电子电路仿真设计与制版软件.docx
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电子电路仿真设计与制版软件
电子电路仿真设计与制版软件
21世纪,是一个科技迅猛发展、计算机普及应用的信息时代。
计算机技术己经
成熟,
并己渗透到人们的科研、生产、工作、生活等各个领域。
对于年轻人来说,不会
计算机就等于昔日的文盲,你将在现代社会中寸步难.・.
21世纪,是一个科技迅猛发展、计算机普及应用的信息时代。
计算机技术己经成熟,并已渗透到人们的科研、生产、工作、生活等各个领域。
对于年轻人来说,不会计算机就等于昔日的文盲,你将在现代社会中寸步难行;同样,作为新一代的电子工程师,不懂使用EDA(E1ectronicDesignAutomation,电子设计自动化)软件设计电子线路,也是一件不可思议的事。
提到电子设计自动化,还得从上世纪80年代,世界上许多公司相继推岀用于微机系统的电子CAD(ComputerAidedDesign,计算机辅助设计)软件说起。
世界上许多公司为了自己的CAD软件能在激烈的市场竞争中占有一席之地,纷纷推出具有自己公司特色的CAD软件,经过多年的实践检验、不断修改和完善,或优存劣汰,或收购兼并,或强强联合,CAD技术己日臻成熟。
CAD是一种通用技术,除了在机械、建筑等其它许多行业得到广泛应用之外,借助美国加洲大学伯克利分校的SPICE3f5/XSPICE作为仿真引擎,世界上许多公司还推岀各种用于电子行业的优秀EDA软件;从另一个角度讲,CAD(计算机辅助设计)是电子设计的物理级初级阶段;CA玖计算机辅助工程)是电路级设计阶段;EDA(电子设计自动化)是高级的电子系统设计阶段。
衡量一个软件的优劣,其中一个很现实的标准就是看它的市场占有率,也就是它的普及和流行程度。
正如鲁迅先生所说:
“其实地上本没有路,走的人多了,也便成了路。
”说到EDA软件,美国Cadence公司的OrCAD、加拿大InteractiveImageTechno1ogies公司的EWB、澳大利亚Altium公司的PROTEL、美国MentorGraphics公司的PADS都是其中有代表性的佼佼者。
有志成为电子工程师的年轻人,如何借助计算机掌握电子电路的仿真设计和制版技术,不仅是从事电子行业人员的基木功和技术要求,更是时代的一种潮流。
结合我们的经验,在电子电路的仿真设计和制版软件选用方面谈一点肤浅看法,与广大读者商讨交流。
[ncxt]
一、美国Cadence公司的OrCAD软件
Cadence公司的0rCAD软件,是世界上应用最广的EDA软件之一,是EDA软件中一个比较突岀的代表。
可以说,近年来其攻占EDA盟主宝座的企图是很明显的,早在1983年就与开发pspice软件的MicroSim公司实现了强强联合,推出了可在PC机上运行的OrCAD/Pspicel,后来Cadence公司又并购了一流的PCB布线软件厂,使其拥有了绝佳的电路仿真和制板能力,给人以“所有好东西都集合在一起了”的感觉。
OrCAD软件功能强大,而且它的界面友好、直观,在国外使用广泛,欧美地区有相当数量的电子工程师都在使用它。
由于OrCAD软件进入我国时间比较晚,可参考书籍资料又比较少;该软件设置了防盗狗,其正版售价又是众多EDA软件中最高的,这些都是造成在国内使用普及率较低的原因。
但随着我国电子行业飞速发展,使用OrCAD软件的用户呈逐年增长的趋势。
从早期版木工作于DOS环境的6CAD4.0,发展到现在最新的OrCAD10・5,OrCAD软件集成了电原理图绘制、印制电路板设计、数字/模拟电路仿真、可编程逻辑器件设计等等功能,它的元器件库也是所有EDA软件中最丰富的,在世界上它一直是EDA软件的首选。
Cadenee公司己成为世界上最强大的开发EDA软件的公司之一。
OrCAD软件系统中主要包括:
OrCAD/CaptureCIS(电路图设计);OrCAD/PspiceA/D(数/模混合模拟);OrCAD/LayoutPlus(PCB设计)等,其中每一个部分可以根据需要单独使用,又有下面图1的内在联系,共同组成完整的EDA系统。
OrCAD软件系统的几个主要软件的功能及特点:
1、0rCAD/CaptureCIS:
它是OrCAD软件包中的共用软件,也是其它两个软件的基础。
从图1可以看出:
