模拟电路仿真软件的研究

1 引言1.1 本课题研究的目的和意义随着电子计算机技术的发展，计算机辅助设计方法已经进入电子设计的领域并广泛应用。

模拟电路中的电路分析、数字电路中的逻辑模拟、电路板印制和集成电路图设计都采用计算机辅助工具来加快设计效率，提高设计成功率。

而大规模集成电路的发展，使得原始设计方法无论从效率还是精度上都无法适应当前电子工业的要求，采用计算机辅助设计进行仿真已经势在必行。

同时，微机以及适合于微机系统的电子设计自动化软件的发展使得计算机辅助设计技术逐渐成为提高电子线路设计的速度和质量的不可缺少的重要工具，逐渐开发出适合各个领域系统的软件。

电路的仿真技术也越来越受到人们的重视。

仿真技术逐步成为电子工程领域进行电路分析与辅助设计的重要工具。

应用电路仿真软件快速分析电路的性能参数，有利于设计方案的确定和设计参数的选择，从而提高设计效率。

克服传统实验研发周期长的缺点，使设计者可以更直接地将精力集中在设计层面上，缩短了整体设计周期。

真因如此在仿真系统方面，软件种类繁多，应用甚广。

应用在模拟电路仿真方面的主要有EWB, SPICE，PROTEL,MATLAB等。

它们实现了功能从简单到复杂，操作由繁杂到智能，界面也变得越来越形象化[18]。

研究电路仿真软件是为了设计电路及其系统的快速性和精确性引入的。

使设计人员在设计时能简单、方便、有效地对电路精确设计测试。

仿真软件的应用将大大有助于设计人员和教学的效率，已经成为科研和教学上必不可少的工具。

1.2 国内外文献综述和发展前景模拟电路仿真软件研究是关于模拟电路仿真软件理论、实现和应用等几个方面的研究，它在理论上的研究推动了软件的应用。

同时仿真软件的应用也推动了仿真软件的理论研究。

而仿真软件的实现则是理论与应用之间的桥梁。

在电子技术的的发展历程中，按计算机辅助技术介入的深度和广度，出现了三种设计方案，或者说三个阶段：第一种方法是所谓传统的设计方法，涉及的电子系统一般较为简单，工作量不大，从方案的提出、验证、修改到完全定性都采用人工手段完成；第二种方法是所谓的计算机辅助设计（CAD）方法，就是由计算机完成数据处理、模拟评价、设计验证等部分工作，它是在电子产品由简单到复杂、电子设计工作量由小到大发展过程中产生的；的三种方法是所谓的EDA方法，它是在电子产品向更复杂、更高级、向数字化、集成化、微型化和低功耗方向发展过程中逐渐产生并完成的[19]。

MATSIM和Pspice就是第三种设计方法涉及到的软件，它采用自上而下的设计方法，从系统入手，现在顶层进行功能划分、行为描述和结构设计，然后在底层进行方案设计与验证、电路设计与PCB设计等，实现从设计、仿真、测试一体化。

就EDA发展现状来看，数字系统的设计基本上实现了设计自动化；模拟电路因其复杂，全自动设计还需从事EDA技术的研究人员乃至从事集成电路工艺制造设计师们继续不断地努力，使EDA仿真软件朝着更高方向发展，而这一方向表现在:（1）超大规模集成电路的集成度和工艺水平的提高，可以在一个芯片上完成系统的集成。

（2）成本大大降低系统体积越来越小，集成度性能越来越好。

（3）高性能EDA长足发展，自动化程度及智能程度越来越高，可以进行功能强大的嵌入式系统设计。

本设计就EDA仿真软件中的MULTISIM与Pspice对模拟电路仿真展开讨论。

这两种软件对模拟电路的仿真有很好的模拟效果，成为模拟电路的仿真的标准软件。

本文前半部分介绍了MULTISIM和PSpice的基本功能，后半部分是对它们在模拟电路中的仿真运用，说明两款软件的优点和缺点。

2 仿真软件的介绍2 .1 Multisim 的介绍及应用2．1．1 EWB与MULTISIM简介EWB(Electrical Workbench,虚拟电子工作台)是加拿大IIT公司与20世纪80年代末推出的电子线路仿真软件。

该软件可对模拟、数字、模拟/数字混合电路进行仿真，克服了实验室条件对传统电子设计工作的限制。

广泛应用于电子工程设计领域。

从6.0版本开始，EWB进行了全套规模改动，仿真设计模块更名为MULTISIM，Electronics Workbench Layout 模块更名为ULtibord.2001年推出了最先版本MULTISIM 2001。

它包含有电子电路仿真设计模块Multisim、PCB设计软件Ultiboard、不限引擎Ultiroute及通信电路分析及设计模块CommSIM四个部分，四个部分可相互独立分别使用。

Multisim 是一个完整的设计工具系统，提供了一个庞大的元件数据库，并提供原理图输入接口、全部的数模SPICE仿真功能、VHDL/Verilog 设计接口与仿真功能、FPGA/CPLD综合、RF射频设计能力和后处理功能、还可以进行从原理图到PCB布线工具包的无缝数据传输。

