電子線路CAD實用教程-基于Altium-Designer平臺第5章-電路仿真測試

2023/11/27電子線路CAD實用教程——基于AltiumDesigner平臺第5章電路仿真測試5.1電路仿真操作步驟5.2元器件仿真參數(shù)設置5.3電路仿真操作初步5.4常用仿真方式及應用

“電路仿真”以電路分析理論為基礎，通過建立元件器的數(shù)學模型，借助數(shù)值計算方法，在計算機上對電路功能、性能指標進行分析計算，然后以文字、表格、波形等方式在屏幕上顯示出電路性能指標。2023/11/27電子線路CAD實用教程——基于AltiumDesigner平臺AltiumDesigner電路仿真程序具有如下特點：

(1)與原理圖編輯(SchematicEdit)融為一體，即只要原理圖中所用元器件的電氣圖形符號具有仿真模型，在完成原理圖編輯后即可啟動仿真操作，無須再次輸入仿真電路，避免了重復勞動——這是內嵌電路仿真功能CAD軟件的優(yōu)點。

(2)提供了數(shù)十種仿真激勵源、多種工業(yè)標準仿真元器件(即這些元器件的電氣圖形符號具有相應的仿真模型)，可對模擬電路、數(shù)字電路及數(shù)/?；旌想娐愤M行仿真分析。

(3)提供了工作點分析、瞬態(tài)特性分析（即時域分析，在瞬態(tài)特性分析時，允許啟動傅立葉分析，從而獲得非正弦信號的頻譜）、交流小信號分析（即頻域分析，包括幅頻、相頻特性）、阻抗分析（通過交流小信號分析獲得）、直流掃描分析、溫度掃描分析、參數(shù)掃描分析、極點-零點分析、噪聲分析、蒙特卡羅統(tǒng)計分析等多種仿真分析方式?？梢灾粓?zhí)行其中的一種分析方式，也可以同時執(zhí)行多種分析方式。

(4)除工作點分析外，其他均以圖形方式輸出仿真結果，直觀性強；仿真波形管理方便，能以多種方式，從不同角度觀察分析結果。例如，在交流小信號分析過程中，可同時獲得幅頻特性、相頻特性曲線。

(5)智能化程度高。仿真波形縱坐標(即Y軸)刻度及單位將依據(jù)仿真波形性質自動選擇；能依據(jù)繪圖框尺寸自動調節(jié)仿真波形大小。5.1電路仿真操作步驟1.編輯原理圖

在原理圖中包括激勵源在內的所有元器件的電氣圖形符號均需具有仿真模型，如圖5.1.1所示，否則仿真時因找不到元件模型參數(shù)（如三極管的放大倍數(shù)、C-E結反向漏電流等）給出錯誤提示并終止仿真過程。圖5.1.1模型列表窗內顯示出“仿真模型”2023/11/27電子線路CAD實用教程——基于AltiumDesigner平臺2.放置仿真激勵源(包括直流電壓源)

在仿真測試電路中，必須包含至少一個仿真激勵源。仿真激勵源電氣圖形符號位于仿真測試專用集成庫文件夾Simulation下的SimulationSources.IntLib集成庫文件中。3.放置節(jié)點網(wǎng)絡標號

在需要觀察電壓波形的節(jié)點上，放置網(wǎng)絡標號，以便觀察指定節(jié)點的電壓波形，否則AltiumDesigner仿真軟件自動用“net-xx”作為節(jié)點的網(wǎng)絡標號，不夠直觀。4.選擇仿真方式及仿真參數(shù)

在原理圖編輯窗口內，單擊“Design”菜單下的“Simulate\MixedSim”命令（或直接單擊仿真工具欄內的“仿真設置”工具）進入“AnalysesSetup”仿真設置窗口，根據(jù)被測電路特征和實際需要，選擇仿真方式及仿真參數(shù)。2023/11/27電子線路CAD實用教程——基于AltiumDesigner平臺5.2元器件仿真參數(shù)設置5.2.1元件仿真模型

與Protel99SE以前版本不同，基于DXP平臺的AltiumDesigner取消了仿真測試專用元件庫，而是將仿真模型嵌入到集成庫文件(.IntLib)中。AltiumDesigner將原理圖編輯過程中用到的元件電氣圖形符號、PCB設計過程中用到的元件封裝圖與3D視圖、電路性能仿真測試過程中需要的元件仿真模型(.mdl或.ckt)以及在高速PCB板上進行信號完整性分析用到的元件信號完整性分析模型等統(tǒng)一存放在各類集成庫文件(.IntLib)中。

