胡 浩，閆英敏，陳永利

（軍械工程學(xué)院 電氣工程，河北 石家莊 050003）

板級(jí)模擬電路仿真收斂性技術(shù)研究

胡 浩，閆英敏，陳永利

（軍械工程學(xué)院 電氣工程，河北 石家莊 050003）

電路仿真不僅應(yīng)用于電路設(shè)計(jì)階段，也用于電路故障診斷中。電路仿真結(jié)果能夠?yàn)榻㈦娐窚y(cè)試診斷知識(shí)庫提供重要的參考信息。本文簡要介紹了電路仿真收斂性的相關(guān)理論，分析了板級(jí)模擬電路直流分析和瞬態(tài)分析的仿真收斂性問題，深入探討了電路仿真技術(shù)的原理和發(fā)展，重點(diǎn)研究了新的電路仿真算法，并將其應(yīng)用于模擬電路仿真系統(tǒng)中。

故障診斷；仿真收斂性；電路拓?fù)?；元器件模型；仿真器選項(xiàng)

電路仿真就是利用軟件系統(tǒng)工具的模擬功能，替代傳統(tǒng)電子設(shè)計(jì)的電路搭試和性能測(cè)試，對(duì)電路環(huán)境（含電路元器件及測(cè)試儀器）和電路從激勵(lì)到響應(yīng)的全過程進(jìn)行仿真。當(dāng)使用的人創(chuàng)建一個(gè)線路圖以后，并且按下了電源開關(guān)，就可以從示波器等測(cè)試儀器上讀到電路中的被測(cè)數(shù)據(jù)。實(shí)際上這個(gè)過程是計(jì)算機(jī)軟件通過使用者所創(chuàng)建的電路的數(shù)學(xué)表達(dá)式而求得的數(shù)據(jù)解，在電路中的每個(gè)元器件其實(shí)都有其特定的數(shù)學(xué)模型，這些數(shù)學(xué)模型的精度能夠決定電路仿真的的精度。

電路仿真往往是通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行的，因此也被叫作計(jì)算機(jī)仿真。其概念框架：首先進(jìn)行建模，然后進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析”，電路模型是進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的基礎(chǔ)。仿真建模、系統(tǒng)建模和實(shí)際仿真是電路仿真的必要的活動(dòng)，在計(jì)算機(jī)仿真中電路模型、電路系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)是必不可少的[2]。

按照系統(tǒng)的模型特性的不同可將系統(tǒng)分為離散事件系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)。離散和連續(xù)系統(tǒng)的區(qū)分是看時(shí)間離散和時(shí)間連續(xù)，以及狀態(tài)離散還是狀態(tài)連續(xù)。如果兩者都是離散的就是數(shù)字系統(tǒng)，兩者都是連續(xù)的就是模擬系統(tǒng)。數(shù)字系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉開發(fā)周期短，而且伴隨者計(jì)算機(jī)科學(xué)，信號(hào)處理技術(shù)，器件更新發(fā)展迅猛。但在很多特定場合，如大功率，高頻，高能設(shè)備，模擬系統(tǒng)仍有一席之地。

電路仿真的作用[3-4]:

1）仿真的過程是系統(tǒng)采集信息，并對(duì)采集的信息進(jìn)行處理，是一個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程，尤其是對(duì)一些隨機(jī)的問題，這樣的信息往往很復(fù)雜，仿真技術(shù)的應(yīng)用在提供所需信息方面能夠取得良好的效果，并有較高的精度。

2）對(duì)于實(shí)際中的一些系統(tǒng)，很難確定完整的物理模型和數(shù)學(xué)模型，在這種情況下，可通過仿真模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)、分析和評(píng)價(jià)。

3）對(duì)于一些較為龐大的系統(tǒng)，我們可以應(yīng)用系統(tǒng)仿真把整個(gè)系統(tǒng)拆分成為很多個(gè)獨(dú)立的小系統(tǒng)，這樣分析起來會(huì)變的容易。

4）在仿真試驗(yàn)段的過程中，通過對(duì)系統(tǒng)的了解不斷深入，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些新的測(cè)試以及仿真的方法，還能發(fā)現(xiàn)原系統(tǒng)當(dāng)中存在的問題，這樣就會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有更為深入的研究。

電路仿真的實(shí)質(zhì)[5]:

1）電路仿真可以通過計(jì)算機(jī)把系統(tǒng)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。也可以應(yīng)用仿真技術(shù)來解決一些實(shí)驗(yàn)中無法解決的問題，比如對(duì)無法建立數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)的分析處理等。

