電路仿真軟件的歷史發展與現狀

摘 要：將電路圖通過仿真軟件對其進行實時模擬，模擬出實際功能，然后通過分析并改進，可以實現電路優化設計，這就是電路仿真。而電路仿真軟件距今已有幾十年的歷史。本文主要研究仿真軟件復雜且多變的發展與歷史，以及電路仿真軟件之所以能飛速發展至今的關鍵因素。針對常用電路仿真軟件Multisim，闡述其基本功能、特點，并結合電子電路實例，敘述其設計、仿真與分析的具體應用。

關鍵詞：電路仿真軟件；Multisim仿真軟件；電路優化設計

中圖分類號：TP391.9；TN79 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）09-0083-03

Abstract：The circuit design through the simulation software for real-time simulation，simulate the actual function，and then through the analysis and improvement，so as to realize the optimization of circuit design，the circuit simulation. The circuit simulation software has decades of history. This paper mainly studies the history and developments of the simulation software are complicated and changeable，as well as the key factors of the rapid development of circuit simulation software. In view of the commonly used circuit simulation software Multisim，the article expounds the basic function and characteristics，and combining with specific application examples of electronic circuit，describes its design，simulation and analysis.

Keywords：circuit simulation software；Multisim simulation software；circuit optimization design

0 引 言

電路仿真，其含義就是將已經設計出的電路圖通過電路仿真軟件進行模擬，模擬出實際功能，然后通過對其進行分析改進，以此來實現對電路的優化設計。實際上，我們用的電路仿真軟件就是以電路這門學科為基礎的，延伸出來的一個幫助我們更好地學習數電、模電的軟件。實現設計的關鍵環節就是仿真過程，以此來判斷設計者的思路正確與否，方便我們修改，也節省了大量的實驗材料，更適合未來的發展趨勢。我們現在所用的電路仿真軟件已經趨近于成熟階段，但這其中的發展過程卻是漫長而艱辛的。那么電路仿真軟件的真實歷史到底是怎樣的呢？導致其飛速發展的原因又是什么呢？以及我們現在常用的電路仿真軟件現狀又是什么樣的情況呢？在本文中將逐一介紹。

1 仿真軟件的概念以及領域

仿真軟件（simulation software）是一種計算機軟件，用于模擬。它是一個仿真的工具，與仿真硬件相似。仿真軟件自20世紀50年代中期以來一直在不斷發展。它的發展補充了仿真的應用、算法、計算和建模以及其他技術的發展。[1]1984年出現了第一個數據庫中心仿真軟件，并出現了人工智能軟件系統（專家系統）。這種發展趨勢將使仿真軟件具有更強大的功能，并且更加靈活，可供更多用戶使用。

仿真的目標是不斷提高導航模塊對用戶導向和模型測試的描述能力。不同技術水平的用戶通過仿真軟件可以使用他們的定制語言，使與計算機對話變得方便，來完成模擬測試與建模。仿真是通過建立真實的系統模型和使用可觀測模型來研究真實系統的實驗過程。最初，仿真技術主要用于航空、航天、核能和昂貴的核反應堆，或一些壽命周期長、危險度高的測試系統，其他實物領域難以實現。電力、石油、化工、冶金、機械等逐步發展，已進一步擴展到社會系統、經濟系統、交通運輸系統和生態系統等非技術系統。可以說，現代的仿真技術和仿真系統已經成為任何復雜系統的集成體，尤其是高新技術產業是非分析的重要手段。缺乏研究、設計、評估、決策和培訓。其應用范圍不斷擴大，應用效率也越來越顯著。該系統是基于模擬控制理論，將基本計算機信息處理技術、理論基礎、計算機等設備作為專門的工具，利用系統的實際或虛擬模型測試系統，依靠專家應用實驗知識、統計數據和信息數據來分析結果。并給出全面的測試決策。[3]廣義而言，仿真系統方法適用于任何領域，包括電氣、化學、電子、機械等，以及經濟、政治、交通、管理等。