1.元件仿真模型數(shù)量及分布2.元件仿真模型查找

當實在無法確定哪一集成庫文件中含有目標元件的“仿真模型”時，可借助“元件查找”操作實現(xiàn)。下面以查找2N2222雙極型NPN三極管為例，介紹查找特定元件仿真模型的操作過程。(1)單擊“元件庫面板”窗口內的“Search…”(查找)按鈕，進入圖5.2.1所示的“元件查找”設置窗。圖5.2.1元件查找窗口2023/11/27電子線路CAD實用教程——基于AltiumDesigner平臺(2)單擊圖5.2.1所示窗口內的“Advanced…”按鈕，在圖5.2.2所示的高級查找設置窗內的“查找條件語句”文本窗內輸入查找命令，并啟動查找進程。

其中HasModel('SIM','*2N2222*',False)或HasModel('SIM','*2N2222*',True)語句的含義是查找仿真模型名中包含有“2N2222”的元件，如果去掉仿真模型名中代表任意長度字符串的通配符“*”，那么就僅查找仿真模型為2N2222的元件。當需要查找全部元件的仿真模型時，可用HasModel('SIM','*',False)作為查找條件圖5.2.2元件高級查找窗口

查找對象為元件

設置查找范圍及查找路徑后，單擊圖5.2.2窗口內的“Search”按鈕，啟動查找進程，如果找到滿足條件的元件，將顯示在元件庫面板中，如圖5.2.3所示。圖5.2.3滿足條件的查找結果

(3)在元件庫面板窗口內將找到的元件放置到原理圖編輯內。2023/11/27電子線路CAD實用教程——基于AltiumDesigner平臺5.執(zhí)行仿真操作

在原理圖編輯窗口內，單擊仿真測試工具欄內的“運行混合信號仿真”(RunMixedSignalSimulation)工具啟動仿真測試過程，等待一段時間后即可在屏幕上看到仿真測試結果。6.觀察、分析仿真測試數(shù)據(jù)

仿真操作結束后，自動啟動波形編輯器并顯示仿真數(shù)據(jù)文件(.SDF)內容。在波形編輯器窗口內，觀察仿真結果，不滿意可修改仿真參數(shù)或元件參數(shù)后，再執(zhí)行仿真操作。7.保存或打印仿真波形2023/11/27電子線路CAD實用教程——基于AltiumDesigner平臺5.2.2物理量單位及數(shù)據(jù)格式

在設置元件仿真參數(shù)、仿真運行參數(shù)時，往往使用定點數(shù)形式輸入，且不用輸入?yún)?shù)的物理量單位，即電容容量默認為F（法拉）、阻值為Ω（歐姆）、電感為H（亨）、電壓為V(伏特)、電流為A（安培）、頻率為Hz（赫茲）、功率為W（瓦）等，但可以使用如下的比例因子（大小寫含義相同）：m=1E-3,即10-3；u=1E-6,即10-6；n=1E-9,即10-9；p=1E-12,即10-12；f=1E-15,即10-15。K=1E+3,即103；Meg=1E+6,即106；G=1E+9,即109；T=1E+12,即1012。

例如，“22u”對電容容量來說是22μF（微法），對電感來說為22μH（毫亨），對電壓來說為22μV（微伏）、對電流來說為22μA(微安)等。5.2.3元件參數(shù)設置操作

在元件放置操作過程中，未單擊鼠標左鍵固定前，可按下Tab鍵進入圖5.2.4所示的元件屬性設置窗口（如果元件固定狀態(tài)，雙擊元件也同樣會進入元件屬性設置窗），指定元器件序號及仿真參數(shù)。圖5.2.4電阻元件屬性窗口設置元件序號設置元件仿真參數(shù)單擊Simulation設置元件仿真模型參數(shù)5.2.4仿真信號源及參數(shù)

在電路仿真過程中需要用到各種各樣的激勵源，這些激勵源存放在\Library\SimulationSources.IntLib集成庫文件中，包括了直流電壓源VSRC(voltagesource)與直流電流源ISRC(currentsource)、正弦波電壓信號源VSIN(voltagesource)與正弦波電流信號源ISIN(currentsource)、周期性脈沖信號源VPULSE(voltagesource)與IPULSE(currentsource)、分段線性激勵源VPWL(voltagesource)與IPWL(currentsource)以及各種受控源等。1.直流電壓源VSRC與直流電流源ISRC

