计算机辅助分析软件EWB.docx
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计算机辅助分析软件EWB
计算机辅助分析软件EWB
电子线路EDA的应用及发展,促使现代电子技术向着更高、更新的层次发展。
这就要求电子工程技术人员，必须掌握并能熟练应用EDA技术，以适应高科技发展的潮流。
当前，各种版本、各种操作环境先运行的电路仿真软件很多，但其电路描述、分析类型及操作过程等均大同小异。
本章主要介绍EWB电路模拟软件的功能及应用，以此建立电路仿真的概念，了解并掌握电路模拟分析的方法。
第一节EWB应用基础
一、EWB概述
在进行电子线路设计时，通常需要制作一块试验板来进行仿真，以测试所测试电路是否达到设计要求。
但是，设计的电路往往不能一次性通过，要反复经过许多次仿真、调试，才能符合设计要求。
这样既费时费力，又提高了产品的成本。
另外，因受工作场所、仪器设备等因素的限制，许多试验不能进行。
为了解决上述一系列问题，加拿大InteractiveImageTechnologies公司于80年代末、90年代初推出了专门用于电子线路仿真和设计的“虚拟电子工作台（EWB）”，（ElectronicsWorkbench）软件。
电子产品设计人员利用这个软件对所设计的电路进行仿真和调试。
一方面可以验证所设计的电路是否能达到设计要求的技术指标，另一方面，又可以通过改变电路中元器件的参数，使整个电路性能达到最佳。
目前，世界上己有许多大学将EWB作为介绍EDA技术的内容，并纳入电子类课程的教学中。
因为学习电子技术，不仅要求掌握基本原理和计算公式，而且要求在掌握基本原理的基础上，着重培养学生对电路的分析、设计和应用开发能力。
由于受实验室的条件限制，无法满足各种电路的设计和调试要求。
用EWB在计算机上虚拟出一个元器件种类齐备、先进的电子工作平台，一方面可以克服实验室各种条件的限制，另一方面又可以针对不同目的（验证、测试、设计、纠错和创新等）进行训练，培养学生分析、应用和创新的能力。
与传统的实验方式相比，采用EWB进行电子线路的分析和设计，突出了实验教学以学生为中心的开放模式。
不仅实验效率得到了提高，还能训练学生掌握正确的测量方法和熟练地使用仪器。
二、EWB的特点
ElectronicsWorkbench作为电子电路设计、仿真的应用软件，与其它同类软件相比，具有许多优点：
1）容易掌握。
具有一般电子技术基础知识的人员，只要几个小时就可学会ElectronicsWorkbench的基本操作。
2）元器件种类丰富、齐全。
ElectronicsWorkbench的元器件库提供了数千种电路元器件以备使用，并且可以新建或扩充已有的元器件库。
建库时所需参数可从生产厂商的产品使用手册中查到，大大方便了使用者。
3）界面直观。
所使用的元器件的外形和操作方法与实际元器件很相似。
4）分析方法多。
可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析等常规电路分析方法，而且还提供了离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析和电路容差分析等，共计十四种电路分析方法，帮助设计人员分析电路的性能。
5）操作方便。
既提供了元器件的理想模型，又提供了它的实际模型。
6）可以设置各种元件故障进行仿真。
如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。
7）采用图形方式创建电路。
克服了某些软件采用文本方式输入电路的困难。
8）可以储存各种数据供仿真后分析。
例如，测试点的所有数据、测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。
9）附有大量的常用电路。
