Altium Designer中的電路仿真

Kivy · 發(fā)表于 2015-2-13 16:18:41

今天看了下 Altium designer的電路仿真功能，發(fā)現(xiàn)它還是蠻強(qiáng)大的，按著help里面的文檔《TU0106 Defining & running Circuit Simulation analyses.PDF》跑了一下，覺得還行，所以就把這個文檔翻譯下。

   其中包含了仿真功能的介紹，元件仿真模型的添加與修改，仿真環(huán)境的設(shè)置，等等。本人對SPICE仿真了解的不多，里面涉及到SPICE的文件如果有什么錯誤，歡迎提出！
一、電路仿真功能介紹    Altium Designer的混合電路信號仿真工具，在電路原理圖設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)對數(shù)�；旌闲盘栯娐返墓δ茉O(shè)計(jì)仿真，配合簡單易用的參數(shù)配置窗口，完成基于時序、離散度、信噪比等多種數(shù)據(jù)的分析。Altium Designer可以在原理圖中提供完善的混合信號電路仿真功能 ,除了對XSPICE標(biāo)準(zhǔn)的支持之外，還支持對Pspice模型和電路的仿真。
   Altium Designer中的電路仿真是真正的混合模式仿真器，可以用于對模擬和數(shù)字器件的電路分析。仿真器采用由喬治亞技術(shù)研究所（GTRI）開發(fā)的增強(qiáng)版事件驅(qū)動型XSPICE仿真模型，該模型是基于伯克里SPICE3代碼，并于且SPICE3f5完全兼容。
   SPICE3f5模擬器件模型：包括電阻、電容、電感、電壓/電流源、傳輸線和開關(guān)。五類主要的通用半導(dǎo)體器件模型，如diodes、BJTs、JFETs、MESFETs和MOSFETs。
   XSPICE模擬器件模型是針對一些可能會影響到仿真效率的冗長的無需開發(fā)局部電路，而設(shè)計(jì)的復(fù)雜的、非線性器件特性模型代碼。包括特殊功能函數(shù)，諸如增益、磁滯效應(yīng)、限電壓及限電流、s域傳輸函數(shù)精確度等。局部電路模型是指更復(fù)雜的器件，如用局部電路語法描述的操作運(yùn)放、時鐘、晶體等。每個局部電路都下在*.ckt文件中，并在模型名稱的前面加上大寫的X。
   數(shù)字器件模型是用數(shù)字SimCode語言編寫的，這是一種由事件驅(qū)動型XSPICE模型擴(kuò)展而來專門用于仿真數(shù)字器件的特殊的描述語言，是一種類C語言，實(shí)現(xiàn)對數(shù)字器件的行為及特征的描述，參數(shù)可以包括傳輸時延、負(fù)載特征等信息；行為可以通過真值表、數(shù)學(xué)函數(shù)和條件控制參數(shù)等。它來源于標(biāo)準(zhǔn)的XSPICE代碼模型。在SimCode中，仿真文件采用ASCII碼字符并且保存成.TXT后綴的文件，編譯后生成*.scb模型文件�？梢詫⒍鄠€數(shù)字器件模型寫在同一個文件中。
Altium Designer可實(shí)現(xiàn)如下功能：
1、仿真電路建立及與仿真模型的連接
AD 中由于采用了集成庫技術(shù)，原理圖符號中即包含了對應(yīng)的仿真模型，因此原理圖即可直接用來作為仿真電路，而99SE中的仿真電路則需要另行建立并單獨(dú)加載各元器件的仿真模型。
2、外部仿真模型的加入
AD中提供了大量的仿真模型，但在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中仍然需要補(bǔ)充、完善仿真模型集。一方面，用戶可編輯系統(tǒng)自帶的仿真模型文件來滿足仿真需求，另一方面，用戶可以直接將外部標(biāo)準(zhǔn)的仿真模型倒入系統(tǒng)中成為集成庫的一部分后即可直接在原理圖中進(jìn)行電路仿真。
3、仿真功能及參數(shù)設(shè)置
Altium Designer的仿真器可以完成各種形式的信號分析，在仿真器的分析設(shè)置對話框中，通過全局設(shè)置頁面，允許用戶指定仿真的范圍和自動顯示仿真的信號。每一項(xiàng)分析類型可以在獨(dú)立的設(shè)置頁面內(nèi)完成。Altium Designer中允許的分析類型包括：
1)直流工作點(diǎn)分析
2)瞬態(tài)分析和傅立葉分析
3)交流小信號分析
4)阻抗特性分析
5)噪聲分析
6)Pole-Zero（臨界點(diǎn)）分析
7)傳遞函數(shù)分析
8)蒙特卡羅分析
9)參數(shù)掃描
10)溫度掃描等

