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公司新闻

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仿真技术在电子产品优化设计中的应用

发布时间:2013-09-26

浏览次数:5

引言
      随着电子工业和微电子设计技术与工艺的飞速发展,电子信息类产品的开发周期明显缩短,为了满足社会发展的需要,效率、便捷的电子设计自动化(EDA)软件应运而生。Altium Designer就是这些软件中的典型代表,将多类设计进行融合,不仅延续了Protel强大的PCB设计功能,也提供了完善的EDA开发功能。Altium Designer软件将不同企业的FPGA开发环境、电子产品的板级设计、可编程逻辑设计、嵌入式设计、IP软核工程设计操作流程等进行了统一,可在单一的设计环境中完成电子产品设计,提高电子产品设计的效率。工程实践表明,采用先进的集成化仿真工具可以加速新电子产品的开发进程。下面以低通滤波电路设计为例,讨论Altium Designer仿真软件在电子产品优化设计中的应用。
 
低通滤波电路设计

      低通滤波电路原理如图1所示。借助Altium Designer软件,其设计仿真步骤为:1)加载仿真需要的仿真库文件;2)在原理图中添加激励源,在节点处设置网络标号;3)对原理图进行编译(Compile),确保原理图正确无误;4)设置电路初始条件,确定分析电路,设置仿真器参数;5)对仿真结果进行调试,使设计优化。




图1 低通滤波电路原理图

  


2.1 放置元器件
      以放置运算放大器AD645AH为例,按图2所示的对话框设置查找条件,按“Search”按钮,找到器件后显示图3所示的Libraries面板,点击“Place AD645AH”,放置器件。打开“Component Properties”设置对话框,在“Designator”处将器件序号设为U1,选择“Models for U? -AD645AH”栏的“Simulation”,再按“Edit”按钮,弹出图4所示的对话框。



图2 在系统提供的库内查找元器件




图3 元器件仿真模型




图4 查看仿真模型信息


      从图4可见,其仿真模型库文件安装正确,点击“Model File”标签,显示模型文件,如图5所示,将AD645AH放置到原理图中。





图5 模型文件


      同理,在Libraries面板中,选择“Miscellaneous Devices.Int Lib库”,放置电阻、电容、电源(Vcc和VDD)、地(GND)。


2.2 添加激励源

      在Libraries库面板中,按“Libraries”按钮,弹出Available Libraries对话框,安装Simulation Sources.IntLib库文件。在“Designator”处将器件序号设为12Vpos,将“Value”设为+12V,选择“Simulation”,按“Edit”按钮,弹出图6所示的直流电压源仿真模型对话框,然后在电路图中放置直流电压仿真电源VSRC;用同样方法放置-12V的直流电压仿真电源VSRC。





图6 直流电压源仿真模型


      放置周期性脉冲仿真电压源VPULSE,设置对话框,选择“Simulation”,按“Edit”按钮,弹出Sim Model仿真设置对话框,选择“Parameters”(参数)标签,如图7所示。





图7 仿真参数设置对话框


    如图7所示,设置周期性脉冲仿真电压源VPULSE的值后,按“OK”按钮,放置脉冲仿真电压源。在此设置一个频率为1kHz、幅度为1V的方波信号,以便对滤波器功能进行显示。

  

2.3 检查原理图

      执行“Wire”命令,连接电路。执行“Net Label”命令,放置网络标号“IN”和“OUT”,以便于观察这两点的波形。设计的原理图如图1所示。对原理图进行编译,如果有错,修正错误,直到原理图无误为止。
 
仿真分析
      在Analyses Setup中,对话框如图8所示,常见的仿真分析如表1所示。





图8 仿真分析设置对话框


表1 Altium Designer常见的仿真分析




3.1 一般设置
      执行菜单Design→Simulate→Mixed Sim命令,弹出图8所示的仿真分析设置(Analyses Setup)对话框。在Active Signals(显示信号)区域添加需要查看节点的网络标号:IN和OUT,其他设置按图8的参数进行。

