几种常用电路仿真软件的介绍及学习资源分享

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简介 1.什么是电路模拟?

电路仿真_百度百科(baidu.com)

电子电路仿真(英文:Electronic circuit simulation)是指利用数学模型模拟电子电路真实行为的一种工程方法。

电路模拟的作用:

实际电路的成本非常高,在制作实际电路之前,可以通过仿真来验证电路的可行性。

学习电路理论比较枯燥,仿真可以查看波形,加深对理论的理解。

仿真可以方便地提供各种输入条件,从而更容易分析实际电路中难以测试的情况

电路仿真最重要的一步是搭建一个足够接近物理实现的电路。这需要你全面考虑物理世界中元器件之间的各种相互作用(比如注意各种RC寄生和热效应),并足够准确地描述这些物理量之间的相互作用(选择|写出足够准确的模型)。因此,仿真不能代替分析和计算的过程。用仿真来试验调整电路参数是不明智的。仿真最大的作用是当你脑子里有了一个清晰的想法时,充当验证。

2. 香料的历史

SPICE(Simulation program with integration circuit accent)是最常见的电路级仿真程序,各个软件厂商都提供了不同版本的spice软件,如Pspice、LTspice等,它们的仿真核心大体类似,都采用了加州大学伯克利分校开发的spice仿真算法。

做电路仿真,必须要知道什么是SPICE模型!(搜狐网)这里把spice的发展历史讲得很清楚,而且写得也很生动有趣。

【科普】芯片设计的 SPICE – 知乎 (zhihu.com)

下面介绍一些目前国际上比较流行的电路仿真软件,每个软件都有各自的优缺点,各自的专业领域,同学们可以根据自己的需求进行选择。

1. PSpice 1.1 PSpice 简介

PSPICE_百度百科(baidu.com)

PSpice可分解为P+Spice,其中P代表PC(Personal Computer,个人计算机)。

PSpice 目前是 Cadence 旗下的一款仿真软件,其绘制原理图的工具是 Orcad。当使用包含 PSpice 模型的数据库绘制原理图时,可以对实际的原理图进行微小的改动,如添加刺激、添加参数等,即可进行仿真,而不需要为仿真专门绘制额外的电路图,这带来了极大的便利。

PSpice仿真精度高,能很好的模拟真实情况;支持瞬态分析、交流分析、参数扫描、蒙特卡洛分析等多种分析类型;支持模拟电路和数字电路仿真。

依托于Cadence的知名度,PSpice也成为了当今世界上使用人数最多、应用范围最广、最流行的电路仿真软件,也是我最主要的电路仿真软件。

1.2 PSpice 学习资源 Cadence 官方微信公众号的中文 PSpice 教程质量较高。 PSpice 仿真培训 | 从入门到精通的 21 周学习计划 (scrmtech.com)

在 Orcad 中,按 F1 打开帮助并搜索 PSpice 以打开 PSpice 应用程序参考手册。

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优质参考书:《基于OrCADCapture和PSpice的模拟电路设计与仿真》、《PSpice元件模型建立及应用》、《PSpice与MATLAB集成电路仿真与分析》(原书第2版),张东辉主编;《开关电源仿真PSpice及SPICE3应用》[美]Steven M.Sandler

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1.3 PSpice 的使用

原理图绘制界面如下图所示,值得一提的是,更新到Cadence 17.4之后,可以通过PSpice Part Search和Modeling Application来放置PSPICE模型,比原来的Place part方法方便很多。

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波形观察界面:

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1.4 PSpice 与 PSpice for TI 的关系

PSpice for TI 是 TI 在推广自家的仿真软件 Tina 失败(Tina 一直没火起来)后,与 Cadence 联合推出的一款仿真软件。它和 PSpice 唯一的区别就是 PSpice for TI 自带了 TI 元器件的仿真模型,可以直接调用,而且是免费的,所以如果只是仿真的话,用 PSpice for TI 是完全没问题的。

2. LTspice 2.1 LTspice 简介

LTspice® 是一款高性能 SPICE 仿真器软件,包含原理图捕获图形界面。可以探测原理图以生成仿真结果,并可使用 LTspice 内置波形查看器轻松探索这些结果。与其他 SPICE 解决方案相比,LTspice 的增强功能和模型改进了模拟电路仿真。

LTspice中的LT指的是Linear Technology Corporation,一家高性能线性集成电路制造商。LTspice最初是Linear Technology Corporation推出的免费电路仿真软件。后来Linear Technology被ADI收购,LTspice也成了ADI旗下的。