它提供的单一易用的图形输入接口可以满足使用者的设计要求。

Multisim 9 用软件的方法使虚拟电子与电工元器件以及电子与电工仪器和仪表，通过软件将元器件和仪器集合威尔一体。

它是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件[19]。

它与其他软件相比较最显著的特点是：（1）人机界面方便直观。

绘制电路图所需要的元器件、测试调试仪器都可以通过鼠标单击图标直接调用，而且模拟仪器的操作界面（如开关、按钮）接近实物。

（2）操作简单，简便易学。

只要具备一般的电子技术基础知识，几小时内就可以掌握并熟练运用，不需要专门的培训。

（3）仿真效果非常好，与实际测试结果非常接近，并且采用了与实际规格相似的仪器和元器件。

通过EWB的仿真模拟，就可以了解电路的性能，并且熟悉了仪器的正确使用方法，与实际操作类似。

（4）元器件库内容丰富，并可以根据需要随时扩展。

EWB元件库内有数千种元器件供设计人员选用，其参数设置、规格模型以及理想状态都非常接近实际的元器件。

（5）不仅可以对模拟信号仿真模拟，还可以对数字信号和数模混合信号进行完整模拟，在系统中任意地集成数字及模拟器件，自动地对信号进行转换，实时测试系统功能供设计人员参考。

（6）在对电路进行仿真时还可以存储实验数据、波形、元器件清单、工作状态等，并可打印输出。

（7）提供了静态分析、动态分析、是时域分析、频域分析、噪声分析、失真分析、离散傅立叶分析、温度分析等各种分许方法。

（8）还可人为设置故障（如短路、开路、接触不良等），并进行数据分析。

2.1.2 Multisim界面及操作介绍Multisim的主界面与Windous界面一样，同样有菜单栏、工具栏等，Multisim 界面还还含有元件栏和仪表栏，方便用户对电路图的设计与调试。

在Multisim中，当遇到电路规模很大，全屏显示不方便或者电路的某一部分在一个或多个电路多次使用时就需要建立子电路。

建立子电路时，在其余电路部分相连的端子上必须连接输入/输出端符号。

用鼠标左键拉出个长方形，把用来组成子电路的部分全部选定。

启动Place菜单中的Replace by Subcircuit，打开对话框，在其编辑栏内输入子电路名称，单击OK即可创建子电路。

Multisim的元件库主要包含3个数据库：Multisim Database ，用来存放程序自带的元件模型；User Database，用来存放用户使用Multisim 提供的编辑器自行开发或修改的元件模型。

Corporate Database ，用于多人共同开发项目建立共用的元件库，另外，还支持用户自定义元件。

2.1.3 Multisim 的基本分析方法Multisim中提供了很多分析方法，这些方法都是利用仿真产生数据让后再去执行要做的分析。

如果在multisim中进行分析，只需启动Simulate→Analyses命令或单击工具栏中的按钮，它提供了19种分析方法：直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析、噪声分析、噪声系数分析、失真分析、直流扫描分析、灵敏度分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点零点分析、传输函数分析、最坏条件分析、蒙特卡洛分析、扫描宽度分析、批分析等。

这些分析可以让用户直观地了解电路性能。

2.2 OrCAD PSpice 的介绍和基本功能2.2.1 PSpice 的发展PSpice是有美国 MicroSim公司在Spice2 G版本的基础上升级并用于PC上的Spice版本。

1998年，著名的EDA商业软件开发商OrCAD公司与MicroSim 公司合并，自此MicroSim公司的PSpice产品正式并入OrCAD公司的商业EDA系统中。

不断发展的PSpice相继推出PSpice9.1 、PSpice9.2。

它可以对模拟电路进行直流交流、瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现蒙特卡洛分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；不但能够对模拟电路进行仿真，而且能够对数字电路、数/模混合电路进行仿真；集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并随时观测与分析仿真结果[20]。

2.2.2 PSpice的仿真步骤用PSpice进行电路仿真的基本步骤：（1）设计电路的结构，设置元器件参数。

画电路图，标注个元件名称及参数值，标注个元件节点及节点编号等；建立输入文件。

（2）确定分析类型。

确定所要分析的对象的物理意义和基本特性。

（3）执行PSpice仿真程序.(4)对已建立的电路原理图进行电路规则检查，产生数据文件，若采用图形方式显示分析结果，则可调用图形后处理程序完成。

PSpice程序仿真流程图如图2.1所示。

图2.1 PSpice程序仿真流程图2.2.3 PSpice电路仿真系统的结构OrCAD PSpice有六大功能模块，其中核心模块是PSpiceA/D，其余功能模块分别是：原理图绘图编辑模块（Schematics Editor）、激励源波形编辑模块（Stimulus Editor）、模型参数编辑模块（Model Editor）、模拟显示和分析模块（PSpice/Probe）及电路设计优化模块（Optimizer）。

PSpice主要包括Schematics、PSpice A/D、Probe、Stmed（Stimulus Editor）、Model Editor（Parts）等五个软件包[20]，这些程序之间的关系如图3.2所示。

图2.2 PSpice模块之间的关系2.2.4 OrCAD/PSpice的原理图输入(1)利用Capture CIS绘制电路原理图启动Capture CIS编辑器，便可进入OrCAD Capture程序主窗口，主要工作窗口是专案管理视窗（PCB）、绘图窗口（Schematics）和信息查看窗口（Session Log）。

(2)用网单文件输入电路原理图输入格式：输入描述语句用PSpice专用的输入电路描述语言编写的，输入文本文件由若干条输入描述语句组成，一般由标题行、注释行、元件行及结束行组成。