3.2 瞬态分析
      在Transient Analysis选项后面选中“Enabled”栏,并单击“Transient Analysis”,仿真设置对话框的右边显示瞬态分析参数设置,勾选“Use Inrtial Conditions”(使用初始条件),在仿真时将调用系统设置的电路初始参数;勾选“Use Transient Defaults”(使用瞬态分析缺省值),如图9所示,按“OK”按钮,退出该对话框。


图9 瞬态分析参数设置对话框


      执行菜单Design→Simulate→Mixed Sim命令,系统进行直流工作点分析和瞬态分析,其仿真波形如图10所示。仿真波形窗口的下面有两个标签,可以选择查看直流工作点分析结果和瞬态分析结果。



图10 瞬态分析仿真波形

3.3 交流小信号分析
  交流小信号分析用于对电路频率响应特性进行分析,显示其系统性能,有助于滤波器设计。通过设置交流信号分析的频率范围,系统将显示该频率范围内的增益。图9中,在“AC Small Signal Analysis”选项后面选中“Enabled”栏,单击“ACSmall Signal Analysis”,对话框显示如图11所示。




图11 交流小信号分析参数设置对话框


      Start Frequency参数用作交流小信号分析的起始参数扫描分析频率,设置为0.1Hz(图中表示为100.0m);Stop Frequency参数用作交流小信号分析的终止频率,设置为2 kHz;Test Points参数表示进行测试的点数;Total Test Points参数表示总的测试点数;Sweep参数用于设置交流小信号分析的频率扫描方式,系统提供了三种频率扫描方式,Linear项表示对频率进行线性扫描,Decade项表示采用10的指数方式进行扫描,Octave项表示采用8的指数方式进行扫描。选择Linear(线性)扫描,仿真波形如图12所示。



图12 交流小信号分析波形
3.4 参数扫描分析
     电路设计时,参数扫描分析用于电路参数的优化设计,以寻找设计参数。图11中,在“Parameter Sweep”选项后面选中“Enabled”栏,单击“Parameter Sweep”,对话框显示如图13所示。



图13 参数扫描分析设置对话框

     由fc=1/2πRC可知,电阻越大,频率越低,所以选电阻R4作为参数扫描的对象,按照表2设置R4的值。

表2 扫描参数分析设置对话框


      设置好参数后,按“OK”按钮退出设置对话框。单击对应的按钮可进行参数扫描分析。系统在仿真时,自动改变被扫描的电参数值,并进行重复分析,从而得到在不同参数条件下电路的输入输出关系。仿真结果如图14和图15所示,方波为电路输入的信号,在R4取不同值的情况下,得到的输出波形由5条曲线组成,随着电阻值的增大,滤波效果越来越明显。



图14 参数扫描瞬态分析仿真波形



图15 参数扫描交流小信号分析波形


      如果要进行多参数的扫描分析,可以将图13中“Enable Secondary”后面的值选中,这时,会出现与上面一样的参数,用于输入第二个扫描的参数及其设置。这时,仿真重复的次数为两个参数分别扫描时扫描次数的乘积。一次至多可以对两个电参数进行扫描分析。
进行电参数扫描分析时,必须同时选中瞬态分析和交流小信号。因为电参数扫描分析总是依赖于其他类型的分析,它只是一种控制方法,借助改变电参数,以分析电路的某些性能,使之达到优化设计。
 
结束语
    在电子产品设计中,Altium Designer软件环境提供了一个包括电路原理图绘制、元件放置、工作点设置、系统仿真及设计参数修改等在内的完整设计平台。在获得满意的仿真结果后,可以按照仿真参数完成PCB板制作。工程实践表明,借助先进的仿真软件,可以缩短电子新产品开发周期,提高设计效率,促进电子产品设计的优化。