電路的暫態(tài)過程在實際工程中的應(yīng)用實例

1、電路的暫態(tài)過程在實際工程中 的應(yīng)用實例電路的暫態(tài)過程在實際工程中的應(yīng)用實例1 .汽車點火系統(tǒng)汽車點火電路時給予 RLC電路暫態(tài)響應(yīng)的 原理工作的。在點火電路中，通過開關(guān)的動作使 電感線圈中產(chǎn)生一個快速變化的電流， 電感線圈 通常稱作點火線圈，點火線圈有兩個串聯(lián)的磁耦 合線圈著稱，又稱為自耦合變壓器，其中與電池 相連的線圈稱作初級線圈，與火花塞相連的線圈 成為次級線圈。初級線圈上電流的快速變化通過 磁耦合（互感）使次級線圈上產(chǎn)生一個高電壓， 其峰值可達到2040kV,這一高壓將在火花塞的 間隙間產(chǎn)生一個電火花，從而點燃氣缸中的油氣 混合物。如圖所示，此為簡化電路1 .汽車點火系統(tǒng)f笆圖。2 .文

2、氏橋和運放構(gòu)成的正弦波振蕩器文氏橋正弦波振蕩器是一種經(jīng)典式 RC振蕩 器，它在低頻范圍內(nèi)有著廣泛的用途。在新器件 不斷出現(xiàn)的今天，從理論和實踐上再來探討它， 對其發(fā)展和應(yīng)用是有益的。1理論分析 文氏橋 正弦波振蕩器的基本形式如圖1所示，它有反饋 網(wǎng)絡(luò)和放大器兩部分組成。在大連水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報 第8卷用晶體管構(gòu)成放大器時需要二級,而采用 新型器件集成運算放大器，只需要一級，用一個 運放就可以滿足正反饋的要求。選頻網(wǎng)絡(luò) 在文氏橋振蕩器中，反饋網(wǎng)絡(luò)由選頻網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)。它的 主要作用是只讓單一頻率滿足振蕩條件，以產(chǎn)生 單一頻率正弦波。選頻網(wǎng)絡(luò)由兩個電阻Rl、RZ和兩個電容器C,、cZ構(gòu)成,其聯(lián)接形式可以有圖

3、2所示的三種形式圖l文氏橋振蕩器的組成圖2 選頻網(wǎng)絡(luò)的3種聯(lián)接形式通常為了方便，使Rl 一 RZ1 十 SCR sC R,C、一 CZ C。文氏橋正弦波振蕩器主要用于測量、遙控、通信、自動控制、熱處理和超聲波電焊等加工設(shè) 備之中，也作為模擬電子電路的測試信號。例如 函數(shù)信號發(fā)生器，數(shù)控nqcVEE中QVI V4IBUiiLj-'JL-IffUdte-TT R4 , 30 J ,1 = 1 + = 3.007用 153.二階低通濾波器任何高階濾波器都可由一階和二階濾波器 級聯(lián)而成。對于N階為偶數(shù)的高階濾波器，可以 由N/2節(jié)二階濾波器級聯(lián)而成；而N為奇數(shù)的高 階濾波器可以由（N-1）/2

4、節(jié)二階濾波器和一節(jié)一 階濾波器級聯(lián)而成，因此一階濾波器和二階濾波 器是高階濾波器的基礎(chǔ)?？墒请y度也會越加困 難。一個理想的濾波器應(yīng)該有一個完全平坦的 通帶，例如在通帶內(nèi)沒有增益或者衰減，并且在通帶之外所有頻率都被完全衰減掉， 另外，通 帶外的轉(zhuǎn)換在極小的頻率范圍完成。實際上，并 不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠?qū)⑵?望頻率范圍外的所有頻率完全衰減掉，尤其是在 所要的通帶外還有一個被衰減但是沒有被隔離 的范圍。這通常稱為濾波器的滾降現(xiàn)象，并且使 用每十倍頻的衰減幅度dB來表示。通常，濾波 器的設(shè)計盡量保證滾降范圍越窄越好，這樣濾波 器的性能就與設(shè)計更加接近。然而，隨著滾降范 圍越來越小，通

