各種電路仿真軟件的分析與比較

1、當(dāng)今流行的電路仿真軟件及其特性電路仿真屬于電子設(shè)計自動化（EDA的組成部分。一般把電路仿真分為三 個層次：物理級、電路級和系統(tǒng)級。教學(xué)中重點(diǎn)運(yùn)用的為電路級仿真。電路級仿真分析由元器件構(gòu)成的電路性能， 包括數(shù)字電路的邏輯仿真和模擬 電路的交直流分析、 瞬態(tài)分析等。 電路級仿真必須有元器件模型庫的支持， 仿真 信號和波形輸出代替了實(shí)際電路調(diào)試中的信號源和示波器。 電路仿真主要是檢驗(yàn) 設(shè)計方案在功能方面的正確性。 電路仿真技術(shù)使設(shè)計人員在實(shí)際電子系統(tǒng)產(chǎn)生之 前，就有可能全面地了解電路的各種特性。 目前比較流行的電路仿真軟件大體上 說有： ORCA、D Protel 、Multisim 、 TINA、

2、 ICAP/4、Circuitmaker 、Micro-CAP 和 Edison 等一系列仿真軟件。電路仿真軟件的基本特點(diǎn)：仿真項(xiàng)目的數(shù)量和性能：仿真項(xiàng)目的多少是電路仿真軟件的主要指標(biāo)。 各種電路仿真軟件都有的基本 功能是：靜態(tài)工作點(diǎn)分析、 瞬態(tài)分析、直流掃描和交流小信號分析等 4 項(xiàng)；可能 有的分析是：傅里葉分析、參數(shù)分析、溫度分析、蒙特卡羅分析、噪聲分析、傳 輸函數(shù)、直流和交流靈敏度分析、 失真度分析、 極點(diǎn)和零點(diǎn)分析等。 仿真軟件如 SIMextrix 只有 6 項(xiàng)仿真功能，而 Tina6.0 有 20 項(xiàng)，Protel、ORCADP-CAD等 軟件的仿真功能在 10項(xiàng)左右。專業(yè)化的電路

3、仿真軟件有更多的仿真功能。對電 子設(shè)計和教學(xué)的各種需求考慮的比較周到。例如TINA的符號分析、Pspice和ICAP/4 的元件參數(shù)變量和最優(yōu)化分析、 Multisim 的網(wǎng)絡(luò)分析、 CircuitMaker 的 錯誤設(shè)置等都是比較有特色的功能。Pspice 語言擅長于分析模擬電路，對數(shù)字電路的處理不是很有效。對于純 數(shù)字電路的分析和仿真，最好采用基于VHDL等硬件描述語言的仿真軟件，例如， Altera 公司的可編程邏輯器件開發(fā)軟件 MAX+plusII 等。仿真元器件的數(shù)量和精度：元件庫中仿真元件的數(shù)量和精度決定了仿真的適用性和精確度。 電路 仿真軟件的元件庫有數(shù)千個到 1-2 萬個不等的

4、仿真元件，但軟件內(nèi)含的元件模 型總是落后于實(shí)際元器件的生產(chǎn)與應(yīng)用。 因此，除了軟件本身的器件庫之外， 器 件制造商的網(wǎng)站是元器件模型的重要來源。 大量的網(wǎng)絡(luò)信息也能提供有用的仿真 模型。設(shè)計者如果對仿真元件模型有比較深入的研究， 可根據(jù)最新器件的外部特 性參數(shù)自定義元件模型， 構(gòu)建自己的元件庫。 對于教學(xué)工作者來說， 軟件內(nèi)的元 件模型庫， 基本上可以滿足常規(guī)教學(xué)需要， 主要問題在于國產(chǎn)元器件與國外元器 件的替代，并建立教學(xué)中常用的國產(chǎn)元器件庫。電路仿真軟件的元件分類方式有兩種： 按元器件類型如電源、 二極管、74 系列等分成若干個大類；或按元器件制造商分類，大多數(shù)仿真軟件有電路圖 形符號的預(yù)

