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        Altium Designer電路仿真及應(yīng)用

        2011-04-27 10:29:54重慶電子工程職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用系
        電子世界 2011年9期
        關(guān)鍵詞:電路仿真參數(shù)設(shè)置原理圖

        重慶電子工程職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用系 王 靜

        Altium Designer是Altium公司繼Protel系列產(chǎn)品(Tango、Protel for dos、Protel for windows、Protel 99SE、Protel DXP、Protel 2004)之后推出的高端設(shè)計(jì)軟件。該軟件在單一設(shè)計(jì)環(huán)境中集成板級和FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于FPGA和分立處理器的嵌入式軟件開發(fā),以及混合信號電路仿真、規(guī)則驅(qū)動PCB布局與編輯、改進(jìn)型拓?fù)渥詣硬季€及全部計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)輸出能力等,并集成了現(xiàn)代設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理功能,使得Altium Designer成為電子產(chǎn)品開發(fā)的完整解決方案,一個(gè)既滿足當(dāng)前,也滿足未來開發(fā)需求的解決方案[1][2][3]。在此,就該軟件的仿真功能作一個(gè)簡單介紹,其余功能不予贅述。通過一個(gè)實(shí)例說明該軟件仿真的一般步驟,使讀者能夠應(yīng)用軟件的仿真功能分析、設(shè)計(jì)原理圖、調(diào)試電路,擺脫傳統(tǒng)的電路搭板實(shí)驗(yàn),從而縮短電路產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期,提高設(shè)計(jì)效率。下面以多諧振蕩器電路為例介紹該軟件的仿真功能。

        電路仿真的一般步驟如下:

        ·找到仿真原理圖中所有需要的仿真元件,如果仿真元件庫中沒有所用的元件,必須事先建立其仿真庫文件,并添加仿真模型。

        ·仿真元件的放置和電路的連接,并且添加激勵(lì)源。

        ·在需要繪制仿真數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)處添加網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號。

        ·仿真器參數(shù)設(shè)置。

        ·電路仿真并分析仿真結(jié)果。

        1.繪制仿真原理圖

        1.1 放置元件

        繪制仿真原理圖與一般普通原理圖的最大區(qū)別是:添加的元件一定要有仿真模型,否則不能仿真。在庫面板選擇元件時(shí),要查看該元件是否有仿真模型,方法如圖1所示,如果沒有該模型,需要另找有仿真模型的元件,否則需要添加仿真模型(本文未介紹)。

        圖1 元件2N3904有仿真模型

        圖2 放置+12v的電壓源

        圖3 仿真電壓源屬性設(shè)置對話框

        圖4 多諧振蕩器電路仿真原理圖

        1.2 添加激勵(lì)源

        添加一個(gè)+12V的電壓源V1,方法:單擊“Utility”工具欄中的工具按鈕,打開如圖2所示的仿真電源工具欄,在工具欄中單擊“+12V”電壓源工具按鈕,在工作區(qū)放置一個(gè)+12V的電壓源。

        放置完畢后,點(diǎn)擊元件,彈出元件屬性對話框,如圖3所示,修改其參數(shù),設(shè)置Designator為“V1”、Comment為“=Value”、Value為“+12”。

        1.3 連接電路

        執(zhí)行Place→Wire命令,連接電路。

        1.4 放置節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號

        執(zhí)行Place→Net Label命令,放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號:q1b、q1c、q2b、q2c,設(shè)計(jì)好的原理圖如圖4所示。

        2.仿真器參數(shù)設(shè)置

        繪制完原理圖后,在仿真之前,要選擇對電路進(jìn)行那種分析,設(shè)置收集的變量數(shù)據(jù),以及設(shè)置顯示哪些變量的波形。常見的仿真分析有靜態(tài)工作點(diǎn)分析(Operating Point Analysis)、瞬態(tài)分析(Transient Analysis)、直流掃描分析(DC Sweep Analysis)、交流小信號分析(AC Small Signal Analysis)、噪聲分析(Noise Analysis)、極點(diǎn)、零點(diǎn)分析(Pole-Zero Analysis)、傳遞函數(shù)分析(Transfer Function Analysis)、溫度掃描分析(Temperature Sweep)、參數(shù)掃描(Parameter Sweep)、蒙特卡洛分析(Monte Carlo Analysis)等分析。本文主要講解靜態(tài)工作點(diǎn)分析、瞬態(tài)分析的設(shè)置方法。

