符号化模拟电路仿真器

2024-08-07

符号化模拟电路仿真器（精选七篇）

符号化模拟电路仿真器篇1

在传统模拟电路设计中,模拟电路设计者必须针对不同的电路参数进行大量的数值仿真以确保达到所有设计指标。对于模拟集成电路的设计,由于芯片生产工艺不可避免地受到随机扰动因素的影响,流片得到的器件参数和其标称值之间总存在着随机的误差,会产生偏离设计要求的次品。电路设计者往往不得不以电路性能下降、芯片面积增大、功耗增加等为代价来保证芯片生产的良率达到要求。所以电路参数的最佳设计必须在电路性能满足要求的前提下最大限度地降低生产成本。

SPICE等数值仿真器提供了两类容差分析工具来解决以上问题[1]。一类是以灵敏度分析为基础的方法,例如最坏情况分析(Worst Case)。另一类是统计抽样方法,例如蒙特卡洛分析(Monte Carlo)。最坏情况分析虽然需要的仿真次数不多,但涉及较多的数值计算,并且是一种很保守的方法,对于需要大批量生产的芯片通常不是最经济最有效的方案,只能作为参考。蒙特卡洛分析本质上是对电路性能的统计分布规律的估计。由于要进行成千上万次仿真才能得到比较可靠的数据,所以蒙特卡洛分析的计算成本很高,计算时间很长。特别是频域蒙特卡洛分析,对于每一个抽样电路在每一个频率点都要进行一次完整的电路仿真,并存储历史数据,计算的时间和存储空间消耗都非常高。另外,实际电路参数变化的统计分布规律本身很难准确估计,对于不同的电路设计方案和生产条件都必须事先选择符合实际的统计模型,这也在客观上增加了蒙特卡洛分析的难度。

事实上对于有经验的模拟电路设计者而言,根据设计需求确定电路的主体结构并不是主要困难,他们的大多数精力往往花费在对极少关键参数的同步优化上。但现有的主流数值仿真器如HSpice,Spectre,Eldo等,都没有提供类似的功能。

上海交通大学微电子学院EDA实验室开发的基于图约化算法[2]的符号化模拟电路仿真器(GRASS)采用高效的数据结构和算法[3],能精确地求出较大规模模拟电路传输函数的解析表达式。从解析形式的传输函数可以方便地求得各种频域指标,如相位裕度、带宽、直流增益等,与任何一组电路参数间的精确对应关系。通过友好的图形化用户界面支持,符号化仿真器能以3维图形的直观方式快速地提供可靠的分析结果,有效地提升了设计效率。

1 GRASS仿真器基本原理

GRASS与DDD[5]是目前世界上极少数能精确分析较大规模模拟集成电路(约30个晶体管)频域解的符号化仿真器。与DDD利用电路改进节点法方程进行纯代数求解不同,GRASS按照一套固定的规则对电路的拓扑结构进行逐步约化,在约化过程完成时就得到了整个电路的传输函数[2]。由于GRASS采用了基于二分判定图(Binary Decision Diagram)的紧凑树形数据结构来存储整个电路的传输函数,并且约化过程的每一步只处理一个电路参数(元件),所以能有效地帮助设计者深入地剖析电路行为与一个或一组电路参数的关系,快速找出影响电路行为的关键参数并对其进行优化。

以图1所示电路为例,GRASS读取SPICE格式的网表文件后,将得到图2所示的符号判定图(Symbol Decision Diagram,SDD)。SDD的本质是以ax+b形式嵌套的多项式

图2中的实箭头表示乘法,虚箭头表示加法,正负号表示箭头指向的子多项式的符号。由基本电路定律可以证明[5]对应于图1电路网络的多项式(1)为0,且满足H(s)=1/X(s),其中H(s)是电路网络的传输函数,所以

undefined

只需要经过一次符号化仿真就能得到形如图2所示的传输函数的解析表达式,然后可以反复利用它对相位裕度、带宽、频域灵敏度[4]等各种性能指标进行快速准确的符号化分析。传统的数值仿真器要计算某个参数在特定范围内的频域指标,则必须反复进行AC分析,而且得到的数据直观性较差。对于N参数的同步分析,即使对于最简单也是最常见的N=2的情形,传统的数值仿真器也难以在短时间内给出有效且直观的分析结果。而GRASS能重复利用得到的传输函数解析表达式,快速地计算出每一组参数值对应的分析结果供设计者参考。

例如对于图3所示的三级运算放大器电路,设计者希望得到级间反馈器件CC1和RC1的组合,以在特定相位裕度(Phase Margin)PM0下获得最大的设计良率。如果把相位裕度看作参数CC1和RC1的函数PM(CC1, RC1),也就是要找出二元函数PM(CC1,RC1)梯度模最小处的CC1和RC1组合,使得电路具有最佳的抗干扰能力。GRASS具有的快速计算能力使得用图形直观地呈现出设计者所需的参数组合成为可能,这也是模拟电路设计者最乐于接受的方式。

对于类似于图3的模拟集成电路的符号化仿真过程按以下步骤进行:

①利用数值方法计算电路的静态工作点。

②用Spice level 3线性小信号电路模型替换电路中的全部晶体管。

③根据第①步确定的静态工作点计算出每个小信号模型的内部元件值。

④对整块小信号等效电路进行符号化仿真,得到传输函数的解析表达式H(s;c1,c2,…,cn),其中ci,i=1,2,…,n是所有的电路参数。

⑤利用H(s;c1,c2,…,cn)计算相关的频域技术指标。

例如,相位裕度与电路参数c1,c2的关系可以用(3)式所示的二元函数来计算

其中,ω0为系统增益|H(s;c1,c2,…,cn)|为1时输入信号的最低频率,cundefined,…,cundefined为不随c1,c2改变的其他电路参数。

2 基于OpenGL的交互式图形化用户界面设计

对于单参数的优化问题,传统数值仿真器已经给出了成熟的解决方案。对于两个以上参数的同步优化问题,模拟电路设计者通常并不感兴趣,因为即使有工具能进行这类问题的分析,其结果往往会复杂到让人难以理解的程度。因此选择以两个参数的同步优化作为图形化用户界面的设计目标。

仍然以前面提到的针对特定相位裕度优化设计良率的问题为例。这类问题可以抽象为问题1:

问题1:求解空间曲面z=f(x,y)在z=z0条件下使梯度模undefined最小的点Popt(xopt,yopt)。

因为这时x,y的随机扰动对函数值产生的影响最小,所以系统的稳定性也就最高。

为了以图形方式展示出问题1的解,首先需要在特定区域内绘制出空间曲面z=f(x,y)。本文采用了OpenGL图形系统来实现空间曲面的绘制。OpenGL是一种流水线型的、独立于图形硬件的一种软件接口。这个接口包含了大量可用于指定物体和操作的函数,用以创建交互式的三维应用程序。它提供了为数不多的基本几何图元,如点、直线和多边形和一系列复杂的渲染方法[6]。用户利用这些基本工具就能绘制出具有很好视觉效果的复杂图形,而且很多基于图形的运算在图形处理单元(GPU)上完成,能够有效地减轻CPU的负荷。

