16 虚拟测量技术2.docx
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16虚拟测量技术2
1.6.9极、零点测量
该测量方法用于计算交流小信号电路传递函数中的零点和极点。
极-零点分析方法是一种对电路的稳定性分析的方法。
通常先进行直流工作点测量,求得非线性器件线性化的小信号模型。
在此基础上再测量传递函数的极、零点以及电路的稳定性。
极-零点测量步骤如下:
1)创建待测量的电路如图1.6-25所示。
该电路是静态工作点稳定的共发射极电路,晶体管为理想模型。
图1.6-25极-零点测量电路
2)选择菜单栏的Analysis/Pole-Zero选项。
3)确定参数设置对话框的内容。
零-极点分析参数设置对话框如图1.6-26所示。
零-极点分析对话框的选项、取值及含义如下:
图1.6-26零一极点分析参数设置对话框
分析类型(AnalysisType):
增益分析(增益分析定义为输出电压/输入电压;阻抗分析定义为输出电压/输入电流;输入阻抗定义为输入电压/输入电流;输出阻抗定义为输出电压/输出电流,默认值为增益分析);
输入正节点1nput(十):
电路中的节点5(输入节点正端);
输入负节点1nput(—):
电路中的零电位点(输入节点负端);
输出正节点Output(十):
电路中的节点6(输出节点正端);
输出负节点Output(—):
电路中的零电位点(输出节点负端);
极点分析(PoleAnalysis):
选用(求传递函数的极点);
零点分析(ZeroAnalysis):
选用(求传递函数的零点);
电路的输入节点“1nput(十)”和“1nput(—)”对应传递函数的输入端。
电路中的输出节点“Output(十)”和“Output(—)”对应传递函数的输出端。
4)按Simulate键开始分析,静态工作点稳定的共发射极电路零一极点测量结果如图1.6-27所示。
按Esc键停止分析。
图1.6-27零一极点测量结果
1.6.10传递函数测量
在进行传递函数测量之前,应首先对模拟电路或非线性元件进行直流工作点分析,求得线性模型。
传递函数测量可以分析一个独立电源与两个节点的输出电压或一个独立电源与一个电流输出变量之间的直流小信号传递函数。
也可以用于计算输入、输出阻抗。
输出变量可以是电路任意节点的电压,但输入必须是独立电源。
传递函数测量步骤如下:
1)创建待测量的电路如图1.6-28所示,该电路是由集成运算放大器组成的反相输入比例运算电路。
确定电路的输出节点、参考节点和输入独立电源后,分析该电路的输入阻抗、输出阻抗以及传递函数。
图1.6-28传递函数测量电路
2)选择菜单栏的Analysis/TransferFunction选项。
3)确定传递函数分析参数设置对话框的内容。
传递函数参数设置对话框如图1.6-29所示。
对话框的选项、取值及含义如下:
图1.6-29传递函数参数设置对话框
电压/电流(Voltage/Current):
电压(择电压或电流,缺省设置为电压);
输出节点(OutputNode):
节点1(电路中要分析的节点);
输出参考点(OutputReference):
接地点(电路的参考点);
输出变量(OutputVariable):
电路中的电源(若选择电流,必须是电路中的电流源);
输入电源(1nputSource):
电路中的电源(选择电压源或电流源);
4)按Simulate按钮开始分析,测量结果如图1.6-30所示,图中给出了输出阻抗、节点1的电压增益和输入阻抗的值。
按Esc键停止分析。
图1.6-30传递函数测量结果
1.6.11灵敏度测量
灵敏度是指电路中任何一个节点的电压或支路电流对电路中元件参数的敏感程度。
它用于衡量电路中元件参数的变化引起电路中电压或电流变化的程度。
对网络函数T(x),x为其中某一元件的参数,定义函数T对参数x的灵敏度为:
该测量方法可以计算电路输出节点电压和支路电流的交、直流灵敏度。
对直流灵敏度测量,可以分析电路中所有元件参数的变化对输出节点电压和支路电流的影响;对交流灵敏度测量,可以分析一个元件参数对输出节点电压和支路电流的影响。
