电路分析和仿真常用软件的比较

电路分析和仿真常用软件的比较

随着计算机技术的快速发展和普及，各种计算机模拟软件和设计软件都在涌现出来，在科学研究和技术领域的应用越来越广泛。这一方面给科技工作者的研究带来了极大帮助,另一方面也为院校教师的教学提供了新的手段和方法。就拿电类课程教学来说,在多媒体技术日益成熟的今天,为提高教学效率,增强教学效果,教师可以在多媒体教学课件的制作过程中,利用电路仿真和设计软件制作电路原理图,对电路进行分析和计算,并插入一些计算结果图形等。还可以在课堂教学过程中切换到相应的电路仿真和设计软件界面上,直观、形象和动态地演示电路分析和计算过程,通过数据或图形给出结果,并对电路进行分析。也可以借助电路仿真和设计软件开展网络教学,指导学生自主学习。甚至可以使用电路仿真和设计软件让学生进行实验。可见,在电路教学过程中电路仿真和设计软件用途很多,利用它们辅助教学能够极大地提高教学质量。那么,目前电路教学过程中能进行电路分析和仿真的软件都有哪些,它们的组成情况,各自有什么特点和用途呢?实际上,可进行电路分析和仿真的软件很多,总体看大致分为两大类。第一类是专用类软件,它们专门用于电路仿真和设计,比如PSPICE、EWB、Multisim、PROTEL、OrCAD和Saber等。第二类是通用类软件,它们的用途更广,可以用于其他更多的专业或领域,进行系统设计、计算和仿真软件,比如SystemView、LabVIEW、MATLAB和Mathematic等。由于篇幅所限,本文只就其中的主要软件进行介绍。一、专用软件1.字电路混合仿真eda软件在我国的使用情况PSPICE为SPICE的单机版,即PersonalPSPICE。它是美国Microsim公司1984年推出的电路分析和仿真软件,基于SPICE2G上开发完成。在模拟和数字电路混合仿真方面,它在同类产品中功能最为强大,被视为电路仿真标准工具,为国内外普遍使用,后来的很多电路仿真和设计软件都借助了它的设计理念或者直接利用了其部分功能。版本5.1以上工作于WINDOWS环境,采用图形输入方式,因此操作界面更加直观,使用更加方便,功能更加强大,元器件库和宏模型库更加丰富。使用方便和影响较大的是PSPICE6.2,占用硬盘空间仅为20MB左右,对计算机配置要求较低,但是不愧为功能强大的模拟和数字电路混合仿真EDA软件,一度在国内外得到普遍应用。现在使用较多的是PSPICE8.0,占用硬盘空间60MB左右,整个软件由原理图编辑、电路仿真、激励编辑、元器件库编辑、波形图等几个部分组成,使用时作为一个整体,但各个部分都各有各的窗口。以比较新的PSPICE9.1为例,其主要构成部分及其功能如下:(1)Schematics:电路模拟器。直接绘制和编辑电路原理图,自动生成电路描述文件,并对电路进行直流、交流、瞬态、傅立叶、环境温度、蒙特卡罗、最差情况和灵敏度等多种分析,随时显示、观察和分析电压电流波形,而且能对各种不同要求的元件进行编辑和修改。(2)Pspice:数据处理器。可对电路进行模拟分析,运算出结果并自动生成输出文件和数据文件,完成对电路的仿真分析,以文本方式或扫描波形方式输出结果。它在Schematics和Probe之间起着桥梁作用。(3)Probe:后处理器,相当于一个示波器。将Pspice运算结果用图形显示出来,进行波形处理和打印。模拟结果还可接受由基本参量组成的任意表达式。(4)Stmed:产生信号源的工具。在设定各种激励信号时非常方便直观,而且容易查对。(5)Parts:器件建模工具。可半自动地将来自厂家的器件数据信息或用户自定义的器件数据转换为PSPICE中所用的器件模型参数和模拟数据,并提供它们之间的关系曲线及相互作用,确定元件的精确度。(6)Optimizer:电路优化设计工具。可在电路已基本满足设计要求和性能指标的基础上,根据设计规定的约束(Constraints),经反复仿真,来调整电路中的元件参数,使电路满足目标参数(PG)。(7)PCBoards:PCB版图编辑工具。是一个基于layout的PCB设计工具。内部有基础栅格自动布线器,能实现关键的布局和布线功能、复查其他人员的设计。