各种电路仿真软件的分析与比较

当今流行的电路仿真软件及其特性电路仿真属于电子设计自动化（EDA的组成部分。一般把电路仿真分为三 个层次：物理级、电路级和系统级。教学中重点运用的为电路级仿真。电路级仿真分析由元器件构成的电路性能， 包括数字电路的逻辑仿真和模拟 电路的交直流分析、 瞬态分析等。 电路级仿真必须有元器件模型库的支持， 仿真 信号和波形输出代替了实际电路调试中的信号源和示波器。 电路仿真主要是检验 设计方案在功能方面的正确性。 电路仿真技术使设计人员在实际电子系统产生之 前，就有可能全面地了解电路的各种特性。 目前比较流行的电路仿真软件大体上 说有： ORCA、D Protel 、Multisim 、 TINA、 ICAP/4、Circuitmaker 、Micro-CAP 和 Edison 等一系列仿真软件。电路仿真软件的基本特点：仿真项目的数量和性能：仿真项目的多少是电路仿真软件的主要指标。 各种电路仿真软件都有的基本 功能是：静态工作点分析、 瞬态分析、直流扫描和交流小信号分析等 4 项；可能 有的分析是：傅里叶分析、参数分析、温度分析、蒙特卡罗分析、噪声分析、传 输函数、直流和交流灵敏度分析、 失真度分析、 极点和零点分析等。 仿真软件如 SIMextrix 只有 6 项仿真功能，而 Tina6.0 有 20 项，Protel、ORCADP-CAD等 软件的仿真功能在 10项左右。专业化的电路仿真软件有更多的仿真功能。对电 子设计和教学的各种需求考虑的比较周到。例如TINA的符号分析、Pspice和ICAP/4 的元件参数变量和最优化分析、 Multisim 的网络分析、 CircuitMaker 的 错误设置等都是比较有特色的功能。Pspice 语言擅长于分析模拟电路，对数字电路的处理不是很有效。对于纯 数字电路的分析和仿真，最好采用基于VHDL等硬件描述语言的仿真软件，例如， Altera 公司的可编程逻辑器件开发软件 MAX+plusII 等。仿真元器件的数量和精度：元件库中仿真元件的数量和精度决定了仿真的适用性和精确度。 电路 仿真软件的元件库有数千个到 1-2 万个不等的仿真元件，但软件内含的元件模 型总是落后于实际元器件的生产与应用。 因此，除了软件本身的器件库之外， 器 件制造商的网站是元器件模型的重要来源。 大量的网络信息也能提供有用的仿真 模型。设计者如果对仿真元件模型有比较深入的研究， 可根据最新器件的外部特 性参数自定义元件模型， 构建自己的元件库。 对于教学工作者来说， 软件内的元 件模型库， 基本上可以满足常规教学需要， 主要问题在于国产元器件与国外元器 件的替代，并建立教学中常用的国产元器件库。电路仿真软件的元件分类方式有两种： 按元器件类型如电源、 二极管、74 系列等分成若干个大类；或按元器件制造商分类，大多数仿真软件有电路图 形符号的预览，便于选取使用。各电路仿真软件对元件的PSPICE莫型都作了简化。如PSPICE的电阻 模型有一阶、二阶和指数等 3 个温度系数。多数软件只定义了前两个温度系数， 只有TINA定义了电阻的3个温度系数，而Protel的电阻没有定义温度系数；又 比如双极型晶体管有40个PSPICE模型参数，Multisim 规定了全部的参数、TINA 也有 32 个， Protel 只有 22个。对仿真精度要求比较高的设计要采用高精度的 元件莫型，或根据实际元件修正参数莫型。数据显示和处理能力：运行仿真后会得到大量的数据。 仿真数据的显示方式有列表和图线两 种。如计算静态工作点后， Protel 将节点电压、支路电流、元件消耗能量和电 源端等效电阻等数据以列表显示； Pspice 和 Micro-CAP 可将电压、电流和功率 标识在电路图中。瞬态分析、直流扫描、交流小信号分析一般以图示显示结果。 图线可以被打印或保存为特定格式的文件； 部分软件可将波形保存为通用的 PEL （以时间 -电学量数对组表示的）格式文件，或导出到 Excel 中。也可以复制图 线，把它粘贴到Windows的“画图”中，处理后保存为图片文件；或直接把图线 粘贴到 Word、 PowerPoint 、 Autherware 等软件的文档中。各电路仿真软件对波形图线的处理能力不同。 但一般都有如下数据处理功能：1. 