使用者可以对这些电路进行仿真、修改、创新,进一步发挥各自的创造力。
10）与SPICE软件兼容，两者之间可以互相转换。
11）电路文件可以直接输出至常见的印制线路板排板软件，如PROTEL、ORCAD和TANGO等软件，自动排出印制电路板。
12）大大提高了电子线路设计工作的效率。
三、系统要求
ElectronicsWorkbench5.0系统安装和运行要求如下：
1）安装ElectronicsWorkbench5.0至硬盘约占17MB的空间（指EWB专业版软件）。
2）当运行在MicrosoftWindows95、98（中、英文）操作系统时要求：
·486以上微机；
·MS.D0S3.0或以上；
·与之兼容的鼠标器；
·8MBRAM（推荐16MBRAM）。
3）当运行在MicrosoftWindowsNT操作系统下时要求：
·MS-DOS3.0或以上:
·与之兼容的鼠标器:
·12MBRAM（推荐16MBRAM）。
4）程序运行时，将建立临时性文件，该文件占硬盘空间的默认规模大小是20MB，当文件达到其最大限度的规模时，可以选择：
·停止仿真；
·放弃已有的数据，继续进行仿真；
·系统要求提供更大的磁盘空间。
四、软件安装
E1ectronicsWorkbench5.0的安装，是基于Windows的操作界面之下，至于安装源盘是软盘还是CD光盘、操作系统是Windows98还是Windows95，其安装情况略有差异，但基本步骤大致相同。
下面介绍的是以安装源盘为光盘，在Windows98操作系统下的安装步骤，要求用户已具备PC机和Windows的基本操作知识，否则，请事先参阅有关手册。
具体安装步骤如下：
1）启动Windows98，按屏幕左下角的“开始”按钮，将鼠标指向“设置”，而后单击“控制面板”。
用鼠标单击“添加/删除程序”图标出现对话框，选择“安装”，即可以把软件从光驱安装到计算机的硬盘中。
2）根据源盘所在位置，选定驱动器，将安装光盘插入光驱，找到安装盘的启动文件setup.exe，并双击鼠标运行该文件。
3）根据屏幕提示信息进行安装:
确定程序安装位置、工作目录、输入用户信息和序列号，由于ElectronicsWorkbench5.0版本的软件带有“硬件狗”，在进行软件安装和运行时，必须把它安装在计算机的并行输出口上。
4）选择安装硬盘位置时，应考虑磁盘空间是否能满足程序运行时，临时性文件所要求的磁盘空间大小
五、绘制电路原理图
（1）拖放器件到工作区
如图附1-1所示，是ElectronicsWorkbench电子工作平台，如选择一个三
图附1-1ElectronicsWorkbench电子工作平台
极管（或其它元器件），则先用鼠标点击以下晶体管所在的器件库图标，下方会弹出一个小图标菜单，在该菜单中选择所要器件，按住鼠标左键，拖动鼠标至工作区后释放左键，晶体管即出现在工作区。
用以上类似的方法可以选择电路中所需要的所有元器件，如电阻、电容、晶体管、信号源等。
（2）对器件赋值
如需要对器件赋值，则用鼠标双击器件（例如电阻），出现一个赋值对话框，如图附1-2所示：
改变电阻的数值和单位，单击接受按钮Accept便可完成对器件的赋值。
除对无源器件赋值以外，还可以对有源器件模型进行赋值。
如对其它器件赋值，可采用上述方法打开相应的赋值对话框，调整相应的电阻值及温度系数值即可。
图附1-2电阻赋值对话框
（3）对器件标号：
为了方便看电路，可对电路中的器件进行标号。
如图附1-2电阻赋值对话框中，单击话框中上的标签命令Label，填上标签代号，如电阻R2，单击按钮确定，对有关器件的标号就完成了。
（4）调整器件在电路中的位置和方向
为了使电路图画得整齐美观，可以适当调整有关器件在电路中的位置和方向。
调整位置的方法是：
用鼠标单击有关器件并把他拖到合适的位置。
调整器件方向：
即横放或竖放、顺放或倒放。
方法是：