以上7个部分构成集成化的使用工作环境,成为一个有机的整体,但各部分各有其窗口,可通过DesignManager实施有效管理。使用时输入和编辑电路图,设置仿真参数,运行仿真过程后就能动态、直观、快速和准确地计算和仿真,并以数据或波形的方式显示出结果。2.软件版本EWB为ElectronicsWorkbench的缩写,中文名叫虚拟电子实验室或电子设计平台/集成环境。它是由加拿大InteractiveImageTechnologiesLtd公司于1988年开发的一种电路模拟测试仿真软件。使用它,可在计算机上模拟出电路或电子实验室的环境、仪器和仪表设备以及元器件,而不受实验室元器件品种、规格和数量上的限制。目前EWB有很多版本,EWB6.0以上版本称为Multisim。比较新的版本为Multisim2001(EWB7.0)。EWB5.X容量小(17MB左右硬盘空间),直接拷贝到硬盘上即可使用,且工作界面非常直观,原理图绘制和各种工具都在同一个窗口内,因此最容易上手,易学易用,操作简单,从而使其成为了国内高校使用最多和最受欢迎的软件之一。EWB的主窗口由标题栏、菜单栏、工具栏、元器件库区、电路设计区、电路描述窗口、状态栏、启动/停止开关和暂停开关等部分组成,它们形成一个全面集成化和一体化的设计环境,包括电路原理图输入、模拟和数字电路混合仿真以及波形图显示、完整和精确的元件模型(12个主要元器件库包含有源/无源、模拟/数字、分立/集成等器件模型)等功能。由此看出,EWB可作为一个虚拟电子实验平台———具有专业的电路图输入工具,它能轻松地完成电路原理图输入和编辑;具有真实的仿真平台,包括齐全的虚拟电子仪器和设备以及强大的分析工具,对许多电路无须动用烙铁就可得知它的结果和工作状态,而且若想更换元器件或改变元器件参数,只须点点鼠标即可;具有较为详尽的元器件库,其中包含了许多大公司的晶体管元器件、集成电路和数字门电路芯片;对器件库中没有的元器件,还可以由外部模块导入。所以,在EWB的元器件库选中所需器件和仪器仪表,拖至电路设计区中,连接绘制出电路图,接入相应仪器仪表后,单击仿真开关,就能方便地对电路分析和仿真,并显示出仿真结果。3.altity软件版本PEOTEL是由ProtelTechnology公司(现为Altium公司)于20世纪80年代末期开发的一种通用电路集成设计软件。最早工作在DOS系统,被作为TANGO的升级版。后来又推出DOS平台的终极版Schematic3.31和Autotrax1.61。1991年推出的Protel1.0是世界上第一套基于Windows环境下的EDA开发工具,成为当时国外PCB设计者的首选软件之一。它占用硬盘空间仅为20M左右,对计算机配置要求也较低。目前国内应用较多的版本是Protel99SE,比较新的版本为Protel2004。2006年推出的版本是AltiumDesigner6.0。Protel在国内使用最早,普及率最高。一些高校专门开设有相关课程,很多电子或电路产品公司都使用它。其主要用途为:各种各样的电路原理图绘制和编辑;模拟电路与数字电路混合信号仿真;多层PCB设计(包含印刷电路板手工/自动布局/布线),可实现高密度PCB的100%布通率;可编程逻辑器件设计、图表生成、电路表格生成、支持宏操作;Client/Server(客户/服务器)体系结构;还兼容一些其他设计软件的文件格式,如OrCAD、PSPICE、EXCEL等。这些用途中最具代表性的是其电路设计和PCB设计,它功能强大、界面友好、使用方便。以Protel99SE为例,其主要构成部分及其功能如下:(1)原理图设计(AdvancedSchematic99):设计原理图的原理编辑器,修改和生成元器件的元器件库编辑器以及各种报表的生成器。(2)PCB设计(AdvancedPCB99):电路板设计的电路板编辑器,修改和生成元器件封装的元器件封装编辑器以及电路板组件管理器。(3)PCB自动布线(AdvancedRoute99)。(4)电路仿真(AdvancedSIM99):功能强大的数/模混合信号电路仿真器、提供连续模拟信号的离散的数字信号仿真。