2）仿真的主要功能是它可以使系統(tǒng)在一個(gè)人造的虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這個(gè)環(huán)境不存在現(xiàn)實(shí)世界的干擾，可以免受一些現(xiàn)實(shí)中人為的操作誤差，提高了系統(tǒng)仿真的準(zhǔn)確程度，也有較為理想的輸出結(jié)果。

3）仿真的過程與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用相同的實(shí)驗(yàn)原理，結(jié)果也是真實(shí)的。

4）系統(tǒng)仿真的實(shí)質(zhì)為：系統(tǒng)仿真就是在計(jì)算機(jī)上或?qū)嶓w上建立系統(tǒng)的有效模型（數(shù)字的、物理效應(yīng)的模型或者數(shù)字物理效應(yīng)混合的模型），并在已經(jīng)建立好的模型上進(jìn)行試驗(yàn)。

1 電路仿真原理

1.1 基本原理

一般來講對(duì)電路的處理有以下3個(gè)步驟[6]：

1）首先是對(duì)于電路中帶有的線性器件和固定電源，要對(duì)其進(jìn)行正確的處理；

2）其次是在線性器件和固定電源處理結(jié)束后要對(duì)電路中非線性器件進(jìn)行處理；

3）最后是對(duì)電路中的抗性器件進(jìn)行處理；

一般來說線性器件的處理較為容易，首先對(duì)電路節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，可以利用基爾霍夫電壓定律、電流定律和歐姆定律等建立起這個(gè)系統(tǒng)的線性電路的方程組，要求方程的數(shù)量與未知數(shù)的數(shù)量相同，然后用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行消元，解出這個(gè)方程組即可。

1.2 系統(tǒng)仿真的過程

下面將要說明電路仿真的一般過程。電路仿真流程的各個(gè)步驟如下所示：

1）查找仿真元件。在繪制仿真原理圖之前，首先要查找仿真元件，查找仿真元件的方法將在電路仿真實(shí)例中詳細(xì)介紹。

2）繪制仿真原理圖。繪制仿真原理圖的方法和一般設(shè)計(jì)電路原理圖沒有太大的區(qū)別，就是在 仿真電路中要求每一個(gè)元件都要具有模擬屬性，如果選擇的一些元件沒有模擬屬性，可以使用同類的具有模擬屬性的元件來代替觀察仿真波形。

3）設(shè)置仿真元件的參數(shù)。 在所編輯的仿真原理圖中，必須保證所有的元件都具有模擬屬性，仿真參數(shù)的設(shè)置已經(jīng)詳細(xì)介紹過，讀者可以參考第一節(jié)。在這些參數(shù)設(shè)置中有一些元件要特 別注意，比如電容、電感這些元件的初值必須設(shè)置，并且初值不同就會(huì)影響仿真電路的輸出波形。 在仿真電路中所有元件的參數(shù)都必須設(shè)置，包括元件的標(biāo)稱值，都不能漏掉，否則就不能執(zhí)行仿真 操作。

4）添加仿真信號(hào)源以及信號(hào)源參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)能夠提供多種仿真信號(hào)源，仿真信號(hào)源的 作用就像實(shí)驗(yàn)室中的波形發(fā)生器，也就是仿真電路的輸入信號(hào)仿真信號(hào)源的參數(shù)設(shè)置也比較重要，仿真信號(hào)源參數(shù)設(shè)置方法可參閱前一小節(jié)。

5）設(shè)置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)。設(shè)置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)的目的，是為了觀察這一點(diǎn)的輸出波形，用戶可以根據(jù)實(shí)際 需要設(shè)置多個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，而且系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提供這些節(jié)點(diǎn)的波形。

6）執(zhí)行仿真操作以及設(shè)置仿真方式。該過程可以采用Newton-Raphson迭代的方法，在編輯好仿真原理圖以后就可以執(zhí)行仿真操作，執(zhí)行仿 真操作以后，彈出仿真方式設(shè)置對(duì)話框。在這個(gè)對(duì)話框中用戶用來設(shè)置仿真方式以及仿真方式的參數(shù)。仿真方式參數(shù)設(shè)置可以根據(jù)仿真的需要進(jìn)行設(shè)置。

7）分析仿真輸出波形。在設(shè)置完仿真方式以后，仿真系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)輸出這些波形，還要有專門的功能來檢查結(jié)果的收斂性是否符合要求。

