【實作實驗室】電路模擬怎麼做?用這 8 個軟體讓你輕鬆快速做實驗

作者:實作派

要做電子實驗除了實際買零件來做實驗之外,如果只是要做個雛形看看電路的行為趨勢,利用電路模擬軟體也是個不錯的選擇。

電路模擬簡介

電路模擬又稱 SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis),它利用電腦的運算能力搭配演算法,讓使用者只需描述電路接線,就能運算出電路中的各項結果,例如直流偏壓、頻率響應、暫態波形。

早期 SPICE 是以文字檔寫作,把電路中每個元件如何連接描述出來,稱為網路表 Net list,所以當電路很複雜時,有時候會寫錯。我相信如果你曾經寫過一次 SPICE,應該不會想再寫第二次(人生不應該浪費在如此無聊的事情上)。

後來圖形化介面開始流行,就有人把 SPICE 寫成圖形介面,操作因此變得相對簡單,不過雖然是圖形介面,要模擬之前還是得把電路變成 Net list 才能讓 SPICE 吃進去分析。

專業的 SPICE 當然是需要費用的,而且還有各自的領域,一般的電子電路也許用 Cadence Or CAD 就夠用,但如果要處理射頻 RF 領域的東西,除了元件的選擇外,layout 的線寬線距與阻抗匹配特性等全都要考慮,這時就需要像 Keysight ADS 這種分析工具。

也還有其他工具能做 layout 之後的模擬組裝、觀察元件是否有干涉之類的,甚至做應力分析,基本上只要老闆口袋夠深願意花錢,你就有得用。

但在這個軟體自由化的時代,市面上還是有一些免費的資源可以利用,像我這樣做做小研究是完全可以滿足的,讓阿信助教來分享給各位吧!

Circuit LAB

它的零件庫分類清楚、簡單易懂,而且零件廠商給的參數完整。會這麼完整不是沒有原因,這個東西實際上是需要付費的,只不過它有免費試用期,註冊之後可以用一陣子,不過我忘了是多久了。

我免費用了一陣子發現 CircuitLab 很好用,於是真的花錢買了一年,目前是我使用經驗上的第一名。它在操作介面上比較美觀精簡而且直覺,零件商所安插的零件庫也完整,雖然它有免費試用,我還是很推薦買個一年來用。

除了 UI 的外觀外,如果你要模擬的電路包含晶體切換功能,在其他 online 模擬軟體可能會遇到當機的情況,例如 switching power 的線路就屬此類,但是 CircuitLab 不會有當機的情況(至少我沒遇過)。

(圖片來源:實作派提供)

它的零件庫很完整,而且有零件商支援。在零件列表右方有 Buy 的按鈕是因為,CircuitLab 與零售商 Jameco 有合作,你按下去就可以直接買實體零件,真是很方便。

(圖片來源:實作派提供)

它可以做所有想要的分析,DC/AC/Time domain/Frequency domain,基本上都可以滿足需求。它還能做參數分析,例如把 R 的值從 1K、2K、一直加到 10K,你就能看到 10 條暫態波形或是頻率響應。

(圖片來源:實作派提供)

PARTSIM

這是一個 web base 的電路模擬網頁,基本的零件庫都有,前三項 Generic parts/Diagramming/Vendor parts 基本上可以滿足大部分的需要,後面的選項似乎是拿來買東西用的,Partsim 是跟零售商 Arrow 合作,第四項之後的選項點進去只有照片與 datasheet,只有左上的 Arrow 可以點進零售商,零件本身沒有超連結可以連到 Arrow。

(圖片來源:實作派提供)

它厲害的地方是,它可以轉 BoM 表(Bill of Material零件表),你要買東西不用自己再整理一次。

(圖片來源:實作派提供)

模擬需要的基本款式也都有,涵蓋了 DC/AC/Transient 如下圖,只是它沒辦法做蒙地卡羅分析,且暫態分析內的 probe 功能只能顯示基本的電壓電流,沒辦法讓你自己加減乘除寫公式,但如果只是要大概驗證一下電路,這個工具綽綽有餘。

MultiSim BLUE

這是一套 PC 上由 NI 所開發的電路模擬軟體,所有的分析 DC/AC/Transient 都可以做,你不小心還會看到 LabView 的影子。MultiSim 的特色就是非常像 OrCAD,你看下圖是不是很像。

(圖片來源:實作派提供)

它做模擬的時候,不太需要繁複的設定,只要把示波器的 icon 拉過來接上去,馬上就出現波形,十分直覺,所有的即時電壓電流也可以直接顯示在電路上。

這套有免費時限,三個月的賞味期,我覺得它的功能滿強大的,NI 的 MultiSim 是與零售商 Mouser 結合,所以它的零件資料庫有兩種,一種是標準資料庫,另一種是 Mouser 的資料庫。

(圖片來源:實作派提供)

標準資料庫內含的零件不多,常用的基本上都有,包含555 timer/ADC/DAC,若把database切換到Mouser Database,零件庫內容會突然暴增,多到你選不完。