雙擊仿真信號源，進入信號屬性設置窗，在屬性設置窗內，單擊模型列表窗內的“Simulation”類型，接著再單擊“Edit”按鈕，進入圖5.2.7所示的仿真模型參數(shù)設置窗口，設置仿真參數(shù)。選擇仿真模型進入激勵源屬性設置窗選擇仿真模型2023/11/27電子線路CAD實用教程——基于AltiumDesigner平臺圖5.2.7直流電源參數(shù)設置窗

選擇“simulation”模型后，再單擊“Edit”按鈕進入圖5.2.7所示信號源仿真參數(shù)設置窗，設置信號源的參數(shù)。2023/11/27電子線路CAD實用教程——基于AltiumDesigner平臺2.正弦波信號源（SinusoidWaveform）

正弦波信號源在電路仿真分析中常作為瞬態(tài)分析、交流小信號分析的信號源，仿真參數(shù)如圖5.2.8所示。圖5.2.8正弦信號源仿真參數(shù)

2023/11/27電子線路CAD實用教程——基于AltiumDesigner平臺3.脈沖激勵源（Pulse）

脈沖激勵源主要用在瞬態(tài)分析中，也是數(shù)字脈沖電路重要的激勵源，脈沖激勵源仿真參數(shù)如圖5.2.10所示。圖5.2.10脈沖信號激勵源參數(shù)

2023/11/27電子線路CAD實用教程——基于AltiumDesigner平臺5.3電路仿真操作初步

在介紹了電路仿真操作步驟、元件及激勵源屬性設置方法后，下面以圖5.3.1所示的共發(fā)射極放大電路為例，說明AltiumDesigner仿真操作過程。圖5.3.1分壓式偏置電路

2023/11/27電子線路CAD實用教程——基于AltiumDesigner平臺5.3.1編輯電原理圖

在仿真操作前，先建立原理圖文件。原理圖編輯方法第2章已介紹過，這里不再重復。在編輯原理圖過程中，唯一需要注意的是：電路圖中所有元件電氣圖形符號一定具有仿真模型；在元件未固定前必須按下Tab鍵，在元件屬性窗口內，設置元件的屬性選項(Designate、仿真模型及參數(shù))，然后放置相應的仿真激勵源；接著在需要觀察電壓信號的節(jié)點上，放置網(wǎng)絡標號。

此外，電路圖中不允許存在沒有閉合的回路，必要時可通過高阻值電阻，使回路閉合；也不允許存放電位差不確定的節(jié)點，例如必須在變壓器、光耦等輸入/輸出回路之間加接地符號。

再就是只能在仿真項目文件(.PrjPcb)“SourceDocument”文件夾下創(chuàng)建一個原理圖文件，即只能對一個原理圖文件(.SchDoc)進行仿真操作，否則仿真時可能會遇到元件標號重復錯誤。2023/11/27電子線路CAD實用教程——基于AltiumDesigner平臺5.3.2選擇仿真方式并設置仿真參數(shù)

在完成原理圖編輯后，下一步就是根據(jù)電路性質及具體測試要求，選擇仿真方式并設置仿真參數(shù)：在原理圖編輯窗口內，指向并單擊“Mixed-Sim”工具欄內的“SetupMixed-SingalSimulation”(混合信號仿真設置)按鈕，進入如圖5.3.3所示的“AnalysesSetup”仿真設置窗口，選擇仿真方式及仿真參數(shù)。圖5.3.3仿真方式設置窗

2023/11/27電子線路CAD實用教程——基于AltiumDesigner平臺1.選擇仿真分析方式

在“GeneralSetup”標簽窗口，單擊相應仿真方式后面的選項框，即可允許或禁止相應仿真方式。本例僅選擇“OperatingPointAnalyses”（工作點分析）和“TransientAnalyses”（瞬態(tài)特性/傅立葉分析）?？梢灾贿x擇其中的一種仿真分析方式。但為了獲得更多的電路參數(shù)，往往需要根據(jù)被測電路特征、性質同時執(zhí)行多種仿真分析方式，例如當被測電路為模擬放大電路時，可組合使用OperatingPointAnalyses、Transientanalysis、ParameterSweepanalysis、ACSmallSignalanalysis、TemperatureSweepanalysis等多種仿真分析方式。2.選擇計算和立即觀察的信號

