电子电路仿真设计与制版软件综述

电子电路仿真设计与制版软件综述黄培根凌锋（原载《电子制作》2006年第2期）21世纪，是一个科技迅猛发展、计算机普及应用的信息时代。计算机技术已经成熟，并已渗透到人们的科研、生产、工作、生活等各个领域。对于年轻人来说，不会计算机就等于昔日的文盲，你将在现代社会中寸步难行；同样，作为新一代的电子工程师，不懂使用EDA(ElectronicDesignAutomation，电子设计自动化)软件设计电子线路，也是一件不可思议的事。提到电子设计自动化，还得从上世纪80年代，世界上许多公司相继推出用于微机系统的电子CAD(ComputerAidedDesign，计算机辅助设计)软件说起。世界上许多公司为了自己的CAD软件能在激烈的市场竞争中占有一席之地，纷纷推出具有自己公司特色的CAD软件，经过多年的实践检验、不断修改和完善，或优存劣汰，或收购兼并，或强强联合，CAD技术已日臻成熟。CAD是一种通用技术，除了在机械、建筑等其它许多行业得到广泛应用之外，借助美国加洲大学伯克利分校的SPICE3f5/XSPICE作为仿真引擎，世界上许多公司还推出各种用于电子行业的优秀EDA软件；从另一个角度讲，CAD(计算机辅助设计)是电子设计的物理级初级阶段；CAE(计算机辅助工程)是电路级设计阶段；EDA(电子设计自动化)是高级的电子系统设计阶段。衡量一个软件的优劣，其中一个很现实的标准就是看它的市场占有率，也就是它的普及和流行程度。正如鲁迅先生所说：“其实地上本没有路，走的人多了，也便成了路。”说到EDA软件，美国Cadence公司的OrCAD、加拿大InteractiveImageTechnologies公司的EWB、澳大利亚Altium公司的PROTEL、美国MentorGraphics公司的PADS都是其中有代表性的佼佼者。有志成为电子工程师的年轻人，如何借助计算机掌握电子电路的仿真设计和制版技术，不仅是从事电子行业人员的基本功和技术要求，更是时代的一种潮流。结合我们的经验，在电子电路的仿真设计和制版软件选用方面谈一点肤浅看法，与广大读者商讨交流。一、美国Cadence公司的OrCAD软件Cadence公司的OrCAD软件，是世界上应用最广的EDA软件之一，是EDA软件中一个比较突出的代表。可以说，近年来其攻占EDA盟主宝座的企图是很明显的，早在1983年就与开发Pspice软件的MicroSim公司实现了强强联合，推出了可在PC机上运行的OrCAD/Pspice1，后来Cadence公司又并购了一流的PCB布线软件厂，使其拥有了绝佳的电路仿真和制板能力，给人以“所有好东西都集合在一起了”的感觉。OrCAD软件功能强大，而且它的界面友好、直观，在国外使用广泛，欧美地区有相当数量的电子工程师都在使用它。由于OrCAD软件进入我国时间比较晚，可参考书籍资料又比较少；该软件设置了防盗狗，其正版售价又是众多EDA软件中最高的，这些都是造成在国内使用普及率较低的原因。但随着我国电子行业飞速发展，使用OrCAD软件的用户呈逐年增长的趋势。从早期版本工作于DOS环境的OrCAD4.0，发展到现在最新的OrCAD10.5，OrCAD软件集成了电原理图绘制、印制电路板设计、数字/模拟电路仿真、可编程逻辑器件设计等等功能，它的元器件库也是所有EDA软件中最丰富的，在世界上它一直是EDA软件的首选。Cadence公司已成为世界上最强大的开发EDA软件的公司之一。OrCAD软件系统中主要包括：OrCAD/CaptureCIS（电路图设计）；OrCAD/PspiceA/D（数/模混合模拟）；OrCAD/LayoutPlus(PCB设计)等，其中每一个部分可以根据需要单独使用，又有下面图1的内在联系，共同组成完整的EDA系统。图1OrCAD软件系统的几个主要软件的功能及特点：1、OrCAD/CaptureCIS：它是OrCAD软件包中的共用软件，也是其它两个软件的基础。