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电路仿真软件介绍

2019-12-16

电路仿真,其含义就是将已经设计出的电路图通过电路仿真软件进行模拟,模拟出实际功能,然后通过对其进行分析改进,以此来实现对电路的优化设计。实际上,我们用的电路仿真软件就是以电路这门学科为基础的,延伸出来的一个帮助我们更好地学习数电、模电的软件。实现设计的关键环节就是仿真过程,以此来判断设计者的思路正确与否,方便我们修改,也节省了大量的实验材料,更适合未来的发展趋势。我们现在所用的电路仿真软件已经趋近于成熟阶段,但这其中的发展过程却是漫长而艰辛的。那么电路仿真软件的真实历史到底是怎样的呢?导致其飞速发展的原因又是什么呢?以及我们现在常用的电路仿真软件现状又是什么样的情况呢?在本文中将逐一介绍。

一、仿真软件的概念以及领域

仿真软件(simulation software)是一种计算机软件,用于模拟。它是一个仿真的工具,与仿真硬件相似。仿真软件自20世纪50年代中期以来一直在不断发展。它的发展补充了仿真的应用、算法、计算和建模以及其他技术的发展。[1]1984年出现了第一个数据库中心仿真软件,并出现了人工智能软件系统(专家系统)。这种发展趋势将使仿真软件具有更强大的功能,并且更加灵活,可供更多用户使用。

仿真的目标是不断提高导航模块对用户导向和模型测试的描述能力。不同技术水平的用户通过仿真软件可以使用他们的定制语言,使与计算机对话变得方便,来完成模拟测试与建模。仿真是通过建立真实的系统模型和使用可观测模型来研究真实系统的实验过程。最初,仿真技术主要用于航空、航天、核能和昂贵的核反应堆,或一些寿命周期长、危险度高的测试系统,其他实物领域难以实现。电力、石油、化工、冶金、机械等逐步发展,已进一步扩展到社会系统、经济系统、交通运输系统和生态系统等非技术系统。可以说,现代的仿真技术和仿真系统已经成为任何复杂系统的集成体,尤其是高新技术产业是非分析的重要手段。缺乏研究、设计、评估、决策和培训。其应用范围不断扩大,应用效率也越来越显著。该系统是基于模拟控制理论,将基本计算机信息处理技术、理论基础、计算机等设备作为专门的工具,利用系统的实际或虚拟模型测试系统,依靠专家应用实验知识、统计数据和信息数据来分析结果。并给出全面的测试决策。[3]广义而言,仿真系统方法适用于任何领域,包括电气、化学、电子、机械等,以及经济、政治、交通、管理等。

二、仿真软件发展迅速的原因

电路仿真软件的发展为什么会如此迅速呢?主要原因在于计算机仿真具有效率高、精度高、可靠性高、成本低等特点,被广泛用于电力电子电路(或系统)的分析和设计。除计算机模拟外,还需要减少劳动强度,以取代许多繁琐的手工分析系统,提高分析和设计能力,避免分析方法在近似过程中带来较大误差,通过互补试用,降低最大设计成本,缩短系统开发周期。计算机模拟技术很大程度上加快了电路设计和实验过程。

仿真是设计电路和系统的有效手段。电气工程电路及其组成系统的主要功能是控制能源转换和传输过程。电力的形式需要改变,控制方法取决于电子电路。电力和电子的结合构成了电力电子学的主题,这是一个相对年轻的领域,这也是一个综合运用多种科学的边缘领域。电子控制电路,功率能量大,惯性相当大,速度非常快。这两个系统,特别是构成闭环系统时,用自动控制术语来说属于病态系统,即意味着存在不易于解决的稳定性问题。这种类型的系统的质量在20世纪80年代后期迅速提升,原因是运用了计算机模拟技术。当使用计算机进行仿真时,通过选择适当的电路设计软件解决了这个问题。少数软件多是解决线性、连续工作的稳态电路存在的问题。而大多数软件适用于连续稳定的工作电路,也适用于开关调整的启动调整电路。换句话说,您可以模拟电气工程电路,并且可以读取任何一点电流,或者任意两点之间的电压,还可以进行频率响应、频谱分析、温度分析、参数分析、蒙特卡罗分析、最坏情况分析、噪声分析等等。可以说,后面几种分析在面包板上是无法进行信号模拟的,但是可以通过仿真软件在计算机上运行,因此仿真软件具有使用方便的优点。

近年来,电力电子领域发展还促进了能源电子领域的发展。除了电力电子的内容之外,所谓的能源电子主题还需要考虑材料、环境、可靠性和管理问题,以良好地解决能量转换问题。由此我们可以看到,使用如此复杂的系统工程,您可以通过使用计算机来快速获得结果,以快速处理信息。仿真的必要性和有效性,是显而易见的。这是电路仿真软件快速发展的原因。

