淺談仿真技術(shù)在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

章翠娥

（江蘇省南通中等專業(yè)學(xué)校，江蘇南通，226000）

0 引言

智能化技術(shù)是當(dāng)前社會(huì)重要技術(shù)發(fā)展方向，人們對(duì)電子產(chǎn)品的需求也開(kāi)始向智能化方向發(fā)展。而智能化不僅提升了新型電子產(chǎn)品的研發(fā)難度，同時(shí)也使得電子產(chǎn)品集成電路變得更加復(fù)雜。在這種情況下，應(yīng)用電子電路仿真技術(shù)，就成了解決智能化電子產(chǎn)品研發(fā)集成電路設(shè)計(jì)難關(guān)的主要方法。目前，電子電路仿真技術(shù)基本上與電子產(chǎn)品研發(fā)整體技術(shù)水平發(fā)展速度保持一致，通過(guò)應(yīng)用電子電路仿真技術(shù)能夠極大的提高智能化電子產(chǎn)品研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，對(duì)整個(gè)電子產(chǎn)品行業(yè)的智能化發(fā)展至關(guān)重要。因此，本文從分析電子電路仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用價(jià)值入手，詳細(xì)探討了PSpice以及Proteu兩類主流仿真軟件在電子產(chǎn)品集成電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用策略。

1 仿真技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

電子電路仿真技術(shù)具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

第一，高效性優(yōu)勢(shì)。電子電路仿真技術(shù)主要通過(guò)錄入仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)以后，有計(jì)算機(jī)仿真軟件負(fù)責(zé)完成復(fù)雜易錯(cuò)的參數(shù)計(jì)算、邏輯推演等仿真實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵內(nèi)容。這中仿真模擬測(cè)試方法相較于傳統(tǒng)的人工測(cè)試方法來(lái)說(shuō)，顯然效率要高的多，并且電子電路仿真軟件大都配備有強(qiáng)大的附加功能和自動(dòng)糾錯(cuò)功能，同樣能夠極大的提高仿真測(cè)試結(jié)果的可靠性。運(yùn)用電子電路仿真技術(shù)能夠提高電子產(chǎn)品集成電路等復(fù)雜模塊的設(shè)計(jì)效率。

第二，多樣性優(yōu)勢(shì)。目前如Proteu軟件的電子電路仿真軟件已經(jīng)搭載了3D模擬、單片機(jī)編程等電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中需要用到的功能。運(yùn)用這種功能齊全的軟件能夠極大的提高電子產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中的調(diào)試階段效率，電子電路仿真軟件的升級(jí)和功能多樣性發(fā)展，同樣會(huì)使電子產(chǎn)品的研發(fā)模式變得更加自動(dòng)化、便捷化。

第三，穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)。借助于如Proteu軟件能夠提升電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中電路板制作、產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)優(yōu)化等硬件設(shè)計(jì)方面的可行性，設(shè)計(jì)人員可以借助仿真軟件直觀的觀察對(duì)比評(píng)測(cè)產(chǎn)品的物理樣本狀態(tài)，同時(shí)也可以在電路板制板出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，能夠快速準(zhǔn)確的鎖定錯(cuò)誤源范圍。另外，采用Proteu軟件的編程調(diào)試功能，能夠減少產(chǎn)品程序出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品主程序的穩(wěn)定性。

2 仿真技術(shù)在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)

仿真技術(shù)主要能夠在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的兩個(gè)方面體現(xiàn)應(yīng)用價(jià)值。一方面，在復(fù)雜集成電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以采用仿真技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜電路板、模擬芯片電路設(shè)計(jì)。同時(shí)也可以利用仿真技術(shù)的時(shí)域分析功能，測(cè)試集成電路芯片在特定環(huán)境下的電路性能穩(wěn)定性，提高電子產(chǎn)品的整體品質(zhì)。另一方面，將仿真技術(shù)應(yīng)用貫穿到電子產(chǎn)品項(xiàng)目研發(fā)的整個(gè)流程中，用仿真技術(shù)測(cè)試來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工測(cè)試方式，能夠提高整個(gè)產(chǎn)品研發(fā)項(xiàng)目的整體效率，同時(shí)還能為后續(xù)的成品性能測(cè)試以及研發(fā)項(xiàng)目成本預(yù)測(cè)提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

3 仿真技術(shù)在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用策略

3.1 PSpice仿真技術(shù)功能及應(yīng)用策略

（1）PSpice常用電子電路仿真功能

在復(fù)雜電子產(chǎn)品的大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)中，目前業(yè)界通常會(huì)采用Cadence的PSpice仿真軟件進(jìn)行，該仿真軟件能夠?qū)⒏黝悘?fù)雜的電路性能指標(biāo)銅鼓哦仿真模塊分析，對(duì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)觀察仿真分析結(jié)果，直觀對(duì)比評(píng)測(cè)電路目前設(shè)計(jì)現(xiàn)狀的各項(xiàng)性能指數(shù)。