单击电路菜单中的Circuit，即出现下拉菜单，如图附1-3所示，单击菜单中的旋转命令Rotate，每单击一次Rotate，器件旋转90度。
图附1-3电路菜单
（5）连接电路
连接电路的基本方法时，把光标指向器件的连接端，这是出现一个小黑点，按住鼠标左健，移动鼠标，使光标指向另一个器件的接线端，此时又出现一个小黑点，放开鼠标，两个器件的接线端，就连接起来了。
值得注意得是如果为了排列电路而移动其中一个器件，接线是不断开的。
为了断开连接线可用光标指向器件的连接点，这时出现一个小黑点按下鼠标左健，拖动鼠标，连接线脱离连接点，放开鼠标左键，完成操作。
（6）连线的删除与改动：
将鼠标移到连接点使其出现一个黑点，按住左键拖曳该黑点，使连线离开元器件端点，放开鼠标左键，即可删除连线；或者将拖曳离开端点的连线拉到另一个接点，实现连线的改动。
还可以单击鼠标左键，选中连先后单击鼠标右键，弹出对话框，选择Delete即可。
（7）改变连线颜色
当电路图较复杂，且连线很多难以辨别时，为清楚起见，可以改变连线颜色。
双击连线出现颜色设置对话框，如图附1-4所示，单击（SetWireColor）按钮，出现色板对话栏，连线的颜色有6种，选择合适的颜色即可。
图附1-4连线颜色设置对话栏
（8）添加电源
如在电路中加上一个交流信号源，在任务栏中的器件库部分找到信号源库，单击信号源图标打开电源库（Sources），如图附1-5所示，用鼠标单击并拖动器件库中的交流信号源放到电子工作平台上。
图附1-5电源库图标
双击信号源图标，这时出现一个交流信号源设置框（ACVoltageSource）如图附1-6所示：
调整电压（Voltage）、频率（Frequency）、及相位（Phase）的数值和单位，在单击确定按钮即可。
图附1-6电源赋值对话框
（9）向电路插入或删除元器件
若想在电路的某条支路中插入一个元器件，则先在器件库中找到元器件的图标，然后将该元器件直接拖曳到连线上，然后释放左键，元件即被插入电路中。
若想在电路中删除某一元器件，则用鼠标单击该元器件，选中后按下鼠标右键出现对话框，在其中单击Delete即可（或在编辑下拉菜单中，点击Delete也可达到同样的效果）。
（10）连接点的使用
“连接点”是一个黑点，放置在元器件库中。
一个“连接点”最多可以连接来自四个方向的连线。
可以直接将“连接点”插入连线中，双击“连接点”弹出特性对话框，选择Label项，即可完成对“连接点”的标示。
六、EWB上的器件库
EWB实验平台为用户提供了十二个器件库，如图附1-7所示，收录了几千种元器件，分别在不同的器件库中，下面分别介绍一下器件库的基本情况。
图附1-7元器件库
（1）信号源库（Sources）
包含各类交、直流电源、受控源、调幅、调频源、时钟源、分段线性源以及线性相关源等。
如需要添加信号源，单击信号源图标，出现下拉菜单，从中选择所需的信号源即可。
（2）基本元件库（Basic）
包含各类基本器件如各种固定或可调式的电阻、电容、电感、继电器、开关（受控开关）、磁芯、非线性变压器等。
如需要其中器件单击相应图标，出现下拉菜单，从中选择所需器件即可。
（3）二极管库（Diodes）
包含普通二极管、稳压二极管等各类二极管及几种常用的可控硅。
如需要其中器件单击相应图标，出现下拉菜单，从中选择所需器件即可。
（4）晶体管库（Transistors）
包含各类晶体管三极管和各类场效应管。
如需要其中器件单击相应图标，出现下拉菜单，从中选择所需器件即可。
（5）模拟集成电路库（AnalogICS）
包含各类模拟集成运放、电压比较器、锁相环等。
如需要其中器件单击相应图标，出现下拉菜单，从中选择所需器件即可。
（6）混合器件库（MixedICS）：
包含各类集成A/D、D/A转换器、555电路、单稳态触发器等。
如需要其中器件单击相应图标，出现下拉菜单，从中选择所需器件即可。
（7）数字集成电路库（DigitalICS）