5、帶就變得不再平坦一開始出現(xiàn)“波紋”。這種現(xiàn)象在通帶的邊緣處尤其明顯， 這種效應(yīng)稱為吉布斯現(xiàn)象。除了電子學(xué)和信號處理領(lǐng)域之外，帶通濾波 器應(yīng)用的一個例子是在大氣科學(xué)領(lǐng)域， 很常見的 例子是使用帶通濾波器過濾最近 3到10天時間 范圍內(nèi)的天氣數(shù)據(jù)，這樣在數(shù)據(jù)域中就只保留了 作為擾動的氣旋。在頻帶較低的剪切頻率 fl和 較高的剪切頻率f2之間是共振頻率，這里濾波 器的增益最大，濾波器的帶寬就是f2和fl之間 的差值。二階低通濾波器“經(jīng)過全橋整流”，顯然是想得 到直流電壓。經(jīng)過二階低通濾波器目的是濾波， 使得到的直流電壓更平直，更理想。否則輸出是 像你說的海浪形。不是要得到有效值。直流的有 效值即使它

6、本身。正弦信號的有效值要用單片機 之類的處理器采樣計算才能得到電子設(shè)計自動化技術(shù)及其影響1. Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出 的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級 的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電 路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入 方式，具有豐富的仿真分析能力。2. iCircuit是一款電路仿真設(shè)計程序。其先進的 模擬引擎可以處理模擬和數(shù)字電路， 并提供強 大的實時分析的功能。3. PCB抄板軟件，是利用逆向反工程技術(shù)來提取 電路板的PCB文件，然后根據(jù)pcb文件逆向 原理圖文件，BOM文件。從而達到完整的反 向克隆出一套一模一樣的電路板4. P

7、owerPCB與PowerLogic系列軟件是由美國 Mentor Graphics公司主推的電路設(shè)計自動化軟件，也是目前在電子工程領(lǐng)域內(nèi)使用最廣 泛、性能最優(yōu)秀的EDA軟件之一。EDA工具軟件可大致可分為芯片設(shè)計輔助軟 件、可編程芯片輔助設(shè)計軟件、系統(tǒng)設(shè)計輔助軟 件等三類。目前進入我國并具有廣泛影響的 EDA軟件是系 統(tǒng)設(shè)計輔助類軟件和可編程芯片輔助設(shè)計軟件： Protel 、 Altium Designer、 PSPICE 、 multisim12（原 EWB 的最新版本）、OrCAD、 PCAD、LSIIogic、MicroSim、ISE、modelsim Matlab等等。這些工具都有

8、較強的功能，一般 可用于幾個方面，例如很多軟件都可以進行電路 設(shè)計與仿真，同時還可以進行PCB自動布局布線，可輸出多種網(wǎng)表文件與第三方軟件接口。 下面按主要功能或主要應(yīng)用場合，分為電路設(shè)計 與仿真工具、PCB設(shè)計軟件、IC設(shè)計軟件、PLD 設(shè)計工具及其它EDA軟件，進行簡單介紹。3.1 電子電路設(shè)計與仿真工具電子電路設(shè)計與仿真工具包括 SPICE/PSPICE ; multiSIM7 ; Matlab ; SystemView; MMICAD LiveWire、Edison Tina Pro Bright Spark 等。卜面簡單介紹前三個軟件SPICE (Simulation Program

