電路模擬-物理模擬-利用軟體免接實體快速做實驗

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

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，可以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，所以當電路很複雜的時候，有時會寫錯。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，操作就相對簡單了。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 OrCAD就夠用，若要處理射頻RF領域的東西，除了元件的選擇之外，Layout的線寬線距與阻抗匹配特性全都要考慮，這時需要像keysight ADS這種分析工具。其他還有工具能做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

https://www.circuitlab.com/

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，但我忘了是多久了。

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較完整，雖然它有免費試用，個人我還是很推薦買個一年來用。

除了UI的外觀之外，若你要模擬的電路包含了晶體切換功能，在其他on line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Circuit Lab不會有當機的情況，至少我沒遇過。

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。

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。

LT Spice

https://www.analog.com/en/resources/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html

這是一個安裝在個人電腦上的Spice程式，有Windows與Mac版本，永久免費沒有試用期。由於是跑在本地端的電腦，所以執行起來速度很快，但使用這個軟體需要理解Spice的語法，你別看它是視窗介面，它其實只是把Spice包一個圖形介面而已，雖然方便檢視線路圖，但有些設定卻是直接把Spice的語法拿來貼，只有這點需要注意。另外它的零件庫也超多，常用的零件庫幾乎都有，如果你功力夠，你還可以新增自己的元件，畢竟它本身就是一個Spice。

它的缺點就是，繪製線路圖的時候，滑鼠鍵盤的操作方式與一般繪圖軟體的使用習慣完全不同，所以需要一段時間適應，習慣之後就好了，我個人目前也很愛用這個。

DCACLAB

https://dcaclab.com/

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，我想應該是這樣。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。

就連電阻的參數調整，也是用色碼來呈現，如下圖。

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

FALSTAD

http://www.falstad.com/circuit/

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。

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，若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，電路只是其中一小部分，真的是太厲害了。

它的網頁在近幾年有改版，能辨認使用者的使用語言，所以有做中文化，而且它的零件庫非常多，竟然有微波電路在用的傳輸線，其他像是類比和數位混合的ADC/DAC/VCO也都有，太令人驚艷了。

如果你想要用現成的範例來修改，這裡也有一堆東西，好用又免費，是不是很心動?

ONLINE SMITH CHART TOOL

https://www.will-kelsey.com/smith_chart/#

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的拖拉元件，做阻抗匹配以及頻率響應，重點是它免費。

畫完線路之後就可以做頻率掃描，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有菱角，這時你可以考慮下一段要介紹的軟體。

Smith

https://www.fritz.dellsperger.net/smith.html

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。

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

http://onelab.info/

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、流體力學等等。