包含各类数字集成电路，如74××系列、4×××系列等。
如需要其中器件单击相应图标，出现下拉菜单，从中选择所需器件即可。
（8）逻辑门（LogicGates）
包含各种逻辑门、缓冲器、施密特触发器。
如需要其中器件单击相应图标，出现下拉菜单，从中选择所需器件即可。
（9）数字器件库（Digital）
包含各类数字器件，如各类加法器、触发器、计数器、编码器、分配器、选择器及寄存器等。
如需要其中器件单击相应图标，出现下拉菜单，从中选择所需器件即可。
（10）显示器件库（Indicators）
包含电压表、电流表、各种发光器件、及各类数码管、蜂鸣器、条形光柱等。
如需要其中器件单击相应图标，出现下拉菜单，从中选择所需器件即可。
（11）控制器件库（Controls）
包含微分、积分器、乘法器、除法器、函数传递模块、各种限幅器等。
如需要其中器件单击相应图标，出现下拉菜单，从中选择所需器件即可。
（12）其他器件库（Miscellaneous）
包含熔段器、数据写入器、SPICE子电路、直流电机、真空三极管、开关电源升、降压转换器、均匀传输线如石英晶体等。
七、EWB上的虚拟仪器
EWB不仅提供了多种常用的测试仪器，还提供了一些虚拟仪器供用户使用，下面对这些仪器作以简单介绍。
常用的虚拟仪器如图附1-8所示：
图附1-8虚拟仪器
（1）数字万用表（Multimeter）：
将数字万用表从仪器栏上取出时，显示为小图标，双击数字万用表图标，弹出万用表的虚拟面板如图附1-9所示：
图附1-9数字万用表
万用表面版上有一个数字显示窗口和七个按钮,他们分别为电流（A）、电压（V）、电阻（Ω）、电平（dB）、交流（~）、直流（-）和设置转换按钮（SETTINGS），单击这些按钮便可以进行相应的转换。
万用表可测量交直流电压、电流、电阻和电路中两点间的分贝损失。
EWB平台上的万用表具有自动量程转换功能，因此不用制定测量范围。
利用设置按钮可调整电流表内阻、电压表的内阻、欧姆表电流和电平表0dB标准电压。
（2）函数发生器（FunctionGenerator）
将函数发生器从仪器栏上取出时，显示为小图标，双击所示函数发生器的图标，弹出信号发生器的虚拟面板如图附1-10所示：
信号发生器是一种能提供正弦波、三角波或方波的信号的电压源，他可方便地向电路提供信号。
可调整的参数有：
频率FREQUENCY
占空比DUTYCYCLE
振幅AMPLITUDE
DC偏移OFFSET
虚拟信号发生器有三个输出端：
“-”为负波形端、“COM”为接地端、“+”伪正波形端。
使用方法与实际信号发生器基本相同。
图附1-10信号发生器
（3）示波器：
（Oscilloscope）
将示波器从仪器栏上取出时，显示为小图标，双击示波器图标，出现示波器的虚拟面板如图附1-11所示，
图附1-11示波器
这是一种可用黑、红、绿、兰、青、紫6色现实波形的1000MH示波器。
这种双通道仿真示波器工作起来与真的仪器一样，可用正边缘或负边缘进行内触发或外触发，实际可在秒（s）～纳秒（ns）的范围内调整。
为了提高精度，可卷动时间轴，用数显游标可对电压进行精确测量。
此示波器可显示被测信号的幅值和频率，只要单击仿真开关示波器便可马上显示波形。
将示波器探头移至新的测试点时可不关电源。
X轴可以左右移动。
当X轴为时间轴时，时基可在0.01ns～1s/div的范围内调整。
Y轴的范围为0.01mV/div～5kV/div。
虚拟仪器不一定要接地只要电路中有接地元件即可。
单击示波器面板上的Expand按钮，可放大屏幕显示的波形。
（4）波特图仪：
波特图仪的虚拟面板如图附1-12所示：
EWB提供了一个用来测量和显示电路幅频特性与相频特性的波特图仪，波特图仪能显示电路的频率响应曲线，这对分析滤波器等电路时十分有用的。
还可用波特图仪来测量一个信号的电压增益（单位：
dB）或相移（单位：
度）。