2023/11/27電子線路CAD實用教程——基于AltiumDesigner平臺3.設置仿真模型文件目錄

單擊圖5.3.3仿真方式設置窗口內的“Preferences…”(選項設置)按鈕，在圖5.3.4所示窗口內將仿真模型文件目錄設為“Library\Sim”，否則在仿真操作過程中，將無法找到數(shù)字IC元件的仿真模型。圖5.3.4設置仿真模型文件所在目錄

4.設置仿真參數(shù)并執(zhí)行仿真操作

除了“OperatingPointAnalyses”仿真方式不需要設置仿真參數(shù)外，選擇了某一仿真方式后，尚需要設置其仿真參數(shù)。在本例中，單擊“TransientAnalyses”仿真方式，在如圖5.3.5所示的“TransientAnalysesSetup”（瞬態(tài)特性/傅立葉分析）參數(shù)設置窗口內，設置相應的參數(shù)。圖5.3.5“TransientAnalyses”（瞬態(tài)特性/傅立葉分析）參數(shù)設置

5.高級選項設置（可選）

必要時，在圖5.3.3所示的“仿真方式設置”窗口內，單擊“AdvancedOptions…”(高級選項)按鈕，在圖5.3.6所示的高級選項設置框內，選擇仿真計算模型、數(shù)字集成電路電源引腳對地參考電壓、瞬態(tài)分析參考點、缺省的仿真參數(shù)等，但必須注意，一般并不需要修改高級選項設置，尤其是不熟悉Spice電路分析軟件定義的器件參數(shù)含義、取值范圍以及仿真算法的初學者，更不要隨意修改高級選項設置，否則將引起不良后果。

圖5.3.6高級選項設置

6.啟動仿真計算過程

設置了仿真參數(shù)后，單擊“OK”按鈕關閉仿真設置窗口，在原理圖編輯狀態(tài)下，指向并單擊“Mixed-Sim”工具欄內的“RunMixed-SingalSimulation”按鈕，啟動仿真過程。運行仿真操作時，將自動創(chuàng)建高級仿真網(wǎng)絡表文件.nsx，該文件包含了一系列Spice仿真命令語句。運行仿真后，將按.nsx文件設定的仿真方式及參數(shù)，對電路進行一系列的仿真計算，以便獲得相應的電路參數(shù)、曲線。仿真結果記錄在.SDF（SimulationDataFile）文件內，該文件以文本或圖形方式記錄了仿真計算結果，如圖5.3.7所示。圖5.3.7仿真波形觀察窗口

為方便管理仿真數(shù)據(jù)及波形，可單擊控制面板上的“仿真數(shù)據(jù)”(SimData)按鈕，進入如圖5.3.8所示的“仿真數(shù)據(jù)”面板窗口。圖5.3.8“仿真數(shù)據(jù)”面板

5.3.3仿真操作常見錯誤與糾正

在原理圖編輯過程中，違反原理圖繪制規(guī)則的錯誤，在編譯時會發(fā)現(xiàn)。這里簡要介紹在仿真設置、操作過程中常見的錯誤。1.卸載或禁用了原理圖中元件集成庫文件(.IntLib)

在仿真操作時，原理圖中除RLC元件、激勵源外的元件，如二極管、雙極型三極管、MOS管、可控硅、IC等所在集成庫文件(.IntLib)必須處于打開狀態(tài)，否則仿真時將找不到對應元件的仿真模型文件。例如，在元件庫面板中，禁用或卸載\Library\FairchildSemiconductor\FSCDiscreteBJT.IntLib后，單擊“Mixed-Sim”工具欄內的“RunMixed-SingalSimulation”按鈕，對圖5.3.1所示放大電路進行仿真操作時，將顯示“ErrorsOccurredduringnetlistGeneration”(創(chuàng)建仿真列表文件發(fā)現(xiàn)錯誤)，如圖圖5.3.9所示。圖5.3.9創(chuàng)建列表文件發(fā)生錯誤

單擊“OK”按鈕后，在圖5.3.10所示的“Messages”(消息)窗口內，將看到具體錯誤原因為“Q1-CouldnotfindSIMModel2N5551”(未找到2N5551的仿真模型)。圖5.3.10“Messages”(消息)窗口內提示的錯誤原因

