模拟电路仿真技术研究

《模拟电路仿真技术研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟电路仿真技术研究（59页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、华中科技大学 硕士学位论文 模拟电路仿真技术研究 姓名：李平 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：魏蛟龙 20060508 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 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。 本文结合北京航天测控公司支持的 “故障诊断软件开发环境”项目，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。 本文首先介绍了系统仿真技术和电路仿真技术的发展和现状， 以及仿真技术应

2、用 于电路故障诊断领域的概况，并对项目需求作了说明。 然后介绍了电路的仿真原理，讨论了仿真器中使用的迭代方法，说明了仿真器的 仿真流程，并对电路的内部存储结构作了简单说明。 在了解电路仿真原理的基础上，重点阐述电路仿真算法。介绍了传统的节点分析 法(NA)、改进节点法(MNA)等，由于这些传统方法存在求和误差的问题，因此研究了 基于转换的改进节点法(TMNA)，并针对 TMNA 不能处理回路情形的问题，提出了虚 拟节点技术，进一步完善 TMNA 方法。 在 SPICE 仿真引擎的基础上实现了基于转换的节点分析法， 给出了具体的实现流 程。 并以实际电路为例， 比较使用 TMNA 与使用 MNA

3、 的实验结果， 结果表明， TMNA 算法可以很好的处理那些使用传统 MNA 算法不收敛的电路。 关键词：关键词：模拟电路仿真 改进节点法 基于转换的改进节点法 虚拟节点 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Circuit simulation is not only applied in circuit design but also in circuit diagnosis. The result of simulation can provide important information to estab

4、lish diagnosis repository.This thesis is based on the project of “Developing Environment for Fault Diagnosis Software” sponsored by Beijing Aerospace Measurement Modified nodal analysis; Modified nodal analysis based on transformation; Virtual node 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除

5、文中已标明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权数。 本论文属于 不保密。 （请

6、在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 本章首先介绍了系统、模型和仿真的概念和系统仿真的一般方法，以及系统仿真 技术的发展现状和应用情况， 阐述了应用系统仿真的思想和方法来解决电路测试诊断 问题的基本情况。最后对本文的研究内容和结构安排作了说明。 1.1 系统仿真概述系统仿真概述 1.1.1 系统、模型与仿真系统、模型与仿真 系统仿真是一门迅速发展起来的新兴学科，它是以相似原理、系统技术、信息技 术及其应用领域有关专业技术

7、为基础，以计算机和各种专业物理效应设备为工具，利 用系统模型对真实的或假想的系统进行动态研究的多学科综合技术。 系统是指具有某些特定功能、按照某些规律结合起来、相互作用、互相依存的所 有物体的集合或总和1。系统的三要素，即实体、属性和活动，是研究系统的基本内 容。实体，是存在于系统中的每一个确定的物体；属性，是实体所具有的有效特征； 活动，是系统内部实体间的相互作用，它确定了系统状态变化的过程。 模型是对实际系统的一种抽象，是对系统本质的表述，是人们对客观世界反复认 识、分析，经过多级转换、整合等相似过程而成的最终结果，它具有与系统相似的数 学描述或者物理属性，以各种可用的形式，给出研究系统的

8、信息。 现代仿真均是在计算机支持下进行的，因此，一般系统仿真也被称之为计算机仿 真。 1984 年， Oren 提出了现代仿真的基本概念框架： “建模实验分析”， 给出了“仿 真是一种基于模型的活动”的定义；同时总结了系统仿真的三项基本活动：系统建模、 仿真建模和仿真实验，以及联系这三项基本活动的三要素：系统、模型和计算机2。 图 1-1 描述了它们的相互关系： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 图 1-1 系统仿真的三要素与三项基本活动 图 1-2 是 Oren 所给出的现代仿真的概念框架。 其中， “仿真问题描述”对应于前述

9、的“仿真建模”，“行为产生”对应于“仿真实验”，而“模型行为及其处理”相应于输出处 理。 图 1-2 现代仿真的概念框架 系统仿真所用的模型一般分为两大类：实体模型和数学模型。实体模型又称物理 效应模型，是根据系统之间的相似性而建立起来的物理模型；数学模型，包括原始数 学模型和仿真数学模型，是用图表、符号、方程、函数等数学形式来描述的模型。由 于物理效应模型造价昂贵、周期长，而数学建模更为方便且经济，因此系统仿真中多 数使用数学模型。 从仿真实现的角度，根据系统模型的特性可将系统分为两大类：连续系统和离散 事件系统。连续系统是指系统状态随时间连续变化的系统，离散事件系统是指系统状 态在某些随机

10、时间点上发生离散变化的系统。相应的，系统仿真可分为连续系统仿真 和离散事件系统仿真。这是一种常见的系统仿真分类方式。 另外，根据所使用模型的不同，系统仿真又可分为几大类3, 4： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 （1） 数学仿真：全部使用从系统抽象而成的数学模型进行系统仿真； （2） 物理仿真： 又称物理效应仿真， 指根据系统原型属性构造物理实体模型来 进行实验的仿真方式； （3） 半实物仿真：即 HIL（Hardware-In-the-Loop，硬件在回路）仿真，是将 数学模型、实体模型和系统实物联合进行仿真的方式； （4）

