電路仿真技術(shù)概述

齊曉冰 張雷

摘要：電路仿真是電力電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程的重要組成環(huán)節(jié)，在功能強(qiáng)大的電路仿真平臺(tái)通過(guò)仿真獲得電路的響應(yīng)特征，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，工程師可以進(jìn)一步改進(jìn)自己的設(shè)計(jì)方案，調(diào)整產(chǎn)品性能，使其達(dá)到最優(yōu)化。本文主要介紹了電路仿真的概念、分類和主要作用，對(duì)當(dāng)前主流的三款電路仿真軟件做了詳細(xì)介紹。

Abstract： Circuit simulation is an important component of the development and design process of power electronics products. In the powerful circuit simulation platform， the response characteristics of the circuit are obtained through simulation， and the data is processed and analyzed. The engineer can further improve its own design scheme and adjust product performance， to optimize it. This article mainly introduces the concept， classification and main functions of circuit simulation， and introduces the current mainstream three circuit simulation software in detail.

關(guān)鍵詞：電路仿真；軟件；特點(diǎn)

Key words： circuit simulation；software；features

中圖分類號(hào)：TN79 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）17-0157-04

0 引言

仿真——Simulation，就是以與真實(shí)對(duì)象相似的模型代替實(shí)物來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的方法。人類在古代就已經(jīng)學(xué)會(huì)使用“系統(tǒng)比例模型”來(lái)建造船只和建筑，這是最早的仿真技術(shù)。上個(gè)世紀(jì)四十年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，仿真技術(shù)迎來(lái)了高速發(fā)展階段，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，現(xiàn)已發(fā)展成獨(dú)立的學(xué)科。電路仿真技術(shù)是仿真技術(shù)的重要組成部分。

1 電路仿真概念

電路仿真是工程師在電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，在制作真實(shí)系統(tǒng)之前，分析電路性能，了解電路特性的常用方法，圖1給出了典型電路仿真。電路仿真能夠直觀地展示出模擬電路的時(shí)域、頻域和交直流特性以及數(shù)字電路的邏輯關(guān)系，從而高效地幫助工程師縮短開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)周期。在仿真軟件中，能夠?qū)崿F(xiàn)電路仿真的核心是具備大型元器件模型庫(kù)，采用激勵(lì)信號(hào)和輸出數(shù)據(jù)模擬真實(shí)電路的信號(hào)源與示波器。在電力電子應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，設(shè)計(jì)方案的功能正確與否主要通過(guò)電路仿真的方法進(jìn)行驗(yàn)證。工程實(shí)踐驗(yàn)證，采用電路仿真技術(shù)對(duì)電路進(jìn)行性能分析更加便捷、高效。應(yīng)用電路仿真技術(shù)，不僅能夠幫助開(kāi)發(fā)者驗(yàn)證電路功能，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行電路特性的虛擬測(cè)試，更有助于開(kāi)發(fā)者不斷調(diào)整開(kāi)發(fā)方案，大力推進(jìn)集成電路的發(fā)展。主要作用有以下兩點(diǎn)：

①縮短電路系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)周期。通過(guò)電路仿真技術(shù)，在軟件環(huán)境下，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員可以對(duì)設(shè)計(jì)方案不斷進(jìn)行分析、優(yōu)化、驗(yàn)證，提高電路的可靠性和方案的可行性，尤其是在電路功能分析方面，仿真軟件具備高速的數(shù)據(jù)處理能力，既無(wú)需搭建真實(shí)電路，又節(jié)省了人工數(shù)據(jù)處理，縮短了開(kāi)發(fā)周期的同時(shí)，大大降低了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本。

②輔助科研院校教學(xué)培訓(xùn)。電子電路涉及多個(gè)領(lǐng)域范圍，是院校和科研單位的重點(diǎn)學(xué)科，而實(shí)驗(yàn)是該學(xué)科教學(xué)培訓(xùn)的一項(xiàng)重要任務(wù)。通過(guò)仿真軟件，可以更加直觀的演示電路的元器件組成、功能原理和實(shí)際效果，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和結(jié)果，加深對(duì)電路功能的理解和掌握，提高教學(xué)培訓(xùn)效率。