波形测量：显示为不同类型的坐标刻度（线性、对数、幅度、分贝等） 测出图线的有效值、方均根值、峰峰值、平均值、最大值、最小值、周期等。2. 图线计算：对图线进行加、减、乘、除、微分、积分等运算，或将图线变 量作为数学函数的自变量，得到新的数学变量。3. 修饰图线：使图线更美观、更容易被理解。可更改图线的粗细、颜色、式 样和标记； 添加测量数据点标志和数据标签； 改变图线的背景色、 坐标的式样和 颜色等。有些软件允许在图线画面中输入说明性的文字，甚至可以是中文文本。虚拟仪器和教育功能：形象化的虚拟仪器是电路仿真软件的一个特色。 最典型的例子是 Multisim ， 该软件的虚拟仪器无论界面的外观还是内在的功能， 都达到了同类软件的最高水 平。其它设置有虚拟仪器的软件还有 TINA、 Edison 等。虚拟仪器可以帮助学习者了解电子仪器的作用， 深入理解电子测量的方法和 技术要领。掌握电子仪器的各种操作方法，特别是各种控制按钮、旋钮的功能。 Multisim和TINA虚拟仪器的功能实际上超过了 PSPICE本身，比较典型的是网 络分析仪和逻辑分析仪。网络分析仪是分析射频组件和射频网络参数的专用仪 器；而 Multisim 的逻辑分析仪具有真正的数字电路分析功能，符合实际数字系 统分析的技术要求。部分软件还有虚拟的机电元件，如灯泡、按钮、继电器、接 触器等电气元件， 调用这些元件可构建机电控制电路。 软件元件库中的数学和莫 拟控制器件可用于自动控制原理分析。为适应教育单位对电路原理教学的需求， 有的软件设置了教育功能。 主 要是允许使用者对元器件设置一些隐蔽的错误。 如 Multisim 和 TINA 可对组件设 置开路、短路和漏电阻三项参数； 而 Altium 公司的 CircuitMaker 可以对组件和 电路做更多的教学设置，并且可以加上密码，直接作为实训课的考试工具。主要仿真软件的比较ELECTRONICS WORKBENCH E以下简称 EWB：EW软件是加拿大交互图像技术有限公司（INTERACTIVE IMAGETECHNOLOGIES!）在九十年代初推出的EDA软件，但在国内开始使用却是近几 年的事，现在普遍使用的是在 WIN95环境下工作的EWB5.0（在国内曾见过6.0 的演示版，注：EWB5.0也可以在 WINDOWS3环境下使用，但需安装 WING32T 具），相对其它EDA软件而言，它是个较小巧的软件，只有 16M功能也比较单 一，就是进行模拟电路和数字电路的混合仿真， 但你绝对不可小看它， 它的仿真 功能十分强大，可以几乎 100的仿真出真实电路的结果，而且它在桌面上提供 了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑 转换器等工具， 它的器件库中则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， 器件库中没有的元器件， 还可以由外部模块导入， 在众多的电 路仿真软件中，EW克最容易上手的，它的工作界面非常直观，原理图和各种工 具都在同一个窗口内， 未接触过它的人稍加学习就可以很熟练地使用该软件， 对 于电子设计工作者来说，它是个极好的EDAX具，许多电路你无需动用烙铁就可 得知它的结果， 而且若想更换元器件或改变元器件参数， 只需点点鼠标即可， 它 也可以作为电学知识的辅助教学软件使用， 利用它可以直接从屏幕上看到各种电 路的输出波形。EWB勺兼容性也较好，其文件格式可以导出成能被 ORCA或PROTEL 读取的格式，该软件只有英文版，在中文版的WINDOWS下它的一些图标会偏移 两个位置（在WINDOWS下正常），但不影响它的使用。2.PROTEL：PROTE是澳大利亚的PORTE公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行 业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选 软件，它较早就在国内开始使用， 在国内的普及率也最高， 有些学校的电子专业 还专门开设了课程来学习它， 几乎所有的电子公司都要用到它， 许多大公司在招 聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEJL早期的PROTEI主要作为印制板自动布线工具使用， 