電路仿真軟件的歷史發(fā)展與現(xiàn)狀

摘 要：將電路圖通過仿真軟件對其進(jìn)行實(shí)時模擬，模擬出實(shí)際功能，然后通過分析并改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，這就是電路仿真。而電路仿真軟件距今已有幾十年的歷史。本文主要研究仿真軟件復(fù)雜且多變的發(fā)展與歷史，以及電路仿真軟件之所以能飛速發(fā)展至今的關(guān)鍵因素。針對常用電路仿真軟件Multisim，闡述其基本功能、特點(diǎn)，并結(jié)合電子電路實(shí)例，敘述其設(shè)計(jì)、仿真與分析的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電路仿真軟件；Multisim仿真軟件；電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP391.9；TN79 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）09-0083-03

Abstract：The circuit design through the simulation software for real-time simulation，simulate the actual function，and then through the analysis and improvement，so as to realize the optimization of circuit design，the circuit simulation. The circuit simulation software has decades of history. This paper mainly studies the history and developments of the simulation software are complicated and changeable，as well as the key factors of the rapid development of circuit simulation software. In view of the commonly used circuit simulation software Multisim，the article expounds the basic function and characteristics，and combining with specific application examples of electronic circuit，describes its design，simulation and analysis.

Keywords：circuit simulation software；Multisim simulation software；circuit optimization design

0 引 言

電路仿真，其含義就是將已經(jīng)設(shè)計(jì)出的電路圖通過電路仿真軟件進(jìn)行模擬，模擬出實(shí)際功能，然后通過對其進(jìn)行分析改進(jìn)，以此來實(shí)現(xiàn)對電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)際上，我們用的電路仿真軟件就是以電路這門學(xué)科為基礎(chǔ)的，延伸出來的一個幫助我們更好地學(xué)習(xí)數(shù)電、模電的軟件。實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是仿真過程，以此來判斷設(shè)計(jì)者的思路正確與否，方便我們修改，也節(jié)省了大量的實(shí)驗(yàn)材料，更適合未來的發(fā)展趨勢。我們現(xiàn)在所用的電路仿真軟件已經(jīng)趨近于成熟階段，但這其中的發(fā)展過程卻是漫長而艱辛的。那么電路仿真軟件的真實(shí)歷史到底是怎樣的呢？導(dǎo)致其飛速發(fā)展的原因又是什么呢？以及我們現(xiàn)在常用的電路仿真軟件現(xiàn)狀又是什么樣的情況呢？在本文中將逐一介紹。

1 仿真軟件的概念以及領(lǐng)域

仿真軟件（simulation software）是一種計(jì)算機(jī)軟件，用于模擬。它是一個仿真的工具，與仿真硬件相似。仿真軟件自20世紀(jì)50年代中期以來一直在不斷發(fā)展。它的發(fā)展補(bǔ)充了仿真的應(yīng)用、算法、計(jì)算和建模以及其他技術(shù)的發(fā)展。[1]1984年出現(xiàn)了第一個數(shù)據(jù)庫中心仿真軟件，并出現(xiàn)了人工智能軟件系統(tǒng)（專家系統(tǒng)）。這種發(fā)展趨勢將使仿真軟件具有更強(qiáng)大的功能，并且更加靈活，可供更多用戶使用。

仿真的目標(biāo)是不斷提高導(dǎo)航模塊對用戶導(dǎo)向和模型測試的描述能力。不同技術(shù)水平的用戶通過仿真軟件可以使用他們的定制語言，使與計(jì)算機(jī)對話變得方便，來完成模擬測試與建模。仿真是通過建立真實(shí)的系統(tǒng)模型和使用可觀測模型來研究真實(shí)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過程。最初，仿真技術(shù)主要用于航空、航天、核能和昂貴的核反應(yīng)堆，或一些壽命周期長、危險度高的測試系統(tǒng)，其他實(shí)物領(lǐng)域難以實(shí)現(xiàn)。電力、石油、化工、冶金、機(jī)械等逐步發(fā)展，已進(jìn)一步擴(kuò)展到社會系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)等非技術(shù)系統(tǒng)?？梢哉f，現(xiàn)代的仿真技術(shù)和仿真系統(tǒng)已經(jīng)成為任何復(fù)雜系統(tǒng)的集成體，尤其是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)是非分析的重要手段。缺乏研究、設(shè)計(jì)、評估、決策和培訓(xùn)。其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，應(yīng)用效率也越來越顯著。該系統(tǒng)是基于模擬控制理論，將基本計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)、理論基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)等設(shè)備作為專門的工具，利用系統(tǒng)的實(shí)際或虛擬模型測試系統(tǒng)，依靠專家應(yīng)用實(shí)驗(yàn)知識、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和信息數(shù)據(jù)來分析結(jié)果。并給出全面的測試決策。[3]廣義而言，仿真系統(tǒng)方法適用于任何領(lǐng)域，包括電氣、化學(xué)、電子、機(jī)械等，以及經(jīng)濟(jì)、政治、交通、管理等。

