Altium Designer电路仿真及应用

2011-04-27重庆电子工程职业学院计算机应用系

电子世界 2011年9期

重庆电子工程职业学院计算机应用系王静

Altium Designer是Altium公司继Protel系列产品（Tango、Protel for dos、Protel for windows、Protel 99SE、Protel DXP、Protel 2004）之后推出的高端设计软件。该软件在单一设计环境中集成板级和FPGA系统设计、基于FPGA和分立处理器的嵌入式软件开发，以及混合信号电路仿真、规则驱动PCB布局与编辑、改进型拓扑自动布线及全部计算机辅助制造（CAM）输出能力等，并集成了现代设计数据管理功能，使得Altium Designer成为电子产品开发的完整解决方案，一个既满足当前，也满足未来开发需求的解决方案[1][2][3]。在此，就该软件的仿真功能作一个简单介绍，其余功能不予赘述。通过一个实例说明该软件仿真的一般步骤，使读者能够应用软件的仿真功能分析、设计原理图、调试电路，摆脱传统的电路搭板实验，从而缩短电路产品的设计周期，提高设计效率。下面以多谐振荡器电路为例介绍该软件的仿真功能。

电路仿真的一般步骤如下：

·找到仿真原理图中所有需要的仿真元件，如果仿真元件库中没有所用的元件，必须事先建立其仿真库文件，并添加仿真模型。

·仿真元件的放置和电路的连接，并且添加激励源。

·在需要绘制仿真数据的节点处添加网络标号。

·仿真器参数设置。

·电路仿真并分析仿真结果。

1.绘制仿真原理图

1.1 放置元件

绘制仿真原理图与一般普通原理图的最大区别是：添加的元件一定要有仿真模型，否则不能仿真。在库面板选择元件时，要查看该元件是否有仿真模型，方法如图1所示，如果没有该模型，需要另找有仿真模型的元件，否则需要添加仿真模型（本文未介绍）。

图1 元件2N3904有仿真模型

图2 放置+12v的电压源

图3 仿真电压源属性设置对话框

图4 多谐振荡器电路仿真原理图

1.2 添加激励源

添加一个+12V的电压源V1，方法：单击“Utility”工具栏中的工具按钮，打开如图2所示的仿真电源工具栏，在工具栏中单击“+12V”电压源工具按钮，在工作区放置一个+12V的电压源。

放置完毕后，点击元件，弹出元件属性对话框，如图3所示，修改其参数，设置Designator为“V1”、Comment为“=Value”、Value为“+12”。

1.3 连接电路

执行Place→Wire命令，连接电路。

1.4 放置节点网络标号

执行Place→Net Label命令，放置网络标号：q1b、q1c、q2b、q2c，设计好的原理图如图4所示。

2.仿真器参数设置

绘制完原理图后，在仿真之前，要选择对电路进行那种分析，设置收集的变量数据，以及设置显示哪些变量的波形。常见的仿真分析有静态工作点分析（Operating Point Analysis）、瞬态分析（Transient Analysis）、直流扫描分析（DC Sweep Analysis）、交流小信号分析（AC Small Signal Analysis）、噪声分析（Noise Analysis）、极点、零点分析（Pole-Zero Analysis）、传递函数分析（Transfer Function Analysis）、温度扫描分析（Temperature Sweep）、参数扫描（Parameter Sweep）、蒙特卡洛分析（Monte Carlo Analysis）等分析。本文主要讲解静态工作点分析、瞬态分析的设置方法。

执行Design→Simulate→Mixed Sim命令，弹出如图5所示的电路仿真分析设置对话框。

2.1 一般设置（General Setup）

在仿真分析设置对话框的左侧分析选项列表中，列出了所有的分析选项，选中每个分析选项，右侧即显示出相应的设置项。选中General Setup，即可在右侧的选项中进行一般设置。在Available Signals列表中显示的是可以进行仿真分析的信号，Active Signals列表框中显示的是激活的信号，将需要进行仿真的信号，单击和可完成添加或删除激活信号，分别双击Q1B、Q1C、Q2B、Q2C，把他们添加到Active Signals内，如图5所示。