2 仿真軟件發展迅速的原因

電路仿真軟件的發展為什么會如此迅速呢？主要原因在于計算機仿真具有效率高、精度高、可靠性高、成本低等特點，被廣泛用于電力電子電路（或系統）的分析和設計。除計算機模擬外，還需要減少勞動強度，以取代許多繁瑣的手工分析系統，提高分析和設計能力，避免分析方法在近似過程中帶來較大誤差，通過互補試用，降低最大設計成本，縮短系統開發周期。計算機模擬技術很大程度上加快了電路設計和實驗過程。

仿真是設計電路和系統的有效手段。電氣工程電路及其組成系統的主要功能是控制能源轉換和傳輸過程。電力的形式需要改變，控制方法取決于電子電路。電力和電子的結合構成了電力電子學的主題，這是一個相對年輕的領域，這也是一個綜合運用多種科學的邊緣領域。電子控制電路，功率能量大，慣性相當大，速度非常快。這兩個系統，特別是構成閉環系統時，用自動控制術語來說屬于病態系統，即意味著存在不易于解決的穩定性問題。這種類型的系統的質量在20世紀80年代后期迅速提升，原因是運用了計算機模擬技術。當使用計算機進行仿真時，通過選擇適當的電路設計軟件解決了這個問題。少數軟件多是解決線性、連續工作的穩態電路存在的問題。而大多數軟件適用于連續穩定的工作電路，也適用于開關調整的啟動調整電路。換句話說，您可以模擬電氣工程電路，并且可以讀取任何一點電流，或者任意兩點之間的電壓，還可以進行頻率響應、頻譜分析、溫度分析、參數分析、蒙特卡羅分析、最壞情況分析、噪聲分析等等。可以說，后面幾種分析在面包板上是無法進行信號模擬的，但是可以通過仿真軟件在計算機上運行，因此仿真軟件具有使用方便的優點。

近年來，電力電子領域發展還促進了能源電子領域的發展。除了電力電子的內容之外，所謂的能源電子主題還需要考慮材料、環境、可靠性和管理問題，以良好地解決能量轉換問題。由此我們可以看到，使用如此復雜的系統工程，您可以通過使用計算機來快速獲得結果，以快速處理信息。仿真的必要性和有效性，是顯而易見的。這是電路仿真軟件快速發展的原因。

仿真軟件是電子領域電路分析和輔助設計的重要工具。利用電路仿真軟件快速分析電路性能參數有助于確定設計方案并選擇設計參數，從而提高設計效率。克服傳統研發周期的缺點，設計人員可以直接集中在設計層面，縮短整體設計周期。出于這個原因，模擬系統有各種各樣的軟件應用程序。模擬電路仿真的主要應用是EWB、SPICE PROTEL、MATLAB等。他們實現了從簡單到復雜的功能，操作復雜而智能化，界面日益可視化。

模擬電路仿真軟件的研究與模擬電路仿真軟件的理論、實現和應用有關，理論研究促進了軟件的應用。同時，仿真軟件應用也促進了仿真軟件的理論研究。仿真軟件的實施規則是理論與應用互相“溝通”的橋梁。

在電子技術發展的過程中，根據計算機輔助技術干預的深度和廣度，有三種類型的設計方案，即三個階段。第一種方法是所謂的常規設計方法，所涉及的電子系統通常很簡單。第二種方法通常被稱為CAD（計算機輔助設計）方法，用于數據處理、模擬評估、設計驗證等。第三種方法是所謂的EDA方法，它是在電子產品向更繁雜、更高端，向智能化、人性化、微型化和集成化方向發展過程中逐漸產生并完成的。