9、 with Integrated Circuit Emphasis ):是由美國加州大學(xué)推出的電 路分析仿真軟件，是20世紀80年代世界上應(yīng)用 最廣的電路設(shè)計軟件，1998年被定為美國國家 標準。1984年，美國MicroSim 公司推出了基于 SPICE 的微機版 PSPICE (Personal-SPICE )?，F(xiàn)在用得較多的是PSPICE6.2,可以說在同類產(chǎn) 品中，它是功能最為強大的模擬和數(shù)字電路混合 仿真EDA軟件，在國內(nèi)普遍使用。最新推出了 PSPICE9.1版本。它可以進行各種各樣的電路仿 真、激勵建立、溫度與噪聲分析、模擬控制、波 形輸出、數(shù)據(jù)輸出、并在同一窗口內(nèi)同時顯示模 擬

10、與數(shù)字的仿真結(jié)果。無論對哪種器件哪些電路 進行仿真，都可以得到精確的仿真結(jié)果，并可以 自行建立元器件及元器件庫。multiSIM (EWB的最新版本)軟件：是 Interactive Image Technologies Ltd 在 20 世紀末 推出的電路仿真軟件。其最新版本為 multiSIM13 ,目前普遍使用的是 multiSIM2001 , 相對于其它EDA軟件，它具有更加形象直觀的 人機交互界面，特別是其儀器儀表庫中的各儀器 儀表與操作真實實驗中的實際儀器儀表完全沒 有兩樣，但它對模數(shù)電路的混合仿真功能卻毫不 遜色，幾乎能夠100%地仿真出真實電路的結(jié)果， 并且它在儀器儀表庫中還提

11、供了萬用表、信號發(fā) 生器、瓦特表、雙蹤示波器（對于 multiSIM7 還具有四蹤示波器）、波特儀（相當(dāng)實際中的掃 頻儀）、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換 儀、失真度分析儀、頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀和 電壓表及電流表等儀器儀表。還提供了我們?nèi)粘?常見的各種建模精確的元器件，比如電阻、電容、 電感、三極管、二極管、繼電器、可控硅、數(shù)碼 管等等。模擬集成電路方面有各種運算放大器、 其他常用集成電路。數(shù)字電路方面有 74系列集 成電路、4000系列集成電路、等等還支持自制 元器件。MultiSIM7還具有I-V分析儀（相當(dāng)于 真實環(huán)境中的晶體管特性圖示儀）和 Agilent信 號發(fā)生器、Agile

12、nt萬用表、Agilent示波器和動 態(tài)邏輯平筆等。同時它還能進行 VHDL仿真和 Verilog HDL 仿真。MATLAB產(chǎn)品族：它們的一大特性是有眾多 的面向具體應(yīng)用的工具箱和仿真塊， 包含了完整 的函數(shù)集用來對圖像信號處理、控制系統(tǒng)設(shè)計、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等特殊應(yīng)用進行分析和設(shè)計。它具有數(shù) 據(jù)采集、報告生成和MATLAB語言編程產(chǎn)生獨 立C/C+代碼等功能。MATLAB產(chǎn)品族具有下 列功能：數(shù)據(jù)分析；數(shù)值和符號計算、工程與科 學(xué)繪圖；控制系統(tǒng)設(shè)計；數(shù)字圖像信號處理；財 務(wù)工程；建模、仿真、原型開發(fā)；應(yīng)用開發(fā)；圖 形用戶界面設(shè)計等。MATLAB產(chǎn)品族被廣泛應(yīng) 用于信號與圖像處理、控制系統(tǒng)設(shè)計、通

13、訊系統(tǒng) 仿真等諸多領(lǐng)域。開放式的結(jié)構(gòu)使 MATLAB產(chǎn) 品族很容易針對特定的需求進行擴充，從而在不 斷深化對問題的認識同時，提高自身的競爭力。3.2 PCB設(shè)計軟件PCB （Printed-Circuit Board ）設(shè)計軟件種類很 多，如 Protel、Altium Designer、OrCAD、 Viewlogic、 PowerPCB、 Cadence PSD、 MentorGraphices 的 Expedition PCB、 Zuken CadStart 、 Winboard/Windraft/Ivex-SPICE 、 PCB Studio、TANGO、PCBWizard （與 Li