5、覽，便于選取使用。各電路仿真軟件對元件的PSPICE莫型都作了簡化。如PSPICE的電阻 模型有一階、二階和指數(shù)等 3 個溫度系數(shù)。多數(shù)軟件只定義了前兩個溫度系數(shù)， 只有TINA定義了電阻的3個溫度系數(shù)，而Protel的電阻沒有定義溫度系數(shù)；又 比如雙極型晶體管有40個PSPICE模型參數(shù)，Multisim 規(guī)定了全部的參數(shù)、TINA 也有 32 個， Protel 只有 22個。對仿真精度要求比較高的設(shè)計要采用高精度的 元件莫型，或根據(jù)實(shí)際元件修正參數(shù)莫型。數(shù)據(jù)顯示和處理能力：運(yùn)行仿真后會得到大量的數(shù)據(jù)。 仿真數(shù)據(jù)的顯示方式有列表和圖線兩 種。如計算靜態(tài)工作點(diǎn)后， Protel 將節(jié)點(diǎn)電壓、

6、支路電流、元件消耗能量和電 源端等效電阻等數(shù)據(jù)以列表顯示； Pspice 和 Micro-CAP 可將電壓、電流和功率 標(biāo)識在電路圖中。瞬態(tài)分析、直流掃描、交流小信號分析一般以圖示顯示結(jié)果。 圖線可以被打印或保存為特定格式的文件； 部分軟件可將波形保存為通用的 PEL （以時間 -電學(xué)量數(shù)對組表示的）格式文件，或?qū)С龅?Excel 中。也可以復(fù)制圖 線，把它粘貼到Windows的“畫圖”中，處理后保存為圖片文件；或直接把圖線 粘貼到 Word、 PowerPoint 、 Autherware 等軟件的文檔中。各電路仿真軟件對波形圖線的處理能力不同。 但一般都有如下數(shù)據(jù)處理功能：波形測量：顯示為

7、不同類型的坐標(biāo)刻度（線性、對數(shù)、幅度、分貝等） 測出圖線的有效值、方均根值、峰峰值、平均值、最大值、最小值、周期等。圖線計算：對圖線進(jìn)行加、減、乘、除、微分、積分等運(yùn)算，或?qū)D線變 量作為數(shù)學(xué)函數(shù)的自變量，得到新的數(shù)學(xué)變量。修飾圖線：使圖線更美觀、更容易被理解。可更改圖線的粗細(xì)、顏色、式 樣和標(biāo)記； 添加測量數(shù)據(jù)點(diǎn)標(biāo)志和數(shù)據(jù)標(biāo)簽； 改變圖線的背景色、 坐標(biāo)的式樣和 顏色等。有些軟件允許在圖線畫面中輸入說明性的文字，甚至可以是中文文本。虛擬儀器和教育功能：形象化的虛擬儀器是電路仿真軟件的一個特色。 最典型的例子是 Multisim ， 該軟件的虛擬儀器無論界面的外觀還是內(nèi)在的功能， 都達(dá)到了同類

8、軟件的最高水 平。其它設(shè)置有虛擬儀器的軟件還有 TINA、 Edison 等。虛擬儀器可以幫助學(xué)習(xí)者了解電子儀器的作用， 深入理解電子測量的方法和 技術(shù)要領(lǐng)。掌握電子儀器的各種操作方法，特別是各種控制按鈕、旋鈕的功能。 Multisim和TINA虛擬儀器的功能實(shí)際上超過了 PSPICE本身，比較典型的是網(wǎng) 絡(luò)分析儀和邏輯分析儀。網(wǎng)絡(luò)分析儀是分析射頻組件和射頻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的專用儀 器；而 Multisim 的邏輯分析儀具有真正的數(shù)字電路分析功能，符合實(shí)際數(shù)字系 統(tǒng)分析的技術(shù)要求。部分軟件還有虛擬的機(jī)電元件，如燈泡、按鈕、繼電器、接 觸器等電氣元件， 調(diào)用這些元件可構(gòu)建機(jī)電控制電路。 軟件元件庫中的數(shù)