用OpenGL绘制二元函数对应的空间曲面可以用三角型条带(GLTRIANGLESTRIP,如图4所示)或四边形条带(GLQUADSTRIP,如图5所示)两种方式拼接而成。指定条带类型后只需要按图示顺序依次指定每个三维顶点就能自动生成条带。将这些条带拼接起来就得到了近似的空间曲面。如果再为每个顶点指定单位法向量并设置合适的光照就能得到立体感很强的空间曲面。选择三角型条带来绘制空间曲面,因为每小块三角形面片(如图4中的⊿V2V3V4)的顶点都落在同一平面上,便于进行后续的图形计算。

为了获得问题1的解,需要求出曲面z=f(x,y)与平面z=z0的交线方程。对于实际电路网络而言,f(x,y) 就是传输函数H(s;x,y),通常以高阶有理分式的形式出现,所以直接求解方程f(x,y)=z0并不现实。但可以通过问题2得到直观的解决方案:

问题2:绘制由方程f(x,y)=z0确定的隐函数y=y(x)对应的二维曲线。

通过三角形条带绘制曲面,实际上已经把原本光滑的曲面转换为图4所示的大量三角形面片。于是曲面z=f(x,y)与平面z=z0的交线完全可以由每一小块三角形面片与平面z=z0的交线段的集合来近似。图6给出了三维空间中任意一块三角形面片与一个无限大平面α的全部8种相对位置关系。其中实心点表示位于平面α上方的顶点,空心点表示位于平面α下方的顶点,虚线为交线段。注意到其中第(i)种和第(7-i)种位置关系总是等价的,可以利用该特性来减少计算量。

只要每块三角形面片取得足够小并计算出每块小面片与平面z=z0的交线段,再将这些交线段按任意次序摆放在同一平面上就能得到问题2中二维曲线的近似图样。图7展示了本文的图形界面用上述方法绘制出的二元函数z=sin(x2+y2)/(x2+y2),x,y∈[1,3],在z=-0.03时的等高线,其中空间曲面由800块三角形面片拼接而成。图7所示的约束平面的高度可以由用户实时更改,对应的等高线会在左边的窗口中同步更新。

3 使用图形界面辅助电路设计

将本文的工具应用到电路分析中,以图3所示电路为例,反馈网络中元件值的改变往往会对电路性能产生较大的影响。如果设计者希望找到一定范围内反馈网络的最佳参数组合,使得在相位裕度为80°时生产良率最大,首先就需要确定与相位裕度变化最密切的参数。选取CC1,RC1组合做进一步分析。

图7所示的等高线窗口允许用户用鼠标选取曲线上的任何点,并实时计算出该点的两个归一化灵敏度(Normalized Sensitivity)和归一化梯度(Normalized Gradient)的模。用户选取的点和等高线也会同步出现在空间曲面上。用户通过观察所取点处曲面的“坡度”就能大致判断出该点处的系统稳定程度。相位裕度为80°时的完整图形化界面如图8所示,设计者能方便地从左侧的等高线窗口中找到满足要求的CC1,RC1组合。

表1中的数据是用图8所示的图形化界面采集到的部分数据,以及对应的使用HSpice的蒙特卡洛分析(假设参数均服从正态分布;C1的均值为13pF,标准偏差为4pF;R1的均值为3kΩ,标准偏差为1kΩ)得到的生产良率(相位裕度不低于60°的产品所占比例)。表中数据说明:当梯度的模越小时,电路越能承受由制造工艺偏差带来的影响,生产良率也相对较高。

其中归一化灵敏度Sensundefined,归一化梯度的模|gradundefined。

4 多个技术指标的并行加速计算

由于所有的频域技术指标(如运放的相位裕度和增益带宽积)都能独立地进行计算,而每个指标的计算时间占据了整个仿真时间的大部分,所以并行计算能给这套工具的性能带来了很大的好处。

多核CPU的出现使得并行计算成为当前软件开发中的一个热点,采用了已经被主流C/C++编译器(如Visual Studio 2008和gcc4.2以上版本)广泛采用的并行库OpenMP[7]来实现多个技术指标的同步计算。OpenMP的最大好处是只需要添加少量的预编译指令就能将原有的代码并行化。表2(针对图3所示电路进行测试,RedHat Linux4.5,Intel(R) Xeon(R)CPU X3363@2.83GHz)表明,在内存足够大的情况下对多个技术指标进行计算,在多核CPU上采用并行计算的方案很明显会花费更少的仿真时间。

5 结束语

本文介绍了一个用OpenGL实现并采用OpenMP并行库在多核CPU上加速计算的基于符号化模拟电路仿真器GRASS的图形界面的开发和应用。它以三维图形的方式实时直观地为模拟电路设计者展示出各种电路设计指标关于一组电路参数的变化情况,突破了传统数值电路仿真工具在类似应用中的局限性。这套工具可应用于模拟集成电路生产良率提升,芯片面积、功耗优化等方面,能有效地缩短设计周期,提高设计的可靠性,降低生产成本,为模拟集成电路设计提供了一条新的途径。

参考文献

[1]汪蕙,王志华.电子电路的计算机辅助分析与设计方法[M].北京:清华大学出版社,1996,6:191-212.

[2]Shi G,Chen W,Shi C J R.Agraph reduction approach to symboliccircuit analysis[C].Asia South-Pacific Design Automation Confe-rence,Yokohama,Japan,Jan.2007:197-202.

[3]Chen W,Shi G.Implementation of a symbolic circuit simulator fortopological network analysis[C].Asia Pacific Conference on Cir-cuits and Systems,Dec.2006:1327-1331.

[4]Shi G,Meng X.Variational analog integrated circuit design viasymbo-lic sensitivity analysis[C].International Symposium onCircuits and Systems,Taiwan,May 2009:3002-3005.

[5]Shi C J,Tan X D.Canonical symbolic analysis of large analog cir-cuits with determinant decision diagrams[J].IEEE Trans.onComputer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems,2000,19(1):1-18.

[6][美]Shreiner D,et al.OpenGL编程指南(原书第6版)[M].徐波,等译.北京:机械工业出版社,2008:1-193.