根據(jù)仿真對(duì)象，電路仿真分為數(shù)字電路仿真和模擬電路仿真。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)生了翻天覆地的變化，集成電路得到了高速發(fā)展，數(shù)字電路從最初的分立電路，歷經(jīng)小規(guī)模集成電路，逐步發(fā)展成為超大規(guī)模集成電路。數(shù)字電路仿真是主要是使用硬件描述語(yǔ)言（Hardware Description Language—HDL），在計(jì)算機(jī)的EDA（Electronics Design Automation）環(huán)境下，編寫并運(yùn)行能夠描述電子元器件及其連接關(guān)系的程序。在能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字電路仿真的軟件平臺(tái)系統(tǒng)中，以程序編寫的軟元件或IP芯核對(duì)元器件實(shí)現(xiàn)建模，一般來(lái)說(shuō)，EDA軟件公司會(huì)在軟件開(kāi)發(fā)時(shí)即推出包含與常見(jiàn)的、通用的元器件相對(duì)應(yīng)的軟元件庫(kù)，方便購(gòu)買者使用，EDA廠家或者元件生產(chǎn)廠家可以買到特殊元件。近年來(lái)，得益于數(shù)字系統(tǒng)更易程序化的邏輯關(guān)系，所以相應(yīng)的仿真技術(shù)水平越來(lái)越高。

不同于數(shù)字電路仿真，模擬電路仿真過(guò)程中，因?yàn)殡娐方Y(jié)構(gòu)樣式多，性能較為復(fù)雜，對(duì)仿真軟件中的精度、仿真結(jié)果的確信度以及仿真過(guò)程的速度等等要求相當(dāng)高。當(dāng)前，在全球范圍內(nèi)，SPICE程序被公認(rèn)為的模擬電路通用仿真工具，它的開(kāi)發(fā)者是是美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分?！，F(xiàn)在應(yīng)用范圍較廣的EDA公司都是在SPICE程序的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)模擬電路仿真工具的，之后再以不同的運(yùn)行環(huán)境（如DOS、Windows、Unix、Linux等）需要為依據(jù)，對(duì)仿真工具進(jìn)行改進(jìn)，以確保各類平臺(tái)都可以使用。

目前，如何對(duì)數(shù)模混合電路實(shí)現(xiàn)完美的設(shè)計(jì)和仿真成為EDA的重難點(diǎn)。數(shù)?；旌想娐贩抡妫簿褪窃谕环抡孳浖脚_(tái)下，既能完成對(duì)數(shù)字電路的仿真，也能完成對(duì)模擬電路的仿真，還允許對(duì)數(shù)字和模擬混合電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，這一技術(shù)還沒(méi)有得到有效的解決。

2 典型電路仿真軟件分析

2.1 Altium Designer

軟件開(kāi)發(fā)商Altium公司在Protel的基礎(chǔ)上推出的Altium Designer （以下簡(jiǎn)稱AD），是集電路原理圖設(shè)計(jì)、仿真、電路板繪制、自動(dòng)布線、電路分析和數(shù)據(jù)輸出等技術(shù)于一體的電子電路產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，運(yùn)行于Windows系統(tǒng)。AD在綜合了Protel系列的各個(gè)功能和優(yōu)點(diǎn)外，對(duì)其進(jìn)行了升級(jí)和改進(jìn)，如增加了FPGA設(shè)計(jì)和SOPC等高端功能，使開(kāi)發(fā)人員在進(jìn)行板級(jí)設(shè)計(jì)的同時(shí)，還能同時(shí)進(jìn)行產(chǎn)品中的FPGA設(shè)計(jì)與嵌入式設(shè)計(jì)，界面更加友好。多功能一體化，使AD能夠幫助開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員找到最完美的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，并輕松完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，大大提高產(chǎn)品質(zhì)量和開(kāi)發(fā)效率。Altium Designer 18.0.11是該公司于今年初推出的最高版。

