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计算机辅助电路设计和分析及应用实例

2009/1/8    来源:e-works    特约撰稿人:朱全敏      
关键字:分析  电路设计  Multisim  
本文简介Multisim发展,概述Multisim 10,叙述了Multisim2001的使用,并给出了Multisim应用实例。

   Multisim是加拿大图像交互技术公司(Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具,适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力。
  工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图,并对电路行为进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容,这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计,这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术,PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

一、Multisim发展简介

    EDA就是"Electronic Design Automation"的缩写技术已经在电子设计领域得到广泛应用。发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。一台电子产品的设计过程,从概念的确立,到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、FPGA的构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计,再到PCB钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。EDA技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点,可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作。EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段。美国NI公司(美国国家仪器公司)的Multisim 9软件就是这方面很好的一个工具。而且Multisim 9计算机仿真与虚拟仪器技术(LABVIEW 8)(也是美国NI公司的)可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。极大地提高了学员的学习热情和积极性。真正的做到了变被动学习为主动学习。这些在教学活动中已经得到了很好的体现。还有很重要的一点就是:计算机仿真与虚拟仪器对教员的教学也是一个很好的提高和促进。
 
二、Multisim 10概述
 
        ●通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路;
  ●通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为;
  ●借助高级电路分析, 理解基本设计特征;
  ●通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试;
  ●通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间。
  NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真,能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim,您可以立即创建具有完整组件库的电路图,并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器,您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证,从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成,完善了具有强大技术的设计流程,从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。
 