2 輔助收斂模塊仿真

2.1 輔助收斂模塊介紹

輔助收斂模塊是依據(jù)輔助收斂性解決方案設(shè)計(jì)的，主要用于電路仿真不收斂時(shí)，提高電路仿真的收斂性。輔助收斂模塊的主要組成部分介紹如下：

1）提示信息讀取模塊：模塊分析所需的提示信息來源于電路網(wǎng)表文件和仿真器生成的log文件。輔助收斂模塊根據(jù)電路網(wǎng)表文件提供的分析指令信息判斷電路仿真的分析類型，根據(jù)log文件提供的ERROR和WARNING提示信息判斷引起仿真不收斂的原因和相應(yīng)的解決方案。

2）電路拓?fù)溴e(cuò)誤判斷模塊：當(dāng)電路仿真不收斂時(shí)，首先判斷是否存在電路拓?fù)溴e(cuò)誤，判斷方法將提示信息與提示信息列表進(jìn)行匹配。如果存在錯(cuò)誤，則根據(jù)提示信息列表中相應(yīng)的解決方案向用戶發(fā)出對(duì)應(yīng)錯(cuò)誤修改信息；如果不存在電路拓?fù)溴e(cuò)誤，則進(jìn)行下一級(jí)的仿真收斂判決。

3）元器件模型簡化判斷模塊：根據(jù)電路網(wǎng)表的規(guī)模判斷元器件模型是否需要簡化。如果電路網(wǎng)表的規(guī)模超出一定范圍，向用戶發(fā)出目標(biāo)模型簡化提示信息；如果沒有超出相應(yīng)的范圍，則進(jìn)行下一級(jí)的仿真收斂判決。

4）仿真器選項(xiàng)優(yōu)化設(shè)置模塊：當(dāng)排除電路拓?fù)浜驮骷Ｐ蛯?duì)仿真收斂性問題的影響后，如果仍然存在仿真不收斂問題，則啟用仿真器選項(xiàng)優(yōu)化設(shè)置模塊對(duì)仿真器選項(xiàng)求取最優(yōu)值的組合。如果輔助仿真收斂成功，則提示用戶進(jìn)行下一步的電路操作；如果輔助仿真收斂失敗，則向用戶發(fā)出相應(yīng)提示信息。

2.2 元器件模型簡化

本實(shí)驗(yàn)用于驗(yàn)證簡化模型在仿真中的效果，主要從仿真時(shí)間和內(nèi)存的使用兩個(gè)方面來進(jìn)行驗(yàn)證，用目標(biāo)的電路的模擬SPICE電路與簡化后的數(shù)字元件XSPICE進(jìn)行仿真對(duì)比。

為了使目標(biāo)模型和簡化模型的仿真結(jié)果輸出的對(duì)比更加明顯，在仿真中采用了一個(gè)較為簡單的實(shí)際電路SPICE模型，電路圖中的元器件選取較常用的7404，電路的原理圖如圖1所示。

圖1 元器件7404電路原理圖Fig.1 Components of 7404 circuit diagram

元器件7404的基本工作參數(shù)和功能為：

1）電源電壓 Vcc 容限：4.75～5.25 V

2）輸入高電平電壓ViH下限：2 V

3）輸入低電平上限ViL上限：0.8 V

4）元器件功能：反相器

從仿真模型的復(fù)雜程度來看，簡化模型明顯比目標(biāo)模型更加簡單，而且從理論上分析可知簡化模型在仿真效率方面也明顯優(yōu)于目標(biāo)模型，在仿真中為了方便兩種電路的對(duì)比，便不對(duì)元器件7404的目標(biāo)模型進(jìn)行封裝，仿真中選取簡單的單個(gè)電源和單個(gè)負(fù)載的電路，在圖2中的兩個(gè)圖分別為仿真模型的目標(biāo)電路和簡化電路的原理圖。

圖2 電路實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.2 Schematic diagram of circuit experiment