11、人在回路仿真：即所谓虚拟现实，主要用于仿真人的视、听、力量等感官 环境，实现人机互动； （5） 软件在回路仿真： 即所谓嵌入式仿真， 在系统实物上使用专用软件进行特 定目的的仿真。 对系统进行数学建模的方法可分为以下三类： （1） 机理建模法：运用先验信息，根据构成系统的一些假设条件和基本原理， 通过数学逻辑推理和演绎， 从理论上建立描述系统各部分的数学表达式或逻 辑表达式；此方法适用于内部结构和特征比较清楚的系统。 （2） 实验建模法：根据观测到的系统行为结果，导出与观测结果相符的模型， 是一种基于系统实验和运行数据的归纳方法； 此方法主要用于对内部结构和 特征不太清楚的系统。 （3） 综合

12、建模法：结合了机理建模、实验、辨识等多种方法，针对内部结构和 特征有些了解而又不很清楚的系统。 系统仿真的一般过程主要包括三个阶段4： （1） 建模：先分块建立子系统模型，然后根据系统的工作原理，将子系统模型 集成为全系统仿真实验模型； （2） 仿真实验：制定实验计划，设计一个好的流程，选定测试量和测试点，配 合适当的测试仪器，进行模型运行即仿真实验，并记录结果； （3） 结果分析：对实验数据进行去粗存精、去伪存真的科学分析，并据此作出 正确的判断和决策。 系统仿真并不是一个简单的顺序过程，而是一个循环反复的过程。无论是建模、 仿真还是结果的分析鉴定，都要保证与实际系统相一致，能够代表实际系统

13、的状态的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 行为。如果不一致，就要修改模型或仿真实验方法，重复进行，直到获得满意的结果 为止。 1.1.2 系统仿真技术的发展与应用系统仿真技术的发展与应用 系统仿真技术作为一门独立的学科已有 50 多年的发展历史，逐渐形成了一套比 较完善的理论，在实践中也取得了丰硕的成果。近年来，随着系统科学与工程、计算 机和网络技术等高新科技的发展，以及应用需求的大力推动，系统仿真技术研究的步 伐不断加快，其应用范围也不断扩大3, 4 目前，系统仿真技术发展的几个主要方向包括： （1） 分布交互仿真 分布交互仿

14、真（DIS，Distributed Interaction Simulation）是一种以网络为基础， 采用一致的结构、标准和协议，实现远程软硬件设备的互联和交互实验，并有人参与 的综合仿真环境。DIS 以其分布式和交互性等特点，有利于发挥整体优势、实现资源 共享，并且更加经济、安全和可靠。DIS 目前已经成为计算机仿真技术发展的重点之一。 （2） 多媒体与虚拟现实仿真 多媒体仿真扩展了传统仿真概念的内涵，将数据、声音、文字、图像等多媒体信 息融入仿真环境之中，仿真效果更为自然和感性。虚拟现实（Virtual Reality，VR） 仿真综合运用多媒体、信息技术、电子技术等给人类生成一种虚拟的

15、多维感官世界， 使参与者与虚拟环境融为一体，交互作用。虚拟现实涉及领域广泛，应用前景广阔， 被人们寄予很大期望。不过，VR 目前仍处于发展初期，也是目前技术界研究的一个 热点。 （3） HIL 半实物仿真 半实物仿真使用实物、实体模型和数学模型相结合进行仿真。半实物仿真在计算 机仿真系统中引入实物，同时还进行实验环境的仿真，包括环境系统的建模及环境效 应的仿真，因而更接近实际情况。目前，大型工程系统普遍采用半实物仿真，以期用 尽可能少的经费达到最佳的实验效果。 （4） 面向对象仿真 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 面向对象仿真（

16、Object-Oriented Simulation）突破传统，根据组成系统的对象及其 相互关系来构造仿真模型，用模型的对象来表示实际系统中相应的实体，增强了仿真 研究的直观性、 扩展性和重用性， 为大规模复杂系统的仿真提供了有力和方便的手段。 （5） 智能仿真 让机器具有人类的思维和智力一直是科学家们孜孜以求的梦想。 智能仿真将专家 系统引入仿真系统中，进行辅助建模和智能分析，并构成智能化的人机交互接口，无 疑为实现这个梦想又迈进了一步。 系统仿真技术的作用主要体现在以下几方面： （1） 优化复杂系统的设计； （2） 对系统性能作出评估； （3） 使用模型而非实物，节省大量经费； （4） 可仿真系统故障，为诊断分析提供参考依据； （5） 安全有保障，特别是在航空航天、核能、兵器等高风险领域； （6） 训练操作人员而不受实际系统数量、外部环境的限制； （7） 为科学决策提供依据。 正是由于具有安全、经济、低风险等诸多优势，仿真技术获得了广泛的应用。目 前，仿真技术不仅在传统的工程领域，而且在社会、经济、生态环