进行直流灵敏度测量时,首先要求完成直流工作点测量,而交流灵敏度测量,指的是交流小信号状态的灵敏度测量。
灵敏度测量步骤如下:
1)创建待分析的电路如图1.6-31所示,该电路是一个电阻串联分压电路,分析电源电压、电阻阻值变化时,节点2的电压灵敏度。
该电路的直流工作点测量结果如图1.6-32所示。
图1.6-31灵敏度测量电路
图1.6-32直流工作点测量结果
2)选择菜单栏的Analysis/Sensitivity选项。
3)修改灵敏度分析参数设置对话框的内容。
灵敏度分析参数设置对话框如图1.6-33所示。
对话框的选项、取值及含义如下。
电压/电流(Voltage/Current):
电压(选择电压或电流选项);
输出节点(OutputNode):
节点2(电路中欲观测的节点);
输出参考点(OutputReference)接地点(电路中参考点);
输出变量(OutputVariable):
电路中节点电压(默认设置为节点电压,若选择电流,必须是电路中的电流源);
输入电源(1nputsource);电路中的电源V1(选择电压源或电流源);
(4)按Simulate按钮开始分析,该电路的灵敏度分析结果如图3-34所示,图形显示窗口中给出的电阻R1、R2和电源V1的参数改变时,对节点2的灵敏度的分析值,与理论计算值是一致的。
节点2的电压V2表示为
图1.6-33灵敏度分析参数设置对话框
图1.6-34灵敏度测量结果
电阻R1对节点2的灵敏度表达式为
电阻R2对节点2的灵敏度表达式为
电压V1对节点2的灵敏度表达式为
当电阻R1的阻值增加时,电路中节点2的电压将减小,所以电阻R1对节点2的灵敏度数值为负数。
当R2、V1值增加时,电路中节点2的电压将增加,所以电阻R2、电源V1对节点2的灵敏度数值为正数。
交流灵敏度分析的方法与直流灵敏度分析的方法完全雷同。
交流灵敏度分析方法仅适合模拟电路的小信号电路模型。
1.6.12蒙特—卡罗测量
蒙特—卡罗(MonteCarlo)测量是采用统计分析方法来观测给定电路中的元件参数,按选定的误差分布类型在一定的范围内变化时,对电路特性的影响。
用这些分析结果可以预测电路在批量生产时的成品率和生产成本。
在进行测量时,首先进行电路的标称数值测量,然后在该数值的基础上,加减一个σ值进行运行。
该σ值取决于所选定的误差分布类型。
MonteCarlo测量方法提供了两种分布类型:
(1)均匀分布(Uniform)元件值在他的容差范围内以相等的概率出现,是—种线性的分布形式。
(2)正态高斯分布(Gaussian)分布概率为
式中:
μ为标称参数值;x为独立变量;σ为标准偏差(SD)值;σ=误差百分比×标称值。
例如:
电路中一个1kΩ的电阻,误差百分比设定在5%,则σ等于50Ω,即误差范围在0.95~1.05kΩ,则总体百分比为68%。
一个1.96kΩ±5%的电阻,误差范围为0.902~1.098kΩ,其总体百分比为95%。
蒙特—卡罗测量步骤如下:
1)创建待分析的电路如图1.6-35所示,图为一工作点稳定的共射极放大电路,晶体管选用Q2N2222A,观察以节点5为输出端的频率响应的蒙特卡罗分析曲线。
2)选择菜单栏的Analysis/MonteCarlo选项。
3)确定蒙特卡罗分析参数设置对话框的内容。
蒙特卡罗分析参数设置对话框如图1.6-36所示,对话框的选项、取值及含义如下:
图1.6-35蒙特卡罗测量电路
图1.6-36蒙特卡罗分析参数设置对话框
执行次数(Numberofruns):
2(必须大于或等于2次);
容许误差(Tolerance):
5%(指平均分布函数的最大变化量或高斯标准分布函数的百分比,默认设置为5%);
种子(Seed):
0(用来启动随机函数发生器);
分布函数类型(Distributiontype):
平均分布函数(平均分布函数/高斯分布函数,默认设置为平均分布函数);
输出节点(OutputNode):
电路中的节点6(要观察的电路节点);
扫描…(Sweepfor…):