现在(2022年9月23日),LTspice已经发展到LTspice XVII(罗马数字17)版本,性能已经非常强大。LTspice自带了ADI几乎所有的元件模型和模型测试电路。ADI的元件种类丰富,大大方便了电路仿真。

LTspice与PSPICE相比,免费、安装包小、仿真速度更快、仿真结果足够详细,这些优点使得LTspice在高校教学中得到广泛的应用,国内外很多高校教师都热衷于这款软件。

2.2 LTspice 学习资源

LTspice电路仿真从入门到精通,LTspice视频教程,LTspice中文教程_哔哩哔哩_bilibili 非常详细的视频教程,详细到语焉不详,里面有一些非常实用的小技巧分享,耐心看完,跟着做一遍,基本就可以入门了

LTspice官方教程 | 运放电路仿真实战系列(全16节)_bilibili_bilibili ADI官方视频教程,介绍了几种常用的电路分析类型,仿真不收敛的解决方法以及如何导入spice模型。视频简洁高效,但有一定的门槛,适合有一定基础的人观看

ADI LTspice IV Getting Started Guide.pdf,不是最新版的LTspice,但是操作基本是一样的

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电路初学者的LTspice操作教程一步一步 – 知乎 (zhihu.com)

打开LTspice,按F1打开LTspiceHelp,这个应该是最权威的教程了,很详细,但是全英文的不太友好,不过如果想深入学习LTspice,一定要学会看Help。

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2.3 LTspice 用法

原理图界面及波形观察界面:

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3. Multisim 3.1 Multisim简介

multisim_百度百科(baidu.com)

Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的一款基于Windows的仿真工具,适用于板级模拟/数字电路板设计,包括电路原理图的图形输入和电路硬件描述语言的输入方式,具有丰富的仿真分析功能。

工程师可以使用 Multisim 以交互方式构建电路原理图并仿真电路。Multisim 提炼了 SPICE 仿真的复杂内容,使工程师无需深入了解 SPICE 技术即可快速捕获、仿真和分析新设计,这也使其更适合电子教育。通过 Multisim 和虚拟仪器技术,PCB 设计工程师和电子教育工作者可以完成从理论到原理图捕获和仿真再到原型设计和测试的完整而全面的设计过程。

Multisim 的历史可以在本文中找到:

简单来说,Multisim 的前身是 EWB,原本是加拿大互动图像技术公司(IIT)在 80 年代末推出的一款专门用于电子电路仿真的软件,全称为 Virtual Electronics Workbench(EWB),用来仿真数字电路、模拟电路以及模数混合电路,也是基于 Spice 模型开发的。在之前一篇博文讲 Spice 的发展历史的时候,曾经提到过 EWB。

后来IIT推出EWB5.0之后,就把这个软件改名为Multisim。2005年,NI收购了IIT,Multisim开始归属NI旗下。NI旗下另外一个著名的软件是LabView,收购之后NI把Labview中的虚拟仪器整合到了Multisim中,并且开放了LabView的接口,这样Multisim就可以很方便的和LabView交互了。虚拟仪器以及和Lab​​View交互的能力也成为了Multisim的优势。

Multisim开发较早,上手容易,在我国高校教学中得到广泛应用。许多高校教师在教学中使用Multisim,直观地向学生展示电路原理。但是Multisim的模型没有Pspice详细,软件功能各方面也没有Pspice强大。而且Multisim是一个孤立的仿真软件,没有与之配套的原理图工具和PCB工具,也没有与之合作的元器件厂家。因此在工程领域,很少有人会使用Multisim,喜欢结果准确、功能强大的会选择Pspice,喜欢仿真速度快、功能轻量级的会选择免费的LTspice。Multisim与这两者相比,没有优势,所以Multisim的使用基本局限于高校教学。

3.2 Multisim 学习资源

我个人对Multisim只是粗略的了解,并没有深入使用过,简单放几个链接,供有兴趣的同学参考:

Multisim仿真教程【史上最好看】_bilibili_bilibili

Multisim软件详细使用入门教程(附图文) – 腾讯云开发者社区 – 腾讯云(tencent.com)

四、MATLAB/Simulink 4.1 Simulink 简介

SIMULINK_百度百科(baidu.com)

Simulink是美国Mathworks公司推出的MATLAB中的可视化仿真工具。Simulink是一个用于多领域仿真和基于模型设计的框图环境。它支持嵌入式系统的系统设计、仿真、自动代码生成和持续测试与验证。Simulink提供图形化编辑器、可自定义的模块库和求解器,可以对动态系统进行建模和仿真。

