Altium Designer電路仿真及應用

重慶電子工程職業(yè)學院計算機應用系 王 靜

Altium Designer是Altium公司繼Protel系列產(chǎn)品（Tango、Protel for dos、Protel for windows、Protel 99SE、Protel DXP、Protel 2004）之后推出的高端設計軟件。該軟件在單一設計環(huán)境中集成板級和FPGA系統(tǒng)設計、基于FPGA和分立處理器的嵌入式軟件開發(fā)，以及混合信號電路仿真、規(guī)則驅(qū)動PCB布局與編輯、改進型拓撲自動布線及全部計算機輔助制造（CAM）輸出能力等，并集成了現(xiàn)代設計數(shù)據(jù)管理功能，使得Altium Designer成為電子產(chǎn)品開發(fā)的完整解決方案，一個既滿足當前，也滿足未來開發(fā)需求的解決方案[1][2][3]。在此，就該軟件的仿真功能作一個簡單介紹，其余功能不予贅述。通過一個實例說明該軟件仿真的一般步驟，使讀者能夠應用軟件的仿真功能分析、設計原理圖、調(diào)試電路，擺脫傳統(tǒng)的電路搭板實驗，從而縮短電路產(chǎn)品的設計周期，提高設計效率。下面以多諧振蕩器電路為例介紹該軟件的仿真功能。

電路仿真的一般步驟如下：

·找到仿真原理圖中所有需要的仿真元件，如果仿真元件庫中沒有所用的元件，必須事先建立其仿真庫文件，并添加仿真模型。

·仿真元件的放置和電路的連接，并且添加激勵源。

·在需要繪制仿真數(shù)據(jù)的節(jié)點處添加網(wǎng)絡標號。

·仿真器參數(shù)設置。

·電路仿真并分析仿真結(jié)果。

1.繪制仿真原理圖

1.1 放置元件

繪制仿真原理圖與一般普通原理圖的最大區(qū)別是：添加的元件一定要有仿真模型，否則不能仿真。在庫面板選擇元件時，要查看該元件是否有仿真模型，方法如圖1所示，如果沒有該模型，需要另找有仿真模型的元件，否則需要添加仿真模型（本文未介紹）。

圖1 元件2N3904有仿真模型

圖2 放置+12v的電壓源

圖3 仿真電壓源屬性設置對話框

圖4 多諧振蕩器電路仿真原理圖

1.2 添加激勵源

添加一個+12V的電壓源V1，方法：單擊“Utility”工具欄中的工具按鈕，打開如圖2所示的仿真電源工具欄，在工具欄中單擊“+12V”電壓源工具按鈕，在工作區(qū)放置一個+12V的電壓源。

放置完畢后，點擊元件，彈出元件屬性對話框，如圖3所示，修改其參數(shù)，設置Designator為“V1”、Comment為“=Value”、Value為“+12”。

1.3 連接電路

執(zhí)行Place→Wire命令，連接電路。

1.4 放置節(jié)點網(wǎng)絡標號

執(zhí)行Place→Net Label命令，放置網(wǎng)絡標號：q1b、q1c、q2b、q2c，設計好的原理圖如圖4所示。

2.仿真器參數(shù)設置

繪制完原理圖后，在仿真之前，要選擇對電路進行那種分析，設置收集的變量數(shù)據(jù)，以及設置顯示哪些變量的波形。常見的仿真分析有靜態(tài)工作點分析（Operating Point Analysis）、瞬態(tài)分析（Transient Analysis）、直流掃描分析（DC Sweep Analysis）、交流小信號分析（AC Small Signal Analysis）、噪聲分析（Noise Analysis）、極點、零點分析（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)工作點分析、瞬態(tài)分析的設置方法。

執(zhí)行Design→Simulate→Mixed Sim命令，彈出如圖5所示的電路仿真分析設置對話框。

2.1 一般設置（General Setup）

在仿真分析設置對話框的左側(cè)分析選項列表中，列出了所有的分析選項，選中每個分析選項，右側(cè)即顯示出相應的設置項。選中General Setup，即可在右側(cè)的選項中進行一般設置。在Available Signals列表中顯示的是可以進行仿真分析的信號，Active Signals列表框中顯示的是激活的信號，將需要進行仿真的信號，單擊和可完成添加或刪除激活信號，分別雙擊Q1B、Q1C、Q2B、Q2C，把他們添加到Active Signals內(nèi)，如圖5所示。

在Collect Data For欄，從列表中選擇Node Voltage，Supply Current，Device Current and Power（節(jié)點電壓，電源電流，元件電流及功率）。

2.2 靜態(tài)工作點分析（Operating Point Analysis）

靜態(tài)工作點分析通常用于對放大電路進行分析，當放大器處于輸入信號為零的狀態(tài)時，電路中各點的狀態(tài)就是電路的靜態(tài)工作點。最典型的是放大器的直流偏置參數(shù)。進行靜態(tài)工作點分析的時候，不需要設置參數(shù)。