3 電路仿真軟件Multisim

用Multisim軟件對電子電路進行設計，就好像是在實驗室面包板上搭建電路，并且不受器件類型、器件數量和測試設備的限制。Multisim軟件可以進行模擬分析、仿真測試，設計和實驗同步進行，易于調試和修改。仿真實驗不消耗真正的測試設備和組件，實驗成本低。該軟件可以完成從電路仿真設計到電路布局生成的全過程，為設計電子系統和開發電子產品提供了一個真正便捷的途徑。它包括電路原理圖輸入和電路硬件描述語言輸入方法，具有豐富的仿真分析功能。為了處理各種應用，Multisim引入了許多版本，如EWB（電子工作臺）、Multisim 2001、Multisim 7、Multisim 8、Multisim 9、Multisim 10。由于具備這一優勢，高等教育機構的職業教育有著廣泛的認知基礎。由于Multisim 10.0對SPICE仿真的復雜內容進行了抽象化處理，因此無需了解模擬和分析新設計的詳細SPICE技術，就可以用于快速捕捉，并且適用于電子教育。利用Multisim和虛擬測量技術，您可以捕捉和模擬從理論到電路圖的所有內容，您可以對原型和測試完全集成的設計流程進行測試。

通過使用Multisim進行電路設計，您不需要專門學習計算機控制語言和各種I/O命令，無需編寫程序電子電路圖。只需將設計好的虛擬電子元件和虛擬儀器放置在Multisim 10.0電路設計窗口中，將相應的虛擬元件和測量接口連接到連接和節點并觀察虛擬測量。近年來，為了完成理論教學方法和實踐教學方法的有效結合，研究電子模擬教學方法的運用，模擬教學方法帶來了事半功倍的效果，并在有限的時間內給學生提供了大量的知識。通過使用模擬軟件讓學生獨立進行實驗和問題探索，學生可以有效地培養自己的學習能力，鞏固自己的理論基礎。

4 Multisim 11.0

目前的最新版本為Multisim 11.0。Multisim 11.0支持Win7和Vista系統。且功能強大、靈活性強。包含了許多功能多樣的虛擬功能，替代了現實實驗室中常見的各種儀器，如萬用表、函數發生器、示波器以及其他儀器。這些虛擬儀器為老師和同學提供了一種便捷且準確的方式來獲得實驗結果，同時也奠定了將來他們在實驗室中使用這些儀器的良好基礎。

實驗性的原理設計通常是建立在無焊接的電路實驗板上，學生必須通過技術、文檔和視覺檢查來確保他們所設計的原型能夠正常運行。通常來說，很多時間都浪費在了糾正簡單的連線錯誤上。因此計算機輔助的設計工具的重要性就體現出來了。Multisim 11.0提供了一個虛擬的3D實驗電路板環境，同學們就可以通過這樣的虛擬程序，以及對完成之后的狀態的正確性給予反饋的NIELVIS電路實驗板來學習電路設計基礎。

5 結 論

模擬電路仿真軟件的理論、實現和應用等幾個方面是模擬電路仿真軟件研究的基礎。理論上的研究促進了軟件的發展，同時仿真軟件的應用也促進了仿真軟件的理論研究，而仿真軟件的實現準則是應用與理論之間“溝通”的橋梁。

總之，電路仿真軟件的歷史較為悠久，發展過程較為漫長。我們現在所用的電路仿真軟件Multisim 11.0是全球相對完善的軟件，無論是電氣領域還是能源領域都離不開電路仿真軟件，因此對這個軟件的熟悉以及融會貫通是是十分重要的。

參考文獻：

[1] 張耘川，王昕怡.基于MATLAB的電力電子仿真 [J].電氣時代，2012（6）：88-90.

[2] 喬崢.電力電子電路仿真軟件綜述 [J].無線互聯科技，2014（9）：66.

[3] 王海峰.基于COM組件的實時過程模型仿真平臺研究 [D].北京：華北電力大學（北京），2006.

作者簡介：董奕君（1998.04-），女，漢族，山東德州人，本科在讀。研究方向：電路仿真軟件發展與歷史。