Simulink 与 MATLAB 集成,允许您将 MATLAB 算法集成到 Simulink 中的模型中,并将仿真结果导出到 MATLAB 进行进一步分析。Simulink 用于汽车、航空、工业自动化、大规模建模、复杂逻辑、物理逻辑、信号处理等。

Simulink 功能非常强大,几乎在各个行业都有使用。不过主要用在系统仿真和算法仿真上。电路仿真不是 Simulink 擅长的,但通常为了验证一些电路控制算法,会在 Simulink 中搭建电路进行仿真,比如仿真一些电源拓扑,如移相全桥、LLC 等。

Simulink 并非基于 Spice,器件厂商也不提供 Simulink 模型,因此我们在 Simulink 中搭建电路时,使用的是理想模型,而不是实际的器件模型,这就导致一些使用器件寄生参数的电路,如文氏电桥振荡电路,在 Simulink 中仿真失败,因为没有寄生参数,电路就不会振荡。

一般来说,如果要精确仿真模拟电路,不建议使用Simulink。但如果要进行系统仿真、算法验证、电路拓扑原理分析等,Simulink是比较适合的。

4.2 Simulink 学习资源

Simulink的学习资源很多,包括书籍、视频、PDF、官方帮助文档等,可以参考:

如何学习simulink仿真? – 知乎 (zhihu.com)

Simulink 文档 – MathWorks 中国

4.3 Simulink 的使用

在 Simscape 库中可以找到许多组件。

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5.其他电路仿真软件

除了上面介绍的四款比较流行的电路仿真软件外,还有一些不太流行的,下面我就简单介绍一下我个人比较了解的几款。

5.1 军刀

Saber 主要用在电源领域,我用过很多次,总结两个字——折磨。当初用 Saber 是因为它的仿真精度高,但是这个软件很不稳定,很容易报一些莫名其妙的错误,而且这个软件的界面很混乱,全是黑的,不到万不得已,建议大家还是不要用了。

5.2 变形杆菌

Proteus (EDA工具软件)_百度百科(baidu.com)

Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司发布的一款EDA工具软件,它不仅具备其他EDA工具软件的仿真功能,还可以对单片机及外围器件进行仿真,是一款比较优秀的单片机及外围器件仿真工具。虽然在国内才刚刚开始推广,但已经受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

仿制微控制器在微控制器领域比较流行,但我从来没有用过。

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5.3 Altium Designer

altium_百度百科(baidu.com)

AD也是比较流行的原理图设计和PCB设计工具,但是其仿真功能一直比较弱,从未在实际中使用过。

5.4 易创EDA

LiChuang EDA 是一款国产的EDA工具,它的基础版有仿真模式,可以进行简单的仿真,我个人用的是专业版,暂时没有仿真功能,等专业版有仿真功能了再去试试。

EasyEDA 仿真快速入门_Bilibili_bilibili

5.5 everycircuit(手机APP及网页版)

EveryCircuit – 主页

一个可以在手机上模拟电路的软件,也有网页版,是收费软件(我记得是98元),大概可以当玩具用吧。

5.6 其他

如果有一些我不知道的优秀的电路仿真软件,请在评论部分告诉我。

6. 概要 功能软件名称 PspiceLTspiceMultisimSimulink

受欢迎程度

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☆☆☆☆☆

☆☆☆☆

☆☆☆

☆☆☆☆☆

适用范围

模拟/数字电路仿真

模拟/数字电路仿真

模拟/数字电路仿真

(大学教学)

系统仿真、算法验证

功能

很强大

强大的

强大的

很强大

模型类型

SPICE 模型

SPICE 模型

SPICE 模型

理想模型/spice模型(可与PSPICE联合仿真)

模拟速度

慢的

快点

快的

慢的

收敛

经常不收敛

偶尔不克制

收敛

偶尔不克制

准确性

非常精确

准确的

准确的

一般来说

困难

☆☆☆☆☆

☆☆☆☆

☆☆☆

☆☆☆☆☆

推荐:

如果您拥有一台功能强大的计算机,并且想要非常精确的模拟结果,建议使用PSPICE。

如果不是特别要求结果准确,想快速验证电路功能或者了解电路原理的话,建议使用LTSPICE。

除了大学生用来完成作业以外,不推荐使用Multisim。

Simulink不推荐用于板级电路,特别是模拟电路仿真。

特别提醒:仿真最重要的是建立符合实际情况的模型,对仿真结果有清晰的认识,不能代替计算分析,但适合用来验证。

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