仿真技术在电子产品优化设计中的应用

1 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。
 
2 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

图7 仿真参数设置对话框

  

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。

 

3 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

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。

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。

      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。

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。
 
4 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。