具體來(lái)說(shuō)，PSpice軟件主要有兩個(gè)功能模塊構(gòu)成，分別負(fù)責(zé)電力仿真分析的具體環(huán)節(jié)。一方面是基本分析模塊（AD），該模塊主要包括直流、交流電路性能仿真分析以及電路整體時(shí)域分析等基本性能分析功能。該模塊主要通過(guò)噪聲仿真分析的方法，設(shè)定被測(cè)電路的頻率，然后制定輸出端的等效，確定輸出噪聲，同時(shí)，指定輸入端的噪聲電平。同時(shí)也會(huì)通過(guò)在直流電路中進(jìn)行偏置點(diǎn)模擬直流電路的短路情況，用來(lái)計(jì)算電路在短路或電容故障情況下工作狀態(tài)，通過(guò)對(duì)直流偏置點(diǎn)的計(jì)算，確定電路瞬態(tài)情況下，初始狀態(tài)和交流小信號(hào)條件下的非線性性能變化參數(shù)模型。另一方面，是高級(jí)分析模塊（AA），它主要包括參數(shù)掃描、溫度分析、最壞模擬分析等功能。通過(guò)直流掃描分析，快速的展示電路的直流輸出性能?；蛘咄ㄟ^(guò)對(duì)電路中某個(gè)具體電器件的參數(shù)變化，來(lái)總結(jié)該電器件參數(shù)變化帶來(lái)的電路性能變化規(guī)律。

（2）PSpice仿真軟件具體應(yīng)用流程

運(yùn)用PSpice仿真軟件的基本流程如圖1所示。

圖1 PSpice仿真軟件仿真實(shí)驗(yàn)基本流程

第一，繪制電路仿真電路，標(biāo)注電路中的閉合時(shí)間。如圖2所示。

圖2 仿真電路圖樣式

第二，設(shè)置仿真參數(shù)，設(shè)置如仿真時(shí)間以及運(yùn)行步長(zhǎng)等參數(shù)。

第三，運(yùn)行仿真方案，記錄仿真輸出波形結(jié)果。

第四，觀察分析仿真波形結(jié)果，判斷是否需要進(jìn)行二次調(diào)試。

第五，根據(jù)一次或迭代進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果，調(diào)整電路設(shè)計(jì)圖。

以RC正弦振蕩電路的時(shí)域分析為例，在給定輸入激勵(lì)信號(hào)作用下，計(jì)算電路輸出端的瞬態(tài)響應(yīng)，瞬態(tài)分析結(jié)果自動(dòng)存人以.dat為擴(kuò)展名的數(shù)據(jù)文件中，用Probe功能窗口分析顯示仿真結(jié)果的信號(hào)波形。傅里葉分析(Fourier Analysis)指在瞬態(tài)分析時(shí)，對(duì)輸出的最后一個(gè)周期性波形進(jìn)行諧波分析，計(jì)算出直流分量、基波分量、第2次到第9次諧波分量的幅值和相位以及電路的失真度，從輸出文本文件中讀出傅里葉分析結(jié)果，在Probe中觀察到諧波分布圖。

3.2 Proteu仿真技術(shù)功能及應(yīng)用策略

（1）Proteu常用仿真技術(shù)功能

Proteu軟件也是業(yè)界常用語(yǔ)智能電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的仿真工具，它主要應(yīng)用在對(duì)模擬電路以及數(shù)字電路的仿真實(shí)驗(yàn)上。采用Proteu軟件不僅能夠?qū)﹄娐吩O(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真運(yùn)行，去發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案中的不足之處，通過(guò)反復(fù)仿真調(diào)試來(lái)優(yōu)化現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案，同時(shí)還能借助軟件自帶的Proteu電路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬示波器以及虛擬信號(hào)源的仿真實(shí)驗(yàn)。可以將仿真實(shí)驗(yàn)的性能測(cè)試精確到具體的元器件上，使得復(fù)雜數(shù)字電路的微小電路元器件的選用更加科學(xué)合理。

（2）Proteu仿真軟件的主要應(yīng)用方向

Proteu軟件經(jīng)過(guò)這幾年的發(fā)展，技術(shù)越加成熟，功能也越加齊全。目前Proteu軟件主要被業(yè)界具體應(yīng)用在自動(dòng)化、智能化的小型電子產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域。例如對(duì)于自動(dòng)防盜報(bào)警裝置、自動(dòng)開(kāi)蓋垃圾桶、LED漢字翻譯屏等電子產(chǎn)品中。借助于Proteu軟件強(qiáng)大的電路模擬運(yùn)行功能，能快速完成電路設(shè)計(jì)過(guò)程中元器件選用、性能調(diào)試等難點(diǎn)問(wèn)題。極大的縮短了中小型電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。當(dāng)然在傳統(tǒng)電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中，Proteu軟件也廣泛的應(yīng)用在多種產(chǎn)品類型中。其中典型的在自動(dòng)化中小型電子產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛的MUC單片機(jī)的電路設(shè)計(jì)就多用Proteu軟件輔助完成。

