电路暂态过程在实际工程中应用实例

1、电路的暂态过程在实际工程中的应用实例1 .汽车点火系统汽车点火电路时给予 RLC电路暂态响应的原理工作的。在点火电路中，通过开关的动作 使电感线圈中产生一个快速变化的电流，电感线圈通常称作点火线圈，点火线圈有两个串联的磁耦合线圈著称，又称为自耦合变压器，其中与电池相连的线圈称作初级线圈，与火花塞相连的线圈成为次级线圈。初级线圈上电流的快速变化通过磁耦合（互感）使次级线圈上产生一个高电压，其峰值可达到 2040kV,这一高压将在火花塞的间隙间产生一个电火花，从 而点燃气缸中的油气混合物。如图所示，此为简化电路汽车点火系统一彳修）图。2 .文氏桥和运放构成的正弦波振荡器文氏桥正弦波振荡器是一种经典

2、式RC振荡器，它在低频围有着广泛的用途。在新器件不断出现的今天，从理论和实践上再来探讨它，对其发展和应用是有益的。1理论分析文氏桥正弦波振荡器的基本形式如图1所示，它有反馈网络和放大器两部分组成。在水产学院学报第8卷用晶体管构成放大器时需要二级，而采用新型器件集成运算放大器，只需要一级，用一个运放就可以满足正反馈的要求。选频网络在文氏桥振荡器中，反馈网络由选频网络承担。它的主要作用是只让单一频率满足振荡条件，以产生单一频率正弦波。选频网络由两个电阻Rl、RZ和两个电容器 C,、cZ构成，其联接形式可以有图 2所示的三种形式图l文氏桥振荡 器的组成图2选频网络的3种联接形式通常为了方便，使Rl

3、RZ1十SCR sC- R,C、一 CZ - Co文氏桥正弦波振荡器主要用于测量、遥控、通信、自动控制、热处理和超声波电焊等加工设备之中，也作为模拟电子电路的测试信号。例如函数信号发生器，数控3 .二阶低通滤波器任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。对于N阶为偶数的高阶滤波器，可以由N/2节二阶滤波器级联而成； 而N为奇数的高阶滤波器可以由（N-1）/2节二阶滤波器和 一节一阶滤波器级联而成，因此一阶滤波器和二阶滤波器是高阶滤波器的基础。可是难度也会越加困难。一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通带，例如在通带没有增益或者衰减，并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉，另外，通带外的转换在

4、极小的频率围完成。实际上， 并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的围。这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度 dB来表示。通常，滤波器的设计尽量保证滚降围越窄越好，这 样滤波器的性能就与设计更加接近。然而，随着滚降围越来越小， 通带就变得不再平坦一开始出现“波纹”。这种现象在通带的边缘处尤其明显，这种效应称为吉布斯现象。除了电子学和信号处理领域之外，带通滤波器应用的一个例子是在大气科学领域，很常见的例子是使用带通滤波器过滤最近3到10天时间围的天气数据，这样在数据域中就只保留了作为扰动的气旋

5、。在频带较低的剪切频率 fl和较高的剪切频率f2之间是共振频率，这 里滤波器的增益最大，滤波器的带宽就是f2和fl之间的差值。二阶低通滤波器“经过全桥整流”，显然是想得到直流电压。经过二阶低通滤波器目的是滤 波，使得到的直流电压更平直，更理想。否则输出是像你说的海浪形。不是要得到有效值。 直流的有效值即使它本身。正弦信号的有效值要用单片机之类的处理器采样计算才能得到电子设计自动化技术及其影响1. Multisim 是美国国家仪器 （NI）推出的以 Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。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

6、能力。2. iCircuit 是一款电路仿真设计程序。其先进的模拟引擎可以处理模拟和数字电路，并提供强大的实时分析的功能。3. PCB#板软件，是利用逆向反工程技术来提取电路板的PCB文件，然后根据 pcb文件逆向原理图文件，BO帔件。从而达到完整的反向克隆出一套一模一样的电路板4. PowerPC* PowerLogic系列软件是由美国 Mentor Graphics 公司主推的电路设计自动 化软件，也是目前在电子工程领域使用最广泛、性能最优秀的EDA软件之一。EDAC具软件可大致可分为芯片设计辅助软件、可编程芯片辅助设计软件、系统设计辅助软 件等三类。目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件

