板级模拟电路仿真收敛性技术研究

胡 浩，闫英敏，陈永利

（军械工程学院 电气工程，河北 石家庄 050003）

板级模拟电路仿真收敛性技术研究

胡 浩，闫英敏，陈永利

（军械工程学院 电气工程，河北 石家庄 050003）

电路仿真不仅应用于电路设计阶段，也用于电路故障诊断中。电路仿真结果能够为建立电路测试诊断知识库提供重要的参考信息。本文简要介绍了电路仿真收敛性的相关理论，分析了板级模拟电路直流分析和瞬态分析的仿真收敛性问题，深入探讨了电路仿真技术的原理和发展，重点研究了新的电路仿真算法，并将其应用于模拟电路仿真系统中。

故障诊断；仿真收敛性；电路拓扑；元器件模型；仿真器选项

电路仿真就是利用软件系统工具的模拟功能，替代传统电子设计的电路搭试和性能测试，对电路环境（含电路元器件及测试仪器）和电路从激励到响应的全过程进行仿真。当使用的人创建一个线路图以后，并且按下了电源开关，就可以从示波器等测试仪器上读到电路中的被测数据。实际上这个过程是计算机软件通过使用者所创建的电路的数学表达式而求得的数据解，在电路中的每个元器件其实都有其特定的数学模型，这些数学模型的精度能够决定电路仿真的的精度。

电路仿真往往是通过计算机进行的，因此也被叫作计算机仿真。其概念框架：首先进行建模，然后进行计算机仿真，最后对仿真结果进行分析”，电路模型是进行计算机仿真的基础。仿真建模、系统建模和实际仿真是电路仿真的必要的活动，在计算机仿真中电路模型、电路系统和计算机是必不可少的[2]。

按照系统的模型特性的不同可将系统分为离散事件系统和连续系统。离散和连续系统的区分是看时间离散和时间连续，以及状态离散还是状态连续。如果两者都是离散的就是数字系统，两者都是连续的就是模拟系统。数字系统优点是价格低廉开发周期短，而且伴随者计算机科学，信号处理技术，器件更新发展迅猛。但在很多特定场合，如大功率，高频，高能设备，模拟系统仍有一席之地。

电路仿真的作用[3-4]:

1）仿真的过程是系统采集信息，并对采集的信息进行处理，是一个实验的过程，尤其是对一些随机的问题，这样的信息往往很复杂，仿真技术的应用在提供所需信息方面能够取得良好的效果，并有较高的精度。

2）对于实际中的一些系统，很难确定完整的物理模型和数学模型，在这种情况下，可通过仿真模型对系统进行预测、分析和评价。

3）对于一些较为庞大的系统，我们可以应用系统仿真把整个系统拆分成为很多个独立的小系统，这样分析起来会变的容易。

4）在仿真试验段的过程中，通过对系统的了解不断深入，有时会产生一些新的测试以及仿真的方法，还能发现原系统当中存在的问题，这样就会对整个系统有更为深入的研究。

电路仿真的实质[5]:

1）电路仿真可以通过计算机把系统转换转化成数字量。也可以应用仿真技术来解决一些实验中无法解决的问题，比如对无法建立数学模型的系统的分析处理等。

2）仿真的主要功能是它可以使系统在一个人造的虚拟环境中进行实验，这个环境不存在现实世界的干扰，可以免受一些现实中人为的操作误差，提高了系统仿真的准确程度，也有较为理想的输出结果。

3）仿真的过程与实际的实验应用相同的实验原理，结果也是真实的。

4）系统仿真的实质为：系统仿真就是在计算机上或实体上建立系统的有效模型（数字的、物理效应的模型或者数字物理效应混合的模型），并在已经建立好的模型上进行试验。

1 电路仿真原理

1.1 基本原理

一般来讲对电路的处理有以下3个步骤[6]：

1）首先是对于电路中带有的线性器件和固定电源，要对其进行正确的处理；

2）其次是在线性器件和固定电源处理结束后要对电路中非线性器件进行处理；

3）最后是对电路中的抗性器件进行处理；

一般来说线性器件的处理较为容易，首先对电路节点进行分析，可以利用基尔霍夫电压定律、电流定律和欧姆定律等建立起这个系统的线性电路的方程组，要求方程的数量与未知数的数量相同，然后用数学方法进行消元，解出这个方程组即可。