2023/11/27電子線路CAD實用教程——基于AltiumDesigner平臺2.元件仿真模型類型指定錯誤導致仿真結果異常

如果電路連接無誤、參數(shù)正確，但仿真結果異常，原因可能是原理圖中某一元件模型種類選擇錯誤所致。例如，誤將NPN型三極管的“ModelSub-Kind”設為“JEFT”，則仿真結果就不正確。所幸的是，這類錯誤，一般會給出提示信息，如圖5.3.14所示。圖5.3.14錯誤提示

2023/11/27電子線路CAD實用教程——基于AltiumDesigner平臺5.3.4仿真結果觀察及波形管理

本內容要求學生自學，可參閱教材中實例。2023/11/27電子線路CAD實用教程——基于AltiumDesigner平臺5.4常用仿真方式及應用AltiumDesigner仿真器提供了12種仿真分析方式：OperatingPointAnalyses：工作點分析（即計算電路靜態(tài)工作點Q）。TransientAnalysis(包含了FourierAnalysis)：瞬態(tài)特性分析(包含了傅立葉分析)。DCSweepAnalysis：直流掃描分析（也稱為直流傳輸特性分析）。ACSmallSignalAnalysis：交流小信號分析，常用于獲取電路幅頻、相頻特性曲線。ImpedancePlotanalysis：阻抗分析（不單獨列出，通過AC小信號分析獲得）。Noiseanalysis：噪聲分析。Pole-ZeroAnalysis：極點-零點分析。TransferFunctionanalysis：傳遞函數(shù)分析。TemperatureSweepanalysis：溫度掃描分析。ParameterSweepanalysis：參數(shù)掃描分析。MonteCarloanalysis：蒙特卡羅統(tǒng)計分析。5.4.1工作點分析(OperatingPointAnalyses)

在進行工作點分析時，仿真程序將電路中的電感元件視為短路，電容視為開路，然后計算出電路中各節(jié)點對地電壓、各支路（每一元件）電流——這就是常說的靜態(tài)工作點分析。

在圖5.3.3所示的仿真方式設置窗口內，單擊“OperatingPointAnalyses”選項前復選框，選中“工作點分析”選項；執(zhí)行仿真操作后，單擊圖5.3.6所示仿真波形觀察窗口下方“仿真結果列表”欄內的“OperatingPoint”，即可在仿真波形窗口內觀察到工作點計算結果，如圖5.4.1所示。圖5.4.1工作點分析結果

2023/11/27電子線路CAD實用教程——基于AltiumDesigner平臺5.4.2瞬態(tài)特性分析(Transientanalysis)與傅立葉分析(Fourieranalysis)Transientanalysis屬于時域分析，用于獲得電路中各節(jié)點對地電壓、支路電流或元件功率等信號的瞬時值，即被測信號隨時間變化的瞬態(tài)關系，相當于在示波器上直接觀察各節(jié)點電壓(對地)信號的波形，因此Transientanalysis是一種最基本、最常用的仿真分析方式。5.4.3參數(shù)掃描分析(ParameterSweepanalysis)

參數(shù)掃描分析用于研究電路中某一元器件參數(shù)變化時，對電路性能的影響，常用于確定電路中某些關鍵元件參數(shù)的取值。在進行瞬態(tài)特性分析、交流小信號分析或直流傳輸特性分析時，同時啟動“參數(shù)掃描”分析，即可非常迅速、直觀地了解到電路中特定元件參數(shù)變化時，對電路性能的影響。

在如圖5.3.3所示的仿真參數(shù)設置窗口內，單擊“ParameterSweep”標簽，即可獲得如圖5.4.2所示的ParameterSweep（參數(shù)掃描）設置窗口。圖5.4.2參數(shù)掃描設置窗口

2023/11/27電子線路CAD實用教程——基于AltiumDesigner平臺5.4.4交流小信號分析（ACSmallSignal）AC小信號分析用于獲得電路，如放大器、濾波器等的幅頻特性、相頻特性曲線。AC交流小信號分析屬于線性頻域分析，仿真程序首先計算電路的直流工作點，以確定電路中非線性器件的線性化模型參數(shù)。然后在設定的頻率范圍內，對已線性化的電路進行頻率掃描分析，相當于用掃頻儀觀察電路的幅頻特性。交流小信號分析能夠計算出電路的幅頻及相頻特性，或頻域傳遞函數(shù)。5.4.5阻抗特性分析（ImpedancePlotanalysis）AltiumDesigner仿真程序提供阻抗特性分析功能，只是不單獨列出，而是放在AC小信號分析方式中