交流频率分析(选择:
静态工作点/瞬态分析/交流频率分析,若选择瞬态分析或交流频率分析,可以再通过设置“瞬态分析/交流频率分析”对话框确定各选项。
交流频率分析对话框如图1.6-37所示)。
4)按Simulate按钮开始分析,蒙特卡罗分析输出结果如图1.6-38所示,图形显示窗口中显示的是节点6的频率响应蒙特卡罗分析曲线。
按Esc键停止分析。
图3-37蒙特卡罗交流频率分析对话框
图1.6-38蒙特卡罗测量输出结果
1.6.13最坏情况测量
最坏情况测量也是一种统计分析方法,可以观察到在元件参数变化时,电路特性变化的最坏可能性。
适合于对模拟电路、直流和小信号电路的分析。
在电路分析时,首先进行标称值的分析,然后进行交流或直流灵敏度分析,在计算出每个参数对输出量的灵敏度后,就可以获得最坏情况分析的结果。
最坏情况仿真的数据由排序函数进行收集,该排序函数相当于一个带选择功能的滤波器,最坏情况分析中共有六种排序函数,每一次运行只收集一种排序函数的一个数据。
六个排序函数的含义和设计要求如下:
最大电压(Maxvoltage):
Y轴电压的最大值;
最小电压(MinVo1tage):
Y轴电压的最小值;
在最大处的频率(Frequencyatmax):
在Y轴最大值处对应的X轴频率值;
在最小处的频率(Frequencyatmin):
在Y轴最小值处对应的X轴频率值;
上升边沿频率(RiseedgeFrequency):
Y轴值第一次上升通过用户设定门限值时的X轴频率值,需要输入门限值;
下降边沿频率(FalledgeFrequency):
Y轴值第一次下降通过用户设定门限值时的X轴频率值,需要输入门限值;
最坏情况分析步骤为:
1)创建待分析电路如图1.6-39所示,该电路是由集成运算放大器组成的RC有源低通滤波器,确定电路中的节点3为要分析的输出节点,进行最坏情况交流频率分析。
2)选择菜单栏的Analysis/Worstcaseanalysis选项。
3)确定最坏情况分析参数设置对话框的内容,最坏情况分析参数设置对话框如图1.6-40所示,对话框的选项、取值及含义如下:
图1.6-39最坏情况测量电路
图1.6-40最坏情况分析参数设置对话框
图1.6-41最坏情况交流频率分析对话框
容许误差(Tolerance):
5%(被分析参数的变化值,默认设置为5%);
排序函数(CollatingFunction):
最大电压(当选择直流工作点分析时,只能选最大或最小电压.若选择交流频率分析,可以通过另一个对话框观察和修改分析参数,如图1.6-41所示);
输出节点(OutputNode):
电路中的节点3(欲观测的输出电压节点);
扫描...(Sweepfor...):
交流频率分析(在静态工作点/交流频率分析中任选一项);
(4)按Simulate按钮开始分析,图形显示窗口中显示出节点3的有源低通滤波器最坏情况分析结果,如图1.6-42所示。
按Esc键停止分析。
图1.6-42有源低通滤波器最坏情况测量结果
下面对EWB的图形显示窗口和鼠标右键的功能加以说明:
1.图形显示窗口(Displaygraphs)菜单
图形显示窗口用于显示各种分析结果,对不同的分析,输出可以是图形或者是数据。
除显示图形和数据外,还可以建立、调入、存盘、打印、复制和粘贴图形和数据文件。
图形显示菜单按钮说明如下:
栅格按钮在曲线坐标平面上显示栅格;
图标按钮显示图中曲线和曲线所对应的节点号;
光标按钮显示两根可用鼠标拉动的光标线,同时还显示一个数字窗口,其中显示两根光标对应曲线的X、Y坐标和两根曲线的坐标差。
2.图形属性按钮
图形属性用于设置有关坐标轴和曲线方面的内容,可以根据需要设置图形属性按钮把曲线图形做得非常漂亮,然后复制到其他软件中,例如复制到WORD软件中使用,图形属性包括一般属性卡片、曲线坐标轴卡片和曲线卡片三类,分类介绍如下:
(1)一般属性卡片包括卡片名称、卡片中使用的字形和背景颜色等项内容,一般属性卡如图1.6-43所示。
图1.6-43一般属性卡