仿真软件是电子领域电路分析和辅助设计的重要工具。利用电路仿真软件快速分析电路性能参数有助于确定设计方案并选择设计参数,从而提高设计效率。克服传统研发周期的缺点,设计人员可以直接集中在设计层面,缩短整体设计周期。出于这个原因,模拟系统有各种各样的软件应用程序。模拟电路仿真的主要应用是EWB、SPICE PROTEL、MATLAB等。他们实现了从简单到复杂的功能,操作复杂而智能化,界面日益可视化。

模拟电路仿真软件的研究与模拟电路仿真软件的理论、实现和应用有关,理论研究促进了软件的应用。同时,仿真软件应用也促进了仿真软件的理论研究。仿真软件的实施规则是理论与应用互相“沟通”的桥梁。

在电子技术发展的过程中,根据计算机辅助技术干预的深度和广度,有三种类型的设计方案,即三个阶段。第一种方法是所谓的常规设计方法,所涉及的电子系统通常很简单。第二种方法通常被称为CAD(计算机辅助设计)方法,用于数据处理、模拟评估、设计验证等。第三种方法是所谓的EDA方法,它是在电子产品向更繁杂、更高端,向智能化、人性化、微型化和集成化方向发展过程中逐渐产生并完成的。

三、电路仿真软件Multisim

用Multisim软件对电子电路进行设计,就好像是在实验室面包板上搭建电路,并且不受器件类型、器件数量和测试设备的限制。Multisim软件可以进行模拟分析、仿真测试,设计和实验同步进行,易于调试和修改。仿真实验不消耗真正的测试设备和组件,实验成本低。该软件可以完成从电路仿真设计到电路布局生成的全过程,为设计电子系统和开发电子产品提供了一个真正便捷的途径。它包括电路原理图输入和电路硬件描述语言输入方法,具有丰富的仿真分析功能。为了处理各种应用,Multisim引入了许多版本,如EWB(电子工作台)、Multisim 2001、Multisim 7、Multisim 8、Multisim 9、Multisim 10。由于具备这一优势,高等教育机构的职业教育有着广泛的认知基础。由于Multisim 10.0对SPICE仿真的复杂内容进行了抽象化处理,因此无需了解模拟和分析新设计的详细SPICE技术,就可以用于快速捕捉,并且适用于电子教育。利用Multisim和虚拟测量技术,您可以捕捉和模拟从理论到电路图的所有内容,您可以对原型和测试完全集成的设计流程进行测试。

通过使用Multisim进行电路设计,您不需要专门学习计算机控制语言和各种I/O命令,无需编写程序电子电路图。只需将设计好的虚拟电子元件和虚拟仪器放置在Multisim10.0电路设计窗口中,将相应的虚拟元件和测量接口连接到连接和节点并观察虚拟测量。近年来,为了完成理论教学方法和实践教学方法的有效结合,研究电子模拟教学方法的运用,模拟教学方法带来了事半功倍的效果,并在有限的时间内给学生提供了大量的知识。通过使用模拟软件让学生独立进行实验和问题探索,学生可以有效地培养自己的学习能力,巩固自己的理论基础。

目前的最新版本为Multisim 11.0。Multisim 11.0支持Win7和Vista系统。且功能强大、灵活性强。包含了许多功能多样的虚拟功能,替代了现实实验室中常见的各种仪器,如万用表、函数发生器、示波器以及其他仪器。这些虚拟仪器为老师和同学提供了一种便捷且准确的方式来获得实验结果,同时也奠定了将来他们在实验室中使用这些仪器的良好基础。

实验性的原理设计通常是建立在无焊接的电路实验板上,学生必须通过技术、文档和视觉检查来确保他们所设计的原型能够正常运行。通常来说,很多时间都浪费在了纠正简单的连线错误上。因此计算机辅助的设计工具的重要性就体现出来了。Multisim 11.0提供了一个虚拟的3D实验电路板环境,同学们就可以通过这样的虚拟程序,以及对完成之后的状态的正确性给予反馈的NIELVIS电路实验板来学习电路设计基础。

总结

模拟电路仿真软件的理论、实现和应用等几个方面是模拟电路仿真软件研究的基础。理论上的研究促进了软件的发展,同时仿真软件的应用也促进了仿真软件的理论研究,而仿真软件的实现准则是应用与理论之间“沟通”的桥梁。

总之,电路仿真软件的历史较为悠久,发展过程较为漫长。我们现在所用的电路仿真软件Multisim 11.0是全球相对完善的软件,无论是电气领域还是能源领域都离不开电路仿真软件,因此对这个软件的熟悉以及融会贯通是是十分重要的。

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