电路的暂态过程在实际工程中的应用实例

1、电路的暂态过程在实际工程中 的应用实例电路的暂态过程在实际工程中的应用实例。汽车点火系统liiJliiJ汽车点火电路时给予RLC电路暂态响应的 原理工作的。在点火电路中，通过开关的动作使 电感线圈中产生一个快速变化的电流，电感线圈 通常称作点火线圈，点火线圈有两个串联的磁耦 合线圈著称，又称为自耦合变压器，其中与电池 相连的线圈称作初级线圈，与火花塞相连的线圈 成为次级线圈。初级线圈上电流的快速变化通过 磁耦合（互感）使次级线圈上产生一个高电压， 其峰值可达到2040kV，这一高压将在火花塞的 间隙间产生一个电火花，从而点燃气缸中的油气 混合物。如图所示，此为简化电路liiJliiJ1.汽车点

2、火系统R cn 4Q +图。文氏桥和运放构成的正弦波振荡器 EJ文氏桥正弦波振荡器是一种经典式RC振荡 器，它在低频范围内有着广泛的用途。在新器件 不断出现的今天，从理论和实践上再来探讨它， 对其发展和应用是有益的。1理论分析 文氏桥 正弦波振荡器的基本形式如图1所示，它有反馈 网络和放大器两部分组成。在大连水产学院学报 第8卷用晶体管构成放大器时需要二级，而采用 新型器件集成运算放大器，只需要一级，用一个 运放就可以满足正反馈的要求。选频网络在文 氏桥振荡器中，反馈网络由选频网络承担。它的 主要作用是只让单一频率满足振荡条件，以产生 单一频率正弦波。选频网络由两个电阻Rl、RZ 和两个电容器

3、C，、cZ构成,其联接形式可以有图 2所示的三种形式图l文氏桥振荡器的组成图2 选频网络的3种联接形式通常为了方便，使Rl RZ1 十 SCR sC R，C、一 CZ C。 EJ文氏桥正弦波振荡器主要用于测量、遥控、 通信、自动控制、热处理和超声波电焊等加工设 备之中，也作为模拟电子电路的测试信号。例如 函数信号发生器，数控Is?3.二阶低通滤波器Is?3.二阶低通滤波器任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器 级联而成。对于N阶为偶数的高阶滤波器，可以 由N/2节二阶滤波器级联而成；而N为奇数的高 阶滤波器可以由(N-1)/2节二阶滤波器和一节一 阶滤波器级联而成，因此一阶滤波器和二阶滤波 器是

4、高阶滤波器的基础。可是难度也会越加E 难。一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通带，例如在通带内没有增益或者衰减， 并且 在通带之外所有频率都被完全衰减掉，另外，通 带外的转换在极小的频率范围完成。实际上，并 不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期 望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在11所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离 的范围。这通常称为滤波器的滚降现象，并且使11liiJl=jwliiJ用每十倍频的衰减幅度dB来表示。通常，滤波 器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波 器的性能就与设计更加接近。然而，随着滚降范 围越来越小，通带就变得不再平坦一开始出现 “波纹”。这种

5、现象在通带的边缘处尤其明显， 这种效应称为吉布斯现象。liiJl=jwliiJIID=1除了电子学和信号处理领域之外，带通滤波 器应用的一个例子是在大气科学领域，很常见的 例子是使用带通滤波器过滤最近3到10天时间 范围内的天气数据，这样在数据域中就只保留了 作为扰动的气旋。在频带较低的剪切频率fl和 较高的剪切频率f2之间是共振频率，这里滤波 器的增益最大，滤波器的带宽就是f2和fl之间 的差值。IID=1liiJliiJ二阶低通滤波器“经过全桥整流”，显然是想得 到直流电压。经过二阶低通滤波器目的是滤波， 使得到的直流电压更平直，更理想。否则输出是 像你说的海浪形。不是要得到有效值。直流的

6、有 效值即使它本身。正弦信号的有效值要用单片机 之类的处理器采样计算才能得到liiJliiJ电子设计自动化技术及其影响Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出 的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级 的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电 路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入 方式，具有丰富的仿真分析能力。iCircuit是一款电路仿真设计程序。其先进的 模拟引擎可以处理模拟和数字电路，并提供强 大的实时分析的功能。PCB抄板软件，是利用逆向反工程技术来提取 电路板的PCB文件，然后根据pcb文件逆向 原理图文件，BOM文件。从而达到完整的反 向克隆出一套一模一样的电路