(2)曲线坐标轴属性卡片该卡片用于设置曲线坐标轴,可以设置左、右、上和下四根坐标轴,设置它们的颜色、线宽、标尺、分隔等项内容,图1.6-44是左坐标轴卡片的图片,而右坐标轴卡片、上坐标轴卡片和下坐标轴卡片设置方法与其相同。
图1.6-44曲线坐标轴属性卡片
(3)曲线属性卡片
设置曲线的颜色、线宽、等项内容,如图1.6-45所示。
图1.6-45曲线属性卡片
3.分析菜单中鼠标右键的功能
鼠标左键用于使能菜单和按钮,而鼠标右键的功能是提供更方便的菜单,有如下几类菜单可供使用:
(1)一般菜单(鼠标放在图形编辑窗口内)对话框的选项包括:
帮助(Help);粘贴(Paste);窗口拉近(Zoomin);窗口离远(Zoomout);图形选择(SchematicOptions)。
(2)元件菜单(鼠标放在元件上)对话框的选项包括:
帮助(Help);剪切(Cut);拷贝(Copy);删除元件(DeleteComponent);旋转元件(Rotate);垂直翻转元件(F1ipVertical);水平翻转元件(F1ipHorizontal);元件属性(ComponentProperties)。
(3)连线菜单(将鼠标放在连线上,双击点亮连线)对话框的选项包括:
线属性(WireProperties);删除线(Delete)。
(4)仪器菜单(鼠标放在仪器上)对话框的选项包括:
帮助(Help);打开(Open);删除仪器(DeleteInstrument)。
(5)元件选取按钮菜单(鼠标放在元件选取按钮上)对话框的选项包括:
元件属性(ComponentProperties);使成为常用元件(Addtofavorites)。
(6)图形菜单(鼠标放在图形显示窗口内)对话框的选项包括:
文件(File);编辑(Edit);开关光标(ToggleCursors);开关图例(Togglelegend);恢复图形(RestoreGraph);工具条(Toolbar);状态条(Statusbar);图形属性(Properties)。
1.6.14虚拟测量过程中出现的问题及处理
由于各种原因,测量没有成功,电子工作台(EWB)在进行仿真和分析过程中,屏幕上显示出错误信息,提示可能出错的原因,特别是在瞬态测量、交流频率测量时(包括用示波器测量)不能成功的机会更大。
有时会遇到“模拟失败”或“程序不收敛”等问题,譬如电子工作台采用改进的Newton-Raphson算法求解非线性电路时,由于电路含有非线性元件,需要对很多用于非线性元件线性化的方程进行迭代计算,采用多种步长的线性方程迭代来逼近非线性特性。
仿真程序首先假定一个初始的节点电压,然后求出支路电流,再用该支路电流计算节点电压,不断循环迭代,直至所有的节点电压和支路电流收敛于使用者定义的精度以内。
使用者可以自己确定误差的精度和迭代步长的限制。
若计算的电压或电流没有在设定的迭代步长或迭代次数内收敛,就会显示出错信息,仿真停止。
常见的错误信息包括如下内容:
1.常见的错误信息
在进行仿真和分析过程中,屏幕上显示出常见的错误信息有以下几种:
1)奇异矩阵(SingularMatrix)。
2)最小电导步距失败(GminSteppingFailed)。
3)电源步距失败(SourceSteppingFailed)。
4)迭代次数极限(1terationLimitreached)。
2.屏幕显示常见的错误信息格式
1)Vl#Branck——V1电压源的ID号,Branch(分支)是流过电源的电流。
2)ARl[Dl]——ARl是运算放大器韵ID号,D1是运算放大器内部的二极管。
3)R1:
Name——R1是电阻的1D号,Name(名字)是包含电阻的子电路名。
4)U1[6]——元件UI中内部节点[6]。
如果在进行瞬态测量时,仿真程序不能在给定的初始时间步长条件下达到收敛,该时间步长会自动减少,再次迭代循环。
但当时间步长减至太小时,会显示出错信息“时间步长太小”(TimeSteptooSmall),仿真停止。
“静态工作点测量”也会由于各种原因导致不收敛的情况产生。
