電路仿真技術概述

仿真———Simulation，就是以與真實對象相似的模型代替實物來進行實驗研究的方法。人類在古代就已經學會使用“系統比例模型”來建造船只和建筑，這是早的仿真技術。上個世紀四十年代，隨著計算機技術的快速發展，仿真技術迎來了高速發展階段，在各個領域得到了廣泛應用，現已發展成獨立的學科。電路仿真技術是仿真技術的重要組成部分。
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發中，在制作真實系統之前，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。電路仿真能夠直觀地展示出模擬電路的時域、頻域和交直流特性以及數字電路的邏輯關系，從而地幫助工程師縮短開發設計周期。在仿真軟件中，能夠實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電路的信號源與示波器。在電力電子應用系統開發過程中，設計方案的功能正確與否主要通過電路仿真的方法進行驗證。工程實踐驗證，采用電路仿真技術對電路進行性能分析更加便捷、。應用電路仿真技術，不僅能夠幫助驗證電路功能，優化電路設計方案，進行電路特性的虛擬測試，更有助于不斷調整開發方案，大力推進集成電路的發展。主要作用有以下兩點：
①縮短電路系統開發設計周期。通過電路仿真技術，在軟件環境下，開發設計人員可以對設計方案不斷進行分析、優化、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，既無需搭建真實電路，又節省了人工數據處理，縮短了開發周期的同時，大大降低了產品的開發成本。
②輔助科研院校教學培訓。電子電路涉及多個領域范圍，是院校和科研單位的重點學科，而實驗是該學科教學培訓的一項重要任務。通過仿真軟件，可以更加直觀的演示電路的元器件組成、功能原理和實際效果，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，隨著計算機技術發生了翻天覆地的變化，集成電路得到了高速發展，數字電路從初的分立電路，歷經小規模集成電路，逐步發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言（Hardware Description Language—HDL）， 在計算機的EDA（Electronics Design Automation）環境下，編寫并運行能夠描述電子元器件及其連接關系的程序。在能夠實現數字電路仿真的軟件平臺系統中，以程序編寫的軟元件或IP 芯核對元器件實現建模，一般來說，EDA 軟件公司會在軟件開發時即推出包含與常見的、通用的元器件相對應的軟元件庫，方便購買者使用，EDA 廠家或者元件生產廠家可以買到特殊元件。近年來，得益于數字系統更易程序化的邏輯關系，所以相應的仿真技術水平越來越高。
不同于數字電路仿真，模擬電路仿真過程中，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發模擬電路仿真工具的，之后再以不同的運行環境（如DOS、Windows、Unix、Linux 等）需要為依據，對仿真工具進行改進，以確保各類平臺都可以使用。
目前，如何對數?；旌想娐穼崿F的設計和仿真成為EDA 的重難點。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行設計和仿真，這一技術還沒有得到有效的解決。
2 典型電路仿真軟件分析
2.1 Altium Designer

圖2 Altium Designer 軟件平臺
軟件開發商Altium 公司在Pro 的基礎上推出的Altium Designer（以下簡稱AD），是集電路原理圖設計、仿真、電路板繪制、自動布線、電路分析和數據輸出等技術于一體的電子電路產品設計開發軟件平臺，運行于Windows系統。AD 在綜合了Pro 系列的各個功能和優點外，對其進行了升級和改進，如增加了FPGA 設計和SOPC 等功能，使開發人員在進行板級設計的同時，還能同時進行產品中的FPGA 設計與嵌入式設計，界面更加友好。多功能一體化，使AD 能夠幫助開發設計人員找到的產品設計方案，并輕松完成產品開發，大大提高產品質量和開發效率。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型XSPICE 仿真模型，是喬治亞技術研究所（GTRI）基于伯克里SPICE3 代碼開發的增強版，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 能夠實現數?；旌想娐贩抡?，電路圖設計階段就支持開發設計數?；旌闲盘栯娐?，實現數?；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點：
①仿真建模簡單方便。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AD 中繪制的電路原理圖也可以說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仿真。Pro 系列則不能做到這一點。
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，工程師在進行電子電路設計開發中，經常會用到一些罕見的、甚至是自己開發設計的器件，這個時候工程師既可以在AD 中自己建模來實現仿真，還可以將其他軟件中已經建好的符合標準的仿真模型直接載入，即可在原理圖中進行電路仿真。AD 這一功能既滿足了工程師
的開發設計需求，又可以不斷擴充集成庫。
③強大的仿真功能和簡單的參數設置。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，并且給每種類型的信號分析都給出了單獨的設置頁面。
