電路仿真技術(shù)概述

仿真———Simulation，就是以與真實(shí)對象相似的模型代替實(shí)物來(lái)進(jìn)行實(shí)驗研究的方法。人類(lèi)在古代就已經(jīng)學(xué)會(huì )使用“系統比例模型”來(lái)建造船只和建筑，這是早的仿真技術(shù)。上個(gè)世紀四十年代，隨著(zhù)計算機技術(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)域得到了廣泛應用，現已發(fā)展成獨立的學(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設計開(kāi)發(fā)中，在制作真實(shí)系統之前，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(guān)地展示出模擬電路的時(shí)域、頻域和交直流特性以及數字電路的邏輯關(guān)系，從而地幫助工程師縮短開(kāi)發(fā)設計周期。在仿真軟件中，能夠實(shí)現電路仿真的核心是具備大型元器件模型庫，采用激勵信號和輸出數據模擬真實(shí)電路的信號源與示波器。在電力電子應用系統開(kāi)發(fā)過(guò)程中，設計方案的功能正確與否主要通過(guò)電路仿真的方法進(jìn)行驗證。工程實(shí)踐驗證，采用電路仿真技術(shù)對電路進(jìn)行性能分析更加便捷、。應用電路仿真技術(shù)，不僅能夠幫助驗證電路功能，優(yōu)化電路設計方案，進(jìn)行電路特性的虛擬測試，更有助于不斷調整開(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縮短電路系統開(kāi)發(fā)設計周期。通過(guò)電路仿真技術(shù)，在軟件環(huán)境下，開(kāi)發(fā)設計人員可以對設計方案不斷進(jìn)行分析、優(yōu)化、驗證，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據處理能力，既無(wú)需搭建真實(shí)電路，又節省了人工數據處理，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。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)驗是該學(xué)科教學(xué)培訓的一項重要任務(wù)。通過(guò)仿真軟件，可以更加直觀(guān)的演示電路的元器件組成、功能原理和實(shí)際效果，并存儲數據和結果，加深對電路功能的理解和掌握，提高教學(xué)培訓效率。
根據仿真對象，電路仿真分為數字電路仿真和模擬電路仿真。

圖1 典型電路仿真
近年來(lái)，隨著(zhù)計算機技術(shù)發(fā)生了翻天覆地的變化，集成電路得到了高速發(fā)展，數字電路從初的分立電路，歷經(jīng)小規模集成電路，逐步發(fā)展成為超大規模集成電路。數字電路仿真是主要是使用硬件描述語(yǔ)言（Hardware Description Language—HDL）， 在計算機的EDA（Electronics Design Automation）環(huán)境下，編寫(xiě)并運行能夠描述電子元器件及其連接關(guān)系的程序。在能夠實(shí)現數字電路仿真的軟件平臺系統中，以程序編寫(xiě)的軟元件或IP 芯核對元器件實(shí)現建模，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、通用的元器件相對應的軟元件庫，方便購買(mǎi)者使用，EDA 廠(chǎng)家或者元件生產(chǎn)廠(chǎng)家可以買(mǎi)到特殊元件。近年來(lái)，得益于數字系統更易程序化的邏輯關(guān)系，所以相應的仿真技術(shù)水平越來(lái)越高。
不同于數字電路仿真，模擬電路仿真過(guò)程中，因為電路結構樣式多，性能較為復雜，對仿真軟件中的精度、仿真結果的確信度以及仿真過(guò)程的速度等等要求相當高。當前，在范圍內，SPICE 程序被*為的模擬電路通用仿真工具，它的是是美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分?！，F在應用范圍較廣的EDA 公司都是在SPICE 程序的基礎上設計開(kāi)發(fā)模擬電路仿真工具的，之后再以不同的運行環(huán)境（如DOS、Windows、Unix、Linux 等）需要為依據，對仿真工具進(jìn)行改進(jìn)，以確保各類(lèi)平臺都可以使用。
目前，如何對數?；旌想娐穼?shí)現的設計和仿真成為EDA 的重難點(diǎn)。數?；旌想娐贩抡?，也就是在同一仿真軟件平臺下，既能完成對數字電路的仿真，也能完成對模擬電路的仿真，還允許對數字和模擬混合電路進(jìn)行設計和仿真，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

