根据美国联邦航空管理局的飞行时间限制和休息要求，商业飞行员一周内只能飞行36小时，28天只能飞行100小时，任一年内只能飞行1000小时 。周期时间在很大程度上取决于飞机型号和飞行时间、里程。飞行通常是漫长而艰苦的，所以这些限制是为了确保安全。
这些飞行员在浩瀚的天空飞行之前，要在飞行模拟器中模拟相当长的时间。航空公司飞行员在上线飞行前，要先进行2~3周的系统及操作培训，然后再经过约1个月的模拟器培训。
大多数航空公司都保持有严格的模拟器培训计划，其中有18~24次模拟飞行，每次持续4小时。在这些飞行中，对他们进行系统审查及程序培训，包括检查表和“流程”特殊操作和实际问题情况。在飞行员登上真正的飞机之前，所有这些模拟器培训加起来高达96小时。这种级别的培训每6个月进行一次，以确保他们的常规和非常规操作能力达到标准。
为什么？在模拟器中，飞行员有可控、安全的环境来练习各种飞行操纵、应急程序和制定关键决策，而不会产生与实际飞行相关的风险。这使飞行员能够获得处理具有挑战性情况的经验，提高在真实紧急情况下做出适当反应的能力，而不会在犯错时机毁人亡。此外，在模拟器中进行飞行培训比在真实飞机中进行培训更具成本效益。模拟器减少了燃料、维护和操作成本，使飞行员能够获得宝贵的培训时间，而无需付出驾驶真实飞机所产生的高昂成本。
带上你的设计进行试飞
同样，PCB设计及电路仿真具有相同的优势：可控、安全的测试电路环境，而无需制造和组装PCB的大量成本。这一切都是通过以集成电路为重点的仿真程序仿真(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，简称SPICE)完成。SPICE是用于从数学上预测电子电路行为的计算机仿真和建模程序。
许多PCB设计师认为电路仿真是他们永远不需要学习的东西，最好由无名的“其他人”来处理。但在目前的商业环境中，由于缺乏PCB设计和工程资源，许多设计师在整个设计过程中承担着多重职责。让个人了解各种学科，包括PCB仿真，可以提高个体对公司的整体价值。我总是建议新的PCB设计师学习任何对公司有利的东西。
电路仿真有着丰富的历史，反映了不断变化的电子创新。电路仿真必须跟上不断增长的技术及更复杂电路的发展步伐。20世纪70年代初，加州大学伯克利分校Laurence W. Nagel博士和他的团队开发出电路仿真系统。SPICE最初是为模拟集成电路而设计的（也是Nagel博士学位论文的组成部分），旨在分析和优化晶体管级电子系统的性能。直到20世纪90年代末至21世纪初，SPICE仿真才与原理图捕获和PCB布局工具集成在一起，成为综合EDA软件套件的组成部分。这种集成使设计师能够在原理图设计、布局和仿真之间无缝切换。
21世纪10年代是电路仿真取得重大进展的黄金时代。随着云计算的出现，一些EDA公司开始提供基于云的SPICE仿真，为更广泛的仿真提供可扩展的资源。
此外，机器学习和人工智能技术的进步被集成到SPICE模拟器中，以更有效地优化设计、完成参数扫描和探索设计空间，本文后续将详细探讨。
Altium的SPICE环境
Altium的SPICE工具正在开发中。尽管我们最初在21世纪初发布了电路仿真工具，但2022年发布的Altium Designer 22是经过全面改进的仿真工具，重点关注几个关键点。
电路仿真可完全无缝地集成到Altium Designer PCB设计环境中。这种集成使设计工程师能够在原理图捕获、PCB布局和仿真之间无缝切换，简化了设计过程。
完全重新设计的高阶仿真引擎可处理复杂电路和混合信号设计，推动了仿真平台的发展，有助于共同仿真模拟及数字电路。它可以快速分析两个领域之间的交互，确保适当的集成和功能。它支持各种分析类型，包括瞬态、交流、直流和噪声。此外，参数扫描是非常高阶的仿真技术，可用于扫描不同的电路变量，使其能够分析电路对不同元器件值的响应。此功能有助于了解电路灵敏度并优化设计参数。