三、Multisim 2001 使用

    Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具,适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力。为适应不同的应用场合,Multisim推出了许多版本,用户可以根据自己的需要加以选择。在本文中将以教育版为演示软件,结合教学的实际需要,简要地介绍该软件的概况和使用方法,并给出几个应用实例。
  第一节 Multisim概貌
  软件以图形界面为主,采用菜单、工具栏和热键相结合的方式,具有一般Windows应用软件的界面风格,用户可以根据自己的习惯和熟悉程度自如使用。
  一、Multisim的主窗口界面。
  启动Multisim 2001后,将出现启动的界面。
  界面由多个区域构成:菜单栏,各种工具栏,电路输入窗口,状态条,列表框等。通过对各部分的操作可以实现电路图的输入、编辑,并根据需要对电路进行相应的观测和分析。用户可以通过菜单或工具栏改变主窗口的视图内容。
  二、菜单栏
  菜单栏位于界面的上方,通过菜单可以对Multisim的所有功能进行操作。
  不难看出菜单中有一些与大多数Windows平台上的应用软件一致的功能选项,如File,Edit,View,Options,Help。此外,还有一些EDA软件专用的选项,如Place,Simulation,Transfer以及Tool等。
  1. File
  File菜单中包含了对文件和项目的基本操作以及打印等命令。
  2. Edit
  Edit命令提供了类似于图形编辑软件的基本编辑功能,用于对电路图进行编辑。
  3.View
  通过View菜单可以决定使用软件时的视图,对一些工具栏和窗口进行控制。
   4.Place
  通过Place命令输入电路图。
  5.Simulate
  通过Simulate菜单执行仿真分析命令。
  6.Transfer菜单
  Transfer菜单提供的命令可以完成Multisim对其它EDA软件需要的文件格式的输出。
  7.Tools
  Tools菜单主要针对元器件的编辑与管理的命令。
  8.Options
  通过Option菜单可以对软件的运行环境进行定制和设置。
  9.Help
  Help菜单提供了对Multisim的在线帮助和辅助说明。
  三、工具栏
  Multisim 2001提供了多种工具栏,并以层次化的模式加以管理,用户可以通过View菜单中的选项方便地将顶层的工具栏打开或关闭,再通过顶层工具栏中的按钮来管理和控制下层的工具栏。通过工具栏,用户可以方便直接地使用软件的各项功能。
  顶层的工具栏有:Standard工具栏、Design工具栏、Zoom工具栏,Simulation工具栏。
  1.Standard工具栏包含了常见的文件操作和编辑操作。
  2.Design工具栏作为设计工具栏是Multisim的核心工具栏,通过对该工作栏按钮的操作可以完成对电路从设计到分析的全部工作,其中的按钮可以直接开关下层的工具栏。Component中的Multisim Master工具栏,Instrument工具栏。
  (1)作为元器件(Component)工具栏中的一项,可以在Design工具栏中通过按钮来开关Multisim Master工具栏。该工具栏有14个按钮,每个每一个按钮都对应一类元器件,其分类方式和Multisim元器件数据库中的分类相对应,通过按钮上图标就可大致清楚该类元器件的类型。具体的内容可以从Multisim的在线文档中获取。
  这个工具栏作为元器件的顶层工具栏,每一个按钮又可以开关下层的工具栏,下层工具栏是对该类元器件更细致的分类工具栏。以第一个按钮为例。通过这个按钮可以开关电源和信号源类的Sources工具栏。
  (2)Instruments工具栏集中了Multisim为用户提供的所有虚拟仪器仪表,用户可以通过按钮选择自己需要的仪器对电路进行观测。
  3.用户可以通过Zoom工具栏方便地调整所编辑电路的视图大小。
  4.Simulation工具栏可以控制电路仿真的开始、结束和暂停。
  第二节 Multisim对元器件的管理
  EDA软件所能提供的元器件的多少以及元器件模型的准确性都直接决定了该EDA软件的质量和易用性。Multisim为用户提供了丰富的元器件,并以开放的形式管理元器件,使得用户能够自己添加所需要的元器件。
  Multisim以库的形式管理元器件,通过菜单Tools/ Database Management打开Database Management(数据库管理)窗口,对元器件库进行管理。
  在Database Management窗口中的Daltabase列表中有两个数据库:Multisim Master和User。其中Multisim Master库中存放的是软件为用户提供的元器件,User是为用户自建元器件准备的数据库。用户对Multisim Master数据库中的元器件和表示方式没有编辑权。当选中Multisim Master时,窗口中对库的编辑按钮全部失效而变成灰色,但用户可以通过这个对话窗口中的Button in Toolbar显示框,查找库中不同类别器件在工具栏中的表示方法。
  据此用户可以通过选择User数据库,进而对自建元器件进行编辑管理。
  在Multisim Master中有实际元器件和虚拟元器件,它们之间根本差别在于:一种是与实际元器件的型号、参数值以及封装都相对应的元器件,在设计中选用此类器件,不仅可以使设计仿真与实际情况有良好的对应性,还可以直接将设计导出到Ultiboard中进行PCB的设计。另一种器件的参数值是该类器件的典型值,不与实际器件对应,用户可以根据需要改变器件模型的参数值,只能用于仿真,这类器件称为虚拟器件。它们在工具栏和对话窗口中的表示方法也不同。在元器件工具栏中,虽然代表虚拟器件的按钮的图标与该类实际器件的图标形状相同,但虚拟器件的按钮有底色,而实际器件没有。
  从图中可以看到,相同类型的实际元器件和虚拟元器件的按钮并排排列,并非所有的是元器件都设有虚拟类的器件。
  在元器件类型列标中,虚拟元器件类的后缀标有Virtual。
  第三节 输入并编辑电路
  输入电路图是分析和设计工作的第一步,用户从元器件库中选择需要的元器件放置在电路图中并连接起来,为分析和仿真做准备。
  一、设置Multisim的通用环境变量
  为了适应不同的需求和用户习惯,用户可以用菜单Option/Preferences打开Preferences对话窗口。
  通过该窗口的6个标签选项,用户可以就编辑界面颜色、电路尺寸、缩放比例、自动存储时间等内容作相应的设置。
  以标签Workspace为例,当选中该标签时,Preferences对话框:
  在这个对话窗口中有3个分项:
  1.Show:可以设置是否显示网格,页边界以及标题框。
  2.Sheet size:设置电路图页面大小。
  3.Zoom level:设置缩放比例。
  其余的标签选项在此不再详述。
  二、取用元器件
  取用元器件的方法有两种:从工具栏取用或从菜单取用。下面将以74LS138为例说明两种方法。
  1.从工具栏取用:Design工具栏®Multisim Master工具栏®TTL工具栏®74LS按钮
  从TTL工具栏中选择74LS按钮打开这类器件的Component Browser窗口,如下图所示。其中包含的字段有Database name(元器件数据库),Component Family(元器件类型列表),Component Name List(元器件名细表),Manufacture Names(生产厂家),Model Level-ID(模型层次)等内容。
  2.从菜单取用:通过Place/ Place Component命令打开Component Browser窗口。该窗口与上图一样。
  3.选中相应的元器件
  在Component Family Name中选择74LS系列,在Component Name List中选择74LS138。单击OK按钮就可以选中74LS138,出现如下备选窗口。74LS138是译码器,用鼠标选中其中的一个放置在电路图编辑窗口中。器件在电路图中显示的图形符号,用户可以在上面的Component Browser中的Symbol选项框中预览到。当器件放置到电路编辑窗口中后,用户就可以进行移动、复制、粘贴等编辑工作了,在此不再详述。
  三、将元器件连接成电路
  在将电路需要的元器件放置在电路编辑窗口后,用鼠标就可以方便地将器件连接起来。方法是:用鼠标单击连线的起点并拖动鼠标至连线的终点。在Multisim中连线的起点和终点不能悬空。
  第四节 虚拟仪器及其使用
  对电路进行仿真运行,通过对运行结果的分析,判断设计是否正确合理,是EDA软件的一项主要功能。为此,Multisim为用户提供了类型丰富的虚拟仪器,可以从Design工具栏®Instruments工具栏,或用菜单命令(Simulation/ instrument)选用这11种仪表,在选用后,各种虚拟仪表都以面板的方式显示在电路中。 
 
四、Multisim 2001应用   
  
    全集成连续时间跨导--电容滤波器又美国的R. Shanmann、E. Sanchez-Sinencio和R. Geiger等人提出。与全集成连续时间MOSFET_C滤波器不同,它是用MOS跨导或跨导运算放大器(OTA)而不是传统的集成运算放大器作为有源增益器件。它具有如下特点:(1)工作频率高;(2)为流控或压控系统,调节方便;(3)电路简单;(4)可与现有MOS VLSI技术兼容。到目前为止,关于OTA-C滤波器的设计主要还是一些有源RC滤波器设计方法的移植。当然这对于问世不久的OTA-C技术是很自然的。但更重要的是OTA-C技术代表了一种有很大潜力的电流模式VLSI技术和信号处理方法。它在非滤波领域特别是人工神经网络的VLSI实现中的应用研究异常活跃。
    对于上述各种连续时间OTA-C滤波器的数值仿真,需用的元件是跨导运放CA3080E,其工作原理和性能特点参见有关的技术手册。根据设计者提出的滤波器参数(例如K、Q、ω0),选取对应的OTA和电容,即选取跨导和电容的值,设计工作即告完成。再通过上述Multisim进行验证。

责任编辑:童伟
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