AD平臺(tái)的仿真器采用的是事件驅(qū)動(dòng)型XSPICE仿真模型，是喬治亞技術(shù)研究所（GTRI）基于伯克里SPICE3代碼開(kāi)發(fā)的增強(qiáng)版，能夠完美兼容SPICE3f5，使得它不僅支持XSPICE標(biāo)準(zhǔn)的模型和電路仿真，還支持Pspice標(biāo)準(zhǔn)。因此AD能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)模混合電路仿真，電路圖設(shè)計(jì)階段就支持開(kāi)發(fā)者開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)數(shù)?；旌闲盘?hào)電路，實(shí)現(xiàn)數(shù)?；旌戏抡?。平臺(tái)具備完善便捷的參數(shù)配置功能，對(duì)仿真結(jié)果能夠完成信噪比、離散性等多種數(shù)據(jù)的處理分析，可以說(shuō)是一款真正意義上的混合電路仿真軟件。

與其他EDA軟件相比，AD具備以下三方面的優(yōu)點(diǎn)：

①仿真建模簡(jiǎn)單方便。AD軟件平臺(tái)集成了電路原理圖符號(hào)庫(kù)與仿真器件庫(kù)，也就是說(shuō)電路原理圖中的符號(hào)能直接找到并連接與之對(duì)應(yīng)的仿真模型，因此在AD中繪制的電路原理圖也可以說(shuō)是該電路的仿真模型，不需要另外建立仿真模型，便可以將原理圖直接用來(lái)仿真。Protel系列則不能做到這一點(diǎn)。

②可以載入外部標(biāo)準(zhǔn)仿真模型。雖然AD軟件中集成了足夠的電子器件仿真模型，但并不是當(dāng)前世界所有的、全部的。因此，工程師在進(jìn)行電子電路設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，經(jīng)常會(huì)用到一些罕見(jiàn)的、甚至是自己開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的器件，這個(gè)時(shí)候工程師既可以在AD中自己建模來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真，還可以將其他軟件中已經(jīng)建好的符合標(biāo)準(zhǔn)的仿真模型直接載入，即可在原理圖中進(jìn)行電路仿真。AD這一功能既滿足了工程師的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)需求，又可以不斷擴(kuò)充集成庫(kù)。

③強(qiáng)大的仿真功能和簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置。AD軟件采用的仿真器具備強(qiáng)大的信號(hào)分析功能，支持包括傳遞函數(shù)分析、瞬態(tài)特性分析與傅立葉分析、參數(shù)掃描分析、噪聲分析、交流小信號(hào)分析和蒙特卡羅分析等在內(nèi)的十種仿真分析方式，并且給每種類型的信號(hào)分析都給出了單獨(dú)的設(shè)置頁(yè)面。

當(dāng)然，AD軟件也存在相應(yīng)的缺點(diǎn)，最突出的就是，因?yàn)檐浖闪溯^多功能和數(shù)據(jù)庫(kù)，所以相較于其他EDA軟件來(lái)說(shuō)，對(duì)搭載該軟件的PC機(jī)性能要求較高，而且AD不能進(jìn)行復(fù)雜集成電路板的設(shè)計(jì)。

2.2 Simulink仿真工具包

Simulink仿真工具包是Matlab軟件所屬公司Math Works為其針對(duì)新型控制系統(tǒng)模型圖輸入與仿真功能設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的擴(kuò)展工具，主要功能就是Simu（仿真）和Link（連接）。雖然最初只是作為一個(gè)補(bǔ)充工具被推出，但伴隨著近幾年Simulink功能模塊的逐步完善和發(fā)展，以動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模功能、仿真分析功能、物理系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的仿真功能為典型，其所涉及的范圍和領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。Simulink的出現(xiàn)填補(bǔ)了Matlab在電力電子仿真領(lǐng)域的空白，通過(guò)Simulink工具包，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員可以直接建立所開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的控制器的簡(jiǎn)化模型，并連接起來(lái)形成系統(tǒng)，進(jìn)行仿真。而且Simulink完美的支持C語(yǔ)言，具備友好的交互式圖形工作環(huán)境。