2.3 瞬態(tài)分析（Transient Analysis）

瞬態(tài)分析用于分析仿真電路中工作點信號隨時間變化的情況。進行瞬態(tài)分析之前，設計者要設置瞬態(tài)分析的起始和終止時間、仿真時間的步長等參數(shù)。在電路仿真分析設置對話框中，激活Transient選項，在如圖6所示的瞬態(tài)分析參數(shù)設置對話框中進行設置。

在Transient Analysis Setup列表中共用11個參數(shù)設置選項，這些參數(shù)的含義分別是：

Transient Start Time參數(shù)用于設置瞬態(tài)分析的起始時間。瞬態(tài)分析通常從時間零開始，在時間零和開始時間，瞬態(tài)分析照樣進行，但并不保存結(jié)果。而開始時間和終止時間的間隔將保存，并用于顯示。

Transient Stop Time參數(shù)用于設置瞬態(tài)分析的終止時間。

Transient Step Time參數(shù)用于設置瞬態(tài)分析的時間步長，該步長不是固定不變的。

Transient Max Step Time參數(shù)用于設置瞬態(tài)分析的最大時間步長。

圖5 仿真器一般參數(shù)設置

圖6 瞬態(tài)分析參數(shù)設置對話框

圖7 瞬態(tài)分析仿真波形

Use Initial Conditions項用于設置電路仿真的初始狀態(tài)。當勾選該項后，仿真開始時將調(diào)用設置的電路初始參數(shù)。

Use Transient Default項用于設置使用默認的瞬態(tài)分析設置，選中該項后，列表中的前四項參數(shù)將處于不可修改狀態(tài)。

Default Cycles Displayed參數(shù)用于設置默認的顯示周期數(shù)。

default Points Per Cycle參數(shù)用于設置默認的每周期仿真點數(shù)。

Enable Fourier項用于設置進行傅立葉分析，勾選該項后，系統(tǒng)將進行傅立葉分析，顯示頻域參數(shù)。

Fourier Fundamental Frequency用于設置進行傅立葉分析的基頻。

Fourier Number of Harmonics用于設置進行傅立葉分析的諧波次數(shù)。

2.4 多諧振蕩器電路分析設置

在多諧振蕩器電路的分析中，勾選Ope-rating Point Analysis（靜態(tài)工作點分析）和Transient Analysis（瞬態(tài)分析）。

激活Transient Analysis（瞬態(tài)分析）選項，設置Transient Stop Time為10ms，指定一個10ms的仿真窗口；設置Transient Step Time為10us，表示仿真可以每10us顯示一個點；設置Transient Max Step Time:10us；如圖6所示。

3.信號仿真分析

從圖7中可以看出：多諧振蕩器電路是一種矩形波產(chǎn)生電路。這種電路不需要外加觸發(fā)信號，便能連續(xù)地，周期性地自行產(chǎn)生矩形脈沖。該脈沖是由基波和多次諧波構(gòu)成，因此稱為多諧振蕩器電路。又因為其沒有穩(wěn)定的工作狀態(tài)，多諧振蕩器也稱為無穩(wěn)態(tài)電路。具體地說，如果一開始多諧振蕩器處于0狀態(tài)，那么它在0狀態(tài)停留一段時間后將自動轉(zhuǎn)入1狀態(tài)，在1狀態(tài)停留一段時間后又將自動轉(zhuǎn)入0狀態(tài)，如此周而復始，輸出矩形波。常用作脈沖信號源及時序電路中的時鐘信號。

多諧振蕩器工作原理：

開始：由于電路參數(shù)的微小差異，正反饋使一支管子飽和另一支截止，出現(xiàn)一個暫穩(wěn)態(tài)。設Q1飽和，Q2截止。

（1）正反饋：Q1飽和瞬間，q1c由+12V突變到接近于零，迫使Q2的基極電位q2b瞬間下降到接近-12V，于是Q2可靠截止。

（2）第一個暫穩(wěn)態(tài)：

C1充電

C2放電

（3）翻轉(zhuǎn)：當q2b隨著C2放電而升高到+0.7V時，Q2開始導通，通過正反饋使Q1截止，Q2飽和。

（4）第二個暫穩(wěn)態(tài)：

C2充電

C1放電

（5）不斷循環(huán)往復，便形成了自激振蕩。

讀者可以改變一些原理圖中元件參數(shù)，再運行仿真看看其變化。試著將C1的值改為47nF，然后再運行瞬態(tài)特性分析。輸出波形將顯示一個不均勻的占空比波形。設計者可以借助這些波形圖，找出設計中存在的不足和問題，從而加以改進，提高制版的成功率。

以上通過多諧振蕩器電路簡單介紹了Altium Designer軟件的電路仿真功能，還有很多更好、更尖端的應用等待大家去探索、創(chuàng)新，上述介紹僅是拋磚引玉。

[1]徐向民.Altium Designer快速入門[M].北京:北京航天航空大學出版社,2008.

[2]王靜.Altium Designer Winter 09電路設計案例教程[M].北京:中國水利水電出版社,2010.

[3]李衍.Altium Designer 6電路設計實例與技巧[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

[4]周愛華.Multisim 10在電工電子設計性實驗中的應用[J].重慶電子工程職業(yè)學院學報,2010(2):165-166.