在调用0rCAD/PspiceA/D和OrCAD/LayoutP1us之前,都需要先运行它,它是一个功能强大的电路原理图设计软件。
除了可以生成各类电路原理图外,与其它电路图绘制软件相比,CaptureCIS软件中还有明显特点的元器件信息系统模块CIS(ComponentInformationSystem)。
该信息系统模块除了可以对元件库中4万多种元器件实施高效的管理以外,还具有ICA(InternetComponentAssistant)功能,可以在设计电路图的过程中,通过Internet网上其它元器件数据库中查阅到百万多种元器件,并可以根据绘图需要将它们调入电路图或添加到自己的库文件中;用Capture软件绘制的电路图完成成后,还可以直接调用0rCAD/Pspice软件进行仿真,也可以进入OrCAD/LayoutPlus软件进行制板设计;OrCAD
/CaptureCIS操作界面友好、直观形象、使用方便;操作功能强大、灵活,项目管理
科学有效,适应性很强,支持国际上多种标准。
图2是用OrCAD/CaptureCIS软件进行电路原理图设计举例。
图2
2、Oi-CAD/PspiceA/D:
这是一个通用电路模拟软件,除了对数字电路和数/模混合电路模拟外,还具有优化设计的功能。
该软件中的obe模块,相当于一台“虚拟示波器”不但可以在模拟结束后显示结果信号波形,而且可以对波形进行各种运算处理,包扌舌提取电路特性参数、分析电路参数与元器件参数的关系,使分析过程更加方便直观。
2001年前后OrCAD公司推岀0rCAD/Pspice9.2版本,图3是用OrCAD/Pspice9.2模拟仿真显示的波形举例。
图3
3、OrCAD/LayoutPlus:
这是一个印制电路版PCB设计软件,可以直接将生成的电路图通过手工或自动布局布线方式转为PCB设计。
OrCAD/Capture软件具有高水平的设计指标:
可设计的最大电路板尺寸为68(英寸几层次可达30层;布线最高分辨率为1微米;放置元器件时旋转角度可精确到1分。
另外还有自动推挤、矩阵布局、智能化敷铜、与多种PCB设计软件可进行数据交换,包括-与多种机械CAD软件交换数据,生成3维轮廓图形等功能。
它的元器件封装库非常丰富,并且可以通过库管理器(Library
Manager)对封装库进行编辑、修改和添加新的封装,OrCAD/LayoutP1us软件在PCB制板界以其功能强大著称,是一款名副其实的高档、专业PCB设计EDA软件。
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二、加|拿大InteractiveImageTechnologies公司的EWB软件
EWB(ElectronicsWorkbench)是加拿大InteractiveImageTechno1ogies(IIT)公司于1988年推出的颇具特色的EDA软件,曾风靡全世界。
到目前为止,至少有35个国家、被译成10多种语言在使用。
它以其界而形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用等突岀优点,早在上世纪90年代就在我国得到迅速推广,许多大专院校把EWB5.0编入教材,作为电子类专业课程教学和实验的一种辅助手段。
跨入21世纪初,加拿大IIT公司在保留原版木的优点基础上,增加了更多功能和内容,将EWB5.0版本更新换代推出EWB6.0,并更名为MultiSIM(Multi:
多重、万能;SIM:
仿真),即Mu1tisim2001,2003年升级为Mu1tisim7,2005年初又在其官方网站上发布Multisim8.0。
相比之下Muitisim7版木比较成熟稳定,功能己十分强大,能胜任电路分析、模拟电路、数字电路、高频电路、RF电路、电力电子及自控原理等各方面的虚拟仿真;并提供多达18种基木分析方法。
目前,加拿大IIT公司官方网站还在不断发布Muitisim8.0的补丁,己求尽善尽美。
(一)、电子仿真软件Muitisim7的主要特色功能有以下一些:
1、基木界面如图4所示,左侧有两列共23个元件箱,分门别类地集中了各种仿真元件可供调用;右侧有17种虚拟仪器可不受数量限制调用;中间是电路的搭建和仿真操作平台。
2、Multisim7软件提供的18种电路基木分析方法如图5所示。
直流工作点分析(DCOperatingPoint...)