符号化模拟电路仿真器篇2

[关键词]非线性电路；混沌；Pspice仿真；连续混沌；混沌自治系统

一、引言

混沌理论中的混沌是指服从确定性规律但又具有随机性的运动。综合迄今为止人们对它的认识，混沌至少有以下特点：

1.混沌运动是确定性和随机性的对立统一，它具有随机性但又不是真正的或者完全的随机。

2.对初始状态的敏感依赖性

一般认为当系统具有下列数值特征时则发生了混沌：系统的运动为奇怪吸引子现象；系统运动的功率谱上叠加有尖锋的特点；系统中至少有一个正的李雅普诺夫指数。

二、变型蔡氏电路的工作原理与实现方法

五、结论

从电路仿真和硬件实验可以看出，此电路处于混沌状态，是一种结构简单且易于实现的混沌发生器。

[参考文献]

[1]刘秉正，彭建华.非线性动力学[M].北京：高等教育出版社.2004.

[2]李志忠.基于开关电流技术的离沌电路实现散混[J].微计算机，2007，（1-2）.

符号化模拟电路仿真器篇3

符号化仿真器以电路网表为输入,输出频域响应的符号表达式。这些表达式以电路元器件为变量,从输出的表达式中可以看出影响电路特性的元器件,并且可以根据得到的表达式给出的建议调整相应的元件值以得到期望的电路特性,因此符号化仿真器可以更加深入直观地揭示电路的行为特性。另外,符号化模拟电路仿真器在最佳拓扑结构选择,设计空间拓展,行为模型产生以及故障检测等方面比数值型仿真器有着更大的优势[1]。

由于组成符号化表达式的项随着电路规模指数增长,这限制了符号化仿真器能应用电路的规模。文献中提出了使用符号化近似分析(symbolic simplification)和层次化分析(hierarchical decomposition)方法解决这一难题[2]。符号化近似分析是通过舍弃数值幅度相对小的项来达到的,这样做牺牲了精度[3]。近年来出现了应用二叉决策图(Reduce Ordered Binary Decision Diagram; ROBDD)[4]技术的符号化仿真器[3,5];这种仿真器能对含有20～30晶体管电路进行精确分析。文献[3]采用行列式分解方法,属于代数分析方法; 文献[5]采用拓扑分析方法。

目前的符号化层次分析有两类,分别是基于代数[3,6]和基于拓扑结构[7]。文献[6]中的方法不需要进行任何的电路划分,只依靠高斯消去法消去内部变量直至成为一个双端口网络导纳矩阵,并提出了一种高斯消去时的主元选择策略,以实现最少的代数操作。但这种方法显然不能用于求解大型电路。文献[3]中的方法在消去内部变量的时候,借助ROBDD来实现拉普拉斯展开(Laplace expansion)求得符号矩阵的行列式展开, 最后利用克拉默法则(Cramer's rule)求得系统的传输函数。由于利用了内存共享技术,这种方法能求解相对较大电路。

第二种是基于拓扑结构的方法,包括信号流图的方法[7]和电路拓扑方法[5]。

本文主要基于文献[5]中提出的一种新颖的基于电路拓扑的符号化仿真器GRASS。它所采用的算法只枚举不会被抵消的生成树,从而具有不产生冗余项的优点,同时借助ROBDD高效的存储生成项(这些生成项表现为乘积和Sum of Product(SOP)的形式),并且由于文献[5,8]中的ROBDD每一个符号均对应着电路中的元器件,因此每一个生成项均是展平(flat)的,这也使得它能深入地揭示电路的特性。缺点是当电路规模增大时,ROBDD的大小也指数增长。对于部分含二十几个管子的运放电路,GRASS运行时间显著增长,甚至无法完成仿真。

本文提出结合高斯消去法与GRASS的电路拓扑分析方法的一种层次化分析方法,牺牲了文献[5]的完全展平积和(flatten SOP)特性,但使得分析某些更大规模电路成为可能。

1 GRASS仿真器基本原理

GRASS以电路网表作为输入(均为线性元件,并且遵循SPICE语法),根据器件连接关系和图构建规则[5,8]生成初始有向图对(graph pair包括左图和右图),并将输入模拟成受输出控制的受控源。这个虚拟的受控器件称为X器件,然后按照图约化规则[5,8]对左、右图同时进行约化。X器件最先处理,每次只处理一个元件。约化完成后所有从根节点到终止节点1的路径均为有效生成项。

图1中电路的输入为电压源,输出为电流,因此X器件的类型为CCVS(电流控制电压源)。在根节点为X的二分决策图中,实箭头表示选取箭头根部元件,对应着乘法操作,虚线箭头表示排除该元件,对应着加法操作,CCVS的边操作处理规则如表1所示。正负号表示箭头所指向的子节点所代表的多项式的符号,遍历这颗生成的ROBDD,即可得到传输函数

$Η (s) = \frac{1}{X} = \frac{\frac{1}{R_{1} R_{2}}}{\frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{2}}} (1)$

从式(1)可以看出,“选取”X器件后的子节点生成项对应着传输函数的分子部分,“排除”X器件后的子节点生成项对应着传输函数的分母部分(相差一个负号)[5]。在第2部分将会对传输函数的分子、分母分别进行求解。

2 层次化分析方法

GRASS分析电路只需用到网络的边界节点的电压、电流信息,因此只要指定某个子电路的输入输出,就可以用GRASS求出其输入输出导纳矩阵。这是本文层次化分析方法的基本出发点。

使用网络的节点导纳矩阵来描述一个网络[9]。对于一个有n个边界节点(除去地点)线性、时不变网络,它对应的约化节点导纳矩阵Y如下,本文中均以Y矩阵表示约化节点导纳矩阵。

$[\begin{matrix} i_{1} \\ i_{2} \\ ⋮ \\ i_{n} \end{matrix}] = [\begin{matrix} y_{11} & y_{12} & \dots & y_{1 n} \\ y_{21} & y_{22} & \dots & y_{2 n} \\ ⋮ & ⋮ & ⋮ & ⋮ \\ y_{n 1} & y_{n 2} & \dots & y_{n n} \end{matrix}] \times [\begin{matrix} u_{1} \\ u_{2} \\ ⋮ \\ u_{n} \end{matrix}] (2)$

其中,ui是标号为i的边界节点电压(对地电压)。

当对一个网络进行层次化分析的时候,所要做的就是消去子电路之间的连接节点,仅仅保留需要的上一层模块的端口信息(对于顶层电路来说,只需要保留输入输出端点即可)。

以图2(a)所示的电路为例,其层次化分析框图如图2(b)所示。

设S1的电压-电流关系为(设系数矩阵为Y1)

$[\begin{array}{l} i_{1} \\ i_{3} \end{array}] = [\begin{matrix} a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} \end{matrix}] \times [\begin{array}{l} u_{1} \\ u_{3} \end{array}] (3)$

设S2的电压-电流关系为(设系数矩阵为Y2)

$[\begin{array}{l} i_{3} \\ i_{4} \end{array}] = [\begin{matrix} b_{11} & b_{12} \\ b_{21} & b_{22} \end{matrix}] \times [\begin{array}{l} u_{3} \\ u_{4} \end{array}] (4)$

