谈虚拟仿真技术及电子仿真软件.doc

个人收集整理 勿做商业用途談虛擬仿真技術及電子仿真軟件嶄新的21世紀已經來到我們的面前，展望21世紀的電子技術，有人提出，集成電路芯片技術必將迅猛發展,由於芯片技術的發展,反過來又會推動計算機、通信和消費電子產品的更新換代。 如今，我們已經親身經歷和親眼目睹了自改革開放以來，我們國家所發生的翻天覆地變化。電腦已經進入尋常百姓家，英特網使我們和全世界連成一體。 手機就是當年神話傳說中的“順風耳；電腦前的攝像頭就是當年神話傳說中的“千里眼”,我們已經處於科技高度發達的信息時代。在這樣一個嶄新的時代裡，年 輕人該怎樣學習日新月異的電子技術呢? 新的學習電子技術方法首先，筆者認為新世紀學習電子技術離不開計算機.聯合國最近給文盲下了新的定義：不會計算機是新時代的文盲。的確，現在的年輕人如果不會操作電腦，必將到處碰壁、寸步難行,試想,現在還有哪些單位不用電腦？ 其次,新世紀學習電子技術必須要掌握電子仿真技術或一款優秀的電子仿真軟件。為什麼？因為電子仿真技術是虛擬的,即在計算機中通過仿真軟件,完成你所需要 做的電子實驗，這樣有幾大好處：其一，一款優秀的電子仿真軟件備有大量的電子元器件，供你選用；其二，配備齊全和先進的虛擬儀器、儀表,供你調用測試;其 三,連接仿真電路簡單快捷，不需焊接，使用儀器調試不用擔心損壞；其四，還可以利用電子仿真軟件進行多種電路分析,比如電路的直流工作點分析、溫度影響分析等等；其五，還可以將所設計的電子電路內容無縫鏈接到製版軟件中，直接進行電路板製作。 舉一個例子：美國每設計和生產出一款新型的飛機，大約就是一、二年時間，新機型的大量數據測試，比如風洞氣流測試、耗油量、極限速度性能測試等等,都有相 關的軟件進行虛擬仿真，在仿真中對虛擬飛機的參數進行反覆修改，直到得到最佳設計機型方案,然後才根據最佳設計圖紙方案製造出樣機進行試飛，大大地縮短了 設計和生產飛機的週期。而以前我國生產新機型，是先根據設計圖紙，造出樣機進行風洞測試、還要反覆試飛、修改，推出一款新機型週期大約要耗時十年。電子產 品也一樣，當你有一個電子電路的設計構想時，就可以先在計算機上虛擬仿真和反覆修改錯誤，只要電路仿真成功通過了，然後再采購元件，安裝後稍作調試就出新 產品了，成功率高。在日益快速發展、激烈競爭的電子行業，縮短生產週期,搶得商機無疑是成功的關鍵. 特別在業餘條件下，只要有計算機和電子仿真軟件，你就可以足不出戶，坐在家裡學習電子技術和設計電子產品.尤其是電子仿真軟件中的虛擬儀器品種多達十幾 台，比一般大學電子實驗室的配備還要豐富,有些先進昂貴的儀器只有專業研究機構才能配置，比如說跨國安捷倫公司儀器、美國泰克公司儀器、美國國家儀器公司 虛擬儀器等應有盡有，而且它們的面板、旋鈕、操作方法都設計成和真實儀器完全一樣.可以這麼說，掌握了一款優秀的電子仿真軟件，就相當於你擁有了一間世界 先進設備的個人實驗室。要學習電子技術，一方面要學習理論知識,但一個必不可少的學習環節就是實驗和實踐，學習電子技術光在紙上談兵不行，必須加強實際操 作和動手製作，這是學習電子技術與其它學科不同之處。 擁有了一台計算機，下載和安裝上一款先進的電子仿真軟件,你就可以坐在電腦前，輕輕地按動鼠標,隨意地調出電子元件、搭建電路、調出虛擬儀器、對電路進行 仿真測試、設計出電子產品、並且還可以利用製版軟件繪製出電路板等等，把一些繁瑣的勞動交給計算機來完成，我們坐在電腦前盡享高科技給我們帶來的輕鬆和愉 悅,有這等好事何樂而不為？一說起電子技術,人們自然會想起日常生活中比比皆是的家用電器。小到小小的手機、遙控器，大到彩電、冰箱、洗衣機，那一樣不是電子產品?電子技 術已經浸透到我們日常生活的方方面面。學習電子技術也最能引起年輕人的興趣，但興趣歸興趣，真要學好電子技術這門功課,還是要下一番苦功夫的.