电路仿真技术概述

仿真———Simulation，就是以与真实对象相似的模型代替实物来进行实验研究的方法。人类在古代就已经学会使用“系统比例模型”来建造船只和建筑，这是早的仿真技术。上个世纪四十年代，随着计算机技术的快速发展，仿真技术迎来了高速发展阶段，在各个领域得到了广泛应用，现已发展成独立的学科。电路仿真技术是仿真技术的重要组成部分。
1 电路仿真概念
电路仿真是工程师在电力电子系统设计开发中，在制作真实系统之前，分析电路性能，了解电路特性的常用方法，图1 给出了典型电路仿真。电路仿真能够直观地展示出模拟电路的时域、频域和交直流特性以及数字电路的逻辑关系，从而地帮助工程师缩短开发设计周期。在仿真软件中，能够实现电路仿真的核心是具备大型元器件模型库，采用激励信号和输出数据模拟真实电路的信号源与示波器。在电力电子应用系统开发过程中，设计方案的功能正确与否主要通过电路仿真的方法进行验证。工程实践验证，采用电路仿真技术对电路进行性能分析更加便捷、。应用电路仿真技术，不仅能够帮助验证电路功能，优化电路设计方案，进行电路特性的虚拟测试，更有助于不断调整开发方案，大力推进集成电路的发展。主要作用有以下两点：
①缩短电路系统开发设计周期。通过电路仿真技术，在软件环境下，开发设计人员可以对设计方案不断进行分析、优化、验证，提高电路的可靠性和方案的可行性，尤其是在电路功能分析方面，仿真软件具备高速的数据处理能力，既无需搭建真实电路，又节省了人工数据处理，缩短了开发周期的同时，大大降低了产品的开发成本。
②辅助科研院校教学培训。电子电路涉及多个领域范围，是院校和科研单位的重点学科，而实验是该学科教学培训的一项重要任务。通过仿真软件，可以更加直观的演示电路的元器件组成、功能原理和实际效果，并存储数据和结果，加深对电路功能的理解和掌握，提高教学培训效率。
根据仿真对象，电路仿真分为数字电路仿真和模拟电路仿真。

图1 典型电路仿真
近年来，随着计算机技术发生了翻天覆地的变化，集成电路得到了高速发展，数字电路从初的分立电路，历经小规模集成电路，逐步发展成为超大规模集成电路。数字电路仿真是主要是使用硬件描述语言（Hardware Description Language—HDL）， 在计算机的EDA（Electronics Design Automation）环境下，编写并运行能够描述电子元器件及其连接关系的程序。在能够实现数字电路仿真的软件平台系统中，以程序编写的软元件或IP 芯核对元器件实现建模，一般来说，EDA 软件公司会在软件开发时即推出包含与常见的、通用的元器件相对应的软元件库，方便购买者使用，EDA 厂家或者元件生产厂家可以买到特殊元件。近年来，得益于数字系统更易程序化的逻辑关系，所以相应的仿真技术水平越来越高。
不同于数字电路仿真，模拟电路仿真过程中，因为电路结构样式多，性能较为复杂，对仿真软件中的精度、仿真结果的确信度以及仿真过程的速度等等要求相当高。当前，在范围内，SPICE 程序被*为的模拟电路通用仿真工具，它的是是美国加利福尼亚大学伯克利分校。现在应用范围较广的EDA 公司都是在SPICE 程序的基础上设计开发模拟电路仿真工具的，之后再以不同的运行环境（如DOS、Windows、Unix、Linux 等）需要为依据，对仿真工具进行改进，以确保各类平台都可以使用。
目前，如何对数模混合电路实现的设计和仿真成为EDA 的重难点。数模混合电路仿真，也就是在同一仿真软件平台下，既能完成对数字电路的仿真，也能完成对模拟电路的仿真，还允许对数字和模拟混合电路进行设计和仿真，这一技术还没有得到有效的解决。
2 典型电路仿真软件分析
2.1 Altium Designer