當然，AD 軟件也存在相應的缺點，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軟件來說，對搭載該軟件的PC 機性能要求較高，而且AD不能進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發的擴展工具，主要功能就是Simu（仿真）和Link（連接）。雖然初只是作為一個補充工具被推出，但伴隨著近幾年Simulink 功能模塊的逐步完善和發展，以動態系統建模功能、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域越來越廣泛。Simulink 的出現*Matlab 在電力電子仿真領域的空白，通過Simulink 工具包，開發設計人員可以直接建立所開發設計的控制器的簡化模型，并連接起來形成系統，進行仿真。而且Simulink 的支持C 語言，具備友好的交互式圖形工作環境。
Simulink 的優點是，作為Matlab 軟件的一個功能模塊，得益于Matlab 的強大數學運算功能，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發；支持兼容多種數據格式，方便工程師進行后處理和分析；能夠很好地執行Matlab 的指令語言，故可以批處理仿真結果。
Simulink 的缺點是，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行的，且當前的PowerSystem 只能對一般的、常見的元器件進行理想建模，數學模塊較為簡單理想，與真實器件和模型參數具有一定差別，因此仿真結果與實際電路差距較大，可信性較低，不能真實地反應實際電路特性。
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，主要功能就是實現電子電路仿真，界面如圖4。Multisim 是一個多功能仿真軟件，不僅能夠進行原理電路設計，還能對電路功能進行測試，電子電路工程師可以輕松實現對電子與電工元器件以及電子與電工儀器和儀表進行建模仿真，不僅支持原理圖形式的圖形輸入，還支持硬件描述語言，功能強大的建模仿真模塊，水平的計算機分析技術，使之可以進行數?；旌戏抡?。其工作界面直觀、操作方便、易學易用，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驗所需要的標準數據，在電子電路設計開發領域和教學領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：
①清晰明確的界面。
一般來說，大多數電路仿真軟件的工作界面更傾向于模擬電子實驗平臺，而NI Multisim12 則采用直觀明了的圖形界面，延續了原EWB 的一貫特點，元件和各種測試儀表均可直接選取到仿真界面，可通過導線將元件的邏輯關系一一對應起來，虛擬儀器也同樣采用了與實物基本一致的操作面板，更加真實。因此工程師在對電路進行設計開發時，能夠“實時”地修改自己的電路，觀察監視仿真結果的變化情況，從而不斷改進產品的性能。
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，像常見的信號發生器、萬用表、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的外觀，更加形象。當前自帶元件庫中元件的數量已近20000 余個，主要包括交互式元件、動態組件、虛擬組件、分級組件、3D 組件，能夠滿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，通過模型生成器，完成對自己設計的元器件的建模。因為軍用產品中常常包含自己*的元器件，因此Multisim 這一功能對實現軍用產品仿真非常有利。
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，能夠實現對SPICE、RF、MCU 和VHDL等多種類型的仿真，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NI Multisim12 自帶的增強設計功能優化數字和混合模式的仿真性能，利用集成LabVIEW 可快速進行原型開發和測試設計。電路仿真過程，軟件提供的虛擬儀器儀表使用方法與實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同仿真功能，可以對8051、PIC 單片機及其外部設備（如RAM、ROM、鍵盤和LCD 等）進行仿真，對使用C 語言或者匯編語言生成的代碼都能支持，而且對通過第三方工具編寫的源代碼也能兼容；具備多種調試功能，諸如電路中設置斷點、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 的電路限制為教學者提供了創建隱藏錯誤的功能，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錯誤。另外，可以在電路的任意位置放置測量探針通過動態電壓以及電流來對電路做出注解。
目前，許多高校在電力電子實驗教學中多使用Multisim 軟件，通過仿真對電子線路進行模擬操作，電路運行狀態實時可觀。由于是仿真的環境，有效的避免了因為實驗操作者的失誤給電路和設備帶來的損壞，教學更直觀形象，降低了電子產品和設備的損壞。Multisim 12.0 以上版本更是提供了一個與LabVIEW 虛擬儀器軟件可以實時交互的插件NI LabVIEW-Multisim Co-simulation Pluginfor LabVIEW，很好地解決了Multisim 與LabVIEW 實時聯合仿真問題。
Multisim 的缺點是對復雜數?；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門軟件。
3 總結
本文主要針對電路仿真技術理論進行了研究。首先詳細闡述了電路仿真技術的概念、作用和方法，研究了電路仿真技術的主要應用領域，后現在常用電路仿真軟件做了介紹和比對，對各軟件的優缺點進行了分析。當前仿真軟件是開發設計人員進行電子產品開發的重要工具，也是電力電子領域進行教學培訓的重要平臺，根據使用目的選取能夠滿足要求的仿真軟件利，是完成設計任務和取得教學成果的關鍵。