从图1可以看出：在调用OrCAD/PspiceA/D和OrCAD/LayoutPlus之前，都需要先运行它，它是一个功能强大的电路原理图设计软件。除了可以生成各类电路原理图外，与其它电路图绘制软件相比，CaptureCIS软件中还有明显特点的元器件信息系统模块CIS(ComponentInformationSystem)。该信息系统模块除了可以对元件库中4万多种元器件实施高效的管理以外，还具有ICA(InternetComponentAssistant)功能，可以在设计电路图的过程中，通过Internet网上其它元器件数据库中查阅到百万多种元器件，并可以根据绘图需要将它们调入电路图或添加到自己的库文件中；用Capture软件绘制的电路图完成成后，还可以直接调用OrCAD/Pspice软件进行仿真，也可以进入OrCAD/LayoutPlus软件进行制板设计；OrCAD/CaptureCIS操作界面友好、直观形象、使用方便；操作功能强大、灵活，项目管理科学有效，适应性很强，支持国际上多种标准。图2是用OrCAD/CaptureCIS软件进行电路原理图设计举例。图22、OrCAD/PspiceA/D：这是一个通用电路模拟软件，除了对数字电路和数/模混合电路模拟外，还具有优化设计的功能。该软件中的Probe模块，相当于一台“虚拟示波器”不但可以在模拟结束后显示结果信号波形，而且可以对波形进行各种运算处理，包括提取电路特性参数、分析电路参数与元器件参数的关系，使分析过程更加方便直观。2001年前后OrCAD公司推出OrCAD/Pspice9.2版本，图3是用OrCAD/Pspice9.2模拟仿真显示的波形举例。图33、OrCAD/LayoutPlus：这是一个印制电路版PCB设计软件，可以直接将生成的电路图通过手工或自动布局布线方式转为PCB设计。OrCAD/Capture软件具有高水平的设计指标：可设计的最大电路板尺寸为68(英寸)2；层次可达30层；布线最高分辨率为1微米；放置元器件时旋转角度可精确到1分。另外还有自动推挤、矩阵布局、智能化敷铜、与多种PCB设计软件可进行数据交换，包括与多种机械CAD软件交换数据，生成3维轮廓图形等功能。它的元器件封装库非常丰富，并且可以通过库管理器(LibraryManager)对封装库进行编辑、修改和添加新的封装，OrCAD/LayoutPlus软件在PCB制板界以其功能强大著称，是一款名副其实的高档、专业PCB设计EDA软件。二、加拿大InteractiveImageTechnologies公司的EWB软件EWB(ElectronicsWorkbench)是加拿大InteractiveImageTechnologies(IIT)公司于1988年推出的颇具特色的EDA软件，曾风靡全世界。到目前为止，至少有35个国家、被译成10多种语言在使用。它以其界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用等突出优点，早在上世纪90年代就在我国得到迅速推广，许多大专院校把EWB5.0编入教材，作为电子类专业课程教学和实验的一种辅助手段。跨入21世纪初，加拿大IIT公司在保留原版本的优点基础上，增加了更多功能和内容，将EWB5.0版本更新换代推出EWB6.0，并更名为MultiSIM(Multi：多重、万能；SIM：仿真)，即Multisim2001，2003年升级为Multisim7，2005年初又在其官方网站上发布Multisim8.0。相比之下Multisim7版本比较成熟稳定，功能已十分强大，能胜任电路分析、模拟电路、数字电路、高频电路、RF电路、电力电子及自控原理等各方面的虚拟仿真；并提供多达18种基本分析方法。目前，加拿大IIT公司官方网站还在不断发布Multisim8.0的补丁，已求尽善尽美。(一)、电子仿真软件Multisim7的主要特色功能有以下一些：1、基本界面如图4所示，左侧有两列共23个元件箱，分门别类地集中了各种仿真元件可供调用；右侧有17种虚拟仪器可不受数量限制调用；中间是电路的搭建和仿真操作平台。