        執(zhí)行Design→Simulate→Mixed Sim命令,彈出如圖5所示的電路仿真分析設(shè)置對話框。

        2.1 一般設(shè)置(General Setup)

        在仿真分析設(shè)置對話框的左側(cè)分析選項(xiàng)列表中,列出了所有的分析選項(xiàng),選中每個(gè)分析選項(xiàng),右側(cè)即顯示出相應(yīng)的設(shè)置項(xiàng)。選中General Setup,即可在右側(cè)的選項(xiàng)中進(jìn)行一般設(shè)置。在Available Signals列表中顯示的是可以進(jìn)行仿真分析的信號,Active Signals列表框中顯示的是激活的信號,將需要進(jìn)行仿真的信號,單擊和可完成添加或刪除激活信號,分別雙擊Q1B、Q1C、Q2B、Q2C,把他們添加到Active Signals內(nèi),如圖5所示。

        在Collect Data For欄,從列表中選擇Node Voltage,Supply Current,Device Current and Power(節(jié)點(diǎn)電壓,電源電流,元件電流及功率)。

        2.2 靜態(tài)工作點(diǎn)分析(Operating Point Analysis)

        靜態(tài)工作點(diǎn)分析通常用于對放大電路進(jìn)行分析,當(dāng)放大器處于輸入信號為零的狀態(tài)時(shí),電路中各點(diǎn)的狀態(tài)就是電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。最典型的是放大器的直流偏置參數(shù)。進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)分析的時(shí)候,不需要設(shè)置參數(shù)。

        2.3 瞬態(tài)分析(Transient Analysis)

        瞬態(tài)分析用于分析仿真電路中工作點(diǎn)信號隨時(shí)間變化的情況。進(jìn)行瞬態(tài)分析之前,設(shè)計(jì)者要設(shè)置瞬態(tài)分析的起始和終止時(shí)間、仿真時(shí)間的步長等參數(shù)。在電路仿真分析設(shè)置對話框中,激活Transient選項(xiàng),在如圖6所示的瞬態(tài)分析參數(shù)設(shè)置對話框中進(jìn)行設(shè)置。

        在Transient Analysis Setup列表中共用11個(gè)參數(shù)設(shè)置選項(xiàng),這些參數(shù)的含義分別是:

        Transient Start Time參數(shù)用于設(shè)置瞬態(tài)分析的起始時(shí)間。瞬態(tài)分析通常從時(shí)間零開始,在時(shí)間零和開始時(shí)間,瞬態(tài)分析照樣進(jìn)行,但并不保存結(jié)果。而開始時(shí)間和終止時(shí)間的間隔將保存,并用于顯示。

        Transient Stop Time參數(shù)用于設(shè)置瞬態(tài)分析的終止時(shí)間。

        Transient Step Time參數(shù)用于設(shè)置瞬態(tài)分析的時(shí)間步長,該步長不是固定不變的。

        Transient Max Step Time參數(shù)用于設(shè)置瞬態(tài)分析的最大時(shí)間步長。

        圖5 仿真器一般參數(shù)設(shè)置

        圖6 瞬態(tài)分析參數(shù)設(shè)置對話框

        圖7 瞬態(tài)分析仿真波形

        Use Initial Conditions項(xiàng)用于設(shè)置電路仿真的初始狀態(tài)。當(dāng)勾選該項(xiàng)后,仿真開始時(shí)將調(diào)用設(shè)置的電路初始參數(shù)。

        Use Transient Default項(xiàng)用于設(shè)置使用默認(rèn)的瞬態(tài)分析設(shè)置,選中該項(xiàng)后,列表中的前四項(xiàng)參數(shù)將處于不可修改狀態(tài)。