有些學生一 開始對學習電子技術這門課懷有濃厚的興趣，由於電子技術這門課的一些理論知識比較抽象，有些公式推導要涉及到高等數學,學著學著，漸漸地學生們會有些稀裡 糊塗起來，然後就產生畏難情緒，最終選擇了放棄. 電子技術是一門理論性和實踐性都很強的課程，重視實驗教學是學好電子技術的一個必不可少的環節，而電子虛擬仿真又是實驗室操作實驗的一個重要的輔助手段.在電類本科教學大綱中就明確要求，學生必須掌握一種以上EDA軟件的應用，這是對電子類學生的基本功要求。 上面已經講到，只要在計算機中安裝了一款先進的電子仿真軟件，就可以進行所有電子課程中的實驗仿真驗證。在學習電子技術這門課時，往往受教學課時和實驗室 條件限制，不可能做大量的電子電路實驗，脫離了實驗，光學抽象的理論知識，味同嚼臘。若能一邊學習理論知識一邊進行虛擬仿真實驗驗證，不僅可以加深對抽象 枯燥概念的理解，同時從計算機屏幕上能直觀地看到虛擬儀表顯示的實驗數據和虛擬示波器顯示的波形，變書本上死的、靜止的概念為活的、生動的、能看得見的數 據和波形。比如學習高頻電子線路中，學生對同步檢波電路原理等內容就比較難理解，而藉助於MultiSIM軟件中的虛擬4蹤示波器的屏幕就可以將4種信號 同時顯示出來，它們之間的相位關係也一目了然，如圖一所示。圖一中，虛擬4蹤示波器的屏幕上，從上到下第一條波形是A通道顯示的高頻載波波形；第二條波形 是B通道顯示的低頻調制信號波形；第三條波形是C通道顯示的調幅波；第四條波形是D通道顯示的用同步檢波器解調出的低頻調制信號波形。 在此，特別值的一提的是,實驗室中根本不可能有4蹤示波器，只能用雙蹤示波器分兩次觀察，不能很好地比較4種波形之間的相位關係。學生在學習電子技術時，遇到難於理解的地方,完全可以隨時在計算機上通過虛擬仿真實驗來驗證和理解抽象的概念。這樣學習電子技術就會顯得生動和有趣，理解了抽象的概念，自然就會對學習電子技術信心倍增. 圖一 學生如能在進實驗室做實驗之前,先在計算機上將要做的內容仿真一遍作為實驗預習,則再進實驗室做實驗將會收到事半功倍的效果。預習實驗內容和不預習,實驗 效果將大相徑庭。所以，提倡掌握電子虛擬仿真技術，作為一種新世紀學習電子技術的重要輔助手段，它也代表著新時代學習電子技術的潮流。 特別是職高、高職院學生，以及社會上廣大電子愛好者,自學電子技術缺乏良好的實驗室條件，應用電子仿真軟件做虛擬實驗是一種非常理想的選擇.世界上許多軟 件公司近年來紛紛推出它們的EDA軟件，電子仿真軟件品種繁多，有比較簡單直觀，較適合職高學生使用的，由匈牙利Designsoft公司推的 Edison(愛迪生）軟件,該軟件主要是適合對電子技術有興趣的初學入門者，其特點是所有元件和儀器都做成三維立體的，圖二和圖三為其三維立體元件連接 實驗示例圖，圖四為儀器連接和顯示的波形圖。 圖二 圖三 圖四 在用Edison(愛迪生）軟件進行仿真實驗時,若電路有故障或電路設計有問題,燈泡、電流表、電動機、示波器等部件都會燒毀和冒煙，形象逼真.但只要點 擊“修復功能，燒毀的部件又能恢復如初 注：讀者如對Edison（愛迪生）軟件有興趣，可登錄上瀏覽 。有一定電子技術基礎的學生,則可以選用功能更強大的Tina Pro 6、Proteus、MultiSIM等軟件進行電子電路的仿真。EWB及MultiSIM電子仿真軟件 筆者在此著重向讀者推薦MultiSIM電子仿真軟件.根據筆者多年的教學經驗，認為MultiSIM軟件是眾多電子仿真軟件中的佼佼者，且該軟件近年來在不斷地更新和升級，功能越來越完善，具有強大的生命力。 還得從20世紀80年代加拿大Interactive Image Technologies公司(簡稱IIT公司）推出EWB5.0(Electronics workbench）說起，加拿大IIT公司推出的頗具特色的電子仿真軟件EWB5。0，曾經風靡世界。