PSpice在数模混合电路分析中的应用.doc

电力电子设计专题课程论文PSpice在数模混合电路分析中的应用sj1042 201020141076 郭宰宏摘 要 文章介绍了应用PSpice软件对数模混合电路分析时在元件模型库中调用数字电路元件的正确方法,并通过电路分析时经常遇到的几个具体问题介绍了PSpice的应用技术。关键词 PSpice数模混合电路EDA软件1 概述PSPICE是由SPICE（Simulation Program with Intergrated Circuit Emphasis）发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。随着版本的升级，PSpice的功能不断完善。有用其pspice AD高超的电路仿真能力，Microsim公司被EDA(Electronics Design Automation)领域最负盛名的公司OrCAD并购，pspice程序因此正式更名为OrCAD PSpice AD。 PSpice是一种模拟/数字电路分析软件,属于SPICE家族的一员,它由美国MicroSim公司开发并于1984年1月首次推出。由于PSpice适合于PC上使用,因此得到了广泛的应用,其版本也不断升级更新。在PSpice V4.0之前,主要是对模拟电路进行辅助分析,而在V4.0及以后的版本中,增加了对数字逻辑电路及数字模拟混合电路的模拟分析功能,从而进一步拓展了PSpice的应用范围。PSpice主要包括 5个软件包：Schematics 电路模拟器、PSpice AD 数据处理器、 Model Editor 器件建模工具、Stimulus Editor 产生信号源的工具、Probe 后处理器。PSpice程序的特点：集成度高、完整的Probe观测功能、完整的仿真功能、模块化和层次化设计、模拟行为模块、具有数字和模拟仿真功能、元件库扩充功能。PSpice的仿真分析分为以下两种情况：2 PSpice对数模混合电路的分析和处理2.1 PSpice在数模混合电路的一般应用PSpice对模拟电路主要计算电路的节点电压支路电流,而对数字电路主要计算电路各节点的逻辑电平,这两者的算法程序有较大的区别。而对既含有数字电路又有模拟电路的数模混合电路进行分析时,PSpice的分析处理方法是:首先对电路中的模拟部分和数字部分分别进行分析,然后在模拟电路和数字电路的界面节点处,通过数字模拟(digital simulation)工具提供模拟电路元件和数字电路元件之间的接口程序算法,将模拟电路分析所得的电压转换成数字逻辑电平或将数字电路分析所得的逻辑电平转换成相应的电压和源电阻,从而实现数字电路和模拟电路的接口转换,使数字电路元件可以与模拟电路元件一样被调用(描述),放在电路(输入文件)中。2.2 PSpice在数模混合电路故障诊断的应用Pspice A/D是一个通用的微机级电路仿真分析程序,它可以对数字电路、模拟电路及数模混合电路进行仿真2。利用Pspice A/D来研究数模混合电路故障诊断问题主要涉及以下几个方面：1、建立仿真模型。Pspice的配套软件Capture是一个功能强大的电路原理图设计软件,它能够采用人机交互图形编辑方式绘制电路原理图。当PSpice自带模型库中定义的器件模型难以满足需要时,还可以自行建模。2、选择故障模式并注入故障。理论上可以分析电路中所有的故障模式,但工程上却难以实现,也没有这个必要。一般是结合具体电路利用故障模式影响及危害性分析(FMECA)来确定发生故障概率较高、对系统危害程度较大的故障模式,将具有这种影响的故障模式构成该电路的故障模式集。将故障模式集中的故障,注入到标称仿真模型中即达到故障注入的目的3,这可通过修改程序或直接修改仿真模型来实现。