7、板PowerPCB与PowerLogic系列软件是由美国 Mentor Graphics公司主推的电路设计自动化软件，也是目前在电子工程领域内使用最广泛、性能最优秀的EDA软件之一。EDA工具软件可大致可分为芯片设计辅助软件、可编程芯片辅助设计软件、系统设计辅助软 件等三类。目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件是系 统设计辅助类软件和可编程芯片辅助设计软件:Protel、 Altium Designer、 PSPICE、 multisim12（原 EWB 的最新版本）、OrCAD、 PCAD、LSIIogic、MicroSim、ISE、modelsim、 Matlab等等。这些工具都有较强的

8、功能，一般 可用于几个方面，例如很多软件都可以进行电路 设计与仿真，同时还可以进行PCB自动布局布 线，可输出多种网表文件与第三方软件接口。下面按主要功能或主要应用场合，分为电路设计 与仿真工具、PCB设计软件、IC设计软件、PLD 设计工具及其它EDA软件，进行简单介绍。3.1电子电路设计与仿真工具电子电路设计与仿真工具包括SPICE/PSPICE； multiSIM7 ； Matlab ； SystemView ； MMICADLiveWire、Edison、Tina Pro Bright Spark 等。下面简单介绍前三个软件。SPICE (Simulation Program with

9、 Integrated Circuit Emphasis)：是由美国加州大学推出的电 路分析仿真软件，是20世纪80年代世界上应用 最广的电路设计软件，1998年被定为美国国家 标准。1984年，美国MicroSim公司推出了基于SPICE 的微机版 PSPICE(Personal-SPICE)。现在用得较多的是PSPICE6.2,可以说在同类产 品中，它是功能最为强大的模拟和数字电路混合 仿真EDA软件，在国内普遍使用。最新推出了PSPICE9.1版本。它可以进行各种各样的电路仿 真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波 形输出、数据输出、并在同一窗口内同时显示模 拟与数字的仿真结果。无论

10、对哪种器件哪些电路 进行仿真，都可以得到精确的仿真结果，并可以 自行建立元器件及元器件库。illiJmultiSIM(EWB的最新版本)软件：是 Interactive Image Technologies Ltd 在 20 世纪末 推出的电路仿真软件。其最新版本为 multiSIM13,目前普遍使用的是multiSIM2001， 相对于其它EDA软件，它具有更加形象直观的 人机交互界面，特别是其仪器仪表库中的各仪器 仪表与操作真实实验中的实际仪器仪表完全没illiJ有两样，但它对模数电路的混合仿真功能却毫不 逊色，几乎能够100%地仿真出真实电路的结果， 并且它在仪器仪表库中还提供了万用表、

11、信号发 生器、瓦特表、双踪示波器（对于 multiSIM7还具有四踪示波器）、波特仪（相当实际中的扫 频仪）、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换 仪、失真度分析仪、频谱分析仪、网络分析仪和 电压表及电流表等仪器仪表。还提供了我们日常 常见的各种建模精确的元器件，比如电阻、电容、 电感、三极管、二极管、继电器、可控硅、数码 管等等。模拟集成电路方面有各种运算放大器、 其他常用集成电路。数字电路方面有74系列集 成电路、4000系列集成电路、等等还支持自制 元器件。MultiSIM7还具有I-V分析仪（相当于 真实环境中的晶体管特性图示仪）和Agilent信 号发生器、Agilent万用表、Agi

12、lent示波器和动 态逻辑平笔等。同时它还能进行VHDL仿真和 Verilog HDL 仿真。MATLAB产品族：它们的一大特性是有众多 的面向具体应用的工具箱和仿真块，包含了完整 的函数集用来对图像信号处理、控制系统设计、 神经网络等特殊应用进行分析和设计。它具有数据采集、报告生成和MATLAB语言编程产生独 立C/C+代码等功能。MATLAB产品族具有下 列功能：数据分析；数值和符号计算、工程与科 学绘图；控制系统设计；数字图像信号处理；财 务工程；建模、仿真、原型开发；应用开发；图 形用户界面设计等。MATLAB产品族被广泛应 用于信号与图像处理、控制系统设计、通讯系统 仿真等诸多领域。

13、开放式的结构使MATLAB产 品族很容易针对特定的需求进行扩充，从而在不 断深化对问题的认识同时，提高自身的竞争力。3.2 PCB设计软件PCB(Printed-Circuit Board)设计软件种类很 多，如 Protel、Altium Designer、OrCAD、Viewlogic、PowerPCB、Cadence PSD、 MentorGraphices 的 Expedition PCB、Zuken CadStart、 Winboard/Windraft/Ivex-SPICE、PCB Studio、TANGO、PCBWizard （与 LiveWire 配套的PCB制作软件包）、ul