图附1-12波特图仪
波特图仪刚从仪器栏中取出时显示的小图标和用鼠标双击后出现的面板。
波特图仪各部分参数的设置。
波特图仪有IN和OUT两对端口，其中IN端口的+V端和-V端分别接电路输入端的正端和负端；OUT端口的+V端和-V端分别接电路输出端的正端和负端。
此外使用波特图仪时，必须在电路的输入端接入AC（交流）信号源，其信号频率无须特别设定，频率测量的范围由波特图仪的参数设置决定。
波特图仪的参数设置可以在电路启动后修改，但一般修改以后需重新启动电路。
（5）数字信号发生器
数字信号发生器刚从仪器栏取出时为一小图标，双击小图标，弹出信号发生器的虚拟面板如图附1-13所示：
数字信号发生器可将数字信号送入电路，用来驱动或测试电路。
仪器面版的左侧为数据存储区，激活仪器后便可将这些数据依次送入电路。
仪器面板上有一些可调整的项目：
图附1-13数字信号发生器
（6）逻辑转换器：
（LogicConverter）
逻辑转换器刚从仪器栏取出时为一小图标，双击小图标，弹出逻辑转换器的虚拟面板如图附1-14所示：
图附1-14逻辑转换器
目前世界上还没有与逻辑转换器类似的物理仪器。
将逻辑电路连接在逻辑转换器上，即可导出于逻辑电路相应的真值表或逻辑表达式；或输入逻辑表达式，电子工作平台会为您建立相应的逻辑电路。
还可以完成逻辑代数的
几种表达方式之间的任意两种之间的转换。
（7）逻辑分析仪：
（LogicAnalyzer）
逻辑分析仪刚从仪器栏取出时，为一小图标，双击小图标，弹出逻辑分析仪的虚拟面板如图附1-15所示：
逻辑分析仪能显示16路数字信号的逻辑电平。
像示波器一样可调整时基，使用起来和真的仪器一样。
图附1-15逻辑分析仪
总之、在EWB平台上使用虚拟仪器的方法是：
①将仪器的图标拖放到平台的工作区；
②把仪器的接线端与相应的电路连接起来；
③双击图标调出仪器面板，设置有关参数；
④打开仿真开关即可。
第二节EWB软件的电路分析
一、EWB软件的电路分析方法
基于SPICE程序，EWB可以对模拟、数字或混合电路进行电路的性能仿真和分析。
当用户创建一个电路图后，电路中的每个元器件，都有其特定的数学模型，用户按下电源开关，就可以从示波器等测试仪器上读得电路中的被测数据。
EWB对电子线路进行模拟运行的过程可分成4个步骤：
（1）数据输入：
将用户创建的电路图结构、元器件数据输入，选择分析方法。
（2）设置：
程序会检查输入数据的结构和性质，以及电路中的阐述内容，对参数进行设置。
（3）电路分析：
对输入信号进行分析，它将占据CPU工作的大部分时间，这是电路进行仿真和分析的关键。
它将形成电路的数值解，并把所得数据送至输出级。
（4）数据输出：
从测试仪器（如示波器等）上获得仿真运行的结果。
也可以从“分析”栏中的“分析显示图”（AnalysisGraph）中看到测量、分析的波形图。
EWB提供了多种对电路的分析方法。
除能分析电路的常规参数，如直流参数、交流参数数、瞬态参数以及噪声分析、失真分析和傅里叶分析，还提供了参数扫描分析、温度扫描分析、零-极点分析、传递函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析、蒙特卡罗（MonteCarlo）分析7种电路的高级分析方法，下面将后逐一阐述。
二、直流工作点分析
直流工作点分析是用于分析电路的直流工作点。
在进行直流分析时，交流源被视为是零输出，固定状态保持不变，电容被视为是开路，电感被视为是短路，电路中的数字器件将被视为高阻接地。
直流分析的结果是为以后的分析做准备。
例如，直流分析所得的直流工作点给出了交流频率分析时一些非线性小信号器件如二极管和晶体管的线性工作区。
直流工作点是暂态初始条件。
（1）直流工作点分析步骤
①在EWB上先创建需进行分析的电路图。