将S1和S2按图2(b)连接起来后,可得如下电压电流关系

$[\begin{array}{l} i_{1} \\ 0 \\ i_{4} \end{array}] = [\begin{matrix} a_{11} & a_{12} & 0 \\ a_{21} & a_{22} + b_{11} & b_{12} \\ 0 & b_{21} & b_{22} \end{matrix}] \times [\begin{array}{l} u_{1} \\ u_{3} \\ u_{4} \end{array}] (5)$

消去式(5)矩阵中的a12和b21,得到下式

$[\begin{array}{l} i_{1} \\ i_{4} \end{array}] = Y_{3} \times [\begin{array}{l} u_{1} \\ u_{4} \end{array}] (6)$

其中约化导纳矩阵Y3为,

$Y_{3} = [\begin{matrix} a_{11} - \frac{a_{12} a_{21}}{a_{22} + b_{11}} & - \frac{a_{12} b_{12}}{a_{22} + b_{11}} \\ - \frac{a_{21} b_{21}}{a_{22} + b_{11}} & - \frac{b_{12} b_{21}}{a_{22} + b_{11}} + b_{22} \end{matrix}] (7)$

如果求传递函数u4/u1,那么根据i4=0,由(6)式得

$Η (s) = - \frac{y_{21}}{y_{22}} = - \frac{- \frac{a_{21} b_{21}}{a_{22} + b_{11}}}{- \frac{b_{12} b_{21}}{a_{22} + b_{11}} + b_{22}} (8)$

从式(8)中可以看出,要求得传递函数,不需要使用S1中的a11,a12。因此本文的分析可分为两部分:①分解电路,记录子电路连接关系;依据底层电路的连接关系,使用高斯消去法将顶层电路的传递函数表示为子电路输入输出导纳的代数表示;②用GRASS分析各子电路导纳函数。

①电路分解与高斯树

为了保证层次化分析后,后续的分析(如敏感性分析)仍可以保持符号化,需要将高斯消去过程符号化表示。文献[10]使用了有向无环图(Directed Acyclic Graph)来表示高斯消去过程中得到的嵌套表达式,本文称之为高斯树,其中的每一个节点称为高斯节点。高斯节点分为叶子节点和非叶子节点,其中的叶子节点对应的是子电路的导纳函数。

高斯消去时,每进行一次操作都生成一个相应的节点,同时更新原始矩阵中的根节点。以图2为例,将矩阵Y1,Y2中元素依次标号为,

$\begin{array}{l} Y_{1} = [\begin{matrix} g_{1} & g_{2} \\ g_{3} & g_{4} \end{matrix}] Y_{2} = [\begin{matrix} g_{5} & g_{6} \\ g_{7} & g_{8} \end{matrix}], \\ g_{i} (i = 1 \dots 8) \end{array}$

是高斯树的叶子节点。将Y1和Y2按子电路连接关系组装成的导纳矩阵记为O3,

$Ο_{3} = [\begin{matrix} g_{1} & g_{2} & 0 \\ g_{3} & g_{9} & g_{6} \\ 0 & g_{7} & g_{8} \end{matrix}]$

其中,g9=g4+g5。

按照高斯消去的过程,首先选择g9为主元,把O3的第二行归一化,则g3变为g10=g3/g9,g10成为一个新的高斯节点,这时的高斯树如图3所示。每次进行一次算术运算,同时生成一个新的高斯节点来记录这一运算,这样在高斯消去结束后,由下往上即可得到最高层传递函数的符号化代数表示。接下来的任务是用GRASS求解所有需要的子电路导纳函数。

②叶子电路导纳函数

由于图约化算法消去了内部节点信息,仅保留最后的输入输出间的传输关系。因此,可以使用GRASS的图约化算法来计算叶子电路的约化节点导纳矩阵。

求解方法如下:要求解式(2)中的Y矩阵,选择第k个输入,加电压值为1,将其余边界节点均接地,求解各端口电流i1,i2,…,in,由此求得Y矩阵中的第k列所有元素。从传输函数的角度看,Y的第k列y1k,y2k,…,ynk是n个传输函数,如ypk=ip/uk(p,k=1,2,…,n),可看作CCVS。每个ypk可以由GRASS仿真器求得。只要子电路的规模不是太大,GRASS能非常快地完成符号化导纳矩阵的计算。

例如要求图2(b)中的S2(2个边界节点重新依次编号为1、2)中的Y2(1,1)时(Y2中第1行第1列元素),得到如图4(a)所示电路,在第1个边界节点处施加一个单位电压源,求解通过该电压源的电流,按GRASS惯例该对输入输出关系为CCVS类型的器件X。按照文献[5]的构图规则生成初始左、右图如图4(b)所示。根据CCVS器件的处理规则,分别得到了Y2(1,1)的分子部分子图(对应“选取X”)如图5(a)所示,分母部分子图(对应“排除X”)如图5(b)所示。

图2(a)中S2的约化节点导纳矩阵所有元素的分母所对应的子图对均如图5(b)所示(这意味着它们的分母相同,这是拓扑层次化分析的优点)。分子部分左、右图可以写成如图6的矩阵相乘形式(由它可表示四对图)。例如S2中的Y2(2,1)的左图为L[2](左图矩阵中的第2个图),右图为R[1](右图矩阵中的第1个图)。

对于一般电路,各模块的导纳矩阵均具有分母相同的特点,而分子部分左、右图仍可以写成图6所示矩阵相乘形式。在求解式(2)Y中的第i行元素时,此时所有输出端口均为ii(对应着X器件的CC边),根据CCVS选取X器件的规则,所有的左子图中,除了编号为i的边界节点开路,其余的边界节点均短接到地。即对于Y矩阵的分子部分,同一行中所有元素的左子图相同。对于第j列元素,因为对应的均是输入电压uj(对应着X器件的VS边),根据CCVS选取X器件的规则,Y矩阵的分子部分中,第j列所有元素的右子图中,除了标号为j的节点开路,其他所有的边界节点均短接到地,即Y矩阵的分子部分中,同一列元素的右子图相同。

求解Y矩阵元素的分母部分时,根据CCVS排除X器件的规则,左、右图输入输出端口的CC和VS均短接到地,因此,Y矩阵中的所有元素分母部分的子图是一样的,即求解分母部分只需要处理一对图。

如果采用文献[8]中的算法分别依次展开Y矩阵中的每一个元素(例如完成了Y(1,1)后,再调用GRDD来求解Y(1,2)),那么就会重复展开Y(1,2)的左子图。因此,计算导纳矩阵中的分子部分时,将导纳矩阵中分子部分左、右图写成矩阵相乘形式,并对每一电路参数(符号)约化矩阵中的所有图对,这样可以避免重复展开操作。