14、tiBOARD7 （与 multiSIM2001配套的PCB制作软件包）等等。目前在我国用得最多当属Protel，下面仅对此软 件作一介绍。Protel 是 PROTEL（现为 Altium）公司在20 世纪80年代末推出的CAD工具，是PCB设计者 的首选软件。它较早在国内使用，普及率最高， 在很多的大、中专院校的电路专业还专门开设 Protel课程，几乎所在的电路公司都要用到它。 早期的Protel主要作为印刷板自动布线工具使 用，其最新版本为Altium Designer 10，现在普 遍使用的是Protel99SE，它是个完整的全方位电 路设计系统，包含了电原理图绘制、模拟电路与 数字

15、电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计liiJ（包含印刷电路板自动布局布线），可编程逻辑 器件设计、图表生成、电路表格生成、支持宏操 作等功能，并具有Client/Server （客户/服务体 系结构），同时还兼容一些其它设计软件的文件 格式，如 ORCAD、PSPICE、EXCEL 等。使用 多层印制线路板的自动布线，可实现高密度PCB 的100%布通率。Protel软件功能强大（同时具 有电路仿真功能和PLD开发功能）、界面友好、 使用方便，但它最具代表性的是电路设计和PCB 设计。liiJ3.3 IC设计软件IC设计工具很多，其中按市场所占份额排行为 Cadence、Mentor Grap

16、hics 和 Synopsys。这三家都是ASIC设计领域相当有名的软件供应商。其它公司的软件相对来说使用者较少。中国华大 公司也提供ASIC设计软件（熊猫2000）；另外 近来出名的Avanti公司，是原来在Cadence的 几个华人工程师创立的，他们的设计工具可以全 面和Cadence公司的工具相抗衡，非常适用于深 亚微米的IC设计。下面按用途对IC设计软件 作一些介绍。设计输入工具 这是任何一种EDA软件必须具备的基本功能。像 Cadence 的 composer，viewlogic 的 viewdraw， 硬件描述语言VHDL、Verilog HDL是主要设计 语言，许多设计输入工具都

17、支持HDL （比如说 multiSIM等）。另外像Active-HDL和其它的设 计输入方法，包括原理和状态机输入方法，设计 FPGACPLD的工具大都可作为IC设计的输入 手段，如Xilinx、Altera等公司提供的开发工具Modelsim FPGA 等。设计仿真工作 我们使用EDA工具的一个最大好处是可以验证 设计是否正确，几乎每个公司的EDA产品都有仿真工具。Verilog-XL、NC-verilog 用于 Verilog仿真，Leapfrog 用于 VHDL 仿真,Analog Artist用于模拟电路仿真。Viewlogic的仿真器有:viewsim门级电路仿真器，speedwav

18、eVHDL仿真器，VCS-verilog 仿真器。Mentor Graphics 有其子公司Model Tech出品的VHDL和Verilog 双仿真器：Model Sim。Cadence、Synopsys 用 的是VSS（VHDL仿真器）。现在的趋势是各大 EDA公司都逐渐用HDL仿真器作为电路验证的 工具。综合工具综合工具可以把HDL变成门级网表。这方面 Synopsys工具占有较大的优势，它的 Design Compile是作为一个综合的工业标准，它还有另 外一个产品叫Behavior Compiler，可以提供更 高级的综合。另外最近美国又出了一个软件叫Ambit，据说比Synopsy

19、s的软件更有效，可以综合50万门的电 路，速度更快。今年初Ambit被Cadence公司 收购，为此Cadence放弃了它原来的综合软件 Synergy。随着FPGA设计的规模越来越大，各EDA公司又开发了用于FPGA设计的综合软件，比较有名的有：Synopsys的FPGA Express，Cadence 的 Synplity, Mentor 的 Leonardo,这 三家的FPGA综合软件占了市场的绝大部分。布局和布线在IC设计的布局布线工具中，Cadence软件是 比较强的，它有很多产品，用于标准单元、门阵 列已可实现交互布线。最有名的是Cadencespectra，它原来是用于 PCB布

20、线的，后来 Cadence把它用来作IC的布线。其主要工具有： Cell3，Silicon Ensemble-标准单元布线器；Gate Ensemble-门阵列布线器；Design Planner-布局 工具。其它各EDA软件开发公司也提供各自的 布局布线工具。物理验证工具物理验证工具包括版图设计工具、版图验证工 具、版图提取工具等等。这方面Cadence也是很 强的，其 Dracula、Virtuso、Vampire等物理工 具有很多的使用者。模拟电路仿真器ilijJ前面讲的仿真器主要是针对数字电路的，对于模 拟电路的仿真工具，普遍使用SPICE，这是唯一 的选择。只不过是选择不同公司的SP

21、ICE，像 MiceoSim 的 PSPICE、Meta Soft 的 HSPICE 等等。HSPICE现在被Avanti公司收购了。在众 多的SPICE中，HSPICE作为IC设计，其模型 多，仿真的精度也高。ilijJ3.4 PLD设计工具PLD( Programmable Logic Device)是一种由用 户根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成电 路。目前主要有两大类型：CPLD( ComplexPLD)和 FPGA(Field Programmable Gate Array)。它们的基本设计方法是借助于EDA软 件，用原理图、状态机、布尔表达式、硬件描述 语言等方法，生成相应的目标