图2 Altium Designer 软件平台
软件开发商Altium 公司在Pro 的基础上推出的Altium Designer（以下简称AD），是集电路原理图设计、仿真、电路板绘制、自动布线、电路分析和数据输出等技术于一体的电子电路产品设计开发软件平台，运行于Windows系统。AD 在综合了Pro 系列的各个功能和优点外，对其进行了升级和改进，如增加了FPGA 设计和SOPC 等功能，使开发人员在进行板级设计的同时，还能同时进行产品中的FPGA 设计与嵌入式设计，界面更加友好。多功能一体化，使AD 能够帮助开发设计人员找到的产品设计方案，并轻松完成产品开发，大大提高产品质量和开发效率。Altium Designer 18.0.11 是该公司于今年初推出的版。
AD 平台的仿真器采用的是事件驱动型XSPICE 仿真模型，是乔治亚技术研究所（GTRI）基于伯克里SPICE3 代码开发的增强版，能够兼容SPICE3f5，使得它不仅支持XSPICE 标准的模型和电路仿真，还支持Pspice 标准。
因此AD 能够实现数模混合电路仿真，电路图设计阶段就支持开发设计数模混合信号电路，实现数模混合仿真。平台具备完善便捷的参数配置功能，对仿真结果能够完成信噪比、离散性等多种数据的处理分析，可以说是一款真正意义上的混合电路仿真软件。
与其他EDA 软件相比，AD 具备以下三方面的优点：
①仿真建模简单方便。AD 软件平台集成了电路原理图符号库与仿真器件库，也就是说电路原理图中的符号能直接找到并连接与之对应的仿真模型，因此在AD 中绘制的电路原理图也可以说是该电路的仿真模型，不需要另外建立仿真模型，便可以将原理图直接用来仿真。Pro 系列则不能做到这一点。
②可以载入外部标准仿真模型。虽然AD 软件中集成了足够的电子器件仿真模型，但并不是当前世界所有的、全部的。因此，工程师在进行电子电路设计开发中，经常会用到一些罕见的、甚至是自己开发设计的器件，这个时候工程师既可以在AD 中自己建模来实现仿真，还可以将其他软件中已经建好的符合标准的仿真模型直接载入，即可在原理图中进行电路仿真。AD 这一功能既满足了工程师
的开发设计需求，又可以不断扩充集成库。
③强大的仿真功能和简单的参数设置。AD 软件采用的仿真器具备强大的信号分析功能，支持包括传递函数分析、瞬态特性分析与傅立叶分析、参数扫描分析、噪声分析、交流小信号分析和蒙特卡罗分析等在内的十种仿真分析方式，并且给每种类型的信号分析都给出了单独的设置页面。
当然，AD 软件也存在相应的缺点，突出的就是，因为软件集成了较多功能和数据库，所以相较于其他EDA软件来说，对搭载该软件的PC 机性能要求较高，而且AD不能进行复杂集成电路板的设计。

图3 Simulink 仿真
2.2 Simulink 仿真工具包
Simulink 仿真工具包是Matlab 软件所属公司MathWorks 为其针对新型控制系统模型图输入与仿真功能设计开发的扩展工具，主要功能就是Simu（仿真）和Link（连接）。虽然初只是作为一个补充工具被推出，但伴随着近几年Simulink 功能模块的逐步完善和发展，以动态系统建模功能、仿真分析功能、物理系统和数字系统的仿真功能为典型，其所涉及的范围和领域越来越广泛。Simulink 的出现*Matlab 在电力电子仿真领域的空白，通过Simulink 工具包，开发设计人员可以直接建立所开发设计的控制器的简化模型，并连接起来形成系统，进行仿真。而且Simulink 的支持C 语言，具备友好的交互式图形工作环境。
Simulink 的优点是，作为Matlab 软件的一个功能模块，得益于Matlab 的强大数学运算功能，PowerSystem 在控制方面功能，结合其他工具包，Simulink 在电路仿真中能够轻松实现对电路的细微控制，并精细迅速的完成数据处理和仿真分析，因此常常被用于控制器的设计开发；支持兼容多种数据格式，方便工程师进行后处理和分析；能够很好地执行Matlab 的指令语言，故可以批处理仿真结果。
Simulink 的缺点是，因为Matlab 软件中的仿真是基于理想化的功率元器件和功能模块进行的，且当前的PowerSystem 只能对一般的、常见的元器件进行理想建模，数学模块较为简单理想，与真实器件和模型参数具有一定差别，因此仿真结果与实际电路差距较大，可信性较低，不能真实地反应实际电路特性。
2.3 Multisim