Simulink的優(yōu)點(diǎn)是，作為Matlab軟件的一個(gè)功能模塊，得益于Matlab的強(qiáng)大數(shù)學(xué)運(yùn)算功能，PowerSystem在控制方面功能卓越，結(jié)合其他工具包，Simulink在電路仿真中能夠輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的細(xì)微控制，并高效精細(xì)迅速的完成數(shù)據(jù)處理和仿真分析，因此常常被用于控制器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)；支持兼容多種數(shù)據(jù)格式，方便工程師進(jìn)行后處理和分析；能夠很好地執(zhí)行Matlab的指令語(yǔ)言，故可以批處理仿真結(jié)果。

Simulink的缺點(diǎn)是，因?yàn)镸atlab軟件中的仿真是基于理想化的功率元器件和功能模塊進(jìn)行的，且當(dāng)前的PowerSystem只能對(duì)一般的、常見(jiàn)的元器件進(jìn)行理想建模，數(shù)學(xué)模塊較為簡(jiǎn)單理想，與真實(shí)器件和模型參數(shù)具有一定差別，因此仿真結(jié)果與實(shí)際電路差距較大，可信性較低，不能真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際電路特性。

2.3 Multisim

Multisim虛擬電子工作臺(tái)軟件是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司推出的，主要功能就是實(shí)現(xiàn)電子電路仿真，界面如圖4。Multisim是一個(gè)多功能仿真軟件，不僅能夠進(jìn)行原理電路設(shè)計(jì)，還能對(duì)電路功能進(jìn)行測(cè)試，電子電路工程師可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)電子與電工元器件以及電子與電工儀器和儀表進(jìn)行建模仿真，不僅支持原理圖形式的圖形輸入，還支持硬件描述語(yǔ)言，功能強(qiáng)大的建模仿真模塊，水平卓越的計(jì)算機(jī)分析技術(shù)，使之可以進(jìn)行數(shù)?；旌戏抡妗Ｆ涔ぷ鹘缑嬷庇^、操作方便、易學(xué)易用，仿真速度快、精度高、準(zhǔn)確及形象，工程師可以迅速建立電路實(shí)驗(yàn)所需要的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，在電子電路設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域和教學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的適用范圍。

與其他電路仿真軟件相比，Multisim具有如下特點(diǎn)：

①清晰明確的界面。

一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)電路仿真軟件的工作界面更傾向于模擬電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，而NI Multisim12則采用直觀明了的圖形界面，延續(xù)了原EWB的一貫特點(diǎn)，元件和各種測(cè)試儀表均可直接選取到仿真界面，可通過(guò)導(dǎo)線將元件的邏輯關(guān)系一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，虛擬儀器也同樣采用了與實(shí)物基本一致的操作面板，更加真實(shí)。因此工程師在對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)，能夠“實(shí)時(shí)”地修改自己的電路，觀察監(jiān)視仿真結(jié)果的變化情況，從而不斷改進(jìn)產(chǎn)品的性能。

②豐富的元件與虛擬儀器。

有自己的元器件庫(kù)，并包含大量虛擬儀器，像常見(jiàn)的信號(hào)發(fā)生器、萬(wàn)用表、示波器等在Multisim軟件中都能找到，且仿真模型保持了接近真實(shí)的外觀，更加形象。當(dāng)前自帶元件庫(kù)中元件的數(shù)量已近20000余個(gè)，主要包括交互式元件、動(dòng)態(tài)組件、虛擬組件、分級(jí)組件、3D組件，能夠滿足各種電路的仿真需求。工程師還可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求，編輯這些元件參數(shù)，定義元件屬性，通過(guò)模型生成器，完成對(duì)自己設(shè)計(jì)的元器件的建模。因?yàn)檐娪卯a(chǎn)品中常常包含自己特有的元器件，因此Multisim這一功能對(duì)實(shí)現(xiàn)軍用產(chǎn)品仿真非常有利。