7、是系统设计辅助类软件和可编程芯片辅助设计软件：Protel、Altium Designer 、PSPICE multisim12（ 原 EWB勺最新版本）、OrCAD PCAD LSIIogic、MicroSim、ISE、modelsim、Matlab等等。这些工具都有较强的功能，一般可用 于几个方面，例如很多软件都可以进行电路设计与仿真，同时还可以进行 PCB自动布局布线，可输出多种网表文件与第三方软件接口。下面按主要功能或主要应用场合，分为电路设计与仿真工具、PCB设计软件、IC设计软件、PLD设计工具及其它 EDA软件，进行简单介绍。3.1 电子电路设计与仿真工具电子电路设计与仿真工具包

8、括SPICE/PSPICE; multiSIM7 ; Matlab; SystemView ; MMICADLiveWire、Edison > Tina Pro Bright Spark 等。下面简单介绍前三个软件。SPICE （Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）:是由美国加州大学推出的电路分析仿真软件，是20世纪80年代世界上应用最广的电路设计软件，1998年被定为美国国家标准。 1984年，美国 MicroSim 公司推出了基于SPICE的微机版 PSPICE（Personal-SPICE ）。现在用得较多的是PS

9、PICE6.2,可以说在同类产品中，它是功能最为强大的模拟和数字电路混合仿真EDA软件，在国普遍使用。最新推出了 PSPICE9.1版本。它可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输 出、并在同一窗口同时显示模拟与数字的仿真结果。无论对哪种器件哪些电路进行仿真，都可以得到精确的仿真结果，并可以自行建立元器件及元器件库。multiSIM （EWB勺最新版本）软件：是 Interactive Image Technologies Ltd 在 20 世纪 末推出的电路仿真软件。其最新版本为multiSIM13 ,目前普遍使用的是 multiSIM2001 ,相对

10、于其它EDA次件，它具有更加形象直观的人机交互界面，特别是其仪器仪表库中的各仪器仪表与操作真实实验中的实际仪器仪表完全没有两样，但它对模数电路的混合仿真功能却毫不逊色，几乎能够100班仿真出真实电路的结果，并且它在仪器仪表库中还提供了万用表、 信号发生器、瓦特表、双踪示波器（对于 multiSIM7还具有四踪示波器）、波特仪（相当实 际中的扫频仪）、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪、失真度分析仪、频谱分析仪、 网络分析仪和电压表及电流表等仪器仪表。还提供了我们日常常见的各种建模精确的元器 件，比如电阻、电容、电感、三极管、二极管、继电器、可控硅、数码管等等。模拟集成电 路方面有各种运算放大

11、器、其他常用集成电路。数字电路方面有74系列集成电路、4000系列集成电路、等等还支持自制元器件。MultiSIM7还具有I-V分析仪（相当于真实环境中的晶体管特性图示仪）和 Agilent信号发生器、Agilent万用表、Agilent示波器和动态逻辑 平笔等。同时它还能进行 VHDL仿真和Verilog HDL 仿真。MATLAB产品族：它们的一大特性是有众多的面向具体应用的工具箱和仿真块，包含了完 整的函数集用来对图像信号处理、控制系统设计、神经网络等特殊应用进行分析和设计。它具有数据采集、报告生成和MATLAB言编程产生独立 C/C+弋码等功能。MATLAET品族具有下列功能：数据分析

12、；数值和符号计算、工程与科学绘图；控制系统设计；数字图像信号 处理；财务工程；建模、仿真、原型开发；应用开发；图形用户界面设计等。MATLAB产品族被广泛应用于信号与图像处理、控制系统设计、通讯系统仿真等诸多领域。开放式的结构使MATLA产品族很容易针对特定的需求进行扩充，从而在不断深化对问题的认识同时，提 高自身的竞争力。3.2 PCB设计软件PCB （ Printed-Circuit Board ）设计软件种类很多，如 Protel、Altium Designer 、OrCAD Viewlogic、PowerPCB Cadence PSD MentorGraphices 的 Expedit

13、ion PCB Zuken CadStart、 Winboard/Windraft/Ivex-SPICE 、PCBStudio、TANGO PCBWizard （与 LiveWire 配套的 PCB 制作软件包）、ultiBOARD7 （与multiSIM2001 配套的PCB$iJ作软件包）等等。 目前在我国用得最多当属Protel ,下面仅对此软件作一介绍。Protel是PROTEL（现为Altium ）公司在20世纪80年代末推出的 CAD工具，是PC酸计者 的首选软件。它较早在国使用， 普及率最高，在很多的大、中专院校的电路专业还专门开设 Protel课程，几乎所在的电路公司都要用到它

