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1、华中科技大学 硕士学位论文 模拟数字混合信号仿真研究 姓名：王书诚 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：魏蛟龙 20070609 I 摘摘 要要 传统的电路仿真方式分为两种：模拟和数字。二者有着各自完全不同的仿真算法 和信号描述。模拟仿真器通过解系统方程组的方式进行仿真，处理的是连续量；而数 字仿真器通过事件驱动的方式进行仿真，处理的是离散量。然而随着电子技术的不断 深入，越来越多的设计需要向着混合信号系统发展。如果采用传统的仿真方式，需要 手工划分混合电路，手工控制仿真流程，手工转换仿真结果，不但繁琐耗时，而且没 有精度的保证，尤其是遇到反馈系统。如何发展传统仿真方式，进行混
2、合信号仿真成 为亟待解决的问题。本文基于此，重点研究了模拟数字混合信号的仿真方法。 本文首先介绍了系统仿真技术和电路仿真技术的发展现状， 以及混合信号仿真涉 及领域的概况，并对项目需求作了说明。然后对电路仿真现阶段的成果，进行了逐一 介绍，主要包括仿真的工具、语言和算法。特别是算法方面，对模拟仿真和数字仿真 的基本求解原理和算法流程都作了细致的论述。 在混合信号仿真中，对混合信号同步和信号转换两个关键问题，尤其是混合信号 同步方法的问题进行了详细的讨论。并通过对各种已有同步算法的比较分析，针对其 中算法回溯耗时的缺陷，提出了新的同步算法。新算法采用插值法计算同步点的模拟 值，避免了回溯的重复计
3、算工作，从而提高了仿真的运行效率。 为了验证新同步算法的可行性，本文设计完成了以仿真底板方式，构建的模数混 合信号仿真环境。通过对实际电路的仿真，证明混合信号仿真方式的正确性。 关键词关键词: 系统仿真 电路仿真 混合信号仿真 同步算法 II Abstract Traditional methods of circuit simulation can be classified into analogue simulation and digital simulation. Each of the two simulations has itself method of signal desc
4、ription and simulation algorithm. The analogue simulator solves the system equations, dealing with continuous quantity, while the digital simulator introduces event-driven approach, dealing with discrete quantity. Nowadays, a growing number of circuit design need mixed-signal simulation. Using the t
5、raditional simulation methods needs to divide mixed circuit manually, control simulation process manually and convert simulation results manually. It is not only time-consuming, but also lack of accuracy, especially disposing of feedback systems. How to make use of the traditional simulation methods
6、 to develop mixed-signal simulation has become a serious problem. For the imperative problem, this thesis focuses on the research of mixed-signal simulation methods. This thesis firstly introduces the development status of system simulation and circuit simulation technology, and related field of mix
7、ed-signal simulation. Then all kinds of technology in mixed-signal simulation domain were presented, including simulation tools, simulation languages and simulation algorithms. Especially in algorithm, the basic principles and flow of analogue simulation and digital simulation has made detailed disc
8、ussed. Two key issues in the mixed-signal simulation are synchronization algorithm and signal conversion method between digital engine and the analogue engine. So the introduction emphasis is on mixed-signal synchronization algorithm. And then various synchronization algorithms are analyzed. Aiming
