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1 引言
隨著電子工業(yè)和微電子設(shè)計技術(shù)與工藝的飛速發(fā)展，電子信息類產(chǎn)品的開發(fā)周期明顯縮短，為了滿足社會發(fā)展的需要，效率、便捷的電子設(shè)計自動化(EDA)軟件應(yīng)運而生。Altium Designer就是這些軟件中的典型代表，將多類設(shè)計進(jìn)行融合，不僅延續(xù)了Protel強大的PCB設(shè)計功能，也提供了完善的EDA開發(fā)功能。Altium Designer軟件將不同企業(yè)的FPGA開發(fā)環(huán)境、電子產(chǎn)品的板級設(shè)計、可編程邏輯設(shè)計、嵌入式設(shè)計、IP軟核工程設(shè)計操作流程等進(jìn)行了統(tǒng)一，可在單一的設(shè)計環(huán)境中完成電子產(chǎn)品設(shè)計，提高電子產(chǎn)品設(shè)計的效率。工程實踐表明，采用先進(jìn)的集成化仿真工具可以加速新電子產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程。下面以低通濾波電路設(shè)計為例，討論Altium Designer仿真軟件在電子產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用。
2 低通濾波電路設(shè)計
低通濾波電路原理如圖1所示。借助Altium Designer軟件，其設(shè)計仿真步驟為：1)加載仿真需要的仿真庫文件；2)在原理圖中添加激勵源，在節(jié)點處設(shè)置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號；3)對原理圖進(jìn)行編譯(Compile)，確保原理圖正確無誤；4)設(shè)置電路初始條件，確定分析電路，設(shè)置仿真器參數(shù)；5)對仿真結(jié)果進(jìn)行調(diào)試，使設(shè)計優(yōu)化。
圖1 低通濾波電路原理圖
2.1 放置元器件
以放置運算放大器AD645AH為例，按圖2所示的對話框設(shè)置查找條件，按“Search”按鈕，找到器件后顯示圖3所示的Libraries面板，點擊“Place AD645AH”，放置器件。打開“Component Properties”設(shè)置對話框，在“Designator”處將器件序號設(shè)為U1，選擇“Models for U? -AD645AH”欄的“Simulation”，再按“Edit”按鈕，彈出圖4所示的對話框。
圖2 在系統(tǒng)提供的庫內(nèi)查找元器件
圖3 元器件仿真模型
圖4 查看仿真模型信息
從圖4可見，其仿真模型庫文件安裝正確，點擊“Model File”標(biāo)簽，顯示模型文件，如圖5所示，將AD645AH放置到原理圖中。
圖5 模型文件
同理，在Libraries面板中，選擇“Miscellaneous Devices.Int Lib庫”，放置電阻、電容、電源(Vcc和VDD)、地(GND)。
2.2 添加激勵源
在Libraries庫面板中，按“Libraries”按鈕，彈出Available Libraries對話框，安裝Simulation Sources.IntLib庫文件。在“Designator”處將器件序號設(shè)為12Vpos，將“Value”設(shè)為+12V，選擇“Simulation”，按“Edit”按鈕，彈出圖6所示的直流電壓源仿真模型對話框，然后在電路圖中放置直流電壓仿真電源VSRC；用同樣方法放置-12V的直流電壓仿真電源VSRC。
圖6 直流電壓源仿真模型
放置周期性脈沖仿真電壓源VPULSE，設(shè)置對話框，選擇“Simulation”，按“Edit”按鈕，彈出Sim Model仿真設(shè)置對話框，選擇“Parameters”（參數(shù)）標(biāo)簽，如圖7所示。
圖7 仿真參數(shù)設(shè)置對話框
如圖7所示，設(shè)置周期性脈沖仿真電壓源VPULSE的值后，按“OK”按鈕，放置脈沖仿真電壓源。在此設(shè)置一個頻率為1kHz、幅度為1V的方波信號，以便對濾波器功能進(jìn)行顯示。
2.3 檢查原理圖