②选定“电路（Circuit）”栏中的“作图任选项（SchematicOptions）”，选定“显示节点（ShowNodes）”把电路的节点标志（ID）显示在电路图上。
③在“分析（Analysis）”栏内选定“直流工作点（DCOperationPointAnalysis）”，EWB会自动把电路中所有节点的电压数值和电源支路的电流数值显示在“分析（Analysis）”栏中的“显示图（DisplayGraph）”中。
（2）直流工作点分析举例
图所示为发射结和集电结直流供电共用一套电源的共发射结放大电路。
图附1-16为求解电路的静态工作点所进行的直流工作点的分析结果。
直流分析时，输入电源开路。
除分析图表可标出各节点的电压/电流外，还可以利用伏特计和
图附1-16共射极放大电路
电流表来显示各节点的电压/电流。
从以下电路图中可读到各支路电流，从分析图表（图附1-17）中可以看到分析结果。
图附1-17各节点的电压电流值
二、交流频率分析
交流频率分析的功能是分析电路的频率特性。
需要选定被分析的电路的节点，在分析时，电路中的电流源将自动置零，交流信号源、电容、电感等均处在交流模式。
交流频率分析中，首先对所有的非线性组件而言，在直流工作点上被认为是线性的、小信号模型。
接着创建一个复矩阵（包含真实和假想组件）。
为构造一个矩阵，直流源全赋予零值。
交流源，电容器和电感器均以它们的直流模型描绘。
非线性组件以线性交流小信号模型描绘，这模型得自直流工作点的解析式。
所有输入源被认为是正弦信号。
源频率忽略不计。
如果函数发生器被设置正方形或三角形波形，为了分析它会被自动地转换为正弦曲线波形。
因此输出响应也是该电路交流频率的函数。
交流频率分析就是把交流电路响应当作频率函数来估计。
（1）交流频率分析步骤（数字器件将被视为高阻接地）
①在EWB上先创建需进行分析的电路图，确定输入信号的幅度和相位。
②选择“分析”栏（Analysis）中的“交流频率”（ACfrequency）。
③在对话框中，确定需分析的电路节点、分析的起始频率（FSTART）、终点频率（FSTOP）、扫描形式（Sweeptype）、显示点数（NumberofPoints）和纵向尺度（VerticalScale），如图图附1-18所示。
④按“仿真”（Simulate）键，即可在显示图附1-18上获得被分析节点的频率特性波形。
按“ESC或Pause”，将停止仿真的运行。
图附1-18交流频率分析对话框
交流频率分析的结果，可以显示成幅频特性和相频特性两个图。
如果用波特图仪连接至电路的输入端和被测节点，同样也可以获得交流频率特性。
（2）交流频率分析举例
就图附1-16所示电路，进行交流频率分析，选用“Decade”，得图附1-19所示的分析结果。
图附1-19交流频率分析结果
三、瞬态分析
瞬态分析，也称为时域的暂态分析，是指对所选定的电路节点的时域响应进行分析，即观察该节点在整个显示周期中每一时刻的电压波形。
EWB把电路响应作为时间函数计算。
每个输入周期被分成几个时间段，周期中的每一个点都进行直流分析。
节点电压波形的解是由整个周期上各个时间点的电压值所决定。
在进行瞬态分析时，直流电源保持常数。
交流信号源随着时间而改变，是一个时间函数。
电容和电感都是能量储存模式元件，是暂态函数。
在对选定的节点作瞬态分析时，需根据“分析”（Analysis）对话栏的要求进行选择，如果在对话栏里选择了“直流工作分析（CalculateDCoperatingpoint）”，然后EWB会先估计电路的直流工作点。
接着，直流分析的结果会作为初始条件用于暂态分析。
如果选择了“设置为零（Settozero）”，暂态分析会从零初始条件开始。
如果选择“用户设置初始条件（User-definedinitiaIconditions）”,分析会从在连接器特性对话
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