图4 Multisim 仿真
Multisim 虚拟电子工作台软件是美国国家仪器（NI）有限公司推出的，主要功能就是实现电子电路仿真，界面如图4。Multisim 是一个多功能仿真软件，不仅能够进行原理电路设计，还能对电路功能进行测试，电子电路工程师可以轻松实现对电子与电工元器件以及电子与电工仪器和仪表进行建模仿真，不仅支持原理图形式的图形输入，还支持硬件描述语言，功能强大的建模仿真模块，水平的计算机分析技术，使之可以进行数模混合仿真。其工作界面直观、操作方便、易学易用，仿真速度快、精度高、准确及形象，工程师可以迅速建立电路实验所需要的标准数据，在电子电路设计开发领域和教学领域具有广泛的适用范围。
与其他电路仿真软件相比，Multisim 具有如下特点：
①清晰明确的界面。
一般来说，大多数电路仿真软件的工作界面更倾向于模拟电子实验平台，而NI Multisim12 则采用直观明了的图形界面，延续了原EWB 的一贯特点，元件和各种测试仪表均可直接选取到仿真界面，可通过导线将元件的逻辑关系一一对应起来，虚拟仪器也同样采用了与实物基本一致的操作面板，更加真实。因此工程师在对电路进行设计开发时，能够“实时”地修改自己的电路，观察监视仿真结果的变化情况，从而不断改进产品的性能。
②丰富的元件与虚拟仪器。
有自己的元器件库，并包含大量虚拟仪器，像常见的信号发生器、万用表、示波器等在Multisim 软件中都能找到，且仿真模型保持了接近真实的外观，更加形象。当前自带元件库中元件的数量已近20000 余个，主要包括交互式元件、动态组件、虚拟组件、分级组件、3D 组件，能够满足各种电路的仿真需求。工程师还可以根据设计需求，编辑这些元件参数，定义元件属性，通过模型生成器，完成对自己设计的元器件的建模。因为军用产品中常常包含自己*的元器件，因此Multisim 这一功能对实现军用产品仿真非常有利。
③完备的仿真分析功能。
Multisim 软件的仿真引擎是以SPICE3F5 和XSPICE的内核为基础的，能够实现对SPICE、RF、MCU 和VHDL等多种类型的仿真，并且具备强大的仿真结果分析功能，分析方式多达24 种。工程师可以通过NI Multisim12 自带的增强设计功能优化数字和混合模式的仿真性能，利用集成LabVIEW 可快速进行原型开发和测试设计。电路仿真过程，软件提供的虚拟仪器仪表使用方法与实际仪表在电路中的使用基本相同。
④完善的MCU 模块。
Multisim MCU 模块为该软件增添了微控制器协同仿真功能，可以对8051、PIC 单片机及其外部设备（如RAM、ROM、键盘和LCD 等）进行仿真，对使用C 语言或者汇编语言生成的代码都能支持，而且对通过第三方工具编写的源代码也能兼容；具备多种调试功能，诸如电路中设置断点、以单步模式运行电路、查看和编辑电路内部RAM，特殊功能寄存器等。
⑤电路限制及隐藏错误。
NI multisim12 的电路限制为教学者提供了创建隐藏错误的功能，并且具备了错误标记以及缩放至错误的功能，可以帮助使用者快速查找自己的接线错误。另外，可以在电路的任意位置放置测量探针通过动态电压以及电流来对电路做出注解。
目前，许多高校在电力电子实验教学中多使用Multisim 软件，通过仿真对电子线路进行模拟操作，电路运行状态实时可观。由于是仿真的环境，有效的避免了因为实验操作者的失误给电路和设备带来的损坏，教学更直观形象，降低了电子产品和设备的损坏。Multisim 12.0 以上版本更是提供了一个与LabVIEW 虚拟仪器软件可以实时交互的插件NI LabVIEW-Multisim Co-simulation Pluginfor LabVIEW，很好地解决了Multisim 与LabVIEW 实时联合仿真问题。
Multisim 的缺点是对复杂数模混合电路仿真的支持度不够，且PCB 板绘制等附加功能比不上其他的专门软件。
3 总结
本文主要针对电路仿真技术理论进行了研究。首先详细阐述了电路仿真技术的概念、作用和方法，研究了电路仿真技术的主要应用领域，后现在常用电路仿真软件做了介绍和比对，对各软件的优缺点进行了分析。当前仿真软件是开发设计人员进行电子产品开发的重要工具，也是电力电子领域进行教学培训的重要平台，根据使用目的选取能够满足要求的仿真软件利，是完成设计任务和取得教学成果的关键。