它以其界面形象直觀、操作方便、分析功能強大、易 學易用等突出優點，早在20世紀90年代就在我國得到迅速推廣，受到電子行業技術人員的青睞.跨入21世紀初，加拿大IIT公司在保留原版本的優點基礎 上，增加了更多功能和內容,特別是改進了EWB5.0軟件虛擬儀器調用有數量限制的缺陷。將EWB軟件更新換代推出EWB6.0版本，並取名 MultiSIM（意為多重仿真），也就是Multisim2001版本.2003年升級為Multisim7.0版本，電子仿真軟件 Multisim7。0功能已相當強大，能勝任各種電子電路的分析和仿真實驗。它有十分豐富的電子元器件庫，可供用戶調用組建仿真電路進行實驗;它提供 18種基本分析方法,可供用戶對電子電路進行各種性能分析;它還有多達17台虛擬儀器儀表和一個實時測量探針，可以滿足一般電子電路的測試和實驗。但它有 一個缺點,就是將電阻的單位用“Ohm”三個字母表示，使用起來不方便。除了這一點之外，電子仿真軟件Multisim7。0已經相當成熟和穩定，是加拿大IIT公司在開拓電子仿真軟件領域中的一個里程碑。電子仿真軟件Multisim7。0啟動畫面如圖五所示。本文为互联网收集，请勿用作商业用途个人收集整理，勿做商业用途 圖五 以後加拿大IIT公司雖然又相繼推出Multisim8.0、8。3。30等版本，將Multisim7。0的缺點，即電阻的 單位“Ohm三個字母改為用表示。Multisim8。0版本除了增加了一些元件庫品種、一台“泰克”示波器和其它一些功能之外，給人的印象與 Multisim7.0相比並沒有太大的區別。也可以說Multisim8。0版本是加拿大IIT公司推出的電子仿真軟件的終極 版，Multisim8.0版本啟動畫面如圖六所示。 圖六 2005年以後，加拿大IIT公司已經隸屬於美國國家儀器公司(National Instrument,簡稱NI公司），美國NI公司於2006年初首次推出Multisim9.0版本。其啟動畫面如圖七所示. 圖七 美國NI公司推出的Multisim9。0版本與以前加拿大IIT公司推出的Multisim7。0版本有著本質上的區別.雖然它的界面、元件調用方式、 搭建電路、虛擬仿真、電路基本分析方法等還是沿襲了EWB的優良傳統，但軟件的內容和功能已大不相同.比如它的元件工具條中增加了單片機和三維先進的外圍設備，如圖八所示。 圖八 另外，在Multisim9.0基本界面右邊虛擬儀器工具條下方增加了4台LabVIEW 采樣儀器，它們分別是:麥克風、播放器、信號發生器和信號分析儀如圖九所示. 圖九 2007年初，美國NI公司又推出最新的NI Multisim10版本，其啟動畫面如圖十所示。在原來的Multisim前冠以NI，啟動畫面右上角有美國國家儀器公司的徽標和英文“NATIONAL INSTRUMENTSTM”字樣. 圖十 在安裝NI Multisim10軟件的同時，也同時安裝了與之配套的製版軟件NI Ultiboard10，並且兩個軟件位於同一路徑下面，給用戶使用提供了極大的方便。製版軟件NI Ultiboard10軟件啟動畫面如圖十一所示。 圖十一 可見，現在美國NI公司推出的NI Multisim10軟件,再不是以前的EWB了。可以這樣認為，EWB主要功能在於一般電子電路的虛擬仿真；而NI Multisim10軟件則不僅僅侷限於電子電路的虛擬仿真,其在LabVIEW虛擬儀器、單片機仿真等技術方面都有更多的創新和提高，屬於EDA技術的更高層次範疇。美國NI公司是虛擬儀器技術的權威。隨著科學技術的不斷發展和進步，人們最早使用的測量儀器是模擬指針式電表，後來發展到數字式電表，然後 又有智能化儀表，目前和今後，虛擬儀器儀表技術必將由於計算機的普及而得到迅速發展。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench),是一個工業標準的圖形化開發環境，可以理解為實驗室虛擬儀器集成環境，它是一種用圖形來編程的語言,所以有人把它稱為“G”語言 (Graph圖形)。