9、at reduction rollback costs, a new synchronization algorithm is introduced to improve simulation operating efficiency by adopting interpolation to calculate the continuous quantity at synchronization point. In order to validate the feasibility of new synchronization algorithm, a mixed-signal simulat
10、ion environment using simulation backplane is designed. Based on the actual circuit simulation, the correctness of mixed-signal simulation is proved. Keywords ： System simulation; Circuit simulation; Mixed-signal simulation; Synchronization algorithm 1 1 绪绪 论论 1.1 电路仿真概述电路仿真概述 系统仿真是一门以相似原理、系统技术、信息技术
11、及其应用领域有关专业技术为 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。 系统仿真的一般过程主要包括三个阶段1： 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。 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。计算机仿真技术2是指以计算
12、机为主要工具，运行真实系统或预研系统的仿真模 型，通过对计算机输出信息的分析与研究，实现对实际系统运行状态和演化规律的综 合评估与预测。 它是分析评价现有系统运行状态或设计优化未来系统性能与功能的一 种技术手段。近年来，计算机仿真技术正向着“数字化、虚拟化、网络化、智能化、 集成化、协同化，的方向发展3。 计算机仿真技术与电子技术的结合， 为现代电子技术的飞速发展提供了强大的推 动力。二者的结合以基本的电路理论为基础，将系统仿真的思想和方法贯穿于电子系 统的设计、开发、验证、测试过程之中，已经产生了大量的应用成果。 电路仿真，是对电路的描述抽象出模型，然后将外部激励信号或数据施加到此模 型上，
13、以图形或文件等形式模拟数字电路的实际工作状态，通过观察模型在外部激励 信号作用下的响应来分析电路功能及其特性的。 在现代电子产品设计中，电路仿真的主要作用有以下几个方面4。 (1)验证电路功能的正确性 验证电子产品系统方案的可行性，以判定电路设计的正确性和合理性，同时消除 电路设计过程中可能出现的错误。 这种验证保证了在电路制造前就消除系统的功能性 错误，极大地减少了后续工作量，对提高产品的设计水平，缩短产品的研发周期提供 了保障。 2 (2)电路设计的优化 电子器件都是温度敏感性器件，环境温度的变化可能极大地影响器件的工作性 能， 进而影响电路工作的稳定性， 电路仿真技术可以分析各种温度条件
14、下电路的特性， 为设计者对电路的改进提供依据。 同类电子器件参数的不一致性也影响电子产品制作， 电路仿真技术也可以对电子 器件参数不一致性进行全面的统计分析，从而确定最佳元器件参数、最佳电路结构及 适当的稳定裕度，做到电路的优化设计。 (3)电路特性的虚拟测试 在计算机上模拟各种恶劣工作环境和各种极限参数条件， 从而得到电路的极限工 作状态。以此为依据所做的电路设计、生产极大地提高了电路的可靠性或经济性。 (4)电磁兼容性的设计、分析与评估性仿真 对于电子系统设计所必需要考虑到的电磁兼容性问题， 常规的解决办法是使用电 磁探针测试产品各部分电磁场，再根据标准调整设计。而利用仿真技术可以在设计之
15、 初，利用软件模拟系统电磁环境，在此基础上进行电磁兼容设计，能大大节省电路设 计时间，提高设计精度。 (5)工程应用的风险控制 在大型工程项目中，采用设计、生产、试探、改进的方式进行电子控制电路的研 制，将会由于研制工作本身的风险，造成对整个工程项目的风险，出现诸如：损坏其 他贵重设备、延误工程进展、提高改进成本等。 1.2 混合信号仿真概述混合信号仿真概述 集成电路按功能可分为数字电路、模拟电路和数模混合电路。早期的电路仿真是 通过围绕晶体管建立电流和电压变量来仿真电路的行为。最有名的是由加州大学 Berkeley 分校开发的 SPICE(Simulation Program on IC E
16、mphasis)仿真器。 它采用修改的 节点分析法来建立电路方程组，提供非线性直流分析，非线性瞬态分析（时域分析） 和线性小信号分析（频域分析） 。瞬态分析是最重要的验证方法，但也是最费时的验 证方法。它通常利用数值积分方法把非线性微分方程变成一组代数方程组，然后用高 斯消去法来求解线性方程组。这些线性方程仅仅在积分时刻点是有效的。随着仿真器 进展到下一个积分步长，积分方法必须重复计算来得到新的线性方程组。如果信号变 化得特别快，积分步长应该取得非常小以便积分方法能收敛到正确的解。因此瞬态分 析需要大量的数学操作5。 虽说现实世界中，本没有数字电路，所有的电路和元件本质上都是模拟的，然而 3 随着 IC 集成度的增加，若按电路的模拟本质进行分析仿真，将需要大量的时间，这 样通常是行不通的。对于这些复杂器件的特性可以采用简化描述的方法，描述为驱动 和负载的关系， 实际的器件波形和指数行为则不予考虑， 信号随时间的变化是间断的， 只取有限的称为逻辑状态的离散值，这就是数字电路。数字信号便于处理和存储，这 样模拟和分析数字器件的计算量大大减少。 十多年来，电路与系统