二、操作步驟

2.1、使用Altium Designer仿真的基本步驟如下：

1)裝載與電路仿真相關(guān)的元件庫

2)在電路上放置仿真元器件（該元件必須帶有仿真模型）

3)繪制仿真電路圖，方法與繪制原理圖一致

4)在仿真電路圖中添加仿真電源和激勵源

5)設(shè)置仿真節(jié)點(diǎn)及電路的初始狀態(tài)

6)對仿真電路原理圖進(jìn)行ERC檢查，以糾正錯誤

7)設(shè)置仿真分析的參數(shù)

8)運(yùn)行電路仿真得到仿真結(jié)果

9)修改仿真參數(shù)或更換元器件，重復(fù)5~8的步驟，直至獲得滿意結(jié)果。

2.2、具體實(shí)現(xiàn)電路仿真的整個過程2.2.1、創(chuàng)建工程

1)在工具欄選擇File » New » Project » PCB Project，創(chuàng)建一個PCB工程并保存。

2)在工具欄選擇File » New » Schematic，創(chuàng)建一個原理圖文件并保存。

2.2.2、原理圖展示

測試電路如圖1：

圖1

2.2.3、編輯原理圖1、放置有仿真模型的元件

根據(jù)上面的電路，我們需要用到元器件“LF411CN”，點(diǎn)擊左邊“Library”標(biāo)簽，使用search功能查找LF411CN。找到LF411CN之后，點(diǎn)擊“Place LF411CN”，放置元件，若提示元件庫未安裝，需要安裝，則點(diǎn)擊“yes”，如圖2：

圖2

在仿真元件之前，我們可以按“TAB”鍵打開元件屬性對話框，在“Designator”處填入U1；接著查看LF411CN的仿真模型：在左下角Models列表選中Simulation，再點(diǎn)擊“Edit”，可查看模型的一些信息，如圖3。

圖3

從上圖可以看出，仿真模型的路徑設(shè)置正確且?guī)斐晒Π惭b。點(diǎn)擊“Model File”標(biāo)簽，可查看模型文件（若找不到模型文件，這里會有錯誤信息提示），如圖4。

圖4

點(diǎn)擊“Netlist Template”標(biāo)簽，可以查看網(wǎng)表模板，如圖5。

圖5

至此，可以放置此元件。

2、為元件添加SIM Model文件

用于電路仿真的Spice模型（.ckt和.mdl文件）位于Library文件夾的集成庫中，我們使用時要注意這些文件的后綴。模型名稱是模型連接到SIM模型文件的重要因素，所以要確保模型名稱設(shè)置正確。查找Altium集成庫中的模型文件步驟如下：點(diǎn)擊Library面板的Search按鈕，在提示框中填入：HasModel('SIM','*',False)進(jìn)行搜索；若想更具體些可填入：HasModel('SIM','*LF411*',False)。

若我們不想讓元件使用集成庫中提供的仿真模型，而想用別的模型代替，我們最好將別的模型文件復(fù)制到我們的目標(biāo)文件夾中。

如果我們想要用的仿真模型在別的集成庫中，我們可以：

1)點(diǎn)擊File » Open，打開包含仿真模型的庫文件(.intlib)。

2)在輸出文件夾（打開集成庫時生成的文件夾）中找到仿真文件，將其復(fù)制到我們自己的工程文件夾中，之后我們可以進(jìn)行一些修改。

復(fù)制好模型文件，再為元器件添加仿真模型。為了操作方便，我們直接到安裝目錄下的“Examples/CircuitSimulation/Filter”文件夾中，復(fù)制模型文件“LF411C.ckt”到自己的工程文件夾中，接下來的步驟：