3、选测试点采集数据。测试点实际上就是提取电路信息的观测点4。测试点数量的多少,要视具体情况而定。一般只要将测试点分布在故障多发部位,并通过计算适当调整测试点的数量和位置就可以最终确定。考虑到故障隔离,初选测试点一般应与故障模式数量相当,而对于无法提供故障诊断信息的测试点应随时取消,并适当增加有用测试点。4、利用仿真结果进行故障诊断。Probe模块是PSpice的输出图形处理软件包,利用Probe模块可以得到电路中任何节点电压和支路电流的信息。PSpice完成电路仿真后可以调用Probe模块,观察仿真结果,检查电路的逻辑是否正确。通过分析电路的各种输出特性波形和数据,来判断电路的故障状态,并结合数模混合电路的故障诊断方法来隔离故障。若对仿真结果波形进行再加工,还可以提取更多的信息。故障仿真的目的是通过仿真提取系统在各种故障状态下的响应特征,用于在实际诊断时与实测的特征响应相比较,最终确定故障状态。电子线路故障诊断的实用方法是故障字典法,它本质上是一种经验性的诊断方法,比较适合于作硬故障诊断,在实际的电路中硬故障约占电路故障的80%,所以采用故障字典法有实际意义57。3 数字逻辑电路元件的描述和调用数字电路元件有两种形式：一是数字逻辑器件，如门电路、触发器等；二是数字激励发生器，用来产生数字激励信号，与模拟电路中的电压源和电流源类似。数字逻辑器件的PSpice描述语句采用类似于模拟器件的形式：U元件名基本类型(参数值)节点时域模型名输入/输出模型名上述语句各部分的定义及如何正确描述在相关的书籍资料中已有说明,在此不再赘述。实际上,PSpice已建立起丰富的常用数字集成逻辑电路元件的模型库,使用者只要能正确调用库中的模型,就能完成电路分析。数字逻辑电路元件在模型库中是以子电路形式被定义的，因此可采用与模拟电路相同的子电路调用语句调用数字电路元件。例如，对图1所示这一简单电路,其电路描述语句如下：VIN IN 0 PULSE(0V 5V 0ms 0.1ms 0.2ms 0.5ms)XU 1 IN OUT DPWR DGND 7404+ PARAMS:IO_LEVEL=2 MNTYMXDLY=2;非门调用语句RL OUT 0 1 K图1 简单的非门电路其中，非门调用语句中，IN和OUT分别代表非门的输入和输出节点；DPWR和DGND代表集成非门电路7404的电源输入端，这两个节点在调用语句中也可省略，此时电路就采用缺省电源节点$G-DPWR和$G-DGND，电源电压为5V；参数IO-LEVEL共有4个不同的取值，决定了数字逻辑门7404与模拟电路连接处界面接口电路的4种模型：(1) IO_LEVEL=1代表采用简单的接口电路模型，门电路输出除了有逻辑“1”、逻辑“0”外，还有一种不确定状态“X”；(2) IO_LEVEL=2代表采用简单的接口电路模型，门电路输出只有逻辑“1”、逻辑“0”,没有不确定状态“X”；(3) IO-LEVEL=3代表采用复杂的接口电路模型，门电路输出除了有逻辑“1”、逻辑“0”外，还有不确定状态“X”；(4) IO-LEVEL=4代表采用复杂的接口电路模型，门电路输出只有逻辑“1”、逻辑“0”，没有不确定状态“X”。图2所示是IO-LEVEL=1时图1电路的PSpice分析波形，而IO-LEVEL=2时的PSpice分析波形如图3所示。采用简单的接口电路模型，可使界面状态转换快速进行，但不能完全反映元器件的特性；复杂模型较精确地反映了元器件的伏安特性，但由于模型包含较多的器件，因此需消耗较多的时间进行模拟运算。图2 IO_LEVEL=1时的分析波形图3 IO_LEVEL=2时的分析波形参数MNTYMXDLY有3种取值，分别代表门电路的3种延迟类型：(1) MNTYMXDLY=1表示门电路输入输出间最短时间延迟；(2) MNTYMXD-LY=2表示门电路输入输出间一般(典型)时间延迟；(3) MNTYMXDLY=3表示门电路输入输出间最长时间延迟。