在Collect Data For栏，从列表中选择Node Voltage，Supply Current，Device Current and Power（节点电压，电源电流，元件电流及功率）。

2.2 静态工作点分析（Operating Point Analysis）

静态工作点分析通常用于对放大电路进行分析，当放大器处于输入信号为零的状态时，电路中各点的状态就是电路的静态工作点。最典型的是放大器的直流偏置参数。进行静态工作点分析的时候，不需要设置参数。

2.3 瞬态分析（Transient Analysis）

瞬态分析用于分析仿真电路中工作点信号随时间变化的情况。进行瞬态分析之前，设计者要设置瞬态分析的起始和终止时间、仿真时间的步长等参数。在电路仿真分析设置对话框中，激活Transient选项，在如图6所示的瞬态分析参数设置对话框中进行设置。

在Transient Analysis Setup列表中共用11个参数设置选项，这些参数的含义分别是：

Transient Start Time参数用于设置瞬态分析的起始时间。瞬态分析通常从时间零开始，在时间零和开始时间，瞬态分析照样进行，但并不保存结果。而开始时间和终止时间的间隔将保存，并用于显示。

Transient Stop Time参数用于设置瞬态分析的终止时间。

Transient Step Time参数用于设置瞬态分析的时间步长，该步长不是固定不变的。

Transient Max Step Time参数用于设置瞬态分析的最大时间步长。

图5 仿真器一般参数设置

图6 瞬态分析参数设置对话框

图7 瞬态分析仿真波形

Use Initial Conditions项用于设置电路仿真的初始状态。当勾选该项后，仿真开始时将调用设置的电路初始参数。

Use Transient Default项用于设置使用默认的瞬态分析设置，选中该项后，列表中的前四项参数将处于不可修改状态。

Default Cycles Displayed参数用于设置默认的显示周期数。

default Points Per Cycle参数用于设置默认的每周期仿真点数。

Enable Fourier项用于设置进行傅立叶分析，勾选该项后，系统将进行傅立叶分析，显示频域参数。

Fourier Fundamental Frequency用于设置进行傅立叶分析的基频。

Fourier Number of Harmonics用于设置进行傅立叶分析的谐波次数。

2.4 多谐振荡器电路分析设置

在多谐振荡器电路的分析中，勾选Ope-rating Point Analysis（静态工作点分析）和Transient Analysis（瞬态分析）。

激活Transient Analysis（瞬态分析）选项，设置Transient Stop Time为10ms，指定一个10ms的仿真窗口；设置Transient Step Time为10us，表示仿真可以每10us显示一个点；设置Transient Max Step Time:10us；如图6所示。

3.信号仿真分析

从图7中可以看出：多谐振荡器电路是一种矩形波产生电路。这种电路不需要外加触发信号，便能连续地，周期性地自行产生矩形脉冲。该脉冲是由基波和多次谐波构成，因此称为多谐振荡器电路。又因为其没有稳定的工作状态，多谐振荡器也称为无稳态电路。具体地说，如果一开始多谐振荡器处于0状态，那么它在0状态停留一段时间后将自动转入1状态，在1状态停留一段时间后又将自动转入0状态，如此周而复始，输出矩形波。常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。

多谐振荡器工作原理：

开始：由于电路参数的微小差异，正反馈使一支管子饱和另一支截止，出现一个暂稳态。设Q1饱和，Q2截止。

（1）正反馈：Q1饱和瞬间，q1c由+12V突变到接近于零，迫使Q2的基极电位q2b瞬间下降到接近-12V，于是Q2可靠截止。

（2）第一个暂稳态：

C1充电

C2放电

（3）翻转：当q2b随着C2放电而升高到+0.7V时，Q2开始导通，通过正反馈使Q1截止，Q2饱和。

（4）第二个暂稳态：

C2充电

C1放电

（5）不断循环往复，便形成了自激振荡。

读者可以改变一些原理图中元件参数，再运行仿真看看其变化。试着将C1的值改为47nF，然后再运行瞬态特性分析。输出波形将显示一个不均匀的占空比波形。设计者可以借助这些波形图，找出设计中存在的不足和问题，从而加以改进，提高制版的成功率。