分子部分图约化算法记号说明:

L[i]:左图矩阵中的第i个图

R[j]:右图矩阵中的第j个图

Ymat:二维矩阵,存放约化处理当前元件过程中产生的需要继续处理的BDD节点,终止节点1、0和指向哈希表中的节点不放入其中以方便判断是否终止图约化。

求解约化节点导纳矩阵分子部分的图约化算法归纳如下:

第1步初始化:根据读入的电路网表和构图规则创建内部器件的初始左图和初始右图。

第2步分子矩阵初始化:分别依次使左图矩阵L[i]和右图矩阵R[i]中的第i个边界节点开路,其余边界节点短接到地。

第3步根据当前符号类型确定所需的左、右图约化操作,同时完成图矩阵中的所有左、右图约化操作。如果L[i]的图约化导致指向终止节点0,那么Ymat的第i行所有元素均指向0,如果L[i]和右图矩阵中的R[j]均导致指向终止节点1,那么Ymat[i][j]指向1,否则存储新生成的节点,如果该节点已经存在于哈希表中,则将Ymat[i][j]设置为空。检测Ymat矩阵中的非空元素数目(即仍需约化的图对数目),如果数目为0,则终止当前元件的图矩阵约化。

第4步计算当前节点的符号。

第5步若还有元件未处理完,则返回第3步,如果已处理完全,则终止。

因为分母部分只有1对图,所以分母部分求解只要将分子部分初始图的左、右图中的所有边界节点短接地后直接调用GRASS即可。

3 实验结果

选取了2个电路分别为ua725和Mos22放大器电路(由22个MOS管组成的电路)来测试分层算法,并且分层和未采用分层分析的电路均经过相同的启发式算法排序。如图7-8所示。测试平台为Ubuntu9.04下的AMD Athlon 64*2 4400+双核2G内存,主频为2.3GHz的处理器。

表2中给出了ua725分层前后的性能对比,表3中是Mos22采用不同划分的性能对比(如果不采用分层处理,Mos22已经超过了GRASS的计算能力)。表2和表3中的元件数是指采用并联预处理后的元件数(可以有效提高仿真效率),边数是指电路网表中的边数(一个受控源对应着2条边)。

其中表3中的第二列Mos22的划分方式为:

S1:M1,M2,M11,M12;

S2:M3,M4,M13,M14;

S3:M10,M19,M20,M22;

S4:M17,M18,M19,M21;

S5:M15,M16,Rb,Cc,C1;

S6:M7,M8;

S7:M13,M14

表3第三列的Mos22的划分方式是以一个MOS管为单位划分模块,接成二极管形式的则与附近的MOS管组成一个模块,这样共分成18块。

在这一测试中,可以看到第二种分法比第一种生成的BDD节点要少很多,速度也快很多,但是考虑到GRASS原本有着非常有效快速的敏感性分析算法,而借助高斯消去法分层后,表达式将是嵌套的,紧凑的,目前无法预料如果要求解敏感性分析,哪一种划分才是更好的划分,文献[10]讨论了如何对嵌套表达式求敏感性分析的方法。

4 结束语

本文提出了一个层次分析方法在符号化电路仿真器中的应用。由于GRASS仿真器能快速求解规模不太大模块的端口导纳函数,结合高斯消去法在子电路间连接数较少的情况下,该方法能有效分析大规模放大器电路。实验测试结果验证了算法的有效性和正确性。未经划分,GRASS无法完成个别电路的符号化分析。

在应用中我们可以根据需要灵活地选择划分规模。例如如果我们希望得到紧凑的表达式以实现快速计算,可以选择将电路划分成小模块(每一块都必须包含地),如果希望得到的生成项更加平坦,可以选择将电路划分成较大的模块,以充分发挥GRASS的优势。

摘要：符号化模拟电路仿真器GRASS(Graph Reduction ZAnalog Symbolic Simulator)应用拓扑方法分析电路。但由于不对电路进行分块,当电路规模增大到一定程度,GRASS的性能遇到瓶颈。讨论用电路分解方法实现层次化分析。原电路的输入输出由子模块的频域传递函数的代数运算构成。实验证明这种电路分解方法可以有效解决符号化分析复杂度随电路规模指数增长问题,进一步延伸了符号化仿真器GRASS的仿真能力。

关键词：层次化分析,符号化仿真器,导纳矩阵,高斯消去

参考文献

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数字示波器模拟部分电路解析与仿真篇4

作为数字示波器, 是对输入的模拟信号AD转换数值化后在LCD上显示, 实现多种参数的测量的装置, 被测信号具有多样性, 可能是交流信号, 也可能是直流信号, 信号幅度有大有小, 这些复杂的信号在进行AD转换前, 需要一些辅助电路进行调理转换。

1. 提高输入阻抗与电压跟随器

示波器通常要求输入阻抗高, 高的输入阻抗才能减小对被测信号影响。为了提高输入阻抗, 简单的方法是在ADC之前加一级电压跟随器, 电路如图1所示, 这里在Proteus中仿真, 运算放大器使用LM358。

根据理想运算放大器的特性, 同相输入端与反相输入端虚短, 也就是在正常情况, 运算放大器内部的电路总是通过调整, 使同相端与反相端的电压保持相等, 图1中已经把反相端和输出端相连, 这种调整会通过输出端作用在反相端。信号从同相端输入, 当同相端电压随着输入信号变化时, 根据虚短的特性, 运放内部电路不断调整并通过输出端作用在反相端, 使反相端电压总是和同相端电压保持一致, 这时输出信号幅值与输入信号幅值总是相等。仿真效果图如图2所示, A通道为输入峰值1V/1000Hz的正弦信号, B通道为跟随器输出的等幅值信号, 注意图中给了1k的负载电阻。当负载在一定范围内变化时, 运放通过内部电路自动调整 (放大) , 总能使输出与输入幅值保持一致。简单的理解是驱动负载所需的能量由运算放大器从电源获得, 并不从输入信号获得, 这就是电压跟随器的本质效应, 实质就是提高了输入阻抗, 减小了对输入信号的影响。

这里给运算放大器提供了正负5V电源。我的理解是, 如果输入信号是双极性, 电源一定要使用双电源, 如果是单极性, 某些运算放大器也可以单电源供电, 简单总结规律就是电源的范围应该覆盖并超过输入信号的范围, 否则输出的信号就会失真。

2. 大信号衰减

幅值变化范围超过ADC输入范围的信号, 需要比例衰减, 衰减电路通常用电阻分压即可。如图3所示, 电阻R2, R3构成0.1倍衰减电路, 仿真效果如图4所示, CHA是5V档而CHB是0.5V档, 对比信号幅值, 输出信号刚好是输入信号的0.1倍。

