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摘要:本文分析了什么是电子电路和计算机辅助设计及辅助设计电子电路的计算机组成部分。建立用计算机辅助设计电子电路的概念及综述计算机辅助设计的发展过程及发展前景。分析EWB及Multisim仿真的优点与不足。
关键词:电子电路;计算机辅助设计;传统电子电路设计
中图分类号:U262.7 文献标识码:A文章编号:1007-9599 (2010) 09-0000-02
Summary of Computer-aided Design for Electronic Circuits
Jian Ning
(Qinzhou Metrological Verification Testing Office,Qinzhou535000,China)
Abstract:This paper analyzes what is the electronic circuits and computer-aided design and computer aided design of electronic circuit components.To establish the concept of computer-aided design of electronic circuits and computer-aided design of the development review process and development prospects.EWB and Multisim Simulation of the advantages and disadvantages.
Keywords:Electronic circuits;Computer-aided design;Traditional design of electronic circuits
在工程和产品设计中,计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要对不同方案进行大量的计算、分析和比较,以决定最优方案;各种设计信息,不论是数字的、文字的或图形的,都能存储在计算机内,并能快速地检索;设计人员通常从草图开始设计,将草图变为工作图的繁重工作就可以交给计算机来完成;利用计算机可以进行图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。
一、电子电路、计算机辅助设计
在工程和产品设计中,计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较,以决定最优方案;各种设计信息,不论是数字的、文字的或图形的,都能存放在计算机里并能快速地进行检索;设计人员通常用草图開始设计,将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成;由计算机自动产生的设计结果,可以快速作出图形显示出来,使设计人员及时对设计作出判断和修改;利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。用计算机辅助设计电子电路能够减轻设计人员的劳动,缩短设计周期和提高设计质量。
二、计算机系统的组成
用于电子电路辅助设计的计算机通常以具有图形功能的交互计算机系统为基础,主要设备有:计算机主机、图形显示终端、图形输入板、绘图仪、扫描仪、打印机、磁带机以及各类软件。工程工作站一般指具有超级小型机功能和三维图形处理能力的一种单用户交互式计算机系统。它有较强的计算能力,用规范的图形软件,有高分辨率的显示终端,可以联在资源共享的局域网上工作,已形成最流行的CAD系统。
图形输入输出设备除了计算机主机和一般的外围设备外,计算机辅助设计主要使用图形输入输出设备。图形输入设备的一般作用是把平面上点的坐标送入计算机。图形输出设备分为软拷贝和硬拷贝两大类。软拷贝设备指各种图形显示设备,是人机交互必不可少的;硬拷贝设备常用作图形显示的附属设备,它把屏幕上的图像复印出来,以便保存。
CAD软件除计算机本身的软件如操作系统、编译程序外,CAD主要使用交互式图形显示软件、CAD应用软件和数据管理软件3类软件。交互式图形显示软件用于图形显示的开窗、剪辑、观看,图形的变换、修改,以及相应的人机交互。CAD应用软件提供几何造型、特征计算、绘图等功能,以完成面向各专业领域的各种专门设计。构造应用软件的四个要素是:算法、数据结构、用户界面和数据管理。数据管理软件用于存储、检索和处理大量数据,包括文字和图形信息。为此,需要建立工程数据库系统。它同一般的数据库系统相比有如下特点:数据类型更加多样,设计过程中实体关系复杂,库中数值和数据结构经常发生变动,设计者的操作主要是一种实时性的交互处理。基本技术主要包括交互技术、图形变换技术、曲面造型和实体造型技术等。
三、经典仿真软件举例分析
(一)电子工作平台(Electronic Workbench)
Electronic Workbench 是基于Windows平台的电子电路计算机辅助设计软件。它能进行模拟、数字及摸数混合电路分析,具有精度高、功能强、界面友好、操作方便等特点,尤其以虚拟仪器而著称,它将使用者置于一个虚拟的电子实验室弥补了目前部分高档仪器台套数不足、元器件耗费的缺陷。
(二)MultisimX
