電路仿真軟件介紹

電路仿真，其含義就是將已經(jīng)設(shè)計出的電路圖通過電路仿真軟件進行模擬，模擬出實際功能，然后通過對其進行分析改進，以此來實現(xiàn)對電路的優(yōu)化設(shè)計。實際上，我們用的電路仿真軟件就是以電路這門學(xué)科為基礎(chǔ)的，延伸出來的一個幫助我們更好地學(xué)習(xí)數(shù)電、模電的軟件。實現(xiàn)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是仿真過程，以此來判斷設(shè)計者的思路正確與否，方便我們修改，也節(jié)省了大量的實驗材料，更適合未來的發(fā)展趨勢。我們現(xiàn)在所用的電路仿真軟件已經(jīng)趨近于成熟階段，但這其中的發(fā)展過程卻是漫長而艱辛的。那么電路仿真軟件的真實歷史到底是怎樣的呢？導(dǎo)致其飛速發(fā)展的原因又是什么呢？以及我們現(xiàn)在常用的電路仿真軟件現(xiàn)狀又是什么樣的情況呢？在本文中將逐一介紹。

一、仿真軟件的概念以及領(lǐng)域

仿真軟件（simulation software）是一種計算機軟件，用于模擬。它是一個仿真的工具，與仿真硬件相似。仿真軟件自20世紀50年代中期以來一直在不斷發(fā)展。它的發(fā)展補充了仿真的應(yīng)用、算法、計算和建模以及其他技術(shù)的發(fā)展。[1]1984年出現(xiàn)了第一個數(shù)據(jù)庫中心仿真軟件，并出現(xiàn)了人工智能軟件系統(tǒng)（專家系統(tǒng)）。這種發(fā)展趨勢將使仿真軟件具有更強大的功能，并且更加靈活，可供更多用戶使用。

仿真的目標是不斷提高導(dǎo)航模塊對用戶導(dǎo)向和模型測試的描述能力。不同技術(shù)水平的用戶通過仿真軟件可以使用他們的定制語言，使與計算機對話變得方便，來完成模擬測試與建模。仿真是通過建立真實的系統(tǒng)模型和使用可觀測模型來研究真實系統(tǒng)的實驗過程。最初，仿真技術(shù)主要用于航空、航天、核能和昂貴的核反應(yīng)堆，或一些壽命周期長、危險度高的測試系統(tǒng)，其他實物領(lǐng)域難以實現(xiàn)。電力、石油、化工、冶金、機械等逐步發(fā)展，已進一步擴展到社會系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)、交通運輸系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)等非技術(shù)系統(tǒng)?？梢哉f，現(xiàn)代的仿真技術(shù)和仿真系統(tǒng)已經(jīng)成為任何復(fù)雜系統(tǒng)的集成體，尤其是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)是非分析的重要手段。缺乏研究、設(shè)計、評估、決策和培訓(xùn)。其應(yīng)用范圍不斷擴大，應(yīng)用效率也越來越顯著。該系統(tǒng)是基于模擬控制理論，將基本計算機信息處理技術(shù)、理論基礎(chǔ)、計算機等設(shè)備作為專門的工具，利用系統(tǒng)的實際或虛擬模型測試系統(tǒng)，依靠專家應(yīng)用實驗知識、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和信息數(shù)據(jù)來分析結(jié)果。并給出全面的測試決策。[3]廣義而言，仿真系統(tǒng)方法適用于任何領(lǐng)域，包括電氣、化學(xué)、電子、機械等，以及經(jīng)濟、政治、交通、管理等。

二、仿真軟件發(fā)展迅速的原因

電路仿真軟件的發(fā)展為什么會如此迅速呢？主要原因在于計算機仿真具有效率高、精度高、可靠性高、成本低等特點，被廣泛用于電力電子電路（或系統(tǒng)）的分析和設(shè)計。除計算機模擬外，還需要減少勞動強度，以取代許多繁瑣的手工分析系統(tǒng)，提高分析和設(shè)計能力，避免分析方法在近似過程中帶來較大誤差，通過互補試用，降低最大設(shè)計成本，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。計算機模擬技術(shù)很大程度上加快了電路設(shè)計和實驗過程。