圖2 Altium Designer 軟件平臺
軟件開(kāi)發(fā)商Altium 公司在Pro 的基礎上推出的Altium Designer（以下簡(jiǎn)稱(chēng)AD），是集電路原理圖設計、仿真、電路板繪制、自動(dòng)布線(xiàn)、電路分析和數據輸出等技術(shù)于一體的電子電路產(chǎn)品設計開(kāi)發(fā)軟件平臺，運行于Windows系統。AD 在綜合了Pro 系列的各個(gè)功能和優(yōu)點(diǎn)外，對其進(jìn)行了升級和改進(jìn)，如增加了FPGA 設計和SOPC 等功能，使開(kāi)發(fā)人員在進(jìn)行板級設計的同時(shí)，還能同時(shí)進(jìn)行產(chǎn)品中的FPGA 設計與嵌入式設計，界面更加友好。多功能一體化，使AD 能夠幫助開(kāi)發(fā)設計人員找到的產(chǎn)品設計方案，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版。
AD 平臺的仿真器采用的是事件驅動(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)的增強版，能夠兼容SPICE3f5，使得它不僅支持XSPICE 標準的模型和電路仿真，還支持Pspice 標準。
因此AD 能夠實(shí)現數?；旌想娐贩抡?，電路圖設計階段就支持開(kāi)發(fā)設計數?；旌闲盘栯娐?，實(shí)現數?；旌戏抡?。平臺具備完善便捷的參數配置功能，對仿真結果能夠完成信噪比、離散性等多種數據的處理分析，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 軟件平臺集成了電路原理圖符號庫與仿真器件庫，也就是說(shuō)電路原理圖中的符號能直接找到并連接與之對應的仿真模型，因此在A(yíng)D 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。Pro 系列則不能做到這一點(diǎn)。
②可以載入外部標準仿真模型。雖然AD 軟件中集成了足夠的電子器件仿真模型，但并不是當前世界所有的、全部的。因此，工程師在進(jìn)行電子電路設計開(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)設計的器件，這個(gè)時(shí)候工程師既可以在A(yíng)D 中自己建模來(lái)實(shí)現仿真，還可以將其他軟件中已經(jīng)建好的符合標準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(mǎn)足了工程師
的開(kāi)發(fā)設計需求，又可以不斷擴充集成庫。
③強大的仿真功能和簡(jiǎn)單的參數設置。AD 軟件采用的仿真器具備強大的信號分析功能，支持包括傳遞函數分析、瞬態(tài)特性分析與傅立葉分析、參數掃描分析、噪聲分析、交流小信號分析和蒙特卡羅分析等在內的十種仿真分析方式，并且給每種類(lèi)型的信號分析都給出了單獨的設置頁(yè)面。
當然，AD 軟件也存在相應的缺點(diǎn)，突出的就是，因為軟件集成了較多功能和數據庫，所以相較于其他EDA軟件來(lái)說(shuō)，對搭載該軟件的PC 機性能要求較高，而且AD不能進(jìn)行復雜集成電路板的設計。

圖3 Simulink 仿真
2.2 Simulink 仿真工具包
Simulink 仿真工具包是Matlab 軟件所屬公司MathWorks 為其針對新型控制系統模型圖輸入與仿真功能設計開(kāi)發(fā)的擴展工具，主要功能就是Simu（仿真）和Link（連接）。雖然初只是作為一個(gè)補充工具被推出，但伴隨著(zhù)近幾年Simulink 功能模塊的逐步完善和發(fā)展，以動(dòng)態(tài)系統建模功能、仿真分析功能、物理系統和數字系統的仿真功能為典型，其所涉及的范圍和領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。Simulink 的出現*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)設計人員可以直接建立所開(kāi)發(fā)設計的控制器的簡(jiǎn)化模型，并連接起來(lái)形成系統，進(jìn)行仿真。而且Simulink 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 的強大數學(xué)運算功能，PowerSystem 在控制方面功能，結合其他工具包，Simulink 在電路仿真中能夠輕松實(shí)現對電路的細微控制，并精細迅速的完成數據處理和仿真分析，因此常常被用于控制器的設計開(kāi)發(fā)；支持兼容多種數據格式，方便工程師進(jìn)行后處理和分析；能夠很好地執行Matlab 的指令語(yǔ)言，故可以批處理仿真結果。
Simulink 的缺點(diǎn)是，因為Matlab 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，且當前的PowerSystem 只能對一般的、常見(jiàn)的元器件進(jìn)行理想建模，數學(xué)模塊較為簡(jiǎn)單理想，與真實(shí)器件和模型參數具有一定差別，因此仿真結果與實(shí)際電路差距較大，可信性較低，不能真實(shí)地反應實(shí)際電路特性。
2.3 Multisim