2 仿真軟件發(fā)展迅速的原因

電路仿真軟件的發(fā)展為什么會如此迅速呢？主要原因在于計(jì)算機(jī)仿真具有效率高、精度高、可靠性高、成本低等特點(diǎn)，被廣泛用于電力電子電路（或系統(tǒng)）的分析和設(shè)計(jì)。除計(jì)算機(jī)模擬外，還需要減少勞動強(qiáng)度，以取代許多繁瑣的手工分析系統(tǒng)，提高分析和設(shè)計(jì)能力，避免分析方法在近似過程中帶來較大誤差，通過互補(bǔ)試用，降低最大設(shè)計(jì)成本，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)很大程度上加快了電路設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過程。

仿真是設(shè)計(jì)電路和系統(tǒng)的有效手段。電氣工程電路及其組成系統(tǒng)的主要功能是控制能源轉(zhuǎn)換和傳輸過程。電力的形式需要改變，控制方法取決于電子電路。電力和電子的結(jié)合構(gòu)成了電力電子學(xué)的主題，這是一個相對年輕的領(lǐng)域，這也是一個綜合運(yùn)用多種科學(xué)的邊緣領(lǐng)域。電子控制電路，功率能量大，慣性相當(dāng)大，速度非?？?。這兩個系統(tǒng)，特別是構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)時，用自動控制術(shù)語來說屬于病態(tài)系統(tǒng)，即意味著存在不易于解決的穩(wěn)定性問題。這種類型的系統(tǒng)的質(zhì)量在20世紀(jì)80年代后期迅速提升，原因是運(yùn)用了計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)。當(dāng)使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真時，通過選擇適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)軟件解決了這個問題。少數(shù)軟件多是解決線性、連續(xù)工作的穩(wěn)態(tài)電路存在的問題。而大多數(shù)軟件適用于連續(xù)穩(wěn)定的工作電路，也適用于開關(guān)調(diào)整的啟動調(diào)整電路。換句話說，您可以模擬電氣工程電路，并且可以讀取任何一點(diǎn)電流，或者任意兩點(diǎn)之間的電壓，還可以進(jìn)行頻率響應(yīng)、頻譜分析、溫度分析、參數(shù)分析、蒙特卡羅分析、最壞情況分析、噪聲分析等等?？梢哉f，后面幾種分析在面包板上是無法進(jìn)行信號模擬的，但是可以通過仿真軟件在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，因此仿真軟件具有使用方便的優(yōu)點(diǎn)。

近年來，電力電子領(lǐng)域發(fā)展還促進(jìn)了能源電子領(lǐng)域的發(fā)展。除了電力電子的內(nèi)容之外，所謂的能源電子主題還需要考慮材料、環(huán)境、可靠性和管理問題，以良好地解決能量轉(zhuǎn)換問題。由此我們可以看到，使用如此復(fù)雜的系統(tǒng)工程，您可以通過使用計(jì)算機(jī)來快速獲得結(jié)果，以快速處理信息。仿真的必要性和有效性，是顯而易見的。這是電路仿真軟件快速發(fā)展的原因。

仿真軟件是電子領(lǐng)域電路分析和輔助設(shè)計(jì)的重要工具。利用電路仿真軟件快速分析電路性能參數(shù)有助于確定設(shè)計(jì)方案并選擇設(shè)計(jì)參數(shù)，從而提高設(shè)計(jì)效率。克服傳統(tǒng)研發(fā)周期的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員可以直接集中在設(shè)計(jì)層面，縮短整體設(shè)計(jì)周期。出于這個原因，模擬系統(tǒng)有各種各樣的軟件應(yīng)用程序。模擬電路仿真的主要應(yīng)用是EWB、SPICE PROTEL、MATLAB等。他們實(shí)現(xiàn)了從簡單到復(fù)雜的功能，操作復(fù)雜而智能化，界面日益可視化。

模擬電路仿真軟件的研究與模擬電路仿真軟件的理論、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用有關(guān)，理論研究促進(jìn)了軟件的應(yīng)用。同時，仿真軟件應(yīng)用也促進(jìn)了仿真軟件的理論研究。仿真軟件的實(shí)施規(guī)則是理論與應(yīng)用互相“溝通”的橋梁。

在電子技術(shù)發(fā)展的過程中，根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)干預(yù)的深度和廣度，有三種類型的設(shè)計(jì)方案，即三個階段。第一種方法是所謂的常規(guī)設(shè)計(jì)方法，所涉及的電子系統(tǒng)通常很簡單。第二種方法通常被稱為CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）方法，用于數(shù)據(jù)處理、模擬評估、設(shè)計(jì)驗(yàn)證等。第三種方法是所謂的EDA方法，它是在電子產(chǎn)品向更繁雜、更高端，向智能化、人性化、微型化和集成化方向發(fā)展過程中逐漸產(chǎn)生并完成的。