交硫分析(A匚Analysis)
瞬态分析(TransientAnalysis...)
傅立叶分析(Fou「iE「Analysis...!
噪声iJ-ff(Noise.Analysis..J
噪芦茶数分析(Minis;巳FigureAnalysis...)
失真分析[DistortionAnalysis...)
直稱扫描分析(DCsweep...)
灵®[度分折CSensitivity…)
参数扫描分析(ParameterSweep...)
温度扫描分析(TernperatureSweep...)
极凄点分析(PeteZero...)
传移(TransferFunction...)
棗坏惰况分析(WciwtCase...)
蔻特卡罗分析(何口门怕Carlo..J
扫描幅度分析(T田匸rWidthAnalysis...)
批处理分析(BatchedAnalyses..J
用户自定义少析(Us曰DefinedAnal^is...)
停止分析(StopAnalysisJ
_图5
3、Muitisim7软件有几款其它任何仿真软件所没有的虚拟仪器,如“4踪示波器”(图6为同时显示的3路信号波形图)、“实时测量探极”可以在线动态测量电路各节点的电压(图7所示)、世界顶尖跨国公司安捷伦公司测量仪器:
“安捷伦函数信号发生器”(图8上图所示)、“安捷伦6位半数字万用表”(图8下图所示)、“安捷伦示波器”(图9所示),这三台仪器的面板、旋钮操作和实际安捷伦仪器完全一样。
Bj
U7■•
6rl-1/Ok
V;5.34V
V(p-p):
10127pV
V(rm£>3.34V
V(dc):
2.34V
Freq.:
25.641kHz
US■■
丈图
图9
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(二)、制版软件Ultiboard7简介
作为MultiSIM技术的另一方而,加拿大IIT公司还向用户提供配套制版软件Ultiboard7o用Muitisim7进行仿真设计后的电子电路内容可以直接无缝链接到U1tiboard7进行印制电路板的设计。
制版软件Ultiboard7的一个明显优点就是它的元件封装库十分丰富,针插式元件封装有4000多种,是Prote1元件封装文件PCBFootprints.lib中的10多倍,一般情况下总能从其大量的封装形式中直接找到合适的元件封装,免去修改和创建元件封装之苦。
但要娴熟掌握它的PCB设计规则、自动布线等操作是要下一番功夫的,加上软件的获取、资料的匮乏在一定程度上限制了它的推广。
但业余条件下用U1tiboard7进行制作简单电路印制板,可以不受它的设计规则约束,用直接手工元件布局和绘线,因其元件封装库丰富,仍不失为一种简捷方便的制版选项。
制板软件Ultiboard7的使用参考图举例如下:
1、制版软件Ultiboard7的操作界面如图10所示,上方为主菜单和各种PCB设计
工具条;左侧上方为俯视窗口;下方为设计层面管理窗口;中间是PCB设计工作区。
亠图10
2、制版软件Ultiboard7的元件封装库如图11所示。
GfitapartTrn>thft1ihrary
3、用制版软件U1tiboard7手工绘制的印制电路板元件布局、底层铜膜走线示意图
如图12所示;PCB文件打印预览示意图如图13所示。
图12
3
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三、澳大利亚Altium公司的PROTEL软件
Protel的前身是美国的ACCELTechnologies公司的TANG0软件包,当时它只能运行在计算机的DOS操作系统下,直到微软公司的Windows操作系统问世以后,1991年由澳大利亚的ProtelTechnology公司最早推出Prote1forWindows1.0版本,其间随着计算机技术取得了令人瞩目的长足进步,ProtelTechnology公司相继推出ProtelforWindows2.0、ProtelforWindows3.0、Protel98,1999年初,Protel公司推出Prote199,Protel99是一个基于Windows平台的32位EDA设计系统,集电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层电路板设计、可编程逻辑器件设计、图表生成等功能于一身。