9、學(xué)和莫 擬控制器件可用于自動控制原理分析。為適應(yīng)教育單位對電路原理教學(xué)的需求， 有的軟件設(shè)置了教育功能。 主 要是允許使用者對元器件設(shè)置一些隱蔽的錯誤。 如 Multisim 和 TINA 可對組件設(shè) 置開路、短路和漏電阻三項(xiàng)參數(shù)； 而 Altium 公司的 CircuitMaker 可以對組件和 電路做更多的教學(xué)設(shè)置，并且可以加上密碼，直接作為實(shí)訓(xùn)課的考試工具。主要仿真軟件的比較ELECTRONICS WORKBENCH E以下簡稱 EWB：EW軟件是加拿大交互圖像技術(shù)有限公司（INTERACTIVE IMAGETECHNOLOGIES!）在九十年代初推出的EDA軟件，但在國內(nèi)開始使用卻是近

10、幾 年的事，現(xiàn)在普遍使用的是在 WIN95環(huán)境下工作的EWB5.0（在國內(nèi)曾見過6.0 的演示版，注：EWB5.0也可以在 WINDOWS3環(huán)境下使用，但需安裝 WING32T 具），相對其它EDA軟件而言，它是個較小巧的軟件，只有 16M功能也比較單 一，就是進(jìn)行模擬電路和數(shù)字電路的混合仿真， 但你絕對不可小看它， 它的仿真 功能十分強(qiáng)大，可以幾乎 100的仿真出真實(shí)電路的結(jié)果，而且它在桌面上提供 了萬用表、示波器、信號發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號發(fā)生器、邏輯 轉(zhuǎn)換器等工具， 它的器件庫中則包含了許多大公司的晶體管元器件、 集成電路和 數(shù)字門電路芯片， 器件庫中沒有的元器件， 還可以

11、由外部模塊導(dǎo)入， 在眾多的電 路仿真軟件中，EW克最容易上手的，它的工作界面非常直觀，原理圖和各種工 具都在同一個窗口內(nèi)， 未接觸過它的人稍加學(xué)習(xí)就可以很熟練地使用該軟件， 對 于電子設(shè)計工作者來說，它是個極好的EDAX具，許多電路你無需動用烙鐵就可 得知它的結(jié)果， 而且若想更換元器件或改變元器件參數(shù)， 只需點(diǎn)點(diǎn)鼠標(biāo)即可， 它 也可以作為電學(xué)知識的輔助教學(xué)軟件使用， 利用它可以直接從屏幕上看到各種電 路的輸出波形。EWB勺兼容性也較好，其文件格式可以導(dǎo)出成能被 ORCA或PROTEL 讀取的格式，該軟件只有英文版，在中文版的WINDOWS下它的一些圖標(biāo)會偏移 兩個位置（在WINDOWS下正常）

12、，但不影響它的使用。2.PROTEL：PROTE是澳大利亞的PORTE公司在80年代末推出的EDA軟件，在電子行 業(yè)的CAD軟件中，它當(dāng)之無愧地排在眾多EDA軟件的前面，是電子設(shè)計者的首選 軟件，它較早就在國內(nèi)開始使用， 在國內(nèi)的普及率也最高， 有些學(xué)校的電子專業(yè) 還專門開設(shè)了課程來學(xué)習(xí)它， 幾乎所有的電子公司都要用到它， 許多大公司在招 聘電子設(shè)計人才時在其條件欄上常會寫著要求會使用PROTEJL早期的PROTEI主要作為印制板自動布線工具使用， 運(yùn)行在DOS環(huán)境，對硬件的要求很低，在無硬 盤286機(jī)的1M內(nèi)存下就能運(yùn)行，但它的功能也較少，只有電原理圖繪制與印制 板設(shè)計功能，其印制板自動布線