Multisim X是以Windows为基础的仿真工具,适用于板级模拟/数字电路的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力。通过操作不但可以做电路图的输入和编辑等电路的搭建工作,如图1元器件挑选界面可以根据需要对电路进行相应的观测和分析。在 Multisim Master中有实际和虚拟元两种器件,它们之间根本差别在于:一种是与实际元器件的型号、参数值及封装都相对应的元器件,在设计中选用此类器件,不仅可以使仿真与实际情况有良好的对应性,还可以直接将设计导出到Ultiboard 中进行PCB设计。另一种器件的参数值是该类器件的典型值,不与实际器件对应,用户可根据需要改变器件模型的参数值,只能用于仿真,此类器件称为虚拟器件。
基于Multisim X的电路仿真步骤以仿真软件为平台进行模拟电子电路设计的流程如图2所示,该流程图表明,从接受任务到获得最终的设计结果,电路仿真软件能够仿照早期模拟电子电路的设计步骤进行电路的辅助设计。可以模仿硬件实验环境 ,并对模拟电子电路的静态与动态加以分析。
1.电路分析与说明
下面就以调幅电路为例,叙述如何按照图2的步骤进行模拟电路的仿真设计和分析。具体这样实现:先将待搬移的信号与参考信号进行时域相乘,获得两者的混合频率分量后,再用滤波器滤除无用的频率分量即可。实际运用中,由于模拟乘法器IC芯片具有体积小、功耗低、可靠性高、性能好、易于整机电路少调整和不调整等优点。因此,设计时可以选择模拟乘法器芯片与不同的外围电路来构成振幅调制或同步检波等线性频谱搬移的完整电路。
2.整体电路的仿真设计及电路的调试
电路设计中,电阻选择不光是单纯阻值的选择,还得考虑其高频特性。仿真设计过程中发现:若提升电路的工作频率,元器件分布参数的影响就会增大,甚至产生输出波形失真、电路无法正常工作的问题。而实际中,欲防止因工作频率的升高而最终导致电路工作失常的现象,应尽可能使用分布参数很小的金属膜电阻器或金属氧化膜电阻器,这说明仿真电路确实能够模仿实际电路。实际的硬件环境也不乏因三极管工作不正常而导致整个电路工作不正常的事例。在仿真过程中,选择各方面性能都很优越的晶体三极管2N910和二极管1N1204C等元件来搭建MC1596芯片内部电路的原因就是为了使其具有良好的电气性能。
四、电子电路计算机辅助设计与电子电路传统设计之异同
早期模拟电路的设计步骤一般为:系统方案的选择;电路形式和元器件型号的选择;元件参数的大致计算;确定电路形式和元件参数值的硬件电路实验环节;绘制电路图;制作印刷电路版;组装焊接并调试便投入使用等。在电脑上进行的电路仿真,几乎可以囊括传统电子电路设计制作的所有步骤。最大好处就是可以随意修改电路形式、元器件的参数值,直到满足性能指标的要求为止,大大增加了工作效率,减少了实际元器件的耗费。电路的仿真设计,不但可以更加清楚各种电子电路的功能、作用、基本分析方法和设计方法,还可以仿真软件为实验平台,使用库中的电子测量仪器观看直观的实验现象和结果,得知所设计的电路是否满足性能指标的要求,是否还需要进一步调整元件参数以便优化电路。由于其元件库中的元件、仪器库中的测量仪器显然是理想化后的产物,因此,电路的仿真设计还是无法完全模仿实际的电路设计。另外,由于在仿真软件上用分立元件搭建电路才有较好的仿真效果,所以,集成度也受到一定的限制。
五、总结
在电子电路设计中必须两手都要抓“一抓硬件设计,二抓软件仿真”。硬件是电子电路的实物,没有实物则一切无从谈起。而软件则能使硬件的功能更好更快更充分的发挥出来。也只有软件仿真才能实现一些在现实环境中无法实现的实验设计,在这一个侧面可以这样说,软件仿真引领者电子电路的发展方向。知自知彼,百战不待。只有通过软件仿真才是我们缩短电子电路设计周期,降低成本,更进一步挖掘其潜能的最好方法。所以,软件仿真对硬件设计及功能的发挥起到至关重要的作用。
参考文献:
[1]Bassam Halabi.因特网的路由选择技术.北京:电子工业出版社
[2]TanenbaumAS,Computer Network Third Edition.Pretice–Hall,1996
[3]王冠华,王伊.Multisim8电路设计及应用[M].北京:国防工业出版社,2006
关键词:电子电路;计算机辅助设计;传统电子电路设计
中图分类号:U262.7 文献标识码:A文章编号:1007-9599 (2010) 09-0000-02
Summary of Computer-aided Design for Electronic Circuits
Jian Ning
(Qinzhou Metrological Verification Testing Office,Qinzhou535000,China)
Abstract:This paper analyzes what is the electronic circuits and computer-aided design and computer aided design of electronic circuit components.To establish the concept of computer-aided design of electronic circuits and computer-aided design of the development review process and development prospects.EWB and Multisim Simulation of the advantages and disadvantages.