仿真是設(shè)計電路和系統(tǒng)的有效手段。電氣工程電路及其組成系統(tǒng)的主要功能是控制能源轉(zhuǎn)換和傳輸過程。電力的形式需要改變，控制方法取決于電子電路。電力和電子的結(jié)合構(gòu)成了電力電子學(xué)的主題，這是一個相對年輕的領(lǐng)域，這也是一個綜合運用多種科學(xué)的邊緣領(lǐng)域。電子控制電路，功率能量大，慣性相當(dāng)大，速度非?？?。這兩個系統(tǒng)，特別是構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)時，用自動控制術(shù)語來說屬于病態(tài)系統(tǒng)，即意味著存在不易于解決的穩(wěn)定性問題。這種類型的系統(tǒng)的質(zhì)量在20世紀80年代后期迅速提升，原因是運用了計算機模擬技術(shù)。當(dāng)使用計算機進行仿真時，通過選擇適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計軟件解決了這個問題。少數(shù)軟件多是解決線性、連續(xù)工作的穩(wěn)態(tài)電路存在的問題。而大多數(shù)軟件適用于連續(xù)穩(wěn)定的工作電路，也適用于開關(guān)調(diào)整的啟動調(diào)整電路。換句話說，您可以模擬電氣工程電路，并且可以讀取任何一點電流，或者任意兩點之間的電壓，還可以進行頻率響應(yīng)、頻譜分析、溫度分析、參數(shù)分析、蒙特卡羅分析、最壞情況分析、噪聲分析等等?？梢哉f，后面幾種分析在面包板上是無法進行信號模擬的，但是可以通過仿真軟件在計算機上運行，因此仿真軟件具有使用方便的優(yōu)點。

近年來，電力電子領(lǐng)域發(fā)展還促進了能源電子領(lǐng)域的發(fā)展。除了電力電子的內(nèi)容之外，所謂的能源電子主題還需要考慮材料、環(huán)境、可靠性和管理問題，以良好地解決能量轉(zhuǎn)換問題。由此我們可以看到，使用如此復(fù)雜的系統(tǒng)工程，您可以通過使用計算機來快速獲得結(jié)果，以快速處理信息。仿真的必要性和有效性，是顯而易見的。這是電路仿真軟件快速發(fā)展的原因。

仿真軟件是電子領(lǐng)域電路分析和輔助設(shè)計的重要工具。利用電路仿真軟件快速分析電路性能參數(shù)有助于確定設(shè)計方案并選擇設(shè)計參數(shù)，從而提高設(shè)計效率。克服傳統(tǒng)研發(fā)周期的缺點，設(shè)計人員可以直接集中在設(shè)計層面，縮短整體設(shè)計周期。出于這個原因，模擬系統(tǒng)有各種各樣的軟件應(yīng)用程序。模擬電路仿真的主要應(yīng)用是EWB、SPICE PROTEL、MATLAB等。他們實現(xiàn)了從簡單到復(fù)雜的功能，操作復(fù)雜而智能化，界面日益可視化。

模擬電路仿真軟件的研究與模擬電路仿真軟件的理論、實現(xiàn)和應(yīng)用有關(guān)，理論研究促進了軟件的應(yīng)用。同時，仿真軟件應(yīng)用也促進了仿真軟件的理論研究。仿真軟件的實施規(guī)則是理論與應(yīng)用互相“溝通”的橋梁。

在電子技術(shù)發(fā)展的過程中，根據(jù)計算機輔助技術(shù)干預(yù)的深度和廣度，有三種類型的設(shè)計方案，即三個階段。第一種方法是所謂的常規(guī)設(shè)計方法，所涉及的電子系統(tǒng)通常很簡單。第二種方法通常被稱為CAD（計算機輔助設(shè)計）方法，用于數(shù)據(jù)處理、模擬評估、設(shè)計驗證等。第三種方法是所謂的EDA方法，它是在電子產(chǎn)品向更繁雜、更高端，向智能化、人性化、微型化和集成化方向發(fā)展過程中逐漸產(chǎn)生并完成的。