若假定的节点电压的初始值与实际情况相差太大的话,电路就会显得不稳定(电路的仿真方程有多个解),或者产生电路模式的跃变或出现异常的阻抗。
在解决仿真不收敛或测量方法失效问题时,首先要分清是采用哪种测量方法所引起的,通常静态工作点测量是在各种测量方法之前进行的。
3.静态工作点(直流)测量出错时的解决办法
1)检查电路的结构和连接是否存在问题,要求做到:
①电路连接正确,没有悬空节点和多余的不用元器件,没有虚接和错接。
②不要将数值“0”和字母“O”在电路中混淆。
③电路必须要有接地点,在电路中的每一个节点对地要有直流通路,确保电路不被变压器或电容等元件对地完全隔离。
④电容器和电流源不能以串联形式连接。
⑤电感器和电压源不能以并联形式连接。
⑥电路中所有的元器件和信号源的设置数值必须满足电路分析的要求。
⑦所有受控源(相关源)的增益设置必须正确。
⑧要求正确引入元件模型和子电路。
2)在分析选择菜单(Analysis/AnalysisOptions)的“静态工作点分析”对话框中,增加迭代次数至200~300。
3)在分析选择菜单(Analysis/AnalysisOptions)通用(Global)设置卡对话框中将“RSHUNT'’值扩大至100倍。
4)在分析选择菜单(Analysis/AnalysisOptions)通用(Global)设置卡对话框中将“Gmin”最小电导的参数值的值扩大至10倍。
5)选择分析选择菜单(Analysis/AnalysisOptions)中瞬态分析的“初始条件为零”进行分析。
4.瞬态测量中仿真失效时的处理
1)按照解决DC工作点问题的方法检查电路连接等问题
2)在分析选择菜单(Analysis/AnalysisOptions)通用(global)设置卡对话框中设置相对误差为0.01,这就相当于把误差放大了10倍,迭代次数会更少,仿真完成的更快。
3)分析选择菜单(Analysis/AnalysisOptions)瞬态(Transient)设置卡对话框中,将瞬态时间点增加到100,允许在瞬态分析过程中增加迭代次数。
4)在电路节点电流精度容许的范围内,降低分析选择菜单(Analysis/AnalysisOptions)通用(Global)设置卡对话框中“绝对误差精度”(VNTOL)值,在实际电路中的电压和电流值的精度一般不会低于1μV和lpA,可以修改对话框中的默认设置值,将它设定在比实际估计的电压和电流值小一个数量级。
5)在电路分析中尽量使用实际元件模型(实际模型中有PN结电容),或者在二极管两端并联RC串联电路。
电路仿真时,尽量模拟实际情况,譬如考虑结电容的影响,采用子电路来替代有些器件模型,如高频和功率器件等。
6)若电路中使用受控单脉冲信号源,应增加其上升和下降时间。
7)改变选择分析选择菜单(Analysis/AnalysisOptions)中“瞬态(Transient)分析栏”中的积分方法为“Gear”(变阶积分法),虽然“Gear”积分方法需要的时间较长一些,但通常要比“Trapezoid'’(梯形法)要稳定一些。
5.瞬态分析失效举例说明
使用正确的和实际的模型器件会使瞬态分析成功,以图1.6-46仿真电路举例说明如下。
在图1.6-46所示电路中:
与门U1可使用当前库(default)中的理想(ideal)模型,而不能使用TTL库中的LS、LS-BUF、LS-OC和LS-OC-BUF模型。
与门U1可以使用CMOS库中的4000-XV模型和HC、HC-BUF模型,而不能使用HC-OD模型。
当U1使用当前库中的理想模型时,二极管可以使用理想模型和实际模型。
当U1使用4000-XV系列模型时,二极管可以使用理想模型和实际模型。
在图1.6-46所示电路中,U1使用HC模型,二极管D1使用理想模型,在虚拟示波器上观察到如图1.6-47所示的波形。
若U1使用HC-OD模型,二极管D1使用理想模型,在虚拟示波器上观察不到输出波形,仿真失效。
图1.6-46瞬态分析失效说明电路
图1.6-47瞬态分析失效说明电路波形
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