14、veWire 配套的PCB制作軟件包）、ultiBOARD7 （與 multiSIM2001配套的PCB制作軟件包）等等。 目前在我國用得最多當(dāng)屬Protel,下面僅對此軟 件作一介紹。Protel 是 PROTEL （現(xiàn)為 Altium ）公司在 20 世 紀80年代末推出的CAD工具，是PCB設(shè)計者 的首選軟件。它較早在國內(nèi)使用，普及率最高， 在很多的大、中專院校的電路專業(yè)還專門開設(shè) Protel課程，幾乎所在的電路公司都要用到它。 早期的Protel主要作為印刷板自動布線工具使 用，其最新版本為Altium Designer 10 ,現(xiàn)在普 遍使用的是Protel99SE,它是個完整的全

15、方位電 路設(shè)計系統(tǒng)，包含了電原理圖繪制、模擬電路與 數(shù)字電路混合信號仿真、多層印刷電路板設(shè)計（包含印刷電路板自動布局布線），可編程邏輯 器件設(shè)計、圖表生成、電路表格生成、支持宏操 作等功能，并具有 Client/Server （客戶/服務(wù)體 系結(jié)構(gòu)），同時還兼容一些其它設(shè)計軟件的文件 格式，如 ORCAD、PSPICE、EXCEL 等。使用 多層印制線路板的自動布線，可實現(xiàn)高密度PCB 的100%布通率。Protel軟件功能強大（同時具 有電路仿真功能和PLD開發(fā)功能）、界面友好、 使用方便，但它最具代表性的是電路設(shè)計和 PCB 設(shè)計。3.3 IC設(shè)計軟件IC設(shè)計工具很多，其中按市場所占份額排

16、行為 Cadence、Mentor Graphics 和 Synopsys。這三 家都是ASIC設(shè)計領(lǐng)域相當(dāng)有名的軟件供應(yīng)商。其它公司的軟件相對來說使用者較少。中國華大公司也提供ASIC設(shè)計軟件（熊貓2000）;另外 近來出名的 Avanti公司，是原來在 Cadence的 幾個華人工程師創(chuàng)立的，他們的設(shè)計工具可以全 面和Cadence公司的工具相抗衡，非常適用于深 亞微米的IC設(shè)計。下面按用途對IC設(shè)計軟件 作一些介紹。設(shè)計輸入工具這是任何一種EDA軟件必須具備的基本功能。像 Cadence 的 composer,viewlogic 的 viewdraw , 硬件描述語言VHDL、Veril

17、og HDL是主要設(shè)計 語言，許多設(shè)計輸入工具都支持HDL （比如說multiSIM 等）。另外像 Active-HDL和其它的設(shè) 計輸入方法，包括原理和狀態(tài)機輸入方法，設(shè)計 FPGA/CPLD的工具大都可作為IC設(shè)計的輸入 手段，如Xilinx、Altera等公司提供的開發(fā)工具 Modelsim FPGA 等。設(shè)計仿真工作我們使用EDA工具的一個最大好處是可以驗證 設(shè)計是否正確，幾乎每個公司的 EDA產(chǎn)品都有 仿真工具。Verilog-XL、NC-verilog 用于 Verilog仿真,Leapfrog 用于 VHDL 仿真,Analog Artist 用于模擬電路仿真。Viewlogic

18、的仿真器有：viewsim門級電路仿真器，speedwaveVHDL仿 真器，VCS-verilog 仿真器。Mentor Graphics 有其子公司Model Tech出品的VHDL和Verilog 雙仿真器：Model Sim。Cadence、Synopsys用 的是VSS （VHDL仿真器）?，F(xiàn)在的趨勢是各大 EDA公司都逐漸用HDL仿真器作為電路驗證的 工具。綜合工具綜合工具可以把 HDL變成門級網(wǎng)表。這方面 Synopsys工具占有較大的優(yōu)勢，它的 Design Compile是作為一個綜合的工業(yè)標準，它還有另 外一個產(chǎn)品叫Behavior Compiler ,可以提供更 高級的綜