執(zhí)行“Wire”命令，連接電路。執(zhí)行“Net Label”命令，放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號“IN”和“OUT”，以便于觀察這兩點的波形。設(shè)計的原理圖如圖1所示。對原理圖進(jìn)行編譯，如果有錯，修正錯誤，直到原理圖無誤為止。
3 仿真分析
在Analyses Setup中，對話框如圖8所示，常見的仿真分析如表1所示。
圖8 仿真分析設(shè)置對話框
表1 Altium Designer常見的仿真分析
3.1 一般設(shè)置
執(zhí)行菜單Design→Simulate→Mixed Sim命令，彈出圖8所示的仿真分析設(shè)置(Analyses Setup)對話框。在Active Signals(顯示信號)區(qū)域添加需要查看節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號：IN和OUT，其他設(shè)置按圖8的參數(shù)進(jìn)行。
3.2 瞬態(tài)分析
在Transient Analysis選項后面選中“Enabled”欄，并單擊“Transient Analysis”，仿真設(shè)置對話框的右邊顯示瞬態(tài)分析參數(shù)設(shè)置，勾選“Use Inrtial Conditions”（使用初始條件），在仿真時將調(diào)用系統(tǒng)設(shè)置的電路初始參數(shù)；勾選“Use Transient Defaults”（使用瞬態(tài)分析缺省值），如圖9所示，按“OK”按鈕，退出該對話框。
圖9 瞬態(tài)分析參數(shù)設(shè)置對話框
圖10 瞬態(tài)分析仿真波形
3.3 交流小信號分析
交流小信號分析用于對電路頻率響應(yīng)特性進(jìn)行分析，顯示其系統(tǒng)性能，有助于濾波器設(shè)計。通過設(shè)置交流信號分析的頻率范圍，系統(tǒng)將顯示該頻率范圍內(nèi)的增益。圖9中，在“AC Small Signal Analysis”選項后面選中“Enabled”欄，單擊“ACSmall Signal Analysis”，對話框顯示如圖11所示。
圖11 交流小信號分析參數(shù)設(shè)置對話框
圖12 交流小信號分析波形
3.4 參數(shù)掃描分析電路設(shè)計時，參數(shù)掃描分析用于電路參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，以尋找設(shè)計參數(shù)。圖11中，在“Parameter Sweep”選項后面選中“Enabled”欄，單擊“Parameter Sweep”，對話框顯示如圖13所示。
圖13 參數(shù)掃描分析設(shè)置對話框
由fc=1/2πRC可知，電阻越大，頻率越低，所以選電阻R4作為參數(shù)掃描的對象，按照表2設(shè)置R4的值。表2 掃描參數(shù)分析設(shè)置對話框
設(shè)置好參數(shù)后，按“OK”按鈕退出設(shè)置對話框。單擊對應(yīng)的按鈕可進(jìn)行參數(shù)掃描分析。系統(tǒng)在仿真時，自動改變被掃描的電參數(shù)值，并進(jìn)行重復(fù)分析，從而得到在不同參數(shù)條件下電路的輸入輸出關(guān)系。仿真結(jié)果如圖14和圖15所示，方波為電路輸入的信號，在R4取不同值的情況下，得到的輸出波形由5條曲線組成，隨著電阻值的增大，濾波效果越來越明顯。
圖14 參數(shù)掃描瞬態(tài)分析仿真波形
圖15 參數(shù)掃描交流小信號分析波形
進(jìn)行電參數(shù)掃描分析時，必須同時選中瞬態(tài)分析和交流小信號。因為電參數(shù)掃描分析總是依賴于其他類型的分析，它只是一種控制方法，借助改變電參數(shù)，以分析電路的某些性能，使之達(dá)到優(yōu)化設(shè)計。
4 結(jié)束語
在電子產(chǎn)品設(shè)計中，Altium Designer軟件環(huán)境提供了一個包括電路原理圖繪制、元件放置、工作點設(shè)置、系統(tǒng)仿真及設(shè)計參數(shù)修改等在內(nèi)的完整設(shè)計平臺。在獲得滿意的仿真結(jié)果后，可以按照仿真參數(shù)完成PCB板制作。工程實踐表明，借助先進(jìn)的仿真軟件，可以縮短電子新產(chǎn)品開發(fā)周期，提高設(shè)計效率，促進(jìn)電子產(chǎn)品設(shè)計的優(yōu)化。