13、的布通率也低，而現(xiàn)今的PROTEE發(fā)展到PROTEL99SE是個龐大的EDA軟件，完全安裝有 200多兆，它工作在 WINDOWS9X 環(huán)境下， 是個完整的板級全方位電子設(shè)計系統(tǒng)， 它包含了電原理圖繪制、 模擬電 路與數(shù)字電路混合信號仿真、 多層印制電路板設(shè)計 （包含印制電路板自動布線） 、 可編程邏輯器件設(shè)計、圖表生成、電子表格生成、支持宏操作等功能，并具有 Client/Server （客戶/ 服務(wù)器）體系結(jié)構(gòu)，同時還兼容一些其它設(shè)計軟件的文 件格式，如ORCAJDPSPICE EXCEL等，其多層印制線路板的自動布線可實(shí)現(xiàn)高 密度PCB的100%布通率。3.PSPICE:PSPICE是較

14、早出現(xiàn)的EDA軟件之一，1985年就由MICROSIh公司推出，在電 路仿真方面，它的功能可以說是最為強(qiáng)大，在國內(nèi)被普遍使用，現(xiàn)在使用較多的 是PSPICE62工作于 WINDOWS境，占用硬盤空間20多兆，整個軟件由原理 圖編輯、電路仿真、激勵編輯、元器件庫編輯、波形圖等幾個部分組成，使用時 是一個整體，但各個部分各有各的窗口。 PSPICE展至今，已被并入ORCAJD成 為ORCADPSPICE但PSPICE仍然單獨(dú)銷售和使用，新推出的版本為PSPICE9.1, 工作于 WINDOWS9598/NT平臺上，要求是奔騰以上 CPU 32M內(nèi)存、50M以上 剩余硬盤空間、800X600以上顯示

15、分辨率，是功能強(qiáng)大的模擬電路和數(shù)字電路混 合仿真EDA軟件，它可以進(jìn)行各種各樣的電路仿真、激勵建立、溫度與噪聲分析、 模擬控制、波形輸出、數(shù)據(jù)輸出、并在同一個窗口內(nèi)同時顯示模擬與數(shù)字的仿真 結(jié)果，無論對哪種器件哪些電路進(jìn)行仿真，包括IGBT、脈寬調(diào)制電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)/模轉(zhuǎn)換等，都可以得到精確的仿真結(jié)果，對于庫中沒有的元器件模塊， 還可以自已編輯。以下圖表2-1為目前10個具有代表性的電路仿真軟件主參數(shù)的統(tǒng)計。表中 安裝容量是指軟件安裝后在硬盤中所占的空間，Protel的安裝包括了 PCB設(shè)計組件；電源種類的多少和軟件對電源的分類有關(guān)，如有的軟件將同一電源分別放 在多個目錄下，有的軟件將5種

16、瞬態(tài)分析源放在一個圖標(biāo)中；Pspice的正式版 的仿真元件數(shù)為1.6萬。軟件名稱、版本安 裝容量(M電 源種類 數(shù)仿 真元件 數(shù)虛 擬設(shè) 備數(shù)；模擬分 析種 類數(shù) 字仿 直 /、攵混 合仿 直/、畐圖1線處 理能 力樣 例文 件數(shù)B2 SPICEA/D V466671 5萬無有1 有1 良16CircuitMaker12290 6萬2/01 有W優(yōu)ICAP/4V8.7.1023631.4萬無11 有W優(yōu)IVEX Spice1340.3萬無： 8有1 無匕 良1 1MicroCap V711341.5萬無： 8有1 有W優(yōu)0 1Multisim 2001183281.6萬118有1 有W優(yōu)3Protel 99 SE259240.6萬無0巳有W優(yōu) 3PspiceV9.1Stude nt4140280無D 11 有1 良務(wù)1SIMextrix1140.無： 6彳1 有W優(yōu)尤 93廠5萬2Ti na6