“C”語言是用枯燥繁雜的字符代碼來編程的，用LabVIEW的“G”語言編程，基本上可以不寫代碼，而是用工程師們所熟悉的圖標和 框圖來“繪製”程序流程圖，顯得生動和形象。掌握了LabVIEW軟件編程技術，再將計算機的屏幕作為虛擬儀器的終端顯示硬件,人們就可以隨心所欲地“製 造”出自己所需要的各種高性能測量儀器。 虛擬儀器的起源可以追溯到20世紀70年代，那時計算機測控系統在國防、航天等領域已經有了相當的發展。PC機出現以後,儀器級的計算機化 成為可能，甚至在Microsoft公司的Windows誕生之前,NI公司已經在Macintosh計算機上推出了LabVIEW2。0以前的版本。對 虛擬儀器和LabVIEW長期、系統、有效的研究開發使得美國NI公司成為業界公認的權威。在 NI Multisim 10軟件基本界面右邊虛擬儀器工具條中，除了Multisim9。0的4台LabVIEW 采樣儀器之外,又增加了一個“Current Probe”如圖十二（左) 所示，它是一個電流取樣探極，可以將其調出串入電路中,並通過連線將它與虛擬示波器直接相連,可以從示波器屏幕上觀察到電流波形，相當於一個電流取樣電 感。原Multisim8.0及以前版本軟件，基本界面右邊虛擬儀器工具條中都有一個黃色的“實時測量探極”,平時呈灰色,僅在仿真開關打開後才呈黃色， 可以調出用於對仿真電路測量各節點的動態實時電壓等參數，而在NI Multisim10軟件中，賦予了它更多的功能，且可以在仿真開關沒有運行的情況下，點擊其下拉箭頭如圖十二（中)所示,將彈出它的下拉菜單如圖十二 （右）所示，選擇其中的“Instantaneous voltage and current”將它調出串入電路各支路，運行仿真後可以自動顯示各支路的電壓和電流如圖十三所示. 圖十二 圖十三設計電子產品的新理念傳統的設計電子產品的老方法是：首先構思和繪製出電子電路原理圖,采購元器件，在試驗板或實驗台上搭建和焊接電 路，然後通上電源，進行調試，並用信號源輸入測試信號，用萬用表檢測電路各級電位是否正常，並用示波器觀察電路輸出波形等等.經反覆試驗、調整、拆換元 件,最後得到樣機.如若對構思的電路原理圖是否完全正確可行，心中沒有充分的把握，還不能冒然通電試驗,即使採用了一些限流、限壓等保護應急措施，第一次 合閘通電時，心中難免有些緊張。特別是強電，小則瞬間元件冒煙燒毀，大則貴重儀器報廢,這是常有的事。然而,電子電路的虛擬仿真技術從根本上解決了這種悲劇的發生。如若構思和搭建的電路存在問題,仿真開關打開後，軟件會自動跳出對話框，指示 電路哪個地方有錯,或漏接了電源和地線等.只要關閉仿真開關,便可以進行修改,絕對不用擔心虛擬儀器會燒毀。在計算機上可以反覆進行調換元件、改變信號強 弱，直到電路達到設計要求為止。並且還可以在電子樣品沒有出來之前,就可以利用軟件所提供的多種電路分析方法,對設計的電路進行諸如最佳工作點分析、溫度 影響分析、失真度分析、最壞工作條件分析等性能測試。也就是說,在生產產品之前，就能對產品的性能有所了解，這在以前用老方法設計電子產品是不可能辦到 的。如果在設計和仿真好電子產品後，再利用與電子仿真軟件相配套的製版軟件，比如與電子仿真軟件NI Multisim10相配套的就有製版軟件NI Ultiboard10，用電子仿真軟件NI Multisim10設計的電路內容可以無縫鏈接到NI Ultiboard10中進行製作電路板,或者用另一個EDA軟件Protel PCB 99 SE製版。這樣就可以大大地加快設計和生產電子產品的週期。由於採用電子虛擬仿真技術設計電子產品具有安全係數高、投入設備少、週期短、性能高，所以新世紀設計電子產品的新理念是：構思電路-虛擬仿真繪製電路板-焊接調試出產品。