它具有丰富多样的编辑功能、强大便捷的自动化设计能力、有丰富的原理图元件库、极其全而的工具、文档及设计项目的组织能Protel软件的良好信誉以及它的卓越表现,很快成为了众多EDA用户的首选和喜爱软件,Prote1软件资源丰富,而且学习和入门比较容易,非常适合初学者设计一些相对简单的电路和制版。
Protel公司后来又推出Prote199SE(SecondEdition),是Protel99的改良加强版,主要是在PCB制版方面增加了一些更实用的功能。
现在Prote1公司己经改名为A1tium公司,跨入新世纪后,Altium公司耗时两年,不断革新和优化功能,终于在2002年推出了它的基于WindowsXP操作系统的得意巨作ProtelDXPoProte1
DXP是新一代的板级电路设计系统,与Protel99SE相比,除功能更加完备以外,其界面风格更加成熟、更加灵活,尤其在仿真和PLD电路设计方面进行了改进。
由于它的功能强大、设计严谨、对操作系统有要求,给初学者入门带来了一定的难度,另外它占用计算机的系统资源比较多,目前使用Prote1DXP的用户不如使用Protel99SE普及,Protel99SE的电路仿真功能好像有些不尽人意。
下面是Protel99SE软件用于业余条件下制版的举例:
1、业余条件下用Protel99SE,采用纯手工加“跳线”工艺绘制的较复杂单面板
如图14所示(电视机主板局部图)。
图14
2、业余条件下用Protel99SE自动布线功能绘制的双而板如图15所示(单片机控
制电路局部图)。
图15a[next]
四、美国MentorGraphics公司的PADS软件
PADS(Persona1AutomatedDesignSystems个人自动设计系统)软件是美国MentorGraphics公司的产品。
PADS有系列产品,但最新的和被广泛应用的版本是PADS-PowerLogic5.0和PADS—PowerPCB5.0,它们是MentorGraphics公司最犀利的电路设计和制版工具。
其中PowerLogic5.0是一个功能强大、多页的原理图设计输入工具,具有在每页进行快速存取、在线元件编辑、库管理方便简洁等特点,所有这些都为PowerPCB提供了高效的电路板设计环境,提高了由原理图设计链接到PCB制版的转化效率。
PowerPCB5.0是一个复杂的、高速印制电路板设计软件。
它具有快速交互布线编辑器(FIRE),它的这一功能在众多的交互布线模式中独树一帜,由于FIRE采用强大功能的算法,布线完成后很少需要用户修改调整,可以使用户在布线时节省大量时间,提高效率。
对表贴元件等细小焊盘间距、对高速布线的约束条件设定、对图形用户界面的定制等方面功能,Powe1PCB5.0软件都是无可挑剔的。
由丁PowerLogic5.0和Powe「PCB5.0两软件总共占120MB系统资源,故运行速度快,加之功能强大,有些简单的操作可以实现复杂的功能、快捷键方便、视窗宽等优点,使用户爱不释手。
下面是PowerLogic5.0和PowerPCB5.0的应用举例:
1用PowerLogic5.0设计的电路原理图如图16(局部图)所示。
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图17必[next]
五、关于EDA软件的选用和业余制版注意事项
1、每个公司推出自己的EDA软件,都有自己公司的考虑和特色,并在实际使用中不断完善,象以上所提到的各知名公司软件,都是EDA软件中的佼佼者,并非说它们每个都十全十美,有某方面的长处可能同时存在另方面的不足;有些适合某些人群,有些适合其它群体。
在具体选择用哪个EDA软件最好,很难有唯一的确切答案。
这里有一个你从事什么职业和希望达到什么目的的问题,就从事专业PCB设计而言,你不妨选择PowerPCB和OrCADfowerPCB更适合设计专业的、高级复朵的电路,OrCAD仿真和制版功能都很强,是高端电路设计和制版的主流工具之一,但它的元件封装比较麻烦;如果你是初学者,不妨建议你选择Prote199SE,相比之下,它应属低档初级EDA,但它逻辑设计方