3. 小信号比例放大

对于小信号, 由于幅值不能覆盖ADC整个范围, 这样就不能充分利用ADC的转换精度, 需要等比例线性放大。小信号宽带放大是一个很专的知识, 这里仅仅介绍一种常规的直流比例放大电路, 电路如图5所示。

该电路直流放大倍数为 (R1+R2) /R2=10, 设置输入峰值为100m V/1000Hz正弦信号, 仿真示波器效果如图6所示, A通道电压档为0.1V, B通道电压档位为1V, 刚好放大10倍。

4. 信号极性转换

有AD转换的电路中, 经常会遇到这样一个问题, 输入的是双极性信号, 而ADC只能接受单极性信号, 这时就需要把双极性信号转换成单极性信号, 简单的理解就是给双极性的信号叠加一定的直流分量, 通常用运算放大器加法电路实现。首先来看运算放大器构成的加法器, 两输入加法器电路如图7所示, Vout=VA+VB, 取R1=R2=R3=R4。三输入加法器电路如图8所示, Vout=VA+VB+VC, 取R1=R2=R3=R4=R5=R6。

考虑到ADC的输入范围通常是0~5V, 我们给双极性的信号叠加2.5V的直流分量, 叠加后, 原以0V为基准的双极性信号变成以2.5V为基准的单极性信号。电路图如图9所示, 这里使用TL431产生2.5V基准。信号叠加2.5V直流电压后, 仿真效果如图10所示。

5. 信号去直流

有时候我们只对信号的交流成分感兴趣, 例如, 研究直流稳压电源的纹波, 放大电路会将直流部分一起放大, 所占比例很小的交流成分会被放大的直流“淹没”, 这时我们需要选择交流输入档, 将直流成分过虑, 简单的电路是将输入信号通过电容隔直, 只有信号变化超过一定频率的交流信号能够通过, 稳定不变的直流成分被阻挡。电路如图11所示, 信号通过10μF电容隔离输入。

输入偏置电压1V, 交流峰值50m V/1000Hz, 如图12中CHC所示, 电压档为0.1V, 图中虚线是0V基准线, CHA电压档为50m V, 从图中可以看出只有交流信号被保留, CHB电压档为0.5V。对比CHA、CHB幅值看出此电路刚好放大10倍。如果加上直流成分, 放大10倍后输出将达到10V以上, 已经远远超出了此电路的动态范围。

6. 信号切换

多电压档位功能实现后, 面临的问题是信号切换, 在示波器应用中, 为了保证信号的“干净”程度, 通常选择继电器切换。继电器做信号切换, 是纯粹的机械触点动作, 不会引入其他电气干扰, 同时方便通过MCU控制, 实现自动档位切换。继电器信号切换示意图如图13所示。

7. 触发与同步

对于不断重复出现的信号, 示波器应该能够显示稳定的图形, 但是如果数据帧采样起点再不同周期中不同步, 图形显示很难稳定。这里给出一种触发电路实现数据帧同步点的寻找, 触发电路为电压比较器, 如图14所示, 通过对比较器参考电压的设定, 可以在某个触发沿捕捉不同周期的同一点, 如图15所示, 信号超过或低于触发电平时, 比较器输出翻转, 如果比较器输出接MCU的外部中断, 可以由外部中断捕捉同一触发点。

触发电平通常用MCU驱动DAC产生, 实际为了降低成本, 也可以使用PWM实现DAC相同的功能, 经典51单片机可以用定时器模拟PWM输出, 详细参考网络资源:http://www.ceet.hbnu.edu.cn/bbs/viewthread.php?tid=7607。

8. 单电源供电

双电源让我们给系统供电变得麻烦, 但是在信号传输通道, 为了能够让双极性信号传输, 运算放大器需要双电源, 虽然负电源功耗不大, 但是负电源是必须的, 这里给出基于负压泵ICL7660的由正电源产生负电源的方案。电路如图16所示, 输入+5V, 输出接近-5V, 可以提供10m A的电流, 足够运算放大器负电源用。

9. ADC按键输入

示波器输入需要很多按键, 这里给出一种基于ADC的按键方案, 硬件电路简单, 需要MCU的I/O资源少。ADC按键电路原理图如图17所示, 把多个电阻串联分压, 不同的按键将不同的电压送给ADC, 跟据ADC结果, MCU就能识别出不同的按键。

理论上只要相邻的两个按键按下时电压的差值在ADC能最小分辨的电压范围之内, 那么MCU就能识别是哪个键被按下。一个n位的ADC, 可以识别2n个不同的电压值, 即可以识别2n个按键。例如8位ADC, 理论上可以串联256个电阻, 可以识别256个按键, 但实际应用中要考虑很多参数不理想的因素, 如电阻自身的误差, ADC误差, 软件计算误差等, 往往实际能识别的按键的个数小于理论值。

实际的硬件电路如图18所示。为了提高按键响应速度与减轻CPU扫描按键的负担, 增加一个比较器, 这样按键发生时比较器输出信号触发中断, 在中断中第一时间获得键值。这样避免了把按键程序放到主程序中循环查询过多占用CPU资源, 提高了CPU的利用率。

符号化模拟电路仿真器篇5

(一) EWB软件

电子工作平台Electronics Workbench (EWB) (现称为MultiSim, 最高版本是Multisim7.0) 软件是加拿大Interactive Image Technologies公司于20世纪80年代末、90年代初推出的电子电路仿真的虚拟电子工作台软件, EWB5.0软件安装后约占15.6MB硬盘空间, 其兼容性较好, 具有这样一些特点:1.采用直观的图形界面创建电路:在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台, 绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取。2.软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似, 可以实时显示测量结果。3.带有丰富的电路元件库, 提供多种电路分析方法。4.作为设计工具, 可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。5.是一个优秀的电子技术训练工具, 利用所提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验, 仿真电路的实际运行情况, 熟悉常用电子仪器测量方法。因此非常适合电子类课程的教学和实验。

(二) 实践举例

单级放大器放大特性的研究:图2所示为单级阻容耦合共射放大电路电原理图, 各元件参考值为:T3DG44A, β=30, Rs=5kΩ, Rb=470kΩ, Rc=Rl=5kΩ, Cl=C2=50μF, UI=10mV/1kHz, Vcc=+12V, Ube=0.75V, r bb’。调节Rb可调整放大器的静态工作点。由图1可算得静态工作点:

其中IcQ为集电极静态工作电流, UceQ为集电集静态工作电压。在中频段不需要考虑耦合电容和分布电容、晶体管结电容的影响。利用微变等效电路法可得: (2)

三极管输入端的微变等效电阻:

中频段电压放大倍数:

其中等效负载电阻:

由Au表达式可知当Rc、Ic变化时, Au随之变化。

1. 测量不同Rb时的Ib、IcQ、和UceQ的值并与理论值进行比较, 并填充完成表格内容。根据实验电原理图, 用EWB软件进行模拟连线, 在基极和集电极串接一内阻 (1nΩ) 可不计的模拟电流表, 在集电极和发射极并联一内阻为1GΩ的模拟电压表。实际测试的EWB计算机模拟界面如图2示。依次改变Rb的值将测试结果和理论计算值填入表中, 如表1所示。

可以看出, 测试结果与理论计算具有很好的一致性。

2. 以Rb=270kΩ, 输入信号频率为1千赫, 幅度为10毫伏, 测量放大器的电压放大倍数并与理论值进行比较, 并讨论放大电路参数变化对倍数的影响。根据实验电原理图, 用EWB软件进行模拟连线后的测量电路及结果如图3所示。

通过交流毫伏表MV测得输出电压U0, 与输入电压比较可以算得电压放大倍数Au=128.5/10=12.85倍。而电压放大倍数的理论值由 (1) ~ (6) 式计算可得:Rb=270 kΩ, Ib=0.042mA, Ic=1.25mA, rbe=824Ω, Au=12.88倍, 理论计算与模拟实验具有很好的一致。通过模拟双踪示波器可观察放大器的输入与输出波形, 其中红色线条为输入波形, 黑色线条为输出波形, 二者有一相位差π。图3电路还可用来考察放大电路参数的变化对放大倍数的影响。 (1) 集电极电流变化的影响。在其它参数不变条件下, 通过改变Rb分别获得不同的Ic, 测出放大倍数与集电极电流之间的关系如表2所示。从表中可反映二点:当集电极电流大于某值, 即三极管处于饱和时, 电路的电压放大倍数小于1, 当管子处于正常放大状态时, 随着Ic的减小, 电路的电压放大倍数随之减小。

(2) 负载电阻对放大倍数的影响。取Ic=1.25mA, 分别测出Rc=Rl=3 kΩ和Rc=Rl=5kΩ的放大倍数分别为7.71倍和12.85倍。即随着负载电阻的减小, 放大倍数随之减小。

3. 放大器的最佳工作点与晶体管最大允许输入电压的研究。 (1) 在图3实验电路中取Rc=5kΩ, 调节Rb使得当输入电压逐渐加大时, 输出波形正负向同时出现削波, 即表示这时放大器的静态工作点已选择在动态特性曲线的中点, 记录此时的IceQ值和UceQ值分别为1.56 (mA) 和4.20 (V) , 测出当输出电压最大而不失真时放大器输入电压Us的值为230mV (晶体管的输入电压Ube为39mV) , 此时放大器的动态范围最大。 (2) 在上述电路中再改变Rb的值, 当增大Rb时出现正向削波, 说明晶体管出现了截止失真, 当减小Rb时出现反向削波, 说明晶体管出现了饱和失真。

(三) 小结

1. 用EWB进行仿真模拟实验, 实验过程非常接近实际操作的效果。各元器件选择范围广, 参数修改方便, 不会象实际操作那样多次地把元件焊下而损坏器件和印刷电路板。使电路调试变得快捷方便, 对模拟电子技术课程中的绝大部分电路都能应用, 不仅能用于对单个电路特性和原理进行验证, 也能就用于多级的组合电路。

2. 软件不但提供了各种丰富的分立元件和集成电路等元器件, 还提供了各种丰富的调试测量工具如各种电压表、电流表、示波器、指示器、分析仪等, 是一个全开放性的仿真实验和课件制作平台, 提供了一个实验器具完备的综合性电子技术实验室。可以在任意组合的实验环境中, 搭建实验。可用常规的调试方法如测量各点电压、电流, 波形等来调试和测量电路。对于较大规模的电路, 可分级接线和调试。通过元件复制或单级电路的复制来完成整个电路的组装。因此也适用于较大型的设计性实验。

3. EWB为教师提供了一个很好的实用工具, 使他能够在教学过程中随时提供实验、演示和电路分析。教师可以在多媒体教室中深入浅出地分析各种电路的特性, 讲解各种参数改变对电路的影响。学生可结合学习内容, 进行接近于实际电路的调试分析, 有利于对加深对理论理解。特别是一些实验条件较差的大中专院校和广播电视大学的基层工作站, 通过这样的计算机模拟仿真实验, 把电子技术的理论教学和实验教学有机地结合了起来。为电子电路实际制作打下一个良好的基础。

4. 为开放及远程教育提供了一个很好的学习课件。学生可在网上进行电子技术的仿真实验甚至可进行大型的专题作业和课程设计, 应用这样的仿真实验课件进行网上电子技术理论学习、仿真实验、网上习题、和网上答疑。

参考文献

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符号化模拟电路仿真器篇6

因此了解二极管及三极管的基本工作特性是我们学好《电子技术》课程的基础,也是我们研究和设计电子电路的基础。

我们在学习二极管和三极管时首先要了解其输入输出电压特性曲线,而由于三极管有三个电极我们在分析其特性曲线时只有结果不讲过程,教学过程中学生没有直观的感受,即使做实验,也是根据给定的验步骤搭接好电路,按照要求去测量一些参数,因此实验较为单调。如果在教学中介绍二极管或三极管的特性时引入Multisim仿真,并应用Excel将仿真数据进行分析处理,既可以加深学生的感性认识,又会取得较好的教学效果。

Multisim是美国国家仪器公司(NI)下属的Electronics Workbench Group发布的交互式SPICE仿真和电路分析软件,专门用于原理图捕获、交互式仿真、PCB设计和集成测试,它的优点很多,是目前大学课程中常用的电子设计应用软件。同样Excel也是一款我们非常熟悉的软件,Excel是Office的组件之一,是强有力的电子表格处理软件,人机界面友好,使用便捷,易学。主要用于对数据的处理、统计分析与计算,能绘制图表等功能。

下面就以三极管特性曲线为例,让我们一起来了解如何使Multisim和Excel结合使用。

1 三极管特性曲线测试仿真与绘制图表

三极管特性曲线的测试电路如图1所示。

1.1 三极管输入特性曲线

电路如图1所示:维持Uce为某一定值,逐点改变Ube(调节图中的E1),测出若干个Ube和Ib,根据测量数据描绘一条输入特性曲线。依次取不同的Uce值,可获得一组输入特性曲线。实际上,当Uce≥1V后,特性曲线几乎重叠在一起,因此只测两组。方法步骤如下:

1)首先断开E2(一定是断开),使Uce=0V。调节E1,分别使0μA、5μA、10μA、20μA、30μA……,测出对应的Ube值,记录下数据。

2)接通E2并调节,使Uce=5V。重复上述步骤(注意要始终保持Uce=5V)。

仿真设计

三极管输入特性曲线仿真电路如图2所示;由于Multisim软件电源库中没有可变电源,所以使用电源和可变电阻并联,可变电阻的滑动端接电路,当调节电路中的可变电阻R3和R4阻值时就相当于调节电源电压。由图2可知当Uce=5V,Ib=20μA时,Ube=0.651V。