(圖片來源:實作派提供)

另外 MultiSim 可以轉 BOM,讓你採買更方便,這招真厲害。

(圖片來源:實作派提供)

DCACLAB

這個網站比較像是給學生做電子實驗的入門網站,它只有 DC/time domain 的分析,其他都沒有,所以才稱為 DCAC。它有個很大的特色,就是零件的呈現完全用實際的圖像來表達,我認為很適合給學生。

(圖片來源:實作派提供)

就連電阻的參數調整,也是用色碼來呈現,如下圖。

(圖片來源:實作派提供)

它的零件庫不多,如下圖就這麼一排,但做做小型的電子實驗是沒問題的。

(圖片來源:實作派提供)

FALSTAD

這個網站是用 Java Applet 寫的,可以用來模擬簡單的電路,對於想簡單試試電路的人來說,是很方便的。Circuits 選項裡面有很多範例線路,別看它 UI 醜,它有提供 555 timer,還有各種邏輯閘,可惜的是,它只能模擬類比電路,而且只能分析 time domain。

它的特色是把電流/電壓全部都視覺化,你可以清楚知道電流的流向、電壓的大小,對於問題的分析幫助很大。

(圖片來源:實作派提供)

它的零件庫滿多東西,但沒有與零售商結合,所以沒有廣告,也不會有 Buy 的按鈕,畫面很乾淨。因為這是個很學術的人寫出來貢獻世界的,如果你把網址往上走一層,就會發現他寫的東西涵蓋了物理、數學、電子、量子力學、電磁學等,電路只是其中一小部分,真的是太厲害了。

它的零件庫竟然有 ADC/DAC/VCO,太令人驚艷了。

(圖片來源:實作派提供)

ONLINE SMITH CHART TOOL

如果你有需要了解高頻電路的行為,例如傳輸線理論之類的學問,可以使用這個網站,它可以讓你很視覺化地拖拉元件,做阻抗匹配以及頻率響應,重點是它免費。

阻抗匹配線路(圖片來源:實作派提供)

畫完線路後做頻率掃描,你就能看到 S11 在 Smith Chart 上的軌跡,對於線路的行為就能夠有所掌握。它唯一的缺點是,頻率掃描的點太少,如果頻率開很寬,S11 的軌跡會看起來有點菱角,這時你可以考慮下一段要介紹的軟體。

在 Smith Chart 上的頻率響應(圖片來源:實作派提供)

Smith

這是一位瑞士教授寫的軟體,專門用來作微波電路的模擬使用,有區分付費與免費版本,如果你像我一樣元件很少,只是拿來做做研究玩一玩,用免費版本的就可以(免費版本無法存檔,元件數量也有限制)。它的費用大約台幣 3000 左右,比起專業的 CAD 我想是便宜很多,做做研究應該很夠用。

30 cm 75 ohm Cable 的模擬圖(圖片來源:實作派提供)

這套 Smith 的軟體它能夠模擬幾乎所有高頻電路的東西,對我來說最大的好處就是頻率掃描的點數可以自己設定,否則若頻率間距太大,軌跡看起來就是有菱有角。

ONELAB

如果你要模擬電磁場的動向,可以考慮這款軟體 ONELAB,它是一種有限元素分析軟體 FEM,是免費的Open Source,裡面包含了 Gmsh 建模軟體、GetDP 的求解軟體,基本上任何散度、旋度、偏微分等,我想應該都難不倒它。

它可以讓你建立 3D 模型,模擬磁場電場的流動。如果對於自身領域的數學模型很熟悉,可以利用這款軟體,幫助你分析在不同形狀與材料參數下進行場型分析。

它唯一的缺點就是 GUI 介面沒有很好用,但仍然可以用,畢竟不像專業的套裝軟體,都幫 User 把麻煩事簡化。另外,GetDP 的數學模型與模擬環境建置的敘述只能用文字檔表達,它才能吃進去運算,只要有公式進去它就能有輸出,因此不限於電磁場,它也可以用在熱力學、流體力學等。

OneLAB 的 FEM 分析軟體(圖片來源:實作派提供)

小結

通常 Design house 比較有機會用到電路模擬,要做晶片一定要模擬,而在下游的系統業大部分是以組裝後的驗證居多,使用 SPICE 的人數相對較少。

像我就只有遇到問題時,才會拿 SPICE 來驗證某一小塊電路,而且還不需要太準,只要趨勢符合預期就可以,因此低價好用甚至免費的軟體,就很符合我的需求。

大家喜歡用哪套,青菜蘿蔔各有所好,工具沒有好不好只有適不適合,希望各位找到自己合用的工具。

(本文經同意轉載自實作派電子實驗室原文連結:責任編輯:賴佩萱)

StrongPiLab

Author: StrongPiLab

實作派電子實驗室(StrongPiLab)是一個著重知識與經驗的實作交流媒體,提供工程師們理論外的實務經驗,主要傳達電子產品與家電用品的正確操作概念與生活小常識、解說各種測試手法的技巧。

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