Altium Designer中的電路仿真

ID:90228 · 發(fā)表于 2015-9-29 02:56

今天看了下Altium Designer的電路仿真功能，發(fā)現(xiàn)它還是蠻強大的，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)計階段實現(xiàn)對數(shù)�；旌闲盘栯娐返墓δ茉O(shè)計仿真，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，但在實際電路設(shè)計中仍然需要補充、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。每一項分析類型可以在獨立的設(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）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)點及電路的初始狀態(tài)
6)       對仿真電路原理圖進行ERC檢查，以糾正錯誤
7)       設(shè)置仿真分析的參數(shù)
8)       運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”，點擊左邊“Library”標(biāo)簽，使用search功能查找LF411CN。找到LF411CN之后，點擊“Place LF411CN”，放置元件，若提示元件庫未安裝，需要安裝，則點擊“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：點擊Library面板的Search按鈕，在提示框中填入：HasModel('SIM','*',False)進行搜索；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，點擊Remove按鈕，刪除原來的仿真模型。
3)       點擊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行搜索，然后再對搜索路徑（Project ? Project Options）中的文件進行搜索。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。我們可以點擊Netlist Template 標(biāo)簽，注意到其模型順序為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)點的連接順序，這些必須和.SUBCKT頭中的節(jié)點順序相匹配。
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) 點擊“Parameters”標(biāo)簽，設(shè)置電壓值，輸入“5V”，并使能“Component Parameter”，之后點擊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) 點擊“Parameters”標(biāo)簽，設(shè)置電壓值，可按如圖 13設(shè)置：

圖13

之后點擊OK，設(shè)置完成，放置信號源。
5、放置電源端口。1)       點擊“Place ? Power Port”，在放置前按“TAB”鍵，設(shè)置端口屬性。
2)       其中對于標(biāo)簽VDD和VSS，其端口屬性為“BAR”。
3)       對于標(biāo)簽GND，其端口屬性為“Power Ground”。
4)       對于標(biāo)簽OUT（網(wǎng)絡(luò)），其端口屬性為“Circle”
6、連線，編譯根據(jù)上面的原理圖連接好電路，并在相應(yīng)的地方放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽，之后編譯此原理圖。
2.2.4、仿真設(shè)置點擊“Design ? Simulate ? Mix Sim”，或是點擊工具欄中

（可通過“View ? Toolbars ? Mixed Sim”調(diào)出）的

圖標(biāo)，進入設(shè)置窗口。如圖 14：

圖14

按照圖中顯示設(shè)置好“Collect Data For”，“Sheets to Netlist”和“SimView Setup”等三個區(qū)域，并且我們可以看到有一系列的信號在“Available Signal”中，這些都是AD計算出來并可以進行仿真的信號。如果我們想要觀察某個信號，只需將其導(dǎo)入（雙擊此信號）到右邊的“Active Signal”中；同理，若想刪除“Active Signal”中的信號，也可以通過雙擊信號實現(xiàn)。
1、傳輸函數(shù)分析（包括傅立葉變換）設(shè)置傳輸函數(shù)分析會生成一個文件，此文件能顯示波形圖，計算時間變化的瞬態(tài)輸出（如電壓，電流）。直流偏置分析優(yōu)先于瞬態(tài)分析，此分析能夠計算出電路的直流偏置電壓；如果“Use Initial Conditions”選項被使能，直流偏置分析則會根據(jù)具體的原理圖計算偏置電壓。
首先應(yīng)該使能“Transient Analysis”；然后取消“Use Transient Defaults”選項，為了觀察到50Khz信號的三個完整波形，我們將停止時間設(shè)置為60u；并將時間增長步長設(shè)置為100n，最大增長步長為200n。最終設(shè)置如圖 15：

圖15

2、交流小信號分析設(shè)置交流小信號分析的輸出文件顯示了電路的頻率響應(yīng)，即以頻率為變量計算交流小信號的輸出值（這些輸出值一般是電壓增益）。
1)       首先我們的原理圖必須有設(shè)置好參數(shù)的交流信號源（上面的步驟已經(jīng)設(shè)置好）
2)       使能“AC Small Signal Analysis”選項
3)       然后根據(jù)圖 16輸入?yún)?shù)：

圖16

（注：如上圖，開始頻率點一般不設(shè)置為0，上圖100m表示0.1HZ，結(jié)束頻率點1meg表示1MHZ；“Sweep Type”設(shè)置為“Decade”表示每100測試點以10為底數(shù)增長，總共有701個測試點。）
至此，交流小信號分析設(shè)置完成。AD進行此電路仿真分析時，先計算電路的直流偏置電壓，然后以變化的正弦輸入代替原有的信號源，計算此時的電路的輸出，輸入信號的變化是根據(jù)“Test Points”和“Sweep Type”這兩個選項進行的。
3、電路仿真與分析設(shè)置完成之后，就可以進行電路仿真——點擊“