根据测试要求,通过仿真电路所得数据输入到Excel中如表1所示。

接下来可以利用Excel绘制图表的功能做出三极管的输入特性曲线,步骤如下:首先选主菜单栏的插入中的图表,在图表向导中选择标准图表类型中的XY散点图,XY散点图有5种形式的散点图,可以选择平滑线散点图或无数据线散点图均可,接着进入数据源向导,在数据区域选中Uce分别为0V和5V时所测得Ube数据,系列产生在行或列会自动选择,让后进入系列选项卡中,由于需要绘制两条曲线,所以在系列中有两个分别是Uce=0V和Uce=5V,方法是在名称下选中表格里显示的Uce=0V或Uce=5V,接着要分别选择X值和Y值这里非常重要,由于输入特性曲线的横坐标是Ube的值,纵坐标是Ib的值,所以X值

应选择对应的Ube的值,Y值应选择Ib的值。还可根据个人要求将XY坐标进行调整。通过Excel的一系列的设置最后得到如图3所示的三极管输入特性曲线。

1.2 三极管输出特性曲线

电路如图1所示,方法步骤如下:

1)首先调节E1,使Ib=20μA。调节E2,分别使Uce=0V、0.1 V、0.2 V、0.3 V、0.4……,测量出对应的Ic的值,记录下来。

2)再调节E1,依次使Ib=40μA、60μA、80μA……,重复上述步骤。记录各Uce对应的Ic的值。

三极管输出特性曲线仿真电路如图4所示;与输入特性曲线电路相同只是操作步骤不同。由图4可知当Ib=20μA时,Uce=02V,Ic=3.353mA

根据测试要求,通过仿真电路所得数据输入到Excel中如表2所示。

接下来同样利用Excel绘制图表的功能做出三极管的输出特性曲线,步骤如绘制三极管的输入特性曲线,只是注意系列选项卡中选择X值和Y值时注意绘制输出特性曲线的横坐标和纵坐标即可。得到如图5所示的三极管输出特性曲线。

2 结论

从Multisim的仿真电路和通过Excel绘制图表,在这里不用过多分析,我们就能够直观的看出三极管特性和我们教材上的结论是完全一致的。

因此通过Multisim对三极管的特性进行测试仿真然后用Excel对测试结果绘制图表,不仅直观的显示出各个参数之间的关系,使分析其结论也更加简单明了,还可加深学生的感性认识,让课堂教学更加深刻有趣。同时Multisim和Excel软件灵活应用,不仅仅只对三极管特性进行分析,还可对二极管的特性进行分析,这样能够帮助学生快速、牢固地掌握电子电路的基础知识,开阔眼界,为以后分析和设计电子电路打下基础。

参考文献

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[2]王毓银.数字电路逻辑设计[M].北京:高等教育出版社,1998.

符号化模拟电路仿真器篇7

一、Multisim仿真软件

Multsim软件属于仿真工具的一种, 可以采用图形化的输入方式来完成数据的输出, 只需要进行简单的线路连接和拖放就可以实现和电路的相连, 在虚拟实验中有很大的应用价值, Multisim软件的特点非常显著, 首先是直观的图形界面;其次Multisim软件包含的仪器是非常丰富的, 比如电阻、三极管、二极管、门电路等相关器件, 示波器、万用表等相关检测仪器, 都可以在Multisim中实现;最后, Multisim软件一个非常实用的特点, 那就是具有充足的分析手段, 这些特点使Multisim软件在仿真电路的教学中有着很大的应用价值。

二、Multisim软件在中职模拟电路教学中的应用

电子技术涉及的知识比较广泛并且还很抽象, 需要很多数学分析和物理分析, 学生在理解上比较困难。除了抽象的理论内容, 实验课程上很多基本的电路也是非常复杂的, 不仅需要进行静态的分析, 同时还需要动态、频率、交流瞬时的分析等, 所以使用电子自动化技术中的Multisim软件能够很好地解决中职模拟电路教学这个问题。

(一) Multisim软件在理论教学中的应用

电子技术的理论教学属于实践教学的先导环节, 有重要的指导作用。实践证明, 引入Multisim软件在提高理论教学质量方面有很大的作用, 主要表面在下面几个方面。

1.引入Multisim软件, 能够吸引学生的注意力, 培养学生对学科的兴趣, 由于电子技术的知识既抽象又复杂, 有不少学生会出现课堂上跟不上进度, 迷茫的现象, 久而久之, 就失去了学习的兴趣。Multisim软件的引入, 利用了软件的可操作性, 将抽象的内容具体化, 通过模拟仪器的运用, 解决了教学中测量数据无法直观理解的问题, 减少学生对课堂的消极情绪。

2.Multisim软件的引进还可以提高教学质量和教学效率, 电路知识是非常复杂的, 除了我们常见的连接问题, 还有很多虚拟抽象的知识, 比如电路波形的变换, 这个知识点虽然比较抽象, 但是却是非常重要的。传统的教学方法是老师手动在黑板上画出的, 有不小的误差, 不能很具象的向学生讲解, 使电路波形的变化一直都是教学的难点, 但是Multisim软件的引入很好地解决了这个问题, 利用软件的仿真模拟特性, 可以向学生详细仔细展现电路波形的变化, 提高教学的效率和质量。

(二) Multisim软件在实验教学中的应用

模拟电路的实验教学中利用Multisim软件, 可以进行实验前的仿真分析。一个完整的实验, 不仅需要具体的实验过程, 还需要实验前的分析和准备以及试验后的总结报告, 如果实验前的分析没有做好, 之后的实验过程就会比较困难, 甚至出现错误, Multisim软件具有很便捷的分析功能, 能够很好地满足模拟电路实验前的分析工作。

为了方便介绍, 本文以多级放大器测试前的仿真实验为例, 这个实验的目的之一是调节各级静态的工作点, 所以在实验之前需要进行静态的分析。由于在放大之后的信号一般都比较微弱, 不容易被监测到, 但是放大倍数小的信号又起不到作用, 所以在实际的实验中, 需要将电路进行串联, 这样总的电压强度使用分级电压强度的乘积就可以得到, 这就是实验的原理。

仿真电路的教学存在着一定的困难, 其中理论知识的抽象性太强, 学生很难理解就是其中之一。除此之外, 实验课程设施仪器的落后性, 也是影响教学的一个重要因素。所以, 在实际教学中, 不管是理论教学、实验教学, 还是课程的设计, 引入Multisim软件都是非常有必要的。

参考文献

[1]谢白玉, 宋蕊.Multisim 10仿真软件在模拟电路实验教学中的应用[J].办公自动化, 2012, 10 (8) :44-46.

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