19、合。另外最近美國又出了一個軟件叫 Ambit ,據(jù)說比 Synopsys的軟件更有效，可以綜合50萬門的電 路，速度更快。今年初 Ambit被Cadence公司 收購，為此Cadence放棄了它原來的綜合軟件 Synergy。隨著FPGA設(shè)計的規(guī)模越來越大，各 EDA公司又開發(fā)了用于 FPGA設(shè)計的綜合軟 件，比較有名的有：Synopsys的FPGA Express ,Cadence 的 Synplity ） Mentor 的 Leonardo ）這 三家的FPGA綜合軟件占了市場的絕大部分。布局和布線在IC設(shè)計的布局布線工具中）Cadence軟件是 比較強的，它有很多產(chǎn)品，用于標準單元、門陣

20、 列已可實現(xiàn)交互布線。最有名的是Cadencespectra,它原來是用于PCB布線的，后來Cadence把它用來作IC的布線。其主要工具有： Cell3）Silicon Ensemble-標準單元布線器；Gate Ensemble-門 陣列布線器； Design Planner-布局 工具。其它各EDA軟件開發(fā)公司也提供各自的 布局布線工具。物理驗證工具物理驗證工具包括版圖設(shè)計工具、版圖驗證工具、版圖提取工具等等。這方面Cadence也是很 強的）其 Dracula、Virtuso、Vampire 等物理工 具有很多的使用者。模擬電路仿真器前面講的仿真器主要是針對數(shù)字電路的，對于模 擬電路的

21、仿真工具，普遍使用SPICE ,這是唯一的選擇。只不過是選擇不同公司的SPICE,像MiceoSim 的 PSPICE、Meta Soft 的 HSPICE 等 等。HSPICE現(xiàn)在被Avanti公司收購了。在眾 多的SPICE中，HSPICE作為IC設(shè)計，其模型 多，仿真的精度也高。3.4 PLD設(shè)計工具PLD (Programmable Logic Device )是一種由用 戶根據(jù)需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電 路。目前主要有兩大類型：CPLD ( ComplexPLD )和 FPGA(Field Programmable Gate Array)。它們的基本設(shè)計方法是借助于 EDA軟

22、 件，用原理圖、狀態(tài)機、布爾表達式、硬件描述 語言等方法，生成相應(yīng)的目標文件，最后用編程 器或下載電纜，由目標器件實現(xiàn)。生產(chǎn) PLD的 廠家很多，但最有代表性的PLD廠家為Altera、 Xilinx 和 Lattice 公司。PLD的開發(fā)工具一般由器件生產(chǎn)廠家提供，但 隨著器件規(guī)模的不斷增加，軟件的復(fù)雜性也隨之 提高，目前由專門的軟件公司與器件生產(chǎn)廠家使 用，推出功能強大的設(shè)計軟件。下面介紹主要器 件生產(chǎn)廠家和開發(fā)工具。ALTERA : 20世紀90年代以后發(fā)展很快。主 要產(chǎn)品有：MAX3000/7000、FELX6K/10K、 APEX20K、ACEX1K、Stratix 等。其開發(fā)工具-

23、MAX+PLUS II是較成功的PLD開發(fā)平臺，最 新又推出了 Quartus II開發(fā)軟件。Altera公司提 供較多形式的設(shè)計輸入手段，綁定第三方VHDL 綜合工具，如：綜合軟件FPGA Express、Leonard Spectrum ,仿真軟件 ModelSim。XILINX : FPGA的發(fā)明者。產(chǎn)品種類較全， 主要有：XC9500/4000、Coolrunner(XPLA3)、 Spartan > Vertex 等系列，其最大的 Vertex-II Pro 器件已達到800萬門。開發(fā)軟件為Foundation 和ISE。通常來說，在歐洲用Xilinx的人多，在 日本和亞太地區(qū)