總體來(lái)說(shuō)，Proteu軟件主要被應(yīng)用在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：

首先，被應(yīng)用在電子產(chǎn)品總設(shè)計(jì)原理圖的仿真預(yù)覽過(guò)程中，在電子產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)處于前期構(gòu)思完結(jié)，為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)構(gòu)思的可行性或者對(duì)研發(fā)成本進(jìn)行預(yù)算，就可以用Proteu軟件對(duì)基于目前電路設(shè)計(jì)思路的電子路線簡(jiǎn)圖進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)軟件的預(yù)覽工嗯呢該，直觀檢查該設(shè)計(jì)思路在原理上是否可行。

其次，在電子產(chǎn)品主程序的編程設(shè)計(jì)過(guò)程中，也可以運(yùn)用Proteu軟件之間即興ISIS程序的編輯工作，同時(shí)還能通過(guò)軟件自帶的糾錯(cuò)功能，快速發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品主程序編程過(guò)程中出現(xiàn)的編程語(yǔ)言錯(cuò)誤和運(yùn)行BUG。通過(guò)糾錯(cuò)功能在產(chǎn)品試運(yùn)行時(shí)，能夠快速的鎖定出現(xiàn)BUG的錯(cuò)誤源，大大的減輕了單片機(jī)出程序編程開(kāi)發(fā)的負(fù)擔(dān)。

再來(lái)，Proteu對(duì)電子電路的仿真調(diào)試功能。通過(guò)進(jìn)入軟件中的“Edit component”功能區(qū)，可以將需要調(diào)試的目標(biāo)文件輸入進(jìn)軟件，然后設(shè)置好仿真實(shí)驗(yàn)的晶振頻率，點(diǎn)擊仿真按鈕對(duì)電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。同時(shí)將仿真結(jié)果一波形圖像的形式轉(zhuǎn)化為可視圖像經(jīng)由人機(jī)交互屏，向設(shè)計(jì)人員實(shí)時(shí)直觀展示電路設(shè)計(jì)方案目前的試運(yùn)行性能指數(shù)。同時(shí)還能通過(guò)電路在特殊條件下的瞬態(tài)對(duì)比分析，來(lái)對(duì)電路設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)試優(yōu)化。

最后，在物理樣品制作時(shí)，同樣可以采用Proteu軟件的3D模擬功能，對(duì)電子產(chǎn)品的外觀形態(tài)進(jìn)行3D成像模擬，可以更細(xì)致的觀察產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)的合理性以及各部件銜接位置的穩(wěn)定性，為產(chǎn)品物理結(jié)構(gòu)的調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持。

（3）Proteu仿真軟件具體應(yīng)用策略

Proteu軟件在電子產(chǎn)品中的具體應(yīng)用策略主要分為兩大類。一方面是電子產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)應(yīng)用。主要通過(guò)軟件的仿真模擬分析功能，來(lái)進(jìn)行元器件的性能測(cè)試和選用，或者進(jìn)行產(chǎn)品物理外觀結(jié)構(gòu)合理性、穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)調(diào)試、以及集成電路板的制作。以電路板的制作為例，Proteu軟件在電路板設(shè)計(jì)制作中，主要按照幾個(gè)步驟進(jìn)行。第一，繪制電路板電子電路圖，生成電子電路圖方案文件，然后將該文件輸入軟件。第二，根據(jù)設(shè)計(jì)方案在軟件上設(shè)置仿真實(shí)驗(yàn)的各中參數(shù)，并啟動(dòng)仿真按鈕，對(duì)電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。第三，分析仿真實(shí)驗(yàn)波形結(jié)果，根據(jù)電路的時(shí)域分析結(jié)果，對(duì)集成電路設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)集成電路精度要求，反復(fù)迭代這一過(guò)程，使得集成電路設(shè)計(jì)方案在性能方面趨近于完美。第四，制作電路板實(shí)物樣本，運(yùn)用Proteu軟件的3D模擬功能，對(duì)實(shí)物樣本進(jìn)行最終調(diào)試。

在電子產(chǎn)品軟件的開(kāi)發(fā)中，主要運(yùn)用Proteu軟件進(jìn)行電子線路的調(diào)試以及程序編程的調(diào)試。該應(yīng)用主要運(yùn)用了Proteu軟件搭載的單片機(jī)編程功能模塊，對(duì)單片機(jī)程序進(jìn)行試運(yùn)行調(diào)試，提前修復(fù)一些程序上的邏輯錯(cuò)誤。