电子电路仿真设计与制版软件综述 - PCB, OrCAD, PADs

21世纪，是一个科技迅猛发展、计算机普及应用的信息时代。计算机技术已经成熟，并已渗透到人们的科研、生产、工作、生活等各个领域。对于年轻人来说，不会计算机就等于昔日的文盲，你将在现代社会中寸步难行；同样，作为新一代的电子工程师，不懂使用EDA(Electronic Design Automation，电子设计自动化)软件设计电子线路，也是一件不可思议的事。

      提到电子设计自动化，还得从上世纪80年代，世界上许多公司相继推出用于微机系统的电子CAD(Computer Aided Design，计算机辅助设计)软件说起。世界上许多公司为了自己的CAD软件能在激烈的市场竞争中占有一席之地，纷纷推出具有自己公司特色的CAD软件，经过多年的实践检验、不断修改和完善，或优存劣汰，或收购兼并，或强强联合，CAD技术已日臻成熟。CAD是一种通用技术，除了在机械、建筑等其它许多行业得到广泛应用之外，借助美国加洲大学伯克利分校的SPICE3f5/XSPICE作为仿真引擎，世界上许多公司还推出各种用于电子行业的优秀EDA软件；从另一个角度讲，CAD(计算机辅助设计)是电子设计的物理级初级阶段；CAE(计算机辅助工程)是电路级设计阶段；EDA(电子设计自动化)是高级的电子系统设计阶段。衡量一个软件的优劣，其中一个很现实的标准就是看它的市场占有率，也就是它的普及和流行程度。正如鲁迅先生所说：“其实地上本没有路，走的人多了，也便成了路。” 说到EDA软件，美国Cadence公司的OrCAD、加拿大Interactive Image Technologies公司的EWB、澳大利亚Altium公司的PROTEL、美国Mentor Graphics公司的PADS都是其中有代表性的佼佼者。

      有志成为电子工程师的年轻人，如何借助计算机掌握电子电路的仿真设计和制版技术，不仅是从事电子行业人员的基本功和技术要求，更是时代的一种潮流。结合我们的经验，在电子电路的仿真设计和制版软件选用方面谈一点肤浅看法，与广大读者商讨交流。

一、美国Cadence公司的OrCAD软件

      Cadence公司的OrCAD 软件，是世界上应用最广的EDA软件之一，是EDA软件中一个比较突出的代表。可以说，近年来其攻占EDA盟主宝座的企图是很明显的，早在1983年就与开发Pspice软件的MicroSim公司实现了强强联合，推出了可在PC机上运行的OrCAD/Pspice1，后来Cadence公司又并购了一流的PCB布线软件厂，使其拥有了绝佳的电路仿真和制板能力，给人以“所有好东西都集合在一起了”的感觉。OrCAD软件功能强大，而且它的界面友好、直观，在国外使用广泛，欧美地区有相当数量的电子工程师都在使用它。由于OrCAD软件进入我国时间比较晚，可参考书籍资料又比较少；该软件设置了防盗狗，其正版售价又是众多EDA软件中最高的，这些都是造成在国内使用普及率较低的原因。但随着我国电子行业飞速发展，使用OrCAD软件的用户呈逐年增长的趋势。从早期版本工作于DOS环境的OrCAD 4.0，发展到现在最新的OrCAD 10.5，OrCAD软件集成了电原理图绘制、印制电路板设计、数字/模拟电路仿真、可编程逻辑器件设计等等功能，它的元器件库也是所有EDA软件中最丰富的，在世界上它一直是EDA软件的首选。Cadence公司已成为世界上最强大的开发EDA软件的公司之一。

      OrCAD软件系统中主要包括：OrCAD /Capture CIS（电路图设计）；OrCAD /PspiceA/D（数/模混合模拟）；OrCAD /Layout Plus(PCB设计)等，其中每一个部分可以根据需要单独使用，又有下面图1的内在联系，共同组成完整的EDA系统。