面比较强、画Sch方便,PCB设计不如前两者功能强大,且仿真功能不够理想,Prote1
DXP在这些功能方面加强了许多,功能强了学起来就难一些。
由于Protel进入我国市场早,普及率高,尤其是书籍参考资料多,入门容易,特别适合初学者。
目前国内有相当数量群体在使用Protel99SE从事电路设计和制版,从国外寄来的图纸则大都用OrCAD设计。
2、EDA软件选用还有地域因素影响,比如台湾省的电子工程师设计PCB—般用PowcrPCB和OrCAD,台商在江浙、上海一带有许多合资企业,广东、深圳一带南方用PowerPCB和0rCAD设计PCB就普及,北方可能比较喜欢使用Protel设计PCB,但随着时间推移,PowerPCB和0rCAD设计PCB将会越来越流行普及起来。
3、EDA软件选用还跟个人喜好、兴趣、习惯有关,其实任何一款优秀的EDA软件只要用习惯了,精通了,你就是某方面的人才、高手。
当然有志将来到广东、深圳、上海等南方地区去发展的学子,就要优先选学OrCAD或PowerPCB,或多学几种,以满足企业厂家的招聘需求。
4、EDA软件选用还要考虑本地区制版厂家所能支持加工的PCB文件格式,一般大型专业制版厂家不存在这个问题,都配有专业人才进行不同软件下的PCB文件格式之间的转换制版,只要你的PCB文件是按EDA软件规则设计的,你设计的PCB文件是经过DRC验证后正确无误的,将设计好的PCB文件交付制版厂家就可以了。
当然用Protel设计的PCB文件则象当年的“全国通用粮票”,只要是制版厂家,那怕规模再小,一般都能加工用Prote1设计的电路板。
5、关于选用电子电路的仿真软件,除了OrCAD仿真功能非常强大和理想以外,EWB也是一款非常优秀的EDA软件,希望更多的电子爱好者通过它的Muitisim7Dome版(演示版)学习,了解和掌握这款最新的优秀EDA软件用法。
由于它的最新版本EWB7.0和EWB8.0推出时间不长,还没有普及,正版价格不菲,用户在获取软件方面有些困难,在一定程度上影响了它的推广。
其实一款软件再好,如果不能最终普及流行起来,它还是要退出市场的,但愿这是暂时现象,相信不久的将来Multisim7和Mu1tisim8一定会象EWB5.0那样在国内红火起来。
6、关于业余学习制版,无论是用哪种软件设计PCB文件,应该优先考虑制作单面板,较复杂电路可加“跳线''工艺,就象彩电主板那样。
由于业余条件下无法象专业厂家那样用机器制成“内壁电镀导孔”,给制作双面板带来了一定的难度。
但碰到象单片机电路等布线比较复朵的情况,采用单面板手工布线难度大,自动布线又不能成功布通,业余条件下可以采用双面板进行自动布线加手工调整,再想办法仿做“内壁电镀导孔”,使业余制作的双面板真正实现和实用,这样制成的双面板不论是焊接和拆卸元件都和单面板一样方便。
7、业余制版使用“激光打卬+热转卬+腐蚀”的方法,其过程是:
首先使用激光打印机将设计好的底层铜膜走线图打印到表而光滑的“敷腊纸”上,然后用“图形热转卬机”(或相片塑封机)将底层铜膜走线图转移到敷铜板的铜膜上,最后用三氯化铁或盐酸双氧水溶液腐蚀。
它是目前比较流行、方便、实用的业余条件制板的一种方法,可以做出与厂家相媲美的单面印制电路板,但用这种方法制版有几点需引起注意:
(1)、用激光打印机在“敷腊纸”上打印底层铜膜走线图,不是任何牌号的激光打卬机都能胜任的,必须选择温度比较高的激光打印机,比如“hplOlO”激光打印机打印效果就很理想。
(2)、表面光滑的“敷腊纸”,可以到有“写真”业务的广告商店找“PP背胶相纸”不干胶用后留下的遗弃衬纸,用来打印底层铜膜走线图效果极佳,优点是:
大量、可以不要化钱买,一般老板都会乐意送你;缺点是:
“PP背胶相纸”不干胶纸筒卷包装,衬纸剪裁后弯曲,不易整平。
可在打印时,衬纸头端用透明胶粘上一段约宽4公分左右平直的A4打卬纸作为引纸,这样处理后由于有A4引纸牵引,打卬时不但进纸容易而且打印机不会卡纸。
(3)、业余条件下转卬底层铜膜走线图到敷铜板的铜膜上,用电熨斗加热熨烫可以解决较简单的电路,但有时会岀现铜膜走线断线、破损,须用黑漆填补;用“图形热转卬机"可转印复杂和细密铜膜走线图,且质量上乘、一次成功率高。
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