运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬 盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制 板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEE发展到PROTEL99SE是个庞大的EDA软件，完全安装有 200多兆，它工作在 WINDOWS9X 环境下， 是个完整的板级全方位电子设计系统， 它包含了电原理图绘制、 模拟电 路与数字电路混合信号仿真、 多层印制电路板设计 （包含印制电路板自动布线） 、 可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有 Client/Server （客户/ 服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文 件格式，如ORCAJDPSPICE EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高 密度PCB的100%布通率。3.PSPICE:PSPICE是较早出现的EDA软件之一，1985年就由MICROSIh公司推出，在电 路仿真方面，它的功能可以说是最为强大，在国内被普遍使用，现在使用较多的 是PSPICE62工作于 WINDOWS境，占用硬盘空间20多兆，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 是一个整体，但各个部分各有各的窗口。 PSPICE展至今，已被并入ORCAJD成 为ORCADPSPICE但PSPICE仍然单独销售和使用，新推出的版本为PSPICE9.1, 工作于 WINDOWS9598/NT平台上，要求是奔腾以上 CPU 32M内存、50M以上 剩余硬盘空间、800X600以上显示分辨率，是功能强大的模拟电路和数字电路混 合仿真EDA软件，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、并在同一个窗口内同时显示模拟与数字的仿真 结果，无论对哪种器件哪些电路进行仿真，包括IGBT、脉宽调制电路、模/数转换、数/模转换等，都可以得到精确的仿真结果，对于库中没有的元器件模块， 还可以自已编辑。以下图表2-1为目前10个具有代表性的电路仿真软件主参数的统计。表中 安装容量是指软件安装后在硬盘中所占的空间，Protel的安装包括了 PCB设计组件；电源种类的多少和软件对电源的分类有关，如有的软件将同一电源分别放 在多个目录下，有的软件将5种瞬态分析源放在一个图标中；Pspice的正式版 的仿真元件数为1.6万。软件名称、版本安 装容量(M电 源种类 数仿 真元件 数虚 拟设 备数；模拟分 析种 类数 字仿 直 /、攵混 合仿 直/、畐图1线处 理能 力样 例文 件数B2 SPICEA/D V466671 5万无有1 有1 良16CircuitMaker12290 6万2/01 有W优ICAP/4V8.7.1023631.4万无11 有W优IVEX Spice1340.3万无： 8有1 无匕 良1 1MicroCap V711341.5万无： 8有1 有W优0 1Multisim 2001183281.6万118有1 有W优3Protel 99 SE259240.6万无0巳有W优 3PspiceV9.1Stude nt4140280无D 11 有1 良务1SIMextrix1140.无： 6彳1 有W优尤 93厂5万2Ti na6.083182万520t 有W优%7 2由以上图表比较可知，在常用的电路仿真软件中，Multisim2001的性能比较 突出，无论从仿真元件库中元件的数量上，还是虚拟设备的种类以及虚拟分析的种类上都比别的软件要好，尤其是电路故障的隐蔽设置，更为教学提供了极大的 方便。顺便指出，Multisim2001是有名的仿真软件EWB勺升级版本，其性能又 比EWB提升许多倍。所以，目前在教学中普遍采用的电路仿真软件为EW或Multisim2001,该软件能完全满足目前教学中的各种试验、仿真、考核等，是教 学中的首选软件。