”圖標(biāo)。在仿真過程中，AD會將一些警告和錯誤信息顯示在“Message”面板，如有致命錯誤可根據(jù)面板提示信息修改原理圖；如果工程無錯誤，此過程還會生成一個SPICE Netlist（.nxs）文件，且此文件在每次進行仿真時都會重新生成。仿真分析結(jié)束會生成打開一個（.sdf）文件，里面顯示了電路的各種仿真結(jié)果（注：直流偏置最先執(zhí)行），如圖 17：

圖17

1) 創(chuàng)建波特圖
波特圖包括了增益和相位信息，我們可以根據(jù)交流小信號分析結(jié)果得到電路的波特圖。首先右擊上半部分坐標(biāo)圖的“in”信號，選擇“Edit Wave”，打開編輯波形對話框，然后選擇左邊的“Magnitude (dB)”，再點擊“Creat”按鈕。如圖 18：

圖18

同理，對輸出增益，在上半部分的坐標(biāo)圖中右擊，選擇“Add Wave to Plot”，在彈出的對話框中“Waveforms”列表選擇“out”信號，并在右邊的“Complex Functions”列表選擇“Magnitude (dB)”，然后點擊“Creat”按鈕，得到輸入輸出的增益圖。
之后重復(fù)上述步驟添加相位圖，注意在“Complex Functions”列表選擇“Phase (Deg)”，最后結(jié)果如圖 19：

圖19

（我們可以在同個坐標(biāo)圖上顯示不同的Y軸，使不同的曲線對應(yīng)不同的Y坐標(biāo)——只需在編輯或添加波形文件時，選中“Add to new Y axis”即可；若刪除坐標(biāo)軸，相應(yīng)的曲線也會刪除，且在這模式下沒有Undo 功能，故誤刪的話需重新導(dǎo)入曲線。）
2) 使用光標(biāo)工具分析
點擊“DB（out）”曲線，右擊選擇“Cursor A ”，再右擊選擇“Cursor B”，打開兩個測量光標(biāo)，將光標(biāo)按圖 20放置：

圖20

再點擊“Sim Data”標(biāo)簽，可以看到此時B-A = -3，且光標(biāo)B的頻率為“20kHz”，如圖 21：

圖21

故3dB點的頻率為20kHz。
2.2.5、參數(shù)掃描設(shè)置參數(shù)掃描功能使得我們能夠讓特定的元件在一個范圍內(nèi)變化；當(dāng)然相應(yīng)的交流、直流或瞬態(tài)分析也要使能，才能觀察相應(yīng)的特性曲線或數(shù)據(jù)。具體步驟如下：
1) 首先點擊

圖標(biāo)，打開設(shè)置窗口，使能“Parameter Sweep”
2) 接著選擇首要掃描參數(shù)元件C2，更改參數(shù)；再使能第二參數(shù)掃描功能，選擇C1，更改參數(shù)；參數(shù)設(shè)置如圖 22：

圖22

設(shè)置好之后，點擊Ok，進行電路仿真。仿真后的一些結(jié)果如圖 23，圖 24與圖 25：

圖23

圖24

圖25

點擊相應(yīng)的曲線，相應(yīng)的元件（電容）參數(shù)會在左下角顯示。
2.2.6、高級設(shè)置“Advanced Options”設(shè)置頁面包含一系列的內(nèi)部SPICE選項，這些選項會影響仿真計算速度，像錯誤容量和重復(fù)限制等。如圖 26

圖26

一般按著系統(tǒng)默認(rèn)的設(shè)置就可以進行仿真，若想修改參數(shù)只需在相應(yīng)的條目修改Value值即可。設(shè)置“Integration method”從Trapezoidal 到 Gear，則計算時間變長，但仿真效果更好，若選擇更高的Gear值，效果更好，時間更長。
2.2.7、使用SPICE Netlist進行仿真上文提到軟件仿真時會生成SPICE Netlist（.nsx）文件，我們也可以根據(jù)這個文件進行電路仿真分析。我們也可以通過點擊

圖標(biāo)生成此文件，然后通過此文件進行仿真。設(shè)置更改時點擊Simulate ? Setup，進行仿真：Simulate ? Run。

原版的英文文件在安裝目錄的help文件夾中，命名為：TU0106 Defining & running Circuit Simulation analyses
這里有個下載鏈接，也可以直接從這里下載：

TU0106 Defining & running Circuit Simulation analyses.PDF (627.3 KB, 下載次數(shù): 66)