1.2 系统仿真的过程

下面将要说明电路仿真的一般过程。电路仿真流程的各个步骤如下所示：

1）查找仿真元件。在绘制仿真原理图之前，首先要查找仿真元件，查找仿真元件的方法将在电路仿真实例中详细介绍。

2）绘制仿真原理图。绘制仿真原理图的方法和一般设计电路原理图没有太大的区别，就是在 仿真电路中要求每一个元件都要具有模拟属性，如果选择的一些元件没有模拟属性，可以使用同类的具有模拟属性的元件来代替观察仿真波形。

3）设置仿真元件的参数。 在所编辑的仿真原理图中，必须保证所有的元件都具有模拟属性，仿真参数的设置已经详细介绍过，读者可以参考第一节。在这些参数设置中有一些元件要特 别注意，比如电容、电感这些元件的初值必须设置，并且初值不同就会影响仿真电路的输出波形。 在仿真电路中所有元件的参数都必须设置，包括元件的标称值，都不能漏掉，否则就不能执行仿真 操作。

4）添加仿真信号源以及信号源参数设置。系统能够提供多种仿真信号源，仿真信号源的 作用就像实验室中的波形发生器，也就是仿真电路的输入信号仿真信号源的参数设置也比较重要，仿真信号源参数设置方法可参阅前一小节。

5）设置网络标号。设置网络标号的目的，是为了观察这一点的输出波形，用户可以根据实际 需要设置多个网络标号，而且系统会自动提供这些节点的波形。

6）执行仿真操作以及设置仿真方式。该过程可以采用Newton-Raphson迭代的方法，在编辑好仿真原理图以后就可以执行仿真操作，执行仿 真操作以后，弹出仿真方式设置对话框。在这个对话框中用户用来设置仿真方式以及仿真方式的参数。仿真方式参数设置可以根据仿真的需要进行设置。

7）分析仿真输出波形。在设置完仿真方式以后，仿真系统就会自动输出这些波形，还要有专门的功能来检查结果的收敛性是否符合要求。

2 辅助收敛模块仿真

2.1 辅助收敛模块介绍

辅助收敛模块是依据辅助收敛性解决方案设计的，主要用于电路仿真不收敛时，提高电路仿真的收敛性。辅助收敛模块的主要组成部分介绍如下：

1）提示信息读取模块：模块分析所需的提示信息来源于电路网表文件和仿真器生成的log文件。辅助收敛模块根据电路网表文件提供的分析指令信息判断电路仿真的分析类型，根据log文件提供的ERROR和WARNING提示信息判断引起仿真不收敛的原因和相应的解决方案。

2）电路拓扑错误判断模块：当电路仿真不收敛时，首先判断是否存在电路拓扑错误，判断方法将提示信息与提示信息列表进行匹配。如果存在错误，则根据提示信息列表中相应的解决方案向用户发出对应错误修改信息；如果不存在电路拓扑错误，则进行下一级的仿真收敛判决。

3）元器件模型简化判断模块：根据电路网表的规模判断元器件模型是否需要简化。如果电路网表的规模超出一定范围，向用户发出目标模型简化提示信息；如果没有超出相应的范围，则进行下一级的仿真收敛判决。

4）仿真器选项优化设置模块：当排除电路拓扑和元器件模型对仿真收敛性问题的影响后，如果仍然存在仿真不收敛问题，则启用仿真器选项优化设置模块对仿真器选项求取最优值的组合。如果辅助仿真收敛成功，则提示用户进行下一步的电路操作；如果辅助仿真收敛失败，则向用户发出相应提示信息。

2.2 元器件模型简化

本实验用于验证简化模型在仿真中的效果，主要从仿真时间和内存的使用两个方面来进行验证，用目标的电路的模拟SPICE电路与简化后的数字元件XSPICE进行仿真对比。

为了使目标模型和简化模型的仿真结果输出的对比更加明显，在仿真中采用了一个较为简单的实际电路SPICE模型，电路图中的元器件选取较常用的7404，电路的原理图如图1所示。