(5)高级信号完整分析(AdvancedIntegrity99):由高级信号完整性仿真器来分析PCB设计和检查设计参数,并测试过冲、下冲、阻抗和信号斜率等。(6)PLD设计(AdvancedPLD99):具有语法意识的文本编辑器,用于编译和仿真设计结果的PLD和观察仿真波形的Wave。其中,前三个部分主要用来进行电路设计,后三个部分主要用来进行电路仿真和PLD设计。4.电子器件系统OrCAD是由OrCAD公司上世纪80年代末期推出的电路分析仿真软件。早期的版本工作于DOS环境,如OrCAD4.0。当时就集成了电原理图绘制、PCB设计、数字电路仿真和PLD设计等功能。1999年7月OrCAD公司和CADENCE公司已合并,成为世界上最强大的EDA软件开发公司。目前应用比较多的是其世纪集成版OrCAD9.2,比较新的版本为OrCAD10.5。OrCAD功能强大,介面友好且直观,元器件库是目前所有EDA软件中最丰富的(OrCAD9.2具有内部模型和1.6万个模拟、混合信号的器件模型库,电路仿真的元器件库更达到了8500个,收入了几乎所有的通用型电子元器件模块),所以,它在世界上一直是EDA软件中的首选,功能最强大,使用最广泛。其主要用途包括:各种各样的电路原理图绘制和编辑;模拟电路与数字电路混合信号仿真;多层印刷或大型电路板设计(能进行多达30层的PCB电路设计和最大尺寸为68in×68in的大型电路板设计),包含手工布局/布线、自动布局/布线、智能化布局/布线;与多种EDA和CAD应用软件交换数据;导入其他系统生成的原理图和PCB电路,如Protel和PSPICE软件,也可导出成其他软件的格式。由于其加密措施很到位,OrCAD前几年一直难以在国内普及,所以在国内的知名度比不上PROTEL。以世纪集成版OrCAD9.2为例,其主要构成部分及其功能如下:(1)CaptureCIS(工业标准的原理图设计软件):绘制和编辑各类模拟电路、数字电路和数/模混合电路原理图,配备元器件信息系统(ComponentInformationSystem,CIS)对元器件的采用实施高效管理,具有Internet网络元器件辅助(InternetComponentAssistant,ICA)———便于在设计电路图时能从网上器件信息库查阅和调用上百万种元器件。(2)PspiceA/D(数模混合信号仿真):通用电路模拟软件,对模拟电路、数字电路和数模混合电路进行模拟或仿真。(3)Optimizer(仿真优化):可在电路已基本满足设计要求和性能指标的基础上,根据设计规定的约束,对电路进行优化设计。(4)LayoutPlus(PCB设计):直接将生成的电路图通过手工或自动布线方式进行复杂、混合间距和多层PCB设计等。整个过程能创建共享的电子PCB数据,从CaptureCIS开始自动获取完整的元器件信息,增加设计约束和其他属性。还可交换平面布置信息,包括电路板轮廓、安装孔、高度设定和布线区域设定等。放置器件后,还可将设计转入到三维建模和热建模系统,确定设计是否合适和符合要求。二、一般软件1.系统平台设计SystemView是由美国Elanix公司1997年研制推出的一种动态系统设计、仿真和分析的可视化设计软件。最早的版本为SystemView1.87,后不断升级。版本SystemView4.0比较受欢迎,它在以前版本的基础上又丰富了内建库,特别是通信库和DSP库,并增加了对MATLAB库和系统的支持,在设计和分析功能上有很大加强。作为一种比较优秀的电子系统设计和仿真软件。SystemView功能强大,形象直观,使用方便,操作容易,支持多速率系统和并行系统,无限制分层结构使其容易建立大而复杂的系统,丰富的功能模块十分有利于系统分析和仿真,可扩展性使用户能编写自己的库并自动集成到软件中。SystemView提供了开发各种系统的模拟和数字工具,这使它能用于信号处理、通信和控制系统(模拟、数字、混合模式系统)设计和仿真,模拟和数字滤波器设计和仿真,DSP系统设计和分析,线性和非线性系统设计和分析,以及连续系统的Laplace分析和离散系统的Z域分析等方面。由于它能快速和方便地设计、开发和测试相应电子系统,因此在工程技术、科研和产品开发等方面应用越来越广泛。