    图1

      OrCAD软件系统的几个主要软件的功能及特点：

      1、OrCAD /Capture CIS： 它是OrCAD软件包中的共用软件，也是其它两个软件的基础。从图1可以看出：在调用OrCAD /PspiceA/D和OrCAD /Layout Plus之前，都需要先运行它，它是一个功能强大的电路原理图设计软件。除了可以生成各类电路原理图外，与其它电路图绘制软件相比，Capture CIS软件中还有明显特点的元器件信息系统模块CIS(Component Information System)。该信息系统模块除了可以对元件库中4万多种元器件实施高效的管理以外，还具有ICA(Internet Component Assistant)功能，可以在设计电路图的过程中，通过Internet网上其它元器件数据库中查阅到百万多种元器件，并可以根据绘图需要将它们调入电路图或添加到自己的库文件中；用Capture软件绘制的电路图完成成后，还可以直接调用OrCAD /Pspice软件进行仿真，也可以进入OrCAD /Layout Plus软件进行制板设计；OrCAD /Capture CIS操作界面友好、直观形象、使用方便；操作功能强大、灵活，项目管理科学有效，适应性很强，支持国际上多种标准。

      图2是用OrCAD /Capture CIS软件进行电路原理图设计举例。

图2

     2、OrCAD / PspiceA/D：这是一个通用电路模拟软件，除了对数字电路和数/模混合电路模拟外，还具有优化设计的功能。该软件中的Probe模块，相当于一台“虚拟示波器”不但可以在模拟结束后显示结果信号波形，而且可以对波形进行各种运算处理，包括提取电路特性参数、分析电路参数与元器件参数的关系，使分析过程更加方便直观。2001年前后OrCAD公司推出OrCAD / Pspice9.2版本，图3是用OrCAD / Pspice9.2模拟仿真显示的波形举例。

图3

      3、OrCAD /Layout Plus：这是一个印制电路版PCB设计软件，可以直接将生成的电路图通过手工或自动布局布线方式转为PCB设计。OrCAD /Capture软件具有高水平的设计指标：可设计的最大电路板尺寸为68(英寸)2；层次可达30层；布线最高分辨率为1微米；放置元器件时旋转角度可精确到1分。另外还有自动推挤、矩阵布局、智能化敷铜、与多种PCB设计软件可进行数据交换，包括与多种机械 CAD软件交换数据，生成3维轮廓图形等功能。它的元器件封装库非常丰富，并且可以通过库管理器(Library Manager)对封装库进行编辑、修改和添加新的封装，OrCAD /Layout Plus软件在PCB制板界以其功能强大著称，是一款名副其实的高档、专业PCB设计EDA软件。

二、加拿大Interactive Image Technologies公司的EWB软件

      EWB(Electronics Workbench)是加拿大Interactive Image Technologies(IIT)公司于1988年推出的颇具特色的EDA软件，曾风靡全世界。到目前为止，至少有35个国家、被译成10多种语言在使用。它以其界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用等突出优点，早在上世纪90年代就在我国得到迅速推广，许多大专院校把EWB5.0编入教材，作为电子类专业课程教学和实验的一种辅助手段。跨入21世纪初，加拿大IIT公司在保留原版本的优点基础上，增加了更多功能和内容，将EWB5.0版本更新换代推出EWB6.0，并更名为MultiSIM(Multi：多重、万能；SIM：仿真)，即Multisim2001，2003年升级为Multisim7，2005年初又在其官方网站上发布Multisim8.0。相比之下Multisim7版本比较成熟稳定，功能已十分强大，能胜任电路分析、模拟电路、数字电路、高频电路、RF电路、电力电子及自控原理等各方面的虚拟仿真；并提供多达18种基本分析方法。目前，加拿大IIT公司官方网站还在不断发布Multisim8.0的补丁，已求尽善尽美。