1)在Project面板中，右擊工程，選擇“Add Existing to Project”，將模型文件添加到本工程中。

2)雙擊元件U1，打開元件屬性對話框，在Model列表中選擇Simulation，點(diǎn)擊Remove按鈕，刪除原來的仿真模型。

3)點(diǎn)擊Model列表下方的Add下拉按鈕，選擇“Simulation”

4)在Model Sub-Kind中選擇“Spice Subcircuit”，使得Spice的前綴為“X”

5)在Model Name中輸入“LF411C”，此時AD會搜索所有的庫，來查詢是否有與這名稱匹配的模型文件。如果AD找到一個匹配的文件，則立即停止尋找。對于不是集成庫中的模型文件，AD會對添加到工程的文件進(jìn)行搜索，然后再對搜索路徑（Project » Project Options）中的文件進(jìn)行搜索。如果找不到匹配的文件，則有錯誤信息提示。

6)最后的步驟是檢查管教映射是否正確，確保原理圖中元件管腳與模型文件中管腳定義相匹配。點(diǎn)擊“Port Map”，如圖6：

圖6

修改管腳映射，在Model Pin列表下拉選擇合適的引腳，使其和原先的SIM模型（LF411_NSC）相同。我們可以點(diǎn)擊Netlist Template 標(biāo)簽，注意到其模型順序?yàn)?strong>1，2，3，4，5；如圖7：

圖7

這些和Model File標(biāo)簽中的.SUBCKT頭相對應(yīng)，如圖8：

圖8

因此，在“Port Map”標(biāo)簽中的“Model Pin”列表中，我們可以看到1(1), 2(2), 3(3), 4(4), 5(5),被列舉出來，其中第一個數(shù)字就是模型管腳（就是Netlist Template中的%1，%2等），而subcircuit的頭則對應(yīng)著小括號里面的數(shù)字。在Spice netlist中，我們需要注意其中節(jié)點(diǎn)的連接順序，這些必須和.SUBCKT頭中的節(jié)點(diǎn)順序相匹配。

Netlist 頭描述了每個管腳的功能，根據(jù)這些信息我們可以將其連接到原理圖管腳，如：1(1)是同相輸入，故需連接到原理圖管腳3。

原先的管腳映射和修改的管腳映射如圖9：

圖9

之后點(diǎn)擊“OK”，完成自定義仿真模型的添加。

3、放置有仿真模型的電阻電容

放置電阻前，我們可以按“TAB”鍵，打開元件屬性窗口，設(shè)置電阻值；在Model列表中，選中“Simulation”，點(diǎn)擊“Edit”，查看仿真模型屬性。一般系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置就是正確的，如果沒修改過，應(yīng)該有如圖10屬性：

圖10

同理，放置電容的情況也一樣，先設(shè)置電容值，再查看仿真模型屬性，如圖11：

圖11

4、放置電壓源

1)首先放置VDD電源。使用“Library”面板的search功能，檢索關(guān)鍵字“VSRC”；查找到“VSRC”之后，雙擊元件，若提示集成庫未安裝則安裝，其集成庫為“Simulation Sources.IntLib”。

2)在放置元件前，按“TAB”鍵，打開元件屬性對話框，再編輯其仿真模型屬性，先確保其“Model Kind”為“Voltage Source”，“Model Sub-Kind”為“DC Source”。

3)點(diǎn)擊“Parameters”標(biāo)簽，設(shè)置電壓值，輸入“5V”，并使能“Component Parameter”，之后點(diǎn)擊OK，完成設(shè)置。如圖12：

圖12

4)同理放置VSS，并設(shè)置其電壓值為“-5V”

5)最后添加正弦信號輸入：同樣是Simulation Sources.IntLib中的VSRC，打開其仿真模型屬性對話框，設(shè)置“Model Kind”為“ Voltage Source”，而“Model Sub-Kind”設(shè)置為“Sinusoidal”。

6)點(diǎn)擊“Parameters”標(biāo)簽，設(shè)置電壓值，可按如圖13設(shè)置：

圖13

之后點(diǎn)擊OK，設(shè)置完成，放置信號源。

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