14、。早期的 Protel主要作为印刷板自动布线工 具使用，其最新版本为Altium Designer 10,现在普遍使用的是 Protel99SE ,它是个完整的全方位电路设计系统，包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计（包含印刷电路板自动布局布线），可编程逻辑器件设计、图表生成、电路表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务体系结构），同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCADPSPICE EXCEL等。使用多层印制线路板的自动布线，可实现高密度 PCB的100%布通率。Protel软件功能强大（同时具有电路仿真功能和 PL

15、D开发功能）、界面友好、使用方便，但它最具代表性的是电路设计和PC酸计。3.3 IC设计软件IC设计工具很多，其中按市场所占份额排行为Cadence、Mentor Graphics和Synopsys。这三家都是ASIC设计领域相当有名的软件供应商。其它公司的软件相对来说使用者较少。公 司也提供ASIC设计软件（熊猫2000）;另外近来出名的 Avanti公司，是原来在 Cadence的 几个华人工程师创立的，他们的设计工具可以全面和Cadence公司的工具相抗衡，非常适用于深亚微米的IC设计。下面按用途对IC设计软件作一些介绍。设计输入工具这是任何一种EDA软件必须具备的基本功能。像 Cade

16、nce的composer, viewlogic 的viewdraw ,硬件描述语言VHDL Verilog HDL 是主要设计语言，许多设计输入工具都支持HDL（比如说multiSIM 等）。另外像Active-HDL和其它的设计输入方法，包括原理和状态机输入方法，设计FPGA/CPL曲工具大都可作为IC设计的输入手段， 如Xilinx、Altera等公 司提供的开发工具 Modelsim FPGA等。设计仿真工作我们使用EDAT具的一个最大好处是可以验证设计是否正确，几乎每个公司的EDA产品都有仿真工具。Verilog-XL、NC-verilog 用于 Verilog 仿真，Leapfrog

17、 用于 VHDL仿真,Analog Artist 用于模拟电路仿真。Viewlogic的仿真器有：viewsim门级电路仿真器，speedwaveVHDL 仿真器，VCS-verilog 仿真器。Mentor Graphics 有其子公司 Model Tech出品的VHDL和 Verilog 双仿真器：Model Sim。 Cadence、Synopsys 用的是 VSS （VHDL仿真器）。现在的趋 势是各大EDA公司都逐渐用HDL仿真器作为电路验证的工具。综合工具综合工具可以把 HDL变成门级网表。这方面 Synopsys工具占有较大的优势，它的 Design Compile是作为一个综合

18、的工业标准，它还有另外一个产品叫Behavior Compiler ,可以提供更高级的综合。另外最近美国又出了一个软件叫Ambit ,据说比Synopsys的软件更有效，可以综合 50万门的电路，速度更快。今年初Ambit被Cadence公司收购，为此Cadence放弃了它原来的综合 软彳Synergy。随着FPG殷计的规模越来越大，各 EDA公司又开发了用于 FPG破计的综合 软件，比较有名的有：Synopsys 的 FPGAExpress , Cadence 的 Synplity , Mentor 的 Leonardo , 这三家的FPGA合软件占了市场的绝大部分。布局和布线在IC设计的布

19、局布线工具中，Cadence软件是比较强的，它有很多产品，用于标准单元、门阵列已可实现交互布线。最有名的是Cadence spectra ,它原来是用于 PCB线的，后来Cadence把它用来作IC的布线。其主要工具有：Cell3 , Silicon Ensemble- 标准单元布线器；Gate Ensemble-门阵列布线器；Design Planner- 布局工具。其它各 EDA软件开发公司 也提供各自的布局布线工具。物理验证工具物理验证工具包括版图设计工具、版图验证工具、版图提取工具等等。这方面Cadence也是很强的，其 Dracula、Virtuso、Vampire等物理工具有很多的

20、使用者。模拟电路仿真器前面讲的仿真器主要是针对数字电路的，对于模拟电路的仿真工具，普遍使用SPICE,这是唯一的选择。只不过是选择不同公司的SPICE,像MiceoSim的PSPICE、Meta Soft的HSPICE等等。HSPIC则在被Avanti公司收购了。在众多的 SPICE中，HSPICE作为IC设计，其模 型多，仿真的精度也高。3.4 PLD设计工具PLD （ Programmable Logic Device ）是一种由用户根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成 电路。目前主要有两大类型：CPLD Complex PLD 和 FPGA（Field Programmable Gate