22、文件，最后用编程 器或下载电缆，由目标器件实现。生产PLD的 厂家很多，但最有代表性的PLD厂家为Altera、 Xilinx 和 Lattice 公司。=1PLD的开发工具一般由器件生产厂家提供，但 随着器件规模的不断增加，软件的复杂性也随之 提高，目前由专门的软件公司与器件生产厂家使 用，推出功能强大的设计软件。下面介绍主要器 件生产厂家和开发工具。=1ALTERA： 20世纪90年代以后发展很快。主 要产品有：MAX3000/7000、FELX6K/10K、 APEX20K、ACEX1K、Stratix 等。其开发工具-MAX+PLUS II是较成功的PLD开发平台，最新又推出了 Qua

23、rtus II开发软件。Altera公司提供较多形式的设计输入手段，绑定第三方VHDL 综合工具，如:综合软件FPGA Express Leonard Spectrum，仿真软件 ModelSim。XILINX： FPGA的发明者。产品种类较全，主要有：XC9500/4000、Coolrunner(XPLA3)、Spartan、Vertex 等系列，其最大的 Vertex-II Pro 器件已达到800万门。开发软件为Foundation 和ISE。通常来说，在欧洲用Xilinx的人多，在 日本和亚太地区用ALTERA的人多，在美国则 是平分秋色。全球PLD/FPGA产品60%以上是 由Alt

24、era和Xilinx提供的。可以讲Altera和 Xilinx共同决定了 PLD技术的发展方向。 Lattice-Vantis： Lattice 是 ISP ( In-System Programmability)技术的发明者。ISP技术极大 地促进了 PLD产品的发展，与 ALTERA和 XILINX相比，其开发工具比Altera和Xilinx 略逊一筹。中小规模PLD比较有特色，大规模 PLD的竞争力还不够强(Lattice没有基于查找表技术的大规模FPGA)，1999年推出可编程模拟器件，1999年收购Vantis (原AMD子公司)，成为第三大可编程逻辑器件供应商。2001年12 月收

25、购Agere公司（原Lucent微电子部）的 FPGA 部门。主要产品有 ispLSI2000/5000/8000， MACH4/5。ACTEL:反熔丝（一次性烧写）PLD的领导 者。由于反熔丝PLD抗辐射、耐高低温、功耗 低、速度快，所以在军品和宇航级上有较大优势。 ALTERA和XILINX则一般不涉足军品和宇航 级市场。Quicklogic：专业PLD/FPGA公司，以一次性 反熔丝工艺为主，在中国地区销售量不大。Lucent：主要特点是有不少用于通讯领域的专 用IP核，但PLD/FPGA不是Lucent的主要业 务，在中国地区使用的人很少。ATMEL:中小规模PLD做得不错。ATMEL

26、 也做了一些与Altera和Xilinx兼容的片子，但 在品质上与原厂家还是有一些差距，在高可靠性 产品中使用较少，多用在低端产品上。Clear Logic：生产与一些著名PLD/FPGA大 公司兼容的芯片，这种芯片可将用户的设计一次 性固化，不可编程，批量生产时的成本较低。WSI：生产PSD （单片机可编程外围芯片）产品。这是一种特殊的PLD,如最新的PSD8xx、PSD9xx 集成了 PLD、EPROM、Flash,并支持ISP (在线编程)，集成度高，主要用于配合单片 机工作。Altium：提供 Actel、Altera、Lattice 和 Xilinx四家PLD/FPGA器件的通用跨厂

27、商开发平台,最新推出了 Altium Designer 10软件中集成了 Aldec HDL仿真功能。顺便提一下：PLD (可编程逻辑器件)是一种可 以完全替代74系列及GAL、PLA的新型电路， 只要有数字电路基础，会使用计算机，就可以进 行PLD的开发。PLD的在线编程能力和强大的 开发软件，使工程师可以几天，甚至几分钟内就 可完成以往几周才能完成的工作，并可将数百万 门的复杂设计集成在一颗芯片内。PLD技术在 发达国家已成为电子工程师必备的技术。3.5其它EDA软件VHDL语言：超高速集成电路硬件描述语言(VHSIC Hardware Description Language，简 称VHDL)，是IEEE的一项标准设计语言。它 源于美国国防部提出的超高速集成电路(VeryHigh Speed Integrated Circuit，简称 VHSIC)计划，是ASIC设计和PLD设计的一种主要输 入工具。Verilog HDL：是Verilog公司推出的硬件描述 语言，在ASIC设计方面与VHDL语言平分秋 色。其它EDA软件如专门用于