圖4 Multisim 仿真
Multisim 虛擬電子工作臺軟件是美國國家儀器（NI）有限公司推出的，主要功能就是實(shí)現電子電路仿真，界面如圖4。Multisim 是一個(gè)多功能仿真軟件，不僅能夠進(jìn)行原理電路設計，還能對電路功能進(jìn)行測試，電子電路工程師可以輕松實(shí)現對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，功能強大的建模仿真模塊，水平的計算機分析技術(shù)，使之可以進(jìn)行數?；旌戏抡?。其工作界面直觀(guān)、操作方便、易學(xué)易用，仿真速度快、精度高、準確及形象，工程師可以迅速建立電路實(shí)驗所需要的標準數據，在電子電路設計開(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)，大多數電路仿真軟件的工作界面更傾向于模擬電子實(shí)驗平臺，而NI Multisim12 則采用直觀(guān)明了的圖形界面，延續了原EWB 的一貫特點(diǎn)，元件和各種測試儀表均可直接選取到仿真界面，可通過(guò)導線(xiàn)將元件的邏輯關(guān)系一一對應起來(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)。因此工程師在對電路進(jìn)行設計開(kāi)發(fā)時(shí)，能夠“實(shí)時(shí)”地修改自己的電路，觀(guān)察監視仿真結果的變化情況，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，并包含大量虛擬儀器，像常見(jiàn)的信號發(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(guān)，更加形象。當前自帶元件庫中元件的數量已近20000 余個(gè)，主要包括交互式元件、動(dòng)態(tài)組件、虛擬組件、分級組件、3D 組件，能夠滿(mǎn)足各種電路的仿真需求。工程師還可以根據設計需求，編輯這些元件參數，定義元件屬性，通過(guò)模型生成器，完成對自己設計的元器件的建模。因為軍用產(chǎn)品中常常包含自己*的元器件，因此Multisim 這一功能對實(shí)現軍用產(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的內核為基礎的，能夠實(shí)現對SPICE、RF、MCU 和VHDL等多種類(lèi)型的仿真，并且具備強大的仿真結果分析功能，分析方式多達24 種。工程師可以通過(guò)NI Multisim12 自帶的增強設計功能優(yōu)化數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)和測試設計。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8051、PIC 單片機及其外部設備（如RAM、ROM、鍵盤(pán)和LCD 等）進(jìn)行仿真，對使用C 語(yǔ)言或者匯編語(yǔ)言生成的代碼都能支持，而且對通過(guò)第三方工具編寫(xiě)的源代碼也能兼容；具備多種調試功能，諸如電路中設置斷點(diǎn)、以單步模式運行電路、查看和編輯電路內部RAM，特殊功能寄存器等。
⑤電路限制及隱藏錯誤。
NI multisim12 的電路限制為教學(xué)者提供了創(chuàng )建隱藏錯誤的功能，并且具備了錯誤標記以及縮放至錯誤的功能，可以幫助使用者快速查找自己的接線(xiàn)錯誤。另外，可以在電路的任意位置放置測量探針通過(guò)動(dòng)態(tài)電壓以及電流來(lái)對電路做出注解。
目前，許多高校在電力電子實(shí)驗教學(xué)中多使用Multisim 軟件，通過(guò)仿真對電子線(xiàn)路進(jìn)行模擬操作，電路運行狀態(tài)實(shí)時(shí)可觀(guān)。由于是仿真的環(huán)境，有效的避免了因為實(shí)驗操作者的失誤給電路和設備帶來(lái)的損壞，教學(xué)更直觀(guān)形象，降低了電子產(chǎn)品和設備的損壞。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 Pluginfor 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)是對復雜數?；旌想娐贩抡娴闹С侄炔粔?，且PCB 板繪制等附加功能比不上其他的專(zhuān)門(mén)軟件。
3 總結
本文主要針對電路仿真技術(shù)理論進(jìn)行了研究。首先詳細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)的主要應用領(lǐng)域，后現在常用電路仿真軟件做了介紹和比對，對各軟件的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。當前仿真軟件是開(kāi)發(fā)設計人員進(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)培訓的重要平臺，根據使用目的選取能夠滿(mǎn)足要求的仿真軟件利，是完成設計任務(wù)和取得教學(xué)成果的關(guān)鍵。