24、用ALTERA的人多，在美國則 是平分秋色。全球PLD/FPGA產(chǎn)品60%以上是 由Altera和Xilinx提供的?？梢灾v Altera和 Xilinx共同決定了 PLD技術(shù)的發(fā)展方向。Lattice-Vantis : Lattice 是 ISP (In-System Programmability )技術(shù)的發(fā)明者。ISP技術(shù)極大 地促進了 PLD產(chǎn)品的發(fā)展，與 ALTERA 和 XILINX 相比，其開發(fā)工具比 Altera和Xilinx 略遜一籌。中小規(guī)模 PLD比較有特色，大規(guī)模 PLD的競爭力還不夠強(Lattice沒有基于查找 表技術(shù)的大規(guī)模FPGA), 1999年推出可編程模 擬

25、器件，1999年收購Vantis (原AMD子公司)， 成為第三大可編程邏輯器件供應(yīng)商。2001年12 月收購 Agere公司（原Lucent微電子部）的 FPGA 部門。主要產(chǎn)品有 ispLSI2000/5000/8000 , MACH4/5。ACTEL :反熔絲（一次性燒寫）PLD的領(lǐng)導(dǎo) 者。由于反熔絲PLD抗輻射、耐高低溫、功耗 低、速度快，所以在軍品和宇航級上有較大優(yōu)勢。 ALTERA 和XILINX 則一般不涉足軍品和宇航 級市場。Quicklogic :專業(yè)PLD/FPGA 公司，以一次性 反熔絲工藝為主，在中國地區(qū)銷售量不大。Lucent:主要特點是有不少用于通訊領(lǐng)域的專用IP核

26、，但PLD/FPGA 不是Lucent的主要業(yè) 務(wù)，在中國地區(qū)使用的人很少。ATMEL :中小規(guī)模PLD做得不錯。ATMEL 也做了一些與 Altera和Xilinx兼容的片子，但 在品質(zhì)上與原廠家還是有一些差距，在高可靠性 產(chǎn)品中使用較少，多用在低端產(chǎn)品上。Clear Logic :生產(chǎn)與一些著名 PLD/FPGA 大 公司兼容的芯片，這種芯片可將用戶的設(shè)計一次 性固化，不可編程，批量生產(chǎn)時的成本較低。WSI :生產(chǎn)PSD （單片機可編程外圍芯片）產(chǎn)品。這是一種特殊的PLD,如最新的PSD8xx、 PSD9xx 集成了 PLD、EPROM、Flash,并支持 ISP (在線編程)，集成度高，

27、主要用于配合單片 機工作。Altium :提供 Actel、Altera、Lattice 和 Xilinx 四家PLD/FPGA器件的通用跨廠商開發(fā)平臺， 最新推出了 Altium Designer 10軟件中集成了 Aldec HDL仿真功能。順便提一下：PLD (可編程邏輯器件)是一種可 以完全替代74系列及GAL、PLA的新型電路， 只要有數(shù)字電路基礎(chǔ)，會使用計算機，就可以進 行PLD的開發(fā)。PLD的在線編程能力和強大的 開發(fā)軟件，使工程師可以幾天，甚至幾分鐘內(nèi)就 可完成以往幾周才能完成的工作，并可將數(shù)百萬 門的復(fù)雜設(shè)計集成在一顆芯片內(nèi)。PLD技術(shù)在發(fā)達國家已成為電子工程師必備的技術(shù)。3.5 其它EDA軟件VHDL語言：超高速集成電路硬件描述語言 (VHSIC Hardware Description Language , 簡稱VHDL ),是IEEE的一項標準設(shè)計語言。它 源于美國國防部提出的超高速集成電路(VeryHigh Speed Integrated Circuit ,簡稱 VHSIC ) 計劃，是ASIC設(shè)計和PLD設(shè)計的一種主要輸 入工具。Verilog HDL :是Verilog公司推出的硬件描述 語言，在ASIC設(shè)計方面與VHDL語言平分秋 色。其