21、 Array）。它们的基本设计方法是借助于EDA次件，用原理图、状态机、 布尔表达式、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，最后用编程器或下载电缆，由目标器件实现。生产PLD的厂家很多，但最有代表性的 PLD厂家为Altera、Xilinx 和Lattice 公司。PLD的开发工具一般由器件生产厂家提供，但随着器件规模的不断增加，软件的复杂性也随 之提高，目前由专门的软件公司与器件生产厂家使用，推出功能强大的设计软件。下面介绍主要器件生产厂家和开发工具。ALTERA 20世纪90年代以后发展很快。主要产品有：MAX3000/700R FELX6K/10K APEX20K ACEX1K Str

22、atix 等。其开发工具-MAX+PLUS II是较成功的PLD开发平台，最新又推出了 Quartus II开发软件。Altera公司提供较多形式的设计输入手段，绑定第三方VHDLB合工具，如：综合软件 FPGA Express > Leonard Spectrum ,仿真软件 ModelSim。XILINX : FPGA的发明者。产品种类较全，主要有：XC9500/4000、Coolrunner（XPLA3）、Spartan、Vertex 等系列，其最大的Vertex-II Pro器件已达到 800万门。开发软件为Foundation和ISE。通常来说，在欧洲用Xilinx 的人多，在

23、日本和亚太地区用 ALTERA勺人 多，在美国则是平分秋色。全球PLD/FPGA品60蛆上是由Altera 和Xilinx 提供的。可以讲Altera和Xilinx 共同决定了 PLD技术的发展方向。Lattice-Vantis : Lattice 是 ISP （In-System Programmability ）技术的发明者。ISP 技 术极促进了 PLD产品的发展，与 ALTER所口 XILINX相比，其开发工具比 Altera 和Xilinx 略逊一筹。中小规模 PLD比较有特色，大规模 PLD的竞争力还不够强（Lattice 没有基于查 找表技术的大规模 FPGA, 1999年推出可

24、编程模拟器件，1999年收购Vantis （原AMD?公司），成为第三大可编程逻辑器件供应商。2001年12月收购Agere公司（原Lucent微电子部）的 FPGAB门。主要产品有 ispLSI2000/5000/8000 , MACH4/5ACTEL反熔丝（一次性烧写） PLD的领导者。由于反熔丝 PLD抗辐射、耐高低温、功耗 低、速度快，所以在军品和宇航级上有较大优势。ALTERAM XILINX则一般不涉足军品和宇航级市场。Quicklogic :专业PLD/FPGA司，以一次性反熔丝工艺为主，在中国地区销售量不大。Lucent :主要特点是有不少用于通讯领域的专用IP核，但PLD/F

25、PGM是Lucent的主要业务，在中国地区使用的人很少。ATMEL中小规模 PLD做得不错。ATME也做了一些与 Altera和Xilinx 兼容的片子，但 在品质上与原厂家还是有一些差距，在高可靠性产品中使用较少，多用在低端产品上。Clear Logic :生产与一些著名 PLD/FPGA大公司兼容的芯片，这种芯片可将用户的设计一 次性固化，不可编程，批量生产时的成本较低。WSI:生产PSD（单片机可编程外围芯片）产品。这是一种特殊的PLD,如最新的PSD8xxPSD9xx集成了 PLD EPROM Flash ,并支持ISP （在线编程），集成度高，主要用于配合单片机工作。Altium :

26、提供Actel、Altera、Lattice 和Xilinx 四家PLD/FPG端件的通用跨厂商开发 平台，最新推出了 Altium Designer 10软件中集成了 Aldec HDL仿真功能。顺便提一下：PLD （可编程逻辑器件） 是一种可以完全替代 74系列及GAL PLA的新型电路， 只要有数字电路基础，会使用计算机，就可以进行PLD的开发。PLD的在线编程能力和强大的开发软件，使工程师可以几天，甚至几分钟就可完成以往几周才能完成的工作，并可将数百万门的复杂设计集成在一颗芯片。PLD技术在发达国家已成为电子工程师必备的技术。3.5 其它EDA件VHDL语言：超高速集成电路硬件描述语言（ VHSIC Hardware Description Language ,简 称VHDL,是IEEE的一项标准设计语言。它源于美国国防部提出的超高速集成电路（ Very High Speed Integrated Circuit ,简称 VHSIQ 计划，是 ASIC设计和PLD设计的一种主要 输入工具。Verilog HDL :是Verilog 公司推出的硬件描述语言，在ASIC设计方面与 VHDL语言平分