物理学论文 基于Multisim的电路容差分析.doc

论文写作指导各类文案写作QQ625880526基于Multisim的电路容差分析摘要随着电子产品的发展对电子产品做电路容差分析已成为电路设计过程中的重要步骤在容差分析过程中为了达到高质量高可靠低成本周期短的目的用电子电路仿真软件已成为分析电路容差的一种有效方法本文讲述了电路容差分析的必要性和其分析原理并举例说明用进行最坏情况分析和蒙托卡诺分析的具体方法和步骤关键词容差分析最坏情况分析蒙托卡罗分析AbstractWiththedevelopmentofelectronicproductsthecircuittoleranceanalysishasbecomeanimportantstepintheprocessofthecircuitdesignThesoftwareofelectronicsworkbenchisappliedinordertoachievehigherqualityhigherreliabilitylowercostshortercycleWorstCaseanalysisandMonteCarloanalysiswithsoftwareofMultisimhasbeenintroducedinthispaperTwotypicalexamplesweregivenatsametimethemethodandanalysisstepswereexpoundedindetailKeyWordsCircuittoleranceanalysisWorstCaseAnalysisMonteCarloAnalysisMultisim1引言众所周知由于制造工艺和使用条件的原因任何电子产品都不可避免地会受到随机扰动因素的影响从而使实际电路中的元器件参数和其标称值之间总是存在随机误差这就意味着实际电子电路中元器件参数的实际数值不一定等于其标称值而只是其标称值容差范围内的一个随机数值而我们在设计电路过程中往往都是采用元器件参数的标称值进行分析和设计因此设计的电路和实际生产制造出的电子产品性能之间必然存在着差别而且电子产品在使用的过程中随着使用时间的增加和环境温度的变化也会使这种差别进一步扩大在严重的情况下这种偏差可能会达到影响电子产品的正常使用的程度从而造成电子产品的功能失效另外电子元器件的参数容差和电子产品的经济成本直接相关通常元器件的精度越高其误差范围越小价格也会越高总而言之电子产品的性能和价格与所采用的元器件的参数容差密切相关我们在设计电子产品时只有充分考虑这一因素才能设计出高可靠的具有竞争力的电子产品然而由于这种误差所服从的是一种概率统计规律在产品的研制过程中我们很难通过传统的人工设计方法来全面地考虑元器件参数容差对产品性能的影响随着计算机的迅速发展各种技术也得到了广泛的应用电路设计者可以应用这些软件对电路进行各种分析计算和仿真不仅能使设计者的设计达到高质量高可靠性而且可以降低成本缩短开发周期公司的就是得到广泛应用的一种电路模拟仿真软件它由于收敛性好适于做系统及电路级的仿真又有微机版本在国内得到了广泛的应用对于电路的容差分析提供了蒙特卡罗分析和最坏情况分析两种方法来分析电路中元器件参数数值变化对电路性能的影响2容差分析的基本原理系统性能不稳定或发生漂移退化的原因有三种一是组成系统的元器件参数通常是以标称值表示的实际却存在着公差忽略公差电路参数可能超出允许范围发生参数偏差二是环境条件如温度的变化会使电子元器件参数发生漂移三是退化效应随着时间的积累电子元器件参数会发生变化一般来说第一个原因产生的参数偏差是固定的第二个原因产生的偏差是在多种情况下是可逆的即随着条件而改变参数可能恢复到原来的数值第三个原因产生的偏差是不可逆的容差分析大体上可以归纳为两种方法一种是基于统计的方法一批产品中每个元器件的参数实际偏离标称值的量并不能确切知道只能知道它们的偏离范围和各个参数的随机分布规律信息通过已知的元器件参数的随机分布规律可以利用统计方法去计算电路特性的分布规律蒙特卡罗分析就是属于这种统计抽样的方法即蒙特卡罗法是当电路组成部分的参数服从某种分布时由电路组成部分参数抽样值分析电路性能参数偏差的一种统计分析方法第二种最坏情况分析方法是一种非概率统计方法用来分析在电路组成部分参数最坏组合情况下的电路性能参数偏差找出在参数给定限制