③完備的仿真分析功能。

Multisim軟件的仿真引擎是以SPICE3F5和XSPICE的內(nèi)核為基礎(chǔ)的，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)SPICE、RF、MCU和VHDL等多種類型的仿真，并且具備強(qiáng)大的仿真結(jié)果分析功能，分析方式多達(dá)24種。工程師可以通過(guò)NI Multisim12自帶的增強(qiáng)設(shè)計(jì)功能優(yōu)化數(shù)字和混合模式的仿真性能，利用集成LabVIEW可快速進(jìn)行原型開(kāi)發(fā)和測(cè)試設(shè)計(jì)。電路仿真過(guò)程，軟件提供的虛擬儀器儀表使用方法與實(shí)際儀表在電路中的使用基本相同。

④完善的MCU模塊。

Multisim MCU模塊為該軟件增添了微控制器協(xié)同仿真功能，可以對(duì)8051、PIC單片機(jī)及其外部設(shè)備（如RAM、ROM、鍵盤和LCD等）進(jìn)行仿真，對(duì)使用C語(yǔ)言或者匯編語(yǔ)言生成的代碼都能支持，而且對(duì)通過(guò)第三方工具編寫的源代碼也能兼容；具備多種高級(jí)調(diào)試功能，諸如電路中設(shè)置斷點(diǎn)、以單步模式運(yùn)行電路、查看和編輯電路內(nèi)部RAM，特殊功能寄存器等。

⑤電路限制及隱藏錯(cuò)誤。

NI multisim12的電路限制為教學(xué)者提供了創(chuàng)建隱藏錯(cuò)誤的功能，并且具備了錯(cuò)誤標(biāo)記以及縮放至錯(cuò)誤的功能，可以幫助使用者快速查找自己的接線錯(cuò)誤。另外，可以在電路的任意位置放置測(cè)量探針通過(guò)動(dòng)態(tài)電壓以及電流來(lái)對(duì)電路做出注解。

目前，許多高校在電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中多使用Multisim軟件，通過(guò)仿真對(duì)電子線路進(jìn)行模擬操作，電路運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)可觀。由于是仿真的環(huán)境，有效的避免了因?yàn)閷?shí)驗(yàn)操作者的失誤給電路和設(shè)備帶來(lái)的損壞，教學(xué)更直觀形象，降低了電子產(chǎn)品和設(shè)備的損壞。Multisim 12.0以上版本更是提供了一個(gè)與LabVIEW虛擬儀器軟件可以實(shí)時(shí)交互的插件NI LabVIEW-Multisim Co-simulation Plugin for LabVIEW，很好地解決了Multisim與LabVIEW實(shí)時(shí)聯(lián)合仿真問(wèn)題。

Multisim的缺點(diǎn)是對(duì)復(fù)雜數(shù)?；旌想娐贩抡娴闹С侄炔粔颍襊CB板繪制等附加功能比不上其他的專門軟件。

3 總結(jié)

本文主要針對(duì)電路仿真技術(shù)理論進(jìn)行了研究。首先詳細(xì)闡述了電路仿真技術(shù)的概念、作用和方法，研究了電路仿真技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，最后現(xiàn)在常用電路仿真軟件做了介紹和比對(duì)，對(duì)各軟件的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。當(dāng)前仿真軟件是開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要工具，也是電力電子領(lǐng)域進(jìn)行教學(xué)培訓(xùn)的重要平臺(tái)，根據(jù)使用目的選取能夠滿足要求的仿真軟件利，是完成設(shè)計(jì)任務(wù)和取得教學(xué)成果的關(guān)鍵。

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