Keywords:Electronic circuits;Computer-aided design;Traditional design of electronic circuits
在工程和产品设计中,计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要对不同方案进行大量的计算、分析和比较,以决定最优方案;各种设计信息,不论是数字的、文字的或图形的,都能存储在计算机内,并能快速地检索;设计人员通常从草图开始设计,将草图变为工作图的繁重工作就可以交给计算机来完成;利用计算机可以进行图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。
一、电子电路、计算机辅助设计
在工程和产品设计中,计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较,以决定最优方案;各种设计信息,不论是数字的、文字的或图形的,都能存放在计算机里并能快速地进行检索;设计人员通常用草图開始设计,将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成;由计算机自动产生的设计结果,可以快速作出图形显示出来,使设计人员及时对设计作出判断和修改;利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。用计算机辅助设计电子电路能够减轻设计人员的劳动,缩短设计周期和提高设计质量。
二、计算机系统的组成
用于电子电路辅助设计的计算机通常以具有图形功能的交互计算机系统为基础,主要设备有:计算机主机、图形显示终端、图形输入板、绘图仪、扫描仪、打印机、磁带机以及各类软件。工程工作站一般指具有超级小型机功能和三维图形处理能力的一种单用户交互式计算机系统。它有较强的计算能力,用规范的图形软件,有高分辨率的显示终端,可以联在资源共享的局域网上工作,已形成最流行的CAD系统。
图形输入输出设备除了计算机主机和一般的外围设备外,计算机辅助设计主要使用图形输入输出设备。图形输入设备的一般作用是把平面上点的坐标送入计算机。图形输出设备分为软拷贝和硬拷贝两大类。软拷贝设备指各种图形显示设备,是人机交互必不可少的;硬拷贝设备常用作图形显示的附属设备,它把屏幕上的图像复印出来,以便保存。
CAD软件除计算机本身的软件如操作系统、编译程序外,CAD主要使用交互式图形显示软件、CAD应用软件和数据管理软件3类软件。交互式图形显示软件用于图形显示的开窗、剪辑、观看,图形的变换、修改,以及相应的人机交互。CAD应用软件提供几何造型、特征计算、绘图等功能,以完成面向各专业领域的各种专门设计。构造应用软件的四个要素是:算法、数据结构、用户界面和数据管理。数据管理软件用于存储、检索和处理大量数据,包括文字和图形信息。为此,需要建立工程数据库系统。它同一般的数据库系统相比有如下特点:数据类型更加多样,设计过程中实体关系复杂,库中数值和数据结构经常发生变动,设计者的操作主要是一种实时性的交互处理。基本技术主要包括交互技术、图形变换技术、曲面造型和实体造型技术等。
三、经典仿真软件举例分析
(一)电子工作平台(Electronic Workbench)
Electronic Workbench 是基于Windows平台的电子电路计算机辅助设计软件。它能进行模拟、数字及摸数混合电路分析,具有精度高、功能强、界面友好、操作方便等特点,尤其以虚拟仪器而著称,它将使用者置于一个虚拟的电子实验室弥补了目前部分高档仪器台套数不足、元器件耗费的缺陷。
(二)MultisimX
