仿真由各種器件構(gòu)成的電路，Protel 99SE提供了20多個(gè)模擬和數(shù)字器件仿真元件模型，在Design Explorer99SELibrarySch路徑中的仿真庫(kù)Sim.ddb中，共包含5800多個(gè)常用元器件。

2、Altium Designer仿真特點(diǎn)

用Atium Designer進(jìn)行電路仿真有以下特點(diǎn)：第一是在設(shè)計(jì)原理圖時(shí)，原理圖中的所有元件必須是仿真庫(kù)中的元件，并且在原理圖中放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)來(lái)標(biāo)明需要觀察波形，必須有參考接地點(diǎn)并放置接地符號(hào)。第二是設(shè)置仿真元件參數(shù)。仿真元器件及電源的參數(shù)要設(shè)置完整。第三是設(shè)置仿真分析類型和參數(shù)，包括基本參數(shù)設(shè)置及仿真類型設(shè)置。Atium Designer仿真類型包含靜態(tài)工作點(diǎn)分析、瞬態(tài)，傅里葉分析、直流掃描分析、交流小信號(hào)分析、噪聲分析、極零點(diǎn)分析、傳遞函數(shù)分析、溫度掃描分析、參數(shù)掃描分析、蒙特卡羅分析等。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了要選擇仿真類型外，還需要設(shè)置合適的仿真參數(shù)，如瞬態(tài)分析中的起始時(shí)間、終止時(shí)聞、步長(zhǎng)、初始化條件等，另外還要針對(duì)錯(cuò)誤提示對(duì)錯(cuò)誤處進(jìn)行修正。第四是在仿真結(jié)果環(huán)境中可以分析測(cè)量波形，如波形各點(diǎn)之間信號(hào)電壓的相加減，還可以利用光標(biāo)進(jìn)行波形的任意工作點(diǎn)或區(qū)間的測(cè)量，如任意點(diǎn)的測(cè)量值或曲線區(qū)間的極值、均方值、上升時(shí)間、下降時(shí)間等。

二、Protel 系列軟件仿真

1、Protel中支持的電路分析類型有:靜態(tài)工作點(diǎn)分析、交流小信號(hào)分析、瞬態(tài)分析、頻率特性分析、傅立葉分析、噪聲分析、直流分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析和蒙特卡羅分析等。Protel系列軟件執(zhí)行電路仿真操作的流程如圖1所示。

圖1電路仿真流程

Protel 99SE執(zhí)行電路仿真操作，首先要編輯電路仿真原理圖，放置電源、仿真激勵(lì)源及網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)等。編輯后分壓式偏置共射放大電路仿真原理圖，如圖2所示。由仿真流程圖可知，執(zhí)行電路仿真操作，元件參數(shù)的設(shè)置是一項(xiàng)基本工作,阻容元件和激勵(lì)源的參數(shù)直接在元件屬性對(duì)話框中完成相應(yīng)設(shè)置，而有些元件的參數(shù)隱含在器件名稱中,設(shè)置和修改其參數(shù)需要對(duì)元件庫(kù)進(jìn)行操作。

圖2仿真原理圖

2、仿真器參數(shù)設(shè)置

繪制完原理圖后，在仿真之前，要選擇對(duì)電路進(jìn)行那種分析，設(shè)置收集的變量

數(shù)據(jù)，以及設(shè)置顯示哪些變量的波形。常見的仿真分析有靜態(tài)工作點(diǎn)分析（Operating Point Analysis）、瞬態(tài)分析（Transient Analysis）、直流掃描分析（DC Sweep Analysis）、交流小信號(hào)分析（AC Small Signal Analysis）、噪聲分析（Noise Analysis）、極點(diǎn)、零點(diǎn)分析（Pole-Zero Analysis）、傳遞函數(shù)分析（Transfer Function Analysis）、溫度掃描分析（Temperature Sweep）、參數(shù)掃描（Parameter Sweep）、蒙特卡洛分析（Monte Carlo Analysis）等分析。本文主要講解靜態(tài)工作點(diǎn)分析、瞬態(tài)分析的設(shè)置方法。執(zhí)行Design→Simulate→Mixed Sim命令，彈出如圖3所示的電路仿真分析設(shè)置對(duì)話框。

（1）一般設(shè)置（General Setup）

在仿真分析設(shè)置對(duì)話框的左側(cè)分析選項(xiàng)列表中，列出了所有的分析選項(xiàng)，選中每個(gè)分析選項(xiàng)，右側(cè)即顯示出相應(yīng)的設(shè)置項(xiàng)。選中General Setup，即可在右側(cè)的選項(xiàng)中進(jìn)行一般設(shè)置。在Available Signals列表中顯示的是可以進(jìn)行仿真分析的信號(hào)，Active Signals列表框中顯示的是激活的信號(hào)，將需要進(jìn)行仿真的信號(hào)，單擊和可完成添加或刪除激活信號(hào)，分別雙擊Q1B、Q1C、Q2B、Q2C，把他們添加到Active Signals內(nèi)，如圖3所示。在Collect Data For欄，從列表中選擇Node Voltage，Supply Current，Device Current and Power（節(jié)點(diǎn)電壓，電源電流，元件電流及功率）。

（2）靜態(tài)工作點(diǎn)分析（Operating Point Analysis）

靜態(tài)工作點(diǎn)分析通常用于對(duì)放大電路進(jìn)行分析，當(dāng)放大器處于輸入信號(hào)為零的狀態(tài)時(shí)，電路中各點(diǎn)的狀態(tài)就是電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。最典型的是放大器的直流偏置參數(shù)。進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)分析的時(shí)候，不需要設(shè)置參數(shù)。