        Default Cycles Displayed參數(shù)用于設(shè)置默認(rèn)的顯示周期數(shù)。

        default Points Per Cycle參數(shù)用于設(shè)置默認(rèn)的每周期仿真點(diǎn)數(shù)。

        Enable Fourier項(xiàng)用于設(shè)置進(jìn)行傅立葉分析,勾選該項(xiàng)后,系統(tǒng)將進(jìn)行傅立葉分析,顯示頻域參數(shù)。

        Fourier Fundamental Frequency用于設(shè)置進(jìn)行傅立葉分析的基頻。

        Fourier Number of Harmonics用于設(shè)置進(jìn)行傅立葉分析的諧波次數(shù)。

        2.4 多諧振蕩器電路分析設(shè)置

        在多諧振蕩器電路的分析中,勾選Ope-rating Point Analysis(靜態(tài)工作點(diǎn)分析)和Transient Analysis(瞬態(tài)分析)。

        激活Transient Analysis(瞬態(tài)分析)選項(xiàng),設(shè)置Transient Stop Time為10ms,指定一個(gè)10ms的仿真窗口;設(shè)置Transient Step Time為10us,表示仿真可以每10us顯示一個(gè)點(diǎn);設(shè)置Transient Max Step Time:10us;如圖6所示。

        3.信號仿真分析

        從圖7中可以看出:多諧振蕩器電路是一種矩形波產(chǎn)生電路。這種電路不需要外加觸發(fā)信號,便能連續(xù)地,周期性地自行產(chǎn)生矩形脈沖。該脈沖是由基波和多次諧波構(gòu)成,因此稱為多諧振蕩器電路。又因?yàn)槠錄]有穩(wěn)定的工作狀態(tài),多諧振蕩器也稱為無穩(wěn)態(tài)電路。具體地說,如果一開始多諧振蕩器處于0狀態(tài),那么它在0狀態(tài)停留一段時(shí)間后將自動轉(zhuǎn)入1狀態(tài),在1狀態(tài)停留一段時(shí)間后又將自動轉(zhuǎn)入0狀態(tài),如此周而復(fù)始,輸出矩形波。常用作脈沖信號源及時(shí)序電路中的時(shí)鐘信號。

        多諧振蕩器工作原理:

        開始:由于電路參數(shù)的微小差異,正反饋使一支管子飽和另一支截止,出現(xiàn)一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。設(shè)Q1飽和,Q2截止。

        (1)正反饋:Q1飽和瞬間,q1c由+12V突變到接近于零,迫使Q2的基極電位q2b瞬間下降到接近-12V,于是Q2可靠截止。

        (2)第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài):

        C1充電

        C2放電

        (3)翻轉(zhuǎn):當(dāng)q2b隨著C2放電而升高到+0.7V時(shí),Q2開始導(dǎo)通,通過正反饋使Q1截止,Q2飽和。

        (4)第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài):

        C2充電

        C1放電

        (5)不斷循環(huán)往復(fù),便形成了自激振蕩。

        讀者可以改變一些原理圖中元件參數(shù),再運(yùn)行仿真看看其變化。試著將C1的值改為47nF,然后再運(yùn)行瞬態(tài)特性分析。輸出波形將顯示一個(gè)不均勻的占空比波形。設(shè)計(jì)者可以借助這些波形圖,找出設(shè)計(jì)中存在的不足和問題,從而加以改進(jìn),提高制版的成功率。

        以上通過多諧振蕩器電路簡單介紹了Altium Designer軟件的電路仿真功能,還有很多更好、更尖端的應(yīng)用等待大家去探索、創(chuàng)新,上述介紹僅是拋磚引玉。

        [1]徐向民.Altium Designer快速入門[M].北京:北京航天航空大學(xué)出版社,2008.

        [2]王靜.Altium Designer Winter 09電路設(shè)計(jì)案例教程[M].北京:中國水利水電出版社,2010.

        [3]李衍.Altium Designer 6電路設(shè)計(jì)實(shí)例與技巧[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

        [4]周愛華.Multisim 10在電工電子設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].重慶電子工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2010(2):165-166.

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