三、電路仿真軟件Multisim

用Multisim軟件對電子電路進行設(shè)計，就好像是在實驗室面包板上搭建電路，并且不受器件類型、器件數(shù)量和測試設(shè)備的限制。Multisim軟件可以進行模擬分析、仿真測試，設(shè)計和實驗同步進行，易于調(diào)試和修改。仿真實驗不消耗真正的測試設(shè)備和組件，實驗成本低。該軟件可以完成從電路仿真設(shè)計到電路布局生成的全過程，為設(shè)計電子系統(tǒng)和開發(fā)電子產(chǎn)品提供了一個真正便捷的途徑。它包括電路原理圖輸入和電路硬件描述語言輸入方法，具有豐富的仿真分析功能。為了處理各種應(yīng)用，Multisim引入了許多版本，如EWB（電子工作臺）、Multisim 2001、Multisim 7、Multisim 8、Multisim 9、Multisim 10。由于具備這一優(yōu)勢，高等教育機構(gòu)的職業(yè)教育有著廣泛的認知基礎(chǔ)。由于Multisim 10.0對SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容進行了抽象化處理，因此無需了解模擬和分析新設(shè)計的詳細SPICE技術(shù)，就可以用于快速捕捉，并且適用于電子教育。利用Multisim和虛擬測量技術(shù)，您可以捕捉和模擬從理論到電路圖的所有內(nèi)容，您可以對原型和測試完全集成的設(shè)計流程進行測試。

通過使用Multisim進行電路設(shè)計，您不需要專門學(xué)習(xí)計算機控制語言和各種I/O命令，無需編寫程序電子電路圖。只需將設(shè)計好的虛擬電子元件和虛擬儀器放置在Multisim10.0電路設(shè)計窗口中，將相應(yīng)的虛擬元件和測量接口連接到連接和節(jié)點并觀察虛擬測量。近年來，為了完成理論教學(xué)方法和實踐教學(xué)方法的有效結(jié)合，研究電子模擬教學(xué)方法的運用，模擬教學(xué)方法帶來了事半功倍的效果，并在有限的時間內(nèi)給學(xué)生提供了大量的知識。通過使用模擬軟件讓學(xué)生獨立進行實驗和問題探索，學(xué)生可以有效地培養(yǎng)自己的學(xué)習(xí)能力，鞏固自己的理論基礎(chǔ)。

目前的最新版本為Multisim 11.0。Multisim 11.0支持Win7和Vista系統(tǒng)。且功能強大、靈活性強。包含了許多功能多樣的虛擬功能，替代了現(xiàn)實實驗室中常見的各種儀器，如萬用表、函數(shù)發(fā)生器、示波器以及其他儀器。這些虛擬儀器為老師和同學(xué)提供了一種便捷且準確的方式來獲得實驗結(jié)果，同時也奠定了將來他們在實驗室中使用這些儀器的良好基礎(chǔ)。

實驗性的原理設(shè)計通常是建立在無焊接的電路實驗板上，學(xué)生必須通過技術(shù)、文檔和視覺檢查來確保他們所設(shè)計的原型能夠正常運行。通常來說，很多時間都浪費在了糾正簡單的連線錯誤上。因此計算機輔助的設(shè)計工具的重要性就體現(xiàn)出來了。Multisim 11.0提供了一個虛擬的3D實驗電路板環(huán)境，同學(xué)們就可以通過這樣的虛擬程序，以及對完成之后的狀態(tài)的正確性給予反饋的NIELVIS電路實驗板來學(xué)習(xí)電路設(shè)計基礎(chǔ)。

總結(jié)

模擬電路仿真軟件的理論、實現(xiàn)和應(yīng)用等幾個方面是模擬電路仿真軟件研究的基礎(chǔ)。理論上的研究促進了軟件的發(fā)展，同時仿真軟件的應(yīng)用也促進了仿真軟件的理論研究，而仿真軟件的實現(xiàn)準則是應(yīng)用與理論之間“溝通”的橋梁。

總之，電路仿真軟件的歷史較為悠久，發(fā)展過程較為漫長。我們現(xiàn)在所用的電路仿真軟件Multisim 11.0是全球相對完善的軟件，無論是電氣領(lǐng)域還是能源領(lǐng)域都離不開電路仿真軟件，因此對這個軟件的熟悉以及融會貫通是是十分重要的。

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