      (一)、电子仿真软件Multisim7的主要特色功能有以下一些：

      1、基本界面如图4所示，左侧有两列共23个元件箱，分门别类地集中了各种仿真元件可供调用；右侧有17种虚拟仪器可不受数量限制调用；中间是电路的搭建和仿真操作平台。

图4

      2、Multisim7软件提供的18种电路基本分析方法如图5所示。

     

图5

      3、Multisim7软件有几款其它任何仿真软件所没有的虚拟仪器，如“4踪示波器”(图6为同时显示的3路信号波形图)、“实时测量探极”可以在线动态测量电路各节点的电压(图7所示)、世界顶尖跨国公司安捷伦公司测量仪器：“安捷伦函数信号发生器”(图8上图所示)、“安捷伦6位半数字万用表”(图8下图所示)、“安捷伦示波器” (图9所示)，这三台仪器的面板、旋钮操作和实际安捷伦仪器完全一样。

图6

图7

图8

图9

      (二)、制版软件Ultiboard7简介

      作为MultiSIM技术的另一方面，加拿大IIT公司还向用户提供配套制版软件Ultiboard7。用Multisim7进行仿真设计后的电子电路内容可以直接无缝链接到Ultiboard7进行印制电路板的设计。制版软件Ultiboard7的一个明显优点就是它的元件封装库十分丰富，针插式元件封装有4000多种，是Protel元件封装文件PCB Footprints.lib中的10多倍，一般情况下总能从其大量的封装形式中直接找到合适的元件封装，免去修改和创建元件封装之苦。但要娴熟掌握它的PCB设计规则、自动布线等操作是要下一番功夫的，加上软件的获取、资料的匮乏在一定程度上限制了它的推广。但业余条件下用Ultiboard7进行制作简单电路印制板，可以不受它的设计规则约束，用直接手工元件布局和绘线，因其元件封装库丰富，仍不失为一种简捷方便的制版选项。

      制板软件Ultiboard7的使用参考图举例如下：

      1、制版软件Ultiboard7的操作界面如图10所示，上方为主菜单和各种PCB设计工具条；左侧上方为俯视窗口；下方为设计层面管理窗口；中间是PCB设计工作区。

图10

      2、制版软件Ultiboard7的元件封装库如图11所示。

图11

      3、用制版软件Ultiboard7手工绘制的印制电路板元件布局、底层铜膜走线示意图如图12所示；PCB文件打印预览示意图如图13所示。

图12

图13

三、澳大利亚Altium公司的PROTEL软件

      Protel的前身是美国的ACCEL Technologies公司的TANGO软件包，当时它只能运行在计算机的DOS操作系统下，直到微软公司的Windows操作系统问世以后，1991年由澳大利亚的Protel Technology公司最早推出Protel for Windows 1.0版本，其间随着计算机技术取得了令人瞩目的长足进步，Protel Technology公司相继推出Protel for Windows2.0、Protel for Windows3.0、Protel 98，1999年初，Protel公司推出Protel 99，Protel 99是一个基于Windows平台的32位EDA设计系统，集电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层电路板设计、可编程逻辑器件设计、图表生成等功能于一身。它具有丰富多样的编辑功能、强大便捷的自动化设计能力、有丰富的原理图元件库、极其全面的工具、文档及设计项目的组织能力，Protel软件的良好信誉以及它的卓越表现，很快成为了众多EDA用户的首选和喜爱软件，Protel软件资源丰富，而且学习和入门比较容易，非常适合初学者设计一些相对简单的电路和制版。

      Protel公司后来又推出Protel 99 SE(Second Edition)，是Protel 99的改良加强版，主要是在PCB制版方面增加了一些更实用的功能。现在Protel公司已经改名为Altium公司，跨入新世纪后，Altium公司耗时两年，不断革新和优化功能，终于在2002年推出了它的基于Windows XP操作系统的得意巨作Protel DXP。Protel DXP是新一代的板级电路设计系统，与Protel 99 SE相比，除功能更加完备以外，其界面风格更加成熟、更加灵活，尤其在仿真和PLD电路设计方面进行了改进。由于它的功能强大、设计严谨、对操作系统有要求，给初学者入门带来了一定的难度，另外它占用计算机的系统资源比较多，目前使用Protel DXP的用户不如使用Protel 99 SE普及，Protel 99 SE的电路仿真功能好像有些不尽人意。

