电路仿真全面、省时

关键的外卖

• 仿真的使用以及硬件设计语言的简单介绍。
• 数字模拟器和模拟模拟器在范围和功能上的区别。
• 从低到高覆盖了模拟器的抽象层次。

电路仿真甚至能够对扩展的设计进行分析

无需投入与实物产品相关的费用和时间进行设计的能力具有不可否认的价值，特别是在产品开发的开始阶段，当董事会的几个关键元素可能会发生变化时。通过数字集成在电路元件甚至电路本身之间进行旋转是快速的，并且允许高度准确的分析，通常比低技术的模拟测量更可靠。尽管测试不能解释物理世界的每一个怪癖，但模型已经足够全面，可以提供足够多的替代品，同时运行速度远远超过实际设备。

毫无疑问，电路仿真技术的发展，无论是在复杂性还是功率方面，都极大地提高了设计过程中的生产率。其结果不仅是更快的开发速度，而且由于用户可以轻松地快速构建、探测和分析电路，因此设计也更加彻底。无论是概念验证还是修订，电路仿真都为现代PCB设计提供了无可争议的框架。

电路仿真:功能与实现

从开发周期和复杂性来看，电路模拟是概念验证构建的自然发展过程，可以在面包板或其他类似的原型板上找到。电路软件混合了几个主要优点:

• 灵活性-在有利的地方，模拟是理想化的;在忽略非理想化效果会歪曲电路真实性能的地方，模拟是非理想化的。通常，为测试或模拟而设计将藐视制造技术的最大和最小限制，以加快整体生产。
• 速度-即使是简单的电路，快速构建、模拟、探测和分析电路的能力也轻松超过了传统的模拟方法，更不用说更复杂的设计了。
• 设计集成-很容易将模拟电路转移到设计的进一步阶段，例如原理图，而无需重复工作。这不仅节省了时间，还减少了由于翻译而产生错误的机会。

试图模拟材料或非理想组件的真实性能的模拟，与现实世界的对应物相比，仍然能够表现得非常好。在这些建模情况下，精度是重要的，因为电路中的许多因素都依赖于它们-诸如阻抗匹配、寄生、温度等将对组件、衬底和板特性的整体性能产生显著影响。设计方面，如基于设备和材料公差的制造工艺的变化，可以在板的产生时得到适当的解释，这也可以作为使用蒙特卡罗模拟的可接受良率的评估。

为了测试和构建设计，工程师使用硬件描述语言(hdl)来合成硬件的虚拟再现。hdl在开发之初有两个重要的功能:当设计流动性较高时，它们能够提供一种更快的方法来构建和测试电路，同时还为进一步的下游硬件构建生成一个网络列表。将代码移植到硬件也提供了比单独设计环境更有效的近似，进一步服务于针对目标软件的。为了提高兼容性，HDLs不需要绑定到特定的电路逻辑。

区分模拟和数字模拟“，

混合信号系统在PCB设计中占有非常重要的地位。一般来说，模拟组件是面向环境的设备，用于测量物理世界中的某些连续现象或与之相互作用，而数字组件则基于表示电路中开关电平的高电压和低电压电平来工作。这两个领域之间的分离很容易模糊——许多IC封装可能包含板载模拟到数字或数字到模拟转换器，这取决于所讨论组件的数据流方向。像任何其他电路一样，无论是纯模拟电路还是纯数字电路，以及混合系统，都需要大量的测试和探测来优化原理图设计并提高底层效率。

模拟电路和数字电路的表示和工作方法有很大的不同。数字电路仿真代表了模拟设计固有的一些复杂性的有目的的崩溃，主要是前者的布尔逻辑与后者基于晶体管的仿真相比允许快速评估。模拟计算虽然全面，但在大规模复杂电路中可能会变得压倒性。主要的设计软件可能同时支持模拟和数字设计，但了解这两种模式之间的操作差异是有价值的:

• 模拟-模拟元件是网络分析初学者最熟悉的元件，包括基本的电路构件，如电阻、电容器、电感、二极管、晶体管和其他类似的基本设计元素。模拟软件，例如PSPICE提供了丰富的特性供用户研究电路对各种刺激条件的反应。这包括但不限于:
  • 交直流波形分析及电路响应。
  • 开关电路从稳态行为过渡到稳态行为的瞬态分析。这包括电路的振荡响应行为(欠阻尼、临界阻尼或过阻尼)以及瞬态的固有属性，如上升时间和超调量或其他误差。
  • 用于时/频域转换的传递函数，以及用于运放网络和类似功能的电路的放大。
• 数字-数字电路以更抽象的方式建模。由于数字电路可以更直接地实现微控制器或fpga等软件操作设备，设计人员经常使用这些环境来模拟电路，通过选择性地编码某些功能或完全启用/禁用组件。这并不是说电气特性不重要——数字设计最关心的问题之一是如何解决倾斜或上升/下降时间等问题。相反，数字电路有一个额外的控制层要对付。虽然有少数设计语言，但大多数数字工具集至少包含以下其中一种:
  • Verilog是一个使用并发操作的模块化分层编程环境。它可以被认为是一种更严格的C语言，专门用于电路建模。该语言的一部分是可合成的，这意味着它可以直接移植到FPGA或其他可编程硬件。
  • VHDL比Verilog更抽象，它有优点也有缺点。虽然它不能直接合成，但这允许在栅极和导线转换之前进行建模和仿真。由于VHDL的强类型，它更像一种传统的编程语言。因此，VHDL具有固有的学习曲线，允许设计师通过一些实践来提高设计方法的灵活性。然而，这些在行为级起作用的附加设计方法对于门级实现可能是不可行的。

应该指出的是Verilog和VHDL并不一定是冲突的，事实上，工程师和开发人员很可能在他们的设计中遇到结合了这两种语言的项目。

模拟和数字波形——以及它们的复杂性——需要一些不同的模拟方法来精确处理

理解模拟中的抽象

模拟是电路板更大发展的一个广泛阶段，包括几个抽象级别。与编程语言类似，模拟越接近实际硬件，对于不熟悉该级别设计的人来说，它就越难以理解。与此同时，高级抽象更容易理解，但需要翻译才能被硬件理解，就像低级抽象级别的模拟一样。每个抽象层次都有它的用途，尽管设计师可能会自然地倾向于最适合他们的需求和背景知识的抽象层次，但在产品所要求的不同抽象层次内工作的能力将有助于减少开发时间:

• 电路级仿真-最低层次的电路抽象，直接处理各种元件的电路参数。需要持续的仿真技术，这在较大的电路中可能会迅速成为资源密集型，但能够提供最接近真实世界的建模。考虑到这两个特性，电路级仿真通常只用于电路中最关键的部分，在这些部分中，与预期性能偏差的空间很小。
  • 晶体管级仿真-使用晶体管的模拟，最常与SPICE系列软件相关联。由于晶体管的非线性性质，需要一个更复杂的算法来确定矩阵是否收敛到某个值。
• 逻辑电平模拟-布尔表示的数据和设计师通常操作的关卡。在这里，顺序和组合逻辑数据结构以一种让人联想到通用编程语言的格式被利用，这种格式在被合成为针对硬件格式化的文件之前，易于设计人员读写。也称为寄存器传输级别(RTL)。
  • Switch-level模拟-为了简化计算强度，开关级模拟用开关代替晶体管;在这个层面上，功能比性能更重要。通过删除软件必须跟踪的一些质量，模拟的速度和可行的规模显著增加。
  • 门电路级仿真-进一步降低电路复杂度用逻辑门替换元件(想想NAND, NOR和其他类似的真值表设计)。操作模式可以从连续模式切换到事件驱动模式，进一步降低了系统的计算负荷。
• 界面层模拟-最高级别的模拟。这种模拟使设计人员在电路不一定是物理上可实现的情况下具有很大的自由度。虽然设计师必须保持清醒，避免在纯理论电路上投入大量时间，但这一级别避免了较低抽象级别固有的高粒度电路模拟。
  • 功能层模拟-这种设计水平仍然限制在适当的硬件上。与关注门级的单个布尔值不同，函数级将注意力集中在特定电路或电路块的最终I/O上。
  • 行为上模拟-最广阔的电路控制前景。这一级别的目的是了解电路如何以及为什么会导致设计实验。从这一级别转换到综合可能很难，但这一级别对于快速原型开发阶段仍然有用，因为电路的复杂细节不是一个紧迫的问题。

模拟中的抽象层次

电路仿真通过消除对构建和测试不同电路配置能力的实际限制来释放设计的潜力。作为Cadence的一部分，除了PSPICE功能外，设计人员还可以享受其他好处PCB设计和分析软件工具集，它对所有ecad相关的设计阶段提供了更好的控制。再加上OrCAD PCB Designer美国的产品开发速度从未如此之快。