变化情况下电路或系统的最坏可能输出21蒙特卡罗分析MonteCarloAnalysis蒙特卡罗分析是一种统计模拟分析方法它是按照元器件的参数容差的所服从的统计分布规律用一组组伪随机数求得元器件参数的随机抽样序列从而在不同的器件参数的随机抽样序列下进行电路特性仿真并通过多次分析结果的综合统计分析得到电路特性的分散变化规律从而可以较好地模拟实际情况应用蒙特卡罗分析可以求出电路性能的均值最大值最小值方差电路的合格率及电路性能的统计分布直方图等蒙特卡罗法的主要步骤有构造概率模型实现从已知概率分布的抽样和建立各种统计量的估计具体做法是按电路包含的元器件及其它有关量的实际参数的分布对进行第一次随机抽样该抽样值依次记作并将它代入性能参数表达式得到第一个随机值如此反复次得到个随机值从而就可对进行统计分析求出不同容许偏差范围内的出现概率进行蒙特卡罗分析法时抽样次数必须满足统计分析的精度要求利用蒙特卡罗分析方法计算电子电路容差时首先要指定相应元件参数的容差范围排选出对该电路特性高敏感的元器件使其容差足够小而对低敏感度的元器件则使其容差尽可能大指定容差范围后随机得到的元件参数值不仅取决于容差范围还取决于容差分布电路元器件参数的容差分布有均匀分布正态分布指数分布和威布尔分布等中的蒙特卡罗分析提供了均匀分布和正态高斯分布22最坏情况分析WorstCaseAnalysis最坏情况是指电路中器件参数在其容差范围内取某种组合时所引起电路性能的最大偏差如果我们已知电路中元器件参数的容差而不知其统计分布规律时可以通过最坏情况分析估算出电路性能的这种最坏偏差用数学模型描述如下假定电路中器件参数的标称值矢量为其容差矢量为其中其中满足条件的元器件参数矢量就构成了元器件参数空间的容差域最坏情况分析就是在元器件参数满足的条件下求电路性能偏差其标称值的最大量最坏情况是一种极端情况在实际中出现的概率极低但是最坏情况的分析结果从一方面反映了电路设计质量的好坏如果最坏情况的分析结果都能满足规范要求或与规范要求相差不大那么将这种电路设计用于生产中时成品率一定很高3基于Multisim的电路容差分析31Multisim软件介绍Multisim是加拿大图像交互技术公司推出的以Windows为基础的仿真工具适用于板级的模拟数字电路板的设计工作它包含了电路原理图的图形输入电路硬件描述语言输入方式具有丰富的仿真分析能力可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图并对电路行为进行仿真Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容这样无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获仿真和分析新的设计这也使其更适合电子学教育通过Multisim和虚拟仪器技术PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真能够快速轻松高效地对电路进行设计和验证凭借Multisim我们可以立即创建具有完整组件库的电路图并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器我们能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证从而缩短建模循环与NILabVIEW和SignalExpress软件的集成完善了具有强大技术的设计流程从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量32电路容差分析流程进行元器件和电路的容差分析是为了消除由于产品所用元器件容差的积累使得电路设备的输出超出规定值而无法使用导致产品故障的现象发生因此尽量在设备的设计阶段及早采取容差分析措施进行有效的解决其整体流程如图所示图容差分析流程图基于仿真软件进行容差分析首先要确定待进行容差分析的系统电路特别是系统核心的关键电路其中主要包括严重影响产品安全性的电路严重影建仿真分析电路设置分析参数参数是否合理运行仿真运行结果结束开始设置不正确容差值设置正确响任务完成的电路昂贵的电路采购或制作困难的电路需要特殊保护的电路等电路设计的有关基线包括被分析电路的功能和使用寿命电路性能参数及偏差要