（3）瞬態(tài)分析（Transient Analysis）

瞬態(tài)分析用于分析仿真電路中工作點(diǎn)信號(hào)隨時(shí)間變化的情況。進(jìn)行瞬態(tài)分析之前，設(shè)計(jì)者要設(shè)置瞬態(tài)分析的起始和終止時(shí)間、仿真時(shí)間的步長(zhǎng)等參數(shù)。在電路仿真分析設(shè)置對(duì)話框中，激活Transient選項(xiàng)，在如圖4所示的瞬態(tài)分析參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中進(jìn)行設(shè)置。在Transient Analysis Setup列表中共用11個(gè)參數(shù)設(shè)置選項(xiàng)，這些參數(shù)的含義分別是：Transient Start Time參數(shù)用于設(shè)置瞬態(tài)分析的起始時(shí)間。瞬態(tài)分析通常從時(shí)間零開始，在時(shí)間零和開始時(shí)間，瞬態(tài)分析照樣進(jìn)行，但并不保存結(jié)果。而開始時(shí)間和終止時(shí)間的間隔將保存，并用于顯示。Transient Stop Time參數(shù)用于設(shè)置瞬態(tài)分析的終止時(shí)間。Transient Step Time參數(shù)用于設(shè)置瞬態(tài)分析的時(shí)間步長(zhǎng)，該步長(zhǎng)不是固定不變的。Transient Max Step Time參數(shù)用于設(shè)置瞬態(tài)分析的最大時(shí)間步長(zhǎng)。Use Initial Conditions項(xiàng)用于設(shè)置電路仿真的初始狀態(tài)。當(dāng)勾選該項(xiàng)后，仿真開始時(shí)將調(diào)用設(shè)置的電路初始參數(shù)。Use Transient Default項(xiàng)用于設(shè)置使用默認(rèn)的瞬態(tài)分析設(shè)置，選中該項(xiàng)后，列表中的前四項(xiàng)參數(shù)將處于不可修改狀態(tài)。Default Cycles Displayed參數(shù)用于設(shè)置默認(rèn)的顯示周期數(shù)。default Points Per Cycle參數(shù)用于設(shè)置默認(rèn)的每周期仿真點(diǎn)數(shù)。Enable Fourier項(xiàng)用于設(shè)置進(jìn)行傅立葉分析，勾選該項(xiàng)后，系統(tǒng)將進(jìn)行傅立葉分析，顯示頻域參數(shù)。Fourier Fundamental Frequency用于設(shè)置進(jìn)行傅立葉分析的基頻。Fourier Number of Harmonics用于設(shè)置進(jìn)行傅立葉分析的諧波次數(shù)。

（4）多諧振蕩器電路分析設(shè)置

在多諧振蕩器電路的分析中，勾選Operating Point Analysis（靜態(tài)工作點(diǎn)分析）和Transient Analysis（瞬態(tài)分析）。激活Transient Analysis（瞬態(tài)分析）選項(xiàng)，設(shè)置Transient Stop Time為10ms，指定一個(gè)10ms的仿真窗口；設(shè)置Transient Step Time為10us，表示仿真可以每10us顯示一個(gè)點(diǎn)；設(shè)置Transient Max Step Time:10us；如圖4所示。

圖3仿真器一般參數(shù)設(shè)置

圖4瞬態(tài)分析參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

（5）噪聲分析

電路元器件在工作時(shí)都要產(chǎn)生噪聲，為了定量描述電路中噪聲的大小，仿真軟件采用了一種等效計(jì)算方法，在指定節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生的輸出噪聲大小正好等于實(shí)際電路中所有噪聲源在輸出節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生的噪聲。在“AnalysesSetup”窗口內(nèi)，單擊“Noise”標(biāo)簽，設(shè)置噪聲分析參數(shù)。某放大器噪聲分析結(jié)果如圖5所示，可見該電路在低頻段噪聲輸出電壓均方值較大。

圖5噪聲分析結(jié)果

三、電路特點(diǎn)分析

（1）仿照普通的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，信號(hào)源采用220V轉(zhuǎn)+15V的開關(guān)電源供電，保證了電路各芯片電源的穩(wěn)定性，從而提高輸出信號(hào)的穩(wěn)定性。

（2）信號(hào)源外部接有8位的撥碼開關(guān)，通過(guò)手動(dòng)編碼可任意改變DBPL信號(hào)的碼字，模擬DBPL數(shù)據(jù)報(bào)文包含的各種控制信息。

（3）考慮到該信號(hào)源的適用范圍，差分信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器后進(jìn)行輸出，大大提高了信號(hào)源的輸出驅(qū)動(dòng)能力，以滿足大多數(shù)信號(hào)檢測(cè)設(shè)備的使用。

四、結(jié)束語(yǔ)

以上通過(guò)多諧振蕩器電路簡(jiǎn)單介紹了Altium Designer軟件的電路仿真功能?？芍?仿真分析在電路設(shè)計(jì)中具有重要的作用，Protel系列電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件是一個(gè)非常實(shí)用的EDA仿真分析工具,能較準(zhǔn)確地查看和分析電路的性能指標(biāo)，并且產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表，制作印制電路板，分析信號(hào)完整性等，以提高設(shè)計(jì)效率、縮短開發(fā)周期和降低生產(chǎn)成本。當(dāng)然還有很多更好、更尖端的應(yīng)用等待大家去探索、創(chuàng)新，上述介紹僅是拋磚引玉。

參考文獻(xiàn)：

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