EDA仿真技术在电子线路分析中的应用

1　引　言
　　随着电子技术和计算机技术的飞速发展，电子线路的设计工作也日益显得重要。经过人工设计、制作实验板、调试再修改的多次循环才定型的传统产品设计方法必然被计算机辅助设计所取代，因为这种费时费力又费资源的设计调试方法既增加了产品开发的成本，又受到实验工作场地及仪器设备的限制。为了克服上述困难，加拿大Interactive Image Technologies公司推出的基于Windows 95／98／NT操作系统的EDA软件（Electronics Workbench“电子工作台”，EWB）。他可以将不同类型的电路组合成混合电路进行仿真。EWB是用在计算机上作为电子线路设计模拟和仿真的新的软件包，是一个具有很高实用价值的计算机辅助设计工具。目前已在电子工程设计等领域得到了广泛地应用。与目前流行的电路仿真软件相比较，EWB具有界面直观、操作方便等优点。他改变了有些电路仿真软件输入电路采用文本方式的不便之处，该软件在创建电路、选用元器件的测试仪器等均可以直接从屏幕图形中选取，而且测试仪器的图形与实物外形基本相似，从而大大提高了电子设计工作的效率。此外，从另一角度来看，随着计算机技术和集成电路技术的发展，现代电子与电工设计，已经步入了电子设计自动化（EDA）的时代，采用虚拟仿真的手段对电子产品进行前期工作的调试，已成为一种发展的必然趋势。通过对实际电子线路的仿真分析，从而提高对电路的分析、设计和创新能力。
2　软件的功能与特点
2．1　软件仿真分析设计流程
　　流程图如图1所示。
2．2　软件的仿真分析特性
　　EWB软件最明显的特点是：仿真手段切合实际，选用元器件、仪器与实际情形非常相近。其元件库不仅提供了数千种电路元器件供选用，而且还提供了各种元器件的理想值，如对分析精度有特殊的需要，可以选择具有具体型号的器件模型。作为虚拟的电子工作台，EWB提供了较为详细的电路分析手段，不仅可以完成电路的瞬态分析、稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析等常规电路分析方法，而且还提供了离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析和电路容差分析等共计14种电路分析方法，以帮助设计人员分析置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察到在不同故障情况条件下的电路工作状态。　　

　　　　
　　在进行仿真的同时，还可以存储测试点的所有数据，列出所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和测量数据。EWB的仪器库存放有7台仪器可供使用，他们分别是数字多用表、函数发生器、示波器、波特图仪、数字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪。在连接电路时，仪器图标方式存在。此外该软件创建电路图所需的元器件库与目前常见的电子线路分析软件如“SPICE”的元器件库完全兼容，两者之间可以互相转换。同时在该软件下完成的电路文件，可以直接输出至常见的印制线路板排版软件，如PROTEL，ORCAD和TANGO等印制电路板PCB设计软件，从而大大加快了电子产品的开发速度，提高了设计人员的工作效率。
3　应用仿真软件对实际电子线路进行仿真分析举例
　　采用EWB虚拟电子工作台，即通过计算机软件仿真的方法，对电子线路分析进行模拟，下面以电子线路中设计的一个稳压电源实际电路为例，详细讲述其操作程序，以掌握电路仿真分析的应用方法。
　　题目和指标：制做串联型稳压电源，输出电压为13 V，最大输出电流为500 mA，电网电源波动±10％，稳压系数S_r＜0．05。工作温度为25～40℃。
3．1　编辑电路原理图
　　（1）首先在Windows界面下，双击EWB图标进入了主窗口，主窗口中最大的区域是电路工作区，在此可对电路原理图进行编辑和测试。首先，将原理图中的所
有元器件从器件库中调出来。方法是在元器件库栏中单击包含该器件的图标，打开该元器件库。然后从元器件库中将该元器件拖拽至电路工作区。如图2中（稳压电源）要调出5．6 kΩ电阻，单击工具按钮Basic，找到Resistor图标，将他拖拽到窗口工作区。系统缺省设置为1 k。选中该元件，单击ComponentProperies铵钮，对其Value值进行修改。同理可调出电容、三级管等器件。若要元件按照原理图位置放置，可适当旋转元器件（选中该器件，按Ctrl＋R）。
　　（2）导线的连接。将鼠标指向元器件的端点使其出现一个小圆点，按下鼠标左键并拖拽出一根导线并指向另一个元器件的端点。连接完成后，导线将自动选择合适的走向，不会发生与其他元器件或仪器发生交越。至此原理图编辑完成，如图2所示。

3．2　仪器的使用
　　选用仪器可以从仪器库中将相应的仪器图标拖拽至电路工作区，仪器图标上有连接端用于将仪器连入电路。例如本例中使用了示波器。如图3所示，其共有4个接线端（A通道端、B通道端、触发端、接地端），需要观察测试的波形时，可以双击仪器图标打开仪器面板。

4　电路的仿真分析
4．1　仿真步骤
　　仿真分析开始前可双击仪器图标打开仪器面板。准备观察被测试波形。按下电路启动／停止开关，仿真分析开始。若再次按下电路启动／停止开关，仿真分析85停止。电路启动后，需要调整示波器的时基和通道控制，使波形显示正常。
4．2　仿真输出结果
　　（1）整流滤波　可用EWB工作台上提供的万用表、示波器观察实际电路输出结果。如图3所示，用万用表模块测量整流滤波后的直流电压为18．8 V，用示波器测得滤波波形的脉动部分如图4所示，用示波器测得滤波的电压的波形如图5所示。

　　（2）稳压电路　可以模拟一下输出短路时，电网波动10％为242 V时的情况，这在实际分析中不易做到，而用工作台来模拟非常方便。先在输出端加一负载电阻，让其阻值近似为0，如为1～10Ω，然后再模拟电网波动，只需用鼠标对准电网的电压双击，根据屏幕提示将其由220 V调到242 V，选用元器件库中的电流表接在图2电路中（这种电表的数量是没有限制的，存放在显示元器件库中，可供多次使用），电流表显示调整管的电流为1 A。用示波器观察调整管V_ce的波形如图6所示，从中看出平均电压为5．5 V。

5　设计指标测试
    （1）输出电压
    理论计算V₀＝（R₂＋R₁）（V_z＋V_be）／R₂＝13．2V，用EWB模拟仿真，使用电压表模块实测输出电压为V₀＝13．2 V。
    （2）稳压系数S_r稳压系数理论值的计算
  
　　S_r＝V_D1／（nA_v2V_D0）＝0．02＜0．05，理论上满足设计指标要求。
　　用EWB模拟仿真实际电子线路，用鼠标对准电网电压双击，根据屏幕提示将其由220 V调到230 V，电压表显示输出电压值为13．3 V，由此得出：

    故实际线路满足设计指标要求。
    （3）调试参数、优化设计确定方案
　　如果以上设计的电路通过模拟仿真分析，不符合设计要求，可通过逐渐改变元件参数，或更改元件型号，使设计符合要求最终确定出元件参数。如欲改变电阻的取值，只要用鼠标双击电阻，再根据屏幕提示键入阻值，并可对更改的电路立即进行仿真分析。观察虚拟结果是否满足设计要求，这在实际的电路板中是难以做到的。
6　结　语
　　从上述例子可见，EWB是一个模拟、开放的电子实验台。在他上面，设计人员可以做各种类型、难度的电子线路实验和实际电子产品设计，以便修改与优化电路。他为我们分析与设计电路提供了强大的计算机仿真工具。利用他对电路、信号与系统进行辅助分析和设计，对电子工程、信息工程和自动控制领域工作的人员来说具有很高的实用价值。