      下面是Protel 99 SE软件用于业余条件下制版的举例：

      1、业余条件下用Protel 99 SE，采用纯手工加“跳线”工艺绘制的较复杂单面板如图14所示(电视机主板局部图)。

图14

      2、业余条件下用Protel 99 SE自动布线功能绘制的双面板如图15所示(单片机控制电路局部图)。

图15

四、美国Mentor Graphics公司的PADS软件

      PADS(Personal Automated Design Systems个人自动设计系统)软件是美国Mentor Graphics公司的产品。PADS有系列产品，但最新的和被广泛应用的版本是PADS-PowerLogic5.0和PADS-PowerPCB5.0，它们是Mentor Graphics公司最犀利的电路设计和制版工具。其中PowerLogic5.0是一个功能强大、多页的原理图设计输入工具，具有在每页进行快速存取、在线元件编辑、库管理方便简洁等特点，所有这些都为PowerPCB提供了高效的电路板设计环境，提高了由原理图设计链接到PCB制版的转化效率。

      PowerPCB5.0是一个复杂的、高速印制电路板设计软件。它具有快速交互布线编辑器(FIRE)，它的这一功能在众多的交互布线模式中独树一帜，由于FIRE采用强大功能的算法，布线完成后很少需要用户修改调整，可以使用户在布线时节省大量时间，提高效率。对表贴元件等细小焊盘间距、对高速布线的约束条件设定、对图形用户界面的定制等方面功能， PowerPCB5.0软件都是无可挑剔的。

      由于PowerLogic5.0和PowerPCB5.0两软件总共占120MB系统资源，故运行速度快，加之功能强大，有些简单的操作可以实现复杂的功能、快捷键方便、视窗宽等优点，使用户爱不释手。

      下面是PowerLogic5.0和PowerPCB5.0的应用举例：

      1、用PowerLogic5.0设计的电路原理图如图16(局部图)所示。

图16

      2、用PowerPCB5.0设计的电路印制板图如图17(局部图)所示。

图17

五、关于EDA软件的选用和业余制版注意事项

      1、每个公司推出自己的EDA软件，都有自己公司的考虑和特色，并在实际使用中不断完善，象以上所提到的各知名公司软件，都是EDA软件中的佼佼者，并非说它们每个都十全十美，有某方面的长处可能同时存在另方面的不足；有些适合某些人群，有些适合其它群体。在具体选择用哪个EDA软件最好，很难有唯一的确切答案。这里有一个你从事什么职业和希望达到什么目的的问题，就从事专业PCB设计而言，你不妨选择PowerPCB和OrCAD，PowerPCB更适合设计专业的、高级复杂的电路，OrCAD仿真和制版功能都很强，是高端电路设计和制版的主流工具之一，但它的元件封装比较麻烦；如果你是初学者，不妨建议你选择Protel 99 SE，相比之下，它应属低档初级EDA，但它逻辑设计方面比较强、画Sch方便，PCB设计不如前两者功能强大，且仿真功能不够理想，Protel DXP在这些功能方面加强了许多，功能强了学起来就难一些。由于Protel进入我国市场早，普及率高，尤其是书籍参考资料多，入门容易，特别适合初学者。目前国内有相当数量群体在使用Protel 99 SE从事电路设计和制版，从国外寄来的图纸则大都用OrCAD设计。

      2、EDA软件选用还有地域因素影响，比如台湾省的电子工程师设计PCB一般用PowerPCB和OrCAD，台商在江浙、上海一带有许多合资企业，广东、深圳一带南方用PowerPCB和OrCAD设计PCB就普及，北方可能比较喜欢使用Protel设计PCB，但随着时间推移，PowerPCB和OrCAD设计PCB将会越来越流行普及起来。