求电路使用的环境应力条件元器件参数的标称值偏差值和分布电源和信号源的额定值和偏差值电路接口参数等对电路进行分析得出在各种工作方式下电路的性能参数输入量和元器件之间的关系根据已确定的待分析的电路的具体要求和条件适当选择一种容差分析方法求出电路输出性能参数的偏差范围找出对电路输出性能敏感度影响最大的参数并进行调整控制使电路满足要求把容差分析所得到的电路性能参数的偏差范围与电路性能指标要求相比较如果符合要求则分析结束若不符合要求要重新选择电路组成部分参数或其精度等级或更改原电路结构并进行容差分析直到满足要求为止4基于Multisim的分析实例以带通滤波器为例分别进行蒙特卡罗分析和最坏情况分析带通滤波器的作用是允许一定范围内的信号通过而且比下限频率低比上限频率高的信号都被阻断在平台建立带通滤波器分析电路如图所示在蒙特卡罗分析过程中添加相关的容差设置参数如下分析元件为参数的容差范围及其分布规律为正态高斯分布百分比为分析类型为瞬态分析类型蒙特卡罗分析次数为输出节点数为节点采用倍频程扫描起始频率为截止频率为图带通滤波器电路图2带通滤波器电路图是进行次蒙特卡罗分析的结果通过计算机仿真分析得出了带通滤波器标称值与有容差的频率响应和相位响应的曲线族波形可以看出元器件为标称值的中心频率为当元器件参数为正态高斯分布规律随机变化时电路的频率响应及相位响应曲线呈现了一定的分散性每次蒙特卡罗分析运行的平均频率值标准输出偏差频率值运行输出值及的变化范围见图至图的运行日志说明中图蒙特卡罗分析频率响应曲线图蒙特卡罗分析相位响应曲线图蒙特卡罗分析结果最坏情况分析的步骤与蒙特卡罗分析雷同不再叙述在电路分析时先对标称值进行分析而后进行交流或直流灵敏度分析通过计算每个参数对输出量的灵敏度就可以得到最坏情况分析的结果最坏情况仿真的数据由排序函数进行收集每一次运行只收集一种排序函数的数据图为带通滤波器有容差的最坏情况分析结果从分析结果看整个频率响应相位响应曲线往右移中心频率变为此时的阻值为而标称值为图最坏情况分析频率响应曲线图最坏情况分析相位响应曲线图最坏情况分析结果从上面的蒙特卡罗分析结果最坏情况分析结果看出所采用元器件的参数及容差范围是不能满足电路特性要求元器件是取决带通滤波器中心频率通频率的主要元件其对该电路特性比较灵敏为了让使电路的性能指标更接近理想状况其容差应足够小经反复多次改变容差值进行蒙特卡罗分析最坏情况分析得出结论对该电路特性影响比较敏感的元件的最大容差为对低敏感元件的容差则可设为经反复多次的分析从分析结果记录表中可得出的优化值为将原带通滤波器电路中的原始值修正为元件参数容差分析抽样次数同修正前电路进行蒙特卡罗分析最坏情况分析分析结果如图和图所示图修正后最坏情况分析结果图修正后蒙特卡罗分析结果从图图中可以看出通过改进设计电路使其在最坏情况下性能指标均满足要求同时也保证元器件所受的电应力在可靠范围内不至于引起器件失效由此可见利用平台进行蒙特卡罗分析最坏情况分析是一种可行有效的方法5结论应用所提供的容差分析我们可以模拟实际生产中因电路中所用元器件参数的分散性所引起的电路性能的分散性还可以预见系统是否具有较好的稳定性从而可以在节省设计时间和设计费用的条件下优化所设计的电路提高所设计产品的可靠性参考文献范爱平电路容差分析的计算机仿真方法电测与仪表路而红虚拟电子实验室北京人民邮电出版社王冠华王伊娜电路设计及应用北京国防工业出版社聂典等计算机仿真在电子电路设计中的应用北京电子工业出版社熊伟等电路设计及仿真应用北京清华大学出版社王卫平电子产品制造技术北京清华大学出版社王汉斯朱翠涛陈亚光在电子电路优化设计中的应用微计算机信息李忠波等电子设计与仿真技术北京机械工业出版社钟文耀电路设计入门与应用北京清华大学出版社石君友康锐基于技术的电路容差分析方法研究啊北京航空航天大学学报黄智伟等基于的电子电路计算机仿真设计与分析北京电子工业出版社致谢在论文完成之际我要特别感谢我的指导老师杨秋芬老师的热情关怀和悉心指导在我撰写论文的过程中杨老师倾注了大量的心血和汗水无论是在论文的选题构思和资料的收集方面还是在论文的研究方法以及成文定稿方面我都得到了杨老师悉心细致的指导在此表示真诚地感谢和深深的谢意在论文的写作过程中也得到了许多同学的宝贵建议同时还到许多在工作过程中许多同事的支持和帮助在此一并致以诚挚的谢意感谢所有关心支持帮助过我的良师益友