如前所述，SPICE电路仿真反映了PCB行业的进步，这意味着挑战不断变化。主要领域是高速设计的仿真。访问频域分析以分析频域中的电路行为对于RF和通信系统是必不可少的。它有助于确保适当的频率响应、增益和滤波器特性。与此直接相关的是瞬态响应分析，可评估电路在启动或切换事件期间的瞬态行为。该分析对于了解电路稳定性、稳定时间及对输入变化的响应至关重要。
缩短仿真学习曲线
SPICE曾经被视为需要数年才能掌握的复杂工具，但今天的SPICE（例如Altium SPICE），更方便用户使用。当然，根据我所看到的教授这门课的情况，学习这门课所需的时间因人而异。作为一名PCB设计讲师，如果我要为电路仿真课设置课程（嘿，这是个好主意），我会对课程的每个目标所需时间做出以下预估：
- 基本仿真设置（2~3周）。用户开始使用电路仿真工具，学习添加和配置元器件仿真模型。为了了解元器件行为，探索直流和交流分析等基本仿真分析。用户首先在简单的电路上运行仿真并验证结果。
- 高阶分析（2~4周）。用户可以进入更复杂的分析类型，如瞬态分析、噪声分析和参数扫描，涉及收敛问题和调整仿真设置。还可以引入用于高速设计的信号完整性分析。
- 混合信号仿真（2~3周）。混合信号仿真，包括模拟与数字元器件之间的交互，以及共同仿真技术和混合信号设计的故障排除。
- 设计优化和规则（2~3周）。学生将使用仿真结果反复优化PCB设计，并在仿真的基础上进行设计改进。课程还将侧重于实施设计规则检查，以确保符合特定的设计制约条件和行业标准。
如想熟练使用Altium SPICE工具，估计需要8~13周。
面向初学者的电路仿真
我会从简单的电路开始，然后发展到更复杂的设计。掌握电路仿真的基本原理，如直流和交流分析，然后再学习高阶技术。
熟悉不同的仿真模型（例如，理想、行为和晶体管级模型）及其局限性。了解这些模型的精度及适用性将有助于有效地阐释仿真结果。
利用仿真工具文档和更广泛的行业社区提供的教程和在线资源。通过实例掌握仿真方法并获得实践经验。
学习完成参数扫描，以探索不同的元件值对电路性能的影响。参数扫描可帮助了解电路对不同参数的敏感度。
熟悉元器件数据表及其相应的SPICE模型。精确的元器件模型对于可靠的仿真至关重要。切记，电路仿真是迭代过程。不要对最初的结果感到气馁；可以使用最初的结果不断地完善和改进设计。
仿真、人工智能和未来
随着人工智能的发展，我相信世界不会永远一成不变。我认为人工智能可与火的发现或轮子的发明相提并论。人工智能不会消失，我们应该接受并相信它会改变电路仿真的完成方式。以下是我认为人工智能影响整个领域未来发展的一些方式。
仿真：基于人工智能的算法可以通过利用计算模型和近似值来提高仿真效率和精度。可以显著减少大型复杂电路的仿真时间，同时保持可接受的精度。此外，这些AI算法可以根据指定的目标和约束条件自动优化电路设计。通过利用机器学习方法，人工智能可以探索广阔的设计空间，为各种性能指标（如功耗、信号完整性和热效率）找到最佳解决方案。
预测分析：随着人工智能平台的不断发展和知识经验的不断丰富，预测分析将通过学习过去的仿真结果和鉴别电路性能模式来描述复杂电路的行为，得出合乎逻辑的结论。电路故障分析将有令人难以置信的改进；人工智能将能够分析电路，可根据仿真结果预测电路设计中的潜在故障点，提高电路可靠性。
人工智能是引人入胜的研究领域，而人类在这个领域尚处于起步阶段，还有很多未知等待我们去探索。
更多内容可点击这里查看，文章发表于《PCB007中国线上杂志》23年10月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。