SystemView的主窗口包括标题栏、菜单栏、工具区、图符库(共有8个基本图符库和5个特殊图符库)、设计区和信息提示区等几部分,它们形成一个全面集成化和一体化的分析仿真平台。在这个平台上,只要根据需要从图符库区将完成特定任务的相关操作图符和电路功能模块/图符拖入设计区,对这些图符设置好参数,然后利用工具区的连接图符进行连接和适当操作,就能构建出系统的仿真和分析模型,进行系统仿真和分析。2.基于平台的软件设计LabVIEW是LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench的缩写,全称为实验室虚拟仪器工程平台。它是伴随着虚拟仪器概念由美国国家仪器公司NationalInstruments于1986年推出的一种图形化编程语言(GraphicsLanguage,G语言)/软件。其版本从LabVIEW4.0开始,不断升级,功能越来越强大,使用越来越方便,编程效率越来越高,目前比较新的版本为LabVIEW9.0,而应用比较多的是LabVIEW7.1。作为一种基于图形方式的集成化程序开发环境,LabVIEW采用流程图式的编程方式,无需预先编译就存在语法检测和调试过程使用的数据探针,拥有丰富的函数、数值分析、信号处理和显示以及设备驱动等功能。其内置信号采集、测量分析与数据显示功能,摒弃了传统开发工具的复杂性,提供强大功能的同时还保证了系统灵活性。LABVIEW将广泛的数据采集、分析与显示功能集中在同一个环境中,可以在自己建立的平台上无缝地集成一套完整的应用方案(电路)。正因为如此,LABVIEW具有图形化编程方式和强大的信号处理功能,利用其所提供的仿真信号发生器、丰富的信号分析和处理函数、数值分析、信号处理和虚拟仪器(VirtualInstrument,VI),不但能够方便地构建电路和电子系统模型,进行信号/数据采集、分析、存储和再现,而且能进行系统的动态仿真研究,测试和分析系统的性能,并能对系统加以实现。3.mat-lac软件简介MATLAB是MathWorks公司于1984年开发出的集数值计算、符号运算及图形处理和虚拟实现等强大功能于一体的科学与工程计算、数据分析和仿真软件/语言/集成技术环境。它广泛用于众多领域,其相关工具箱和附加组件Simulink可实现电路的计算和仿真。MATLAB早期的版本工作于DOS环境,但从MATLAB4.0开始变为WIN-DOWS版本。目前应用比较多的是MATLAB6.X。作为通用的工程设计和数学计算软件,MAT-LAB与专用类的电路仿真和设计软件不一样。一方面,作为一种综合型的科学和工程计算平台,当今它是国际科学界和教育界最具影响力、最有活力和应用最广的软件,几乎能满足所有的计算需求;诸如信号与系统、自动控制、信号处理等课程都要学习和用到它,它差不多已经成为国内外很多高校的公共性课程或学生必须掌握的软件。另一方面,利用其强大的数值计算和图形可视化功能、友好的交互式集成环境以及简便易学的便签式编程方式,即能通过计算机编程方法对人工建立的电路方程分析求解,也能用来直接建立电路方程并同时进行分析计算,特别是利用其提供的Simulink组件,不必通过编程就能直观地对电路建模、分析和计算。实际上,Simulink可视化建模的分析方法用来进行电路原理的分析时既简单又快捷和方便,且形象和直观,是对MATLAB编程方法分析和求解电路的很好扩充。利用MATLAB和其Simulink各自的优势和所长相互补充,能充分满足电路的教学需要。三、测试电路过程仿真从主要用途和特点来看,本文介绍的专用类软件功能强大,元器件库门类齐全、精细和考虑全面,其方便的集成环境能逼真地再现电路情况,模拟真实的电路环境,可使电路图输入和编辑以及电路设计、调试、性能分析与印制电路板设计于一体。在电路教学过程中,利用这些专用类软件,都能绘制和编辑电路原理图,动态、直观、快速和准确地计算和仿真电路,计算出任一支路电流或任意两点之间电压,直接在电路图上就能显示出仿真结果,还能显示出波形图,给出数据文件等,比较全面地分析电路特性,验证电路定理/定律。像EWB这样的软件,还能在计算机上模拟出实验室环境和仪器仪表及元器件等