图42、Multisim7软件提供的18种电路基本分析方法如图5所示。图53、Multisim7软件有几款其它任何仿真软件所没有的虚拟仪器，如“4踪示波器”(图6为同时显示的3路信号波形图)、“实时测量探极”可以在线动态测量电路各节点的电压(图7所示)、世界顶尖跨国公司安捷伦公司测量仪器：“安捷伦函数信号发生器”(图8上图所示)、“安捷伦6位半数字万用表”(图8下图所示)、“安捷伦示波器”(图9所示)，这三台仪器的面板、旋钮操作和实际安捷伦仪器完全一样。图6图7图8图9(二)、制版软件Ultiboard7简介作为MultiSIM技术的另一方面，加拿大IIT公司还向用户提供配套制版软件Ultiboard7。用Multisim7进行仿真设计后的电子电路内容可以直接无缝链接到Ultiboard7进行印制电路板的设计。制版软件Ultiboard7的一个明显优点就是它的元件封装库十分丰富，针插式元件封装有4000多种，是Protel元件封装文件PCBFootprints.lib中的10多倍，一般情况下总能从其大量的封装形式中直接找到合适的元件封装，免去修改和创建元件封装之苦。但要娴熟掌握它的PCB设计规则、自动布线等操作是要下一番功夫的，加上软件的获取、资料的匮乏在一定程度上限制了它的推广。但业余条件下用Ultiboard7进行制作简单电路印制板，可以不受它的设计规则约束，用直接手工元件布局和绘线，因其元件封装库丰富，仍不失为一种简捷方便的制版选项。制板软件Ultiboard7的使用参考图举例如下：1、制版软件Ultiboard7的操作界面如图10所示，上方为主菜单和各种PCB设计工具条；左侧上方为俯视窗口；下方为设计层面管理窗口；中间是PCB设计工作区。图102、制版软件Ultiboard7的元件封装库如图11所示。图113、用制版软件Ultiboard7手工绘制的印制电路板元件布局、底层铜膜走线示意图如图12所示；PCB文件打印预览示意图如图13所示。图12图13三、澳大利亚Altium公司的PROTEL软件Protel的前身是美国的ACCELTechnologies公司的TANGO软件包，当时它只能运行在计算机的DOS操作系统下，直到微软公司的Windows操作系统问世以后，1991年由澳大利亚的ProtelTechnology公司最早推出ProtelforWindows1.0版本，其间随着计算机技术取得了令人瞩目的长足进步，ProtelTechnology公司相继推出ProtelforWindows2.0、ProtelforWindows3.0、Protel98，1999年初，Protel公司推出Protel99，Protel99是一个基于Windows平台的32位EDA设计系统，集电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层电路板设计、可编程逻辑器件设计、图表生成等功能于一身。它具有丰富多样的编辑功能、强大便捷的自动化设计能力、有丰富的原理图元件库、极其全面的工具、文档及设计项目的组织能力，Protel软件的良好信誉以及它的卓越表现，很快成为了众多EDA用户的首选和喜爱软件，Protel软件资源丰富，而且学习和入门比较容易，非常适合初学者设计一些相对简单的电路和制版。Protel公司后来又推出Protel99SE(SecondEdition)，是Protel99的改良加强版，主要是在PCB制版方面增加了一些更实用的功能。现在Protel公司已经改名为Altium公司，跨入新世纪后，Altium公司耗时两年，不断革新和优化功能，终于在2002年推出了它的基于WindowsXP操作系统的得意巨作ProtelDXP。ProtelDXP是新一代的板级电路设计系统，与Protel99SE相比，除功能更加完备以外，其界面风格更加成熟、更加灵活，尤其在仿真和PLD电路设计方面进行了改进。由于它的功能强大、设计严谨、对操作系统有要求，给初学者入门带来了一定的难