      3、EDA软件选用还跟个人喜好、兴趣、习惯有关，其实任何一款优秀的EDA软件只要用习惯了，精通了，你就是某方面的人才、高手。当然有志将来到广东、深圳、上海等南方地区去发展的学子，就要优先选学OrCAD或PowerPCB，或多学几种，以满足企业厂家的招聘需求。

      4、EDA软件选用还要考虑本地区制版厂家所能支持加工的PCB文件格式，一般大型专业制版厂家不存在这个问题，都配有专业人才进行不同软件下的PCB文件格式之间的转换制版，只要你的PCB文件是按EDA软件规则设计的，你设计的PCB文件是经过DRC验证后正确无误的，将设计好的PCB文件交付制版厂家就可以了。当然用Protel设计的PCB文件则象当年的“全国通用粮票”，只要是制版厂家，那怕规模再小，一般都能加工用Protel设计的电路板。

      5、关于选用电子电路的仿真软件，除了OrCAD仿真功能非常强大和理想以外，EWB也是一款非常优秀的EDA软件，希望更多的电子爱好者通过它的Multisim7 Dome版(演示版)学习，了解和掌握这款最新的优秀EDA软件用法。由于它的最新版本EWB7.0和EWB8.0推出时间不长，还没有普及，正版价格不菲，用户在获取软件方面有些困难，在一定程度上影响了它的推广。其实一款软件再好，如果不能最终普及流行起来，它还是要退出市场的，但愿这是暂时现象，相信不久的将来Multisim7和Multisim8一定会象EWB5.0那样在国内红火起来。

      6、关于业余学习制版，无论是用哪种软件设计PCB文件，应该优先考虑制作单面板，较复杂电路可加“跳线”工艺，就象彩电主板那样。由于业余条件下无法象专业厂家那样用机器制成“内壁电镀导孔”，给制作双面板带来了一定的难度。但碰到象单片机电路等布线比较复杂的情况，采用单面板手工布线难度大，自动布线又不能成功布通，业余条件下可以采用双面板进行自动布线加手工调整，再想办法仿做“内壁电镀导孔”，使业余制作的双面板真正实现和实用，这样制成的双面板不论是焊接和拆卸元件都和单面板一样方便。

      7、业余制版使用“激光打印+热转印+腐蚀”的方法，其过程是：首先使用激光打印机将设计好的底层铜膜走线图打印到表面光滑的“敷腊纸”上，然后用“图形热转印机”(或相片塑封机)将底层铜膜走线图转移到敷铜板的铜膜上，最后用三氯化铁或盐酸双氧水溶液腐蚀。它是目前比较流行、方便、实用的业余条件制板的一种方法，可以做出与厂家相媲美的单面印制电路板，但用这种方法制版 有几点需引起注意：

      (1)、用激光打印机在“敷腊纸”上打印底层铜膜走线图，不是任何牌号的激光打印机都能胜任的，必须选择温度比较高的激光打印机，比如“hp1010”激光打印机打印效果就很理想。

      (2)、表面光滑的“敷腊纸”，可以到有“写真”业务的广告商店找“PP背胶相纸”不干胶用后留下的遗弃衬纸，用来打印底层铜膜走线图效果极佳，优点是：大量、可以不要化钱买，一般老板都会乐意送你；缺点是：“PP背胶相纸”不干胶纸筒卷包装，衬纸剪裁后弯曲，不易整平。可在打印时，衬纸头端用透明胶粘上一段约宽4公分左右平直的A4打印纸作为引纸，这样处理后由于有A4引纸牵引，打印时不但进纸容易而且打印机不会卡纸。

      (3)、业余条件下转印底层铜膜走线图到敷铜板的铜膜上，用电熨斗加热熨烫可以解决较简单的电路，但有时会出现铜膜走线断线、破损，须用黑漆填补；用“图形热转印机”可转印复杂和细密铜膜走线图，且质量上乘、一次成功率高。