Multisim X是以Windows为基础的仿真工具,适用于板级模拟/数字电路的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力。通过操作不但可以做电路图的输入和编辑等电路的搭建工作,如图1元器件挑选界面可以根据需要对电路进行相应的观测和分析。在 Multisim Master中有实际和虚拟元两种器件,它们之间根本差别在于:一种是与实际元器件的型号、参数值及封装都相对应的元器件,在设计中选用此类器件,不仅可以使仿真与实际情况有良好的对应性,还可以直接将设计导出到Ultiboard 中进行PCB设计。另一种器件的参数值是该类器件的典型值,不与实际器件对应,用户可根据需要改变器件模型的参数值,只能用于仿真,此类器件称为虚拟器件。
基于Multisim X的电路仿真步骤以仿真软件为平台进行模拟电子电路设计的流程如图2所示,该流程图表明,从接受任务到获得最终的设计结果,电路仿真软件能够仿照早期模拟电子电路的设计步骤进行电路的辅助设计。可以模仿硬件实验环境 ,并对模拟电子电路的静态与动态加以分析。
1.电路分析与说明
下面就以调幅电路为例,叙述如何按照图2的步骤进行模拟电路的仿真设计和分析。具体这样实现:先将待搬移的信号与参考信号进行时域相乘,获得两者的混合频率分量后,再用滤波器滤除无用的频率分量即可。实际运用中,由于模拟乘法器IC芯片具有体积小、功耗低、可靠性高、性能好、易于整机电路少调整和不调整等优点。因此,设计时可以选择模拟乘法器芯片与不同的外围电路来构成振幅调制或同步检波等线性频谱搬移的完整电路。
2.整体电路的仿真设计及电路的调试
电路设计中,电阻选择不光是单纯阻值的选择,还得考虑其高频特性。仿真设计过程中发现:若提升电路的工作频率,元器件分布参数的影响就会增大,甚至产生输出波形失真、电路无法正常工作的问题。而实际中,欲防止因工作频率的升高而最终导致电路工作失常的现象,应尽可能使用分布参数很小的金属膜电阻器或金属氧化膜电阻器,这说明仿真电路确实能够模仿实际电路。实际的硬件环境也不乏因三极管工作不正常而导致整个电路工作不正常的事例。在仿真过程中,选择各方面性能都很优越的晶体三极管2N910和二极管1N1204C等元件来搭建MC1596芯片内部电路的原因就是为了使其具有良好的电气性能。
四、电子电路计算机辅助设计与电子电路传统设计之异同
早期模拟电路的设计步骤一般为:系统方案的选择;电路形式和元器件型号的选择;元件参数的大致计算;确定电路形式和元件参数值的硬件电路实验环节;绘制电路图;制作印刷电路版;组装焊接并调试便投入使用等。在电脑上进行的电路仿真,几乎可以囊括传统电子电路设计制作的所有步骤。最大好处就是可以随意修改电路形式、元器件的参数值,直到满足性能指标的要求为止,大大增加了工作效率,减少了实际元器件的耗费。电路的仿真设计,不但可以更加清楚各种电子电路的功能、作用、基本分析方法和设计方法,还可以仿真软件为实验平台,使用库中的电子测量仪器观看直观的实验现象和结果,得知所设计的电路是否满足性能指标的要求,是否还需要进一步调整元件参数以便优化电路。由于其元件库中的元件、仪器库中的测量仪器显然是理想化后的产物,因此,电路的仿真设计还是无法完全模仿实际的电路设计。另外,由于在仿真软件上用分立元件搭建电路才有较好的仿真效果,所以,集成度也受到一定的限制。
五、总结
在电子电路设计中必须两手都要抓“一抓硬件设计,二抓软件仿真”。硬件是电子电路的实物,没有实物则一切无从谈起。而软件则能使硬件的功能更好更快更充分的发挥出来。也只有软件仿真才能实现一些在现实环境中无法实现的实验设计,在这一个侧面可以这样说,软件仿真引领者电子电路的发展方向。知自知彼,百战不待。只有通过软件仿真才是我们缩短电子电路设计周期,降低成本,更进一步挖掘其潜能的最好方法。所以,软件仿真对硬件设计及功能的发挥起到至关重要的作用。
参考文献:
[1]Bassam Halabi.因特网的路由选择技术.北京:电子工业出版社
[2]TanenbaumAS,Computer Network Third Edition.Pretice–Hall,1996
[3]王冠华,王伊.Multisim8电路设计及应用[M].北京:国防工业出版社,2006