3 電路仿真軟件Multisim

用Multisim軟件對電子電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，就好像是在實(shí)驗(yàn)室面包板上搭建電路，并且不受器件類型、器件數(shù)量和測試設(shè)備的限制。Multisim軟件可以進(jìn)行模擬分析、仿真測試，設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)同步進(jìn)行，易于調(diào)試和修改。仿真實(shí)驗(yàn)不消耗真正的測試設(shè)備和組件，實(shí)驗(yàn)成本低。該軟件可以完成從電路仿真設(shè)計(jì)到電路布局生成的全過程，為設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)和開發(fā)電子產(chǎn)品提供了一個真正便捷的途徑。它包括電路原理圖輸入和電路硬件描述語言輸入方法，具有豐富的仿真分析功能。為了處理各種應(yīng)用，Multisim引入了許多版本，如EWB（電子工作臺）、Multisim 2001、Multisim 7、Multisim 8、Multisim 9、Multisim 10。由于具備這一優(yōu)勢，高等教育機(jī)構(gòu)的職業(yè)教育有著廣泛的認(rèn)知基礎(chǔ)。由于Multisim 10.0對SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容進(jìn)行了抽象化處理，因此無需了解模擬和分析新設(shè)計(jì)的詳細(xì)SPICE技術(shù)，就可以用于快速捕捉，并且適用于電子教育。利用Multisim和虛擬測量技術(shù)，您可以捕捉和模擬從理論到電路圖的所有內(nèi)容，您可以對原型和測試完全集成的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行測試。

通過使用Multisim進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，您不需要專門學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)控制語言和各種I/O命令，無需編寫程序電子電路圖。只需將設(shè)計(jì)好的虛擬電子元件和虛擬儀器放置在Multisim 10.0電路設(shè)計(jì)窗口中，將相應(yīng)的虛擬元件和測量接口連接到連接和節(jié)點(diǎn)并觀察虛擬測量。近年來，為了完成理論教學(xué)方法和實(shí)踐教學(xué)方法的有效結(jié)合，研究電子模擬教學(xué)方法的運(yùn)用，模擬教學(xué)方法帶來了事半功倍的效果，并在有限的時間內(nèi)給學(xué)生提供了大量的知識。通過使用模擬軟件讓學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和問題探索，學(xué)生可以有效地培養(yǎng)自己的學(xué)習(xí)能力，鞏固自己的理論基礎(chǔ)。

4 Multisim 11.0

目前的最新版本為Multisim 11.0。Multisim 11.0支持Win7和Vista系統(tǒng)。且功能強(qiáng)大、靈活性強(qiáng)。包含了許多功能多樣的虛擬功能，替代了現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室中常見的各種儀器，如萬用表、函數(shù)發(fā)生器、示波器以及其他儀器。這些虛擬儀器為老師和同學(xué)提供了一種便捷且準(zhǔn)確的方式來獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時也奠定了將來他們在實(shí)驗(yàn)室中使用這些儀器的良好基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)性的原理設(shè)計(jì)通常是建立在無焊接的電路實(shí)驗(yàn)板上，學(xué)生必須通過技術(shù)、文檔和視覺檢查來確保他們所設(shè)計(jì)的原型能夠正常運(yùn)行。通常來說，很多時間都浪費(fèi)在了糾正簡單的連線錯誤上。因此計(jì)算機(jī)輔助的設(shè)計(jì)工具的重要性就體現(xiàn)出來了。Multisim 11.0提供了一個虛擬的3D實(shí)驗(yàn)電路板環(huán)境，同學(xué)們就可以通過這樣的虛擬程序，以及對完成之后的狀態(tài)的正確性給予反饋的NIELVIS電路實(shí)驗(yàn)板來學(xué)習(xí)電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

模擬電路仿真軟件的理論、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用等幾個方面是模擬電路仿真軟件研究的基礎(chǔ)。理論上的研究促進(jìn)了軟件的發(fā)展，同時仿真軟件的應(yīng)用也促進(jìn)了仿真軟件的理論研究，而仿真軟件的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)則是應(yīng)用與理論之間“溝通”的橋梁。

總之，電路仿真軟件的歷史較為悠久，發(fā)展過程較為漫長。我們現(xiàn)在所用的電路仿真軟件Multisim 11.0是全球相對完善的軟件，無論是電氣領(lǐng)域還是能源領(lǐng)域都離不開電路仿真軟件，因此對這個軟件的熟悉以及融會貫通是是十分重要的。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：董奕君（1998.04-），女，漢族，山東德州人，本科在讀。研究方向：電路仿真軟件發(fā)展與歷史。