4 数模混合电路中的几个具体问题及处理4.1数字电路输入信号电压范围不同系列的数字电路其允许输入信号的电压范围不同，同一系列电路由于IO_LEVEL取值不同而使其输入信号电压范围也不同。TTL74系列门电路的输入信号电压的范围为-1.57V，CMOS4000系列门电路的输入信号电压的范围为-3.58.5V，当输入电压在上述范围时，门电路能正常工作，当输入电压超出上述范围时，PSpice在运算分析时将给出错误提示信息，并要求用户改正错误。对TTL74系列，若IO_LEVEL=1或3，则其输入低电平电压范围为-1.50.8V，输入高电平电压范围为27V，而当输入电压范围为0.82V时，门电路的输出处于不确定状态“X”；若IO_ LEVEL=2或4，则其输入低电平电压范围为-1.51.35V，输入高电平电压范围为1.357V，也即其输入阈值电压为VTH=1.35V。对CMOS4000系列，若IO_LEVEL=1或3，则其输入低电平电压范围为-3.51.4V，输入高电平电压范围为3.58.5V，而当输入电压范围为1.43.5V时，门电路的输出处于不确定状态“X”；若IO-LEVEL=2或4，则其输入低电平电压范围为-3.52.5V，输入高电平电压范围为2.58.5V，也即其输入阈值电压为VTH=2.5V。由于门电路的PSpice模型有上述限制，因此在对数模混合电路进行分析时，必须注意输入信号的电压范围。但在某些电路的正常工作中，输入信号有可能超出上述范围，为使PSpice分析能正常进行，可对电路稍作修改。如图4所示微分输入非门电路，当输入信号从高电平瞬时下跳至低电平时，将在门电路输入端出现负脉冲，若负脉冲幅度超过1.5V，PSpice将提示出错，电路分析无法正常进行。为解决这一问题，可在微分电路和门电路输入端间串接一小电阻，如图5所示，就可使PSpice分析正常进行下去。图4微分输入非门电路图5图4的改进电路4.2门电路输入负载电阻集成TTL门电路的工作原理中，当输入端通过一电阻接地(如图7所示)时，输入电压会随着电阻的增大而升高，甚至有可能使输入电压超过阈值电压VTH。在PSpice模型中，当取IO_LEVEL=3或4时也可对上述特性进行模拟，但不同系列的模拟结果是不同的。如对TTL74LS系列电路，若取IO_LEVEL=3，则当R4.5k时Vin=“0”；若取IO-LEVEL=4，则当R85M时Vin=“0”；而对TTL74系列电路，若取IO_LEVEL=3，则当R950时Vin=“0”；若取IO_LEVEL=4，则当R2.2k时Vin=“0”；但取IO_LEVEL=1或2时，仍采用简单模型，就无法模拟上述特性。图7具有输入负载电阻的非门电路4.3电源电压的改变在PSpice元件模型库中，所有数字逻辑电路的电源缺省值均为5V，而实际的数字集成电路的电源不一定就是这一固定值，特别是CMOS电路，其正常电源电压范围为318V。在应用PSpice进行辅助分析时，可在数字逻辑元件调用语句中加上电源输入节点，并将希望的电源加在输入节点之间，从而改变电路的电源电压。以图1电路为例,若所用非门为CMOS4049A，电源电压为10V，则可将电路描述语句改写成:VIN IN 0 PULSE(0V 5V 0ms 0.1ms 0.1ms 0.2ms 0.5ms)XU1 IN OUT DPWR DGND 4049A+PARAMS: IO-LEVEL=2 MNTYMXDLY=2;非门4049A调用语句VCC DPWR DGND 10V；外加10V电源RVCC DPWR DGND 1MEGRL OUT 0 1k电源电压的改变会影响输出高电平电压的大小，但不会影响输入特性。在输