本實(shí)驗(yàn)的電源激勵(lì)、電路負(fù)載和分析指令設(shè)置分別為：

1）電路激勵(lì)電源：脈沖電源Vin 1 0 DC 0 PULSE（0 4 0 0.1m 0.1m 10m 20m）

2）電路負(fù)載：電阻RL=10 kΩ

3）直流分析指令：.OP

4）瞬態(tài)分析指令：.TRAN 0.1MS 40MS 0MS 0.2MS

目標(biāo)模型電路輸出端口信號(hào)的仿真結(jié)果圖形顯示如圖3所示，簡化模型電路輸出端口信號(hào)的仿真結(jié)果圖形顯示如圖3所示。

圖3 簡化模型仿真輸出結(jié)果Fig.3 Simplified model output simulation results

2.3 仿真器選項(xiàng)設(shè)置

仿真的結(jié)果已經(jīng)由上面給出，以下主要研究設(shè)置仿真器的不同的選項(xiàng)取值，對(duì)于仿真結(jié)果收斂性的影響。分別采用對(duì)仿真器進(jìn)行輔助設(shè)置法和人工設(shè)置法來進(jìn)行仿真，進(jìn)而比較兩種設(shè)置取值下的輸出哪種具有更好的收斂性。在仿真中選取較為精密的穩(wěn)壓電源電路。其功能是在電網(wǎng)電壓波動(dòng)的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)電壓的穩(wěn)定的輸出。在本實(shí)驗(yàn)中，電路可以輸出穩(wěn)定的8 V電壓。電路的原理圖如圖4所示。

本實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)配置如下：

1）CPU：AMD Sempron（tm） Processor 3000+

2）Memory：1G DDR2 667

圖4 人工設(shè)置仿真器選項(xiàng)圖Fig.4 Artificial set simulator options diagram

本實(shí)驗(yàn)的電源激勵(lì)、電路負(fù)載和分析指令設(shè)置分別為：

1）電路激勵(lì)電源：正弦波電源 Vin 3 0 DC 0 SIN（0 220V 50Hz 0 0）AC

2）電路負(fù)載：電阻 RL=100 kΩ

3）瞬態(tài)分析指令：.TRAN 1MS 1000MS 0MS 2MS

實(shí)驗(yàn)中的仿真器選項(xiàng)重新設(shè)置通常有輔助設(shè)置法和人工設(shè)置法兩種方法。輔助設(shè)置法指本文設(shè)計(jì)的基于免疫算法的仿真器選項(xiàng)設(shè)置方法，輔助設(shè)置法的輸出結(jié)果可知采用輔助設(shè)置法獲得的仿真器選項(xiàng)最優(yōu)值為ITL4=27。

人工設(shè)置法指就是采用人工方式對(duì)仿真器選項(xiàng)設(shè)置對(duì)話框中的仿真器選項(xiàng)進(jìn)行重新取值，直到滿足電路仿真的輸出達(dá)到收斂為止。人工設(shè)置法的輸出結(jié)果如圖4所示，可知采用人工設(shè)置法獲得的仿真器選項(xiàng)設(shè)置優(yōu)化值為ITL4=120。

3 結(jié) 論

仿真時(shí)簡化模型具有更好的仿真效果，雖然采用兩種設(shè)置方法時(shí)取值相差比較大，但是二者的仿真是結(jié)果確是相同的，兩種方法都能保證電路仿真輸出結(jié)果的收斂性。在進(jìn)行電路仿真收斂性調(diào)節(jié)時(shí)，采用輔助設(shè)置法獲取的仿真器選項(xiàng)的精度和選取效率均優(yōu)于人工設(shè)置法。通過上述仿真可知，輔助收斂模型在電路仿真時(shí)不僅提高了電路仿真的收斂性，而且可以減少用戶在進(jìn)行仿真器選項(xiàng)設(shè)置調(diào)節(jié)時(shí)的盲目性。

[1]G.Gordon.系統(tǒng)仿真[M].楊金標(biāo)，譯.北京:冶金工業(yè)出版社，1982.

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[6]Yang A T.Numerical Analysis Methods， W.-K.Chen， Ed.Boca Raton， FL:CRC[M].The Circuits and Filters Handbook，1995:1412-1427.

Technology research of board level simulation circuit simulation convergence

HU Hao， YAN Ying-min， CHEN Yong-li
（Dept of Electrical Engineering， Mechanical Engineering College， Shijiazhuang 050003， China）

Circuit simulation is not only applied in circuit design but also in circuit diagnosis.The result of simulation can provide important information to establish diagnosis repository.The paper introduces the basic principle for the convergence of the circuit simulation，the non-convergence problems of DC analysis and transient analysis simulation，It discusses the theory and development of circuit simulation technique.And it studies on new simulation arithmetic.Last the new arithmetic is realized in analog simulation system.

fault diagnosis； simulation convergence； circuit topology； device modeling； simulator setup

TK121

A

1674－6236（2013）08-0132-03

2012-11-27稿件編號(hào)201211236

胡 浩（1988—），男，山東濰坊人，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。