图1 元器件7404电路原理图Fig.1 Components of 7404 circuit diagram

元器件7404的基本工作参数和功能为：

1）电源电压 Vcc 容限：4.75～5.25 V

2）输入高电平电压ViH下限：2 V

3）输入低电平上限ViL上限：0.8 V

4）元器件功能：反相器

从仿真模型的复杂程度来看，简化模型明显比目标模型更加简单，而且从理论上分析可知简化模型在仿真效率方面也明显优于目标模型，在仿真中为了方便两种电路的对比，便不对元器件7404的目标模型进行封装，仿真中选取简单的单个电源和单个负载的电路，在图2中的两个图分别为仿真模型的目标电路和简化电路的原理图。

图2 电路实验原理图Fig.2 Schematic diagram of circuit experiment

本实验的电源激励、电路负载和分析指令设置分别为：

1）电路激励电源：脉冲电源Vin 1 0 DC 0 PULSE（0 4 0 0.1m 0.1m 10m 20m）

2）电路负载：电阻RL=10 kΩ

3）直流分析指令：.OP

4）瞬态分析指令：.TRAN 0.1MS 40MS 0MS 0.2MS

目标模型电路输出端口信号的仿真结果图形显示如图3所示，简化模型电路输出端口信号的仿真结果图形显示如图3所示。

图3 简化模型仿真输出结果Fig.3 Simplified model output simulation results

2.3 仿真器选项设置

仿真的结果已经由上面给出，以下主要研究设置仿真器的不同的选项取值，对于仿真结果收敛性的影响。分别采用对仿真器进行辅助设置法和人工设置法来进行仿真，进而比较两种设置取值下的输出哪种具有更好的收敛性。在仿真中选取较为精密的稳压电源电路。其功能是在电网电压波动的情况下能够实现电压的稳定的输出。在本实验中，电路可以输出稳定的8 V电压。电路的原理图如图4所示。

本实验的计算机硬件平台配置如下：

1）CPU：AMD Sempron（tm） Processor 3000+

2）Memory：1G DDR2 667

图4 人工设置仿真器选项图Fig.4 Artificial set simulator options diagram

本实验的电源激励、电路负载和分析指令设置分别为：

1）电路激励电源：正弦波电源 Vin 3 0 DC 0 SIN（0 220V 50Hz 0 0）AC

2）电路负载：电阻 RL=100 kΩ

3）瞬态分析指令：.TRAN 1MS 1000MS 0MS 2MS

实验中的仿真器选项重新设置通常有辅助设置法和人工设置法两种方法。辅助设置法指本文设计的基于免疫算法的仿真器选项设置方法，辅助设置法的输出结果可知采用辅助设置法获得的仿真器选项最优值为ITL4=27。

人工设置法指就是采用人工方式对仿真器选项设置对话框中的仿真器选项进行重新取值，直到满足电路仿真的输出达到收敛为止。人工设置法的输出结果如图4所示，可知采用人工设置法获得的仿真器选项设置优化值为ITL4=120。

3 结 论

仿真时简化模型具有更好的仿真效果，虽然采用两种设置方法时取值相差比较大，但是二者的仿真是结果确是相同的，两种方法都能保证电路仿真输出结果的收敛性。在进行电路仿真收敛性调节时，采用辅助设置法获取的仿真器选项的精度和选取效率均优于人工设置法。通过上述仿真可知，辅助收敛模型在电路仿真时不仅提高了电路仿真的收敛性，而且可以减少用户在进行仿真器选项设置调节时的盲目性。

[1]G.Gordon.系统仿真[M].杨金标，译.北京:冶金工业出版社，1982.

[2]Oren T I.Simulation and Model-Based Methodologies:An Integrative View[M].Berlin:Springer-Verlag，1984.

[3]康凤举.现代仿真技术与应用[M].北京:国防工业出版社，2001.

[4]肖田元，张燕云，陈家栋.系统仿真导论[M].北京:清华大学出版社，2000.

[5]Nazarov，Yu V.Circuit theory for full counting statistics in multiterminal circuits[J].Physical Review Letters，May 2002，88（19）:1-4.

[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稿件编号201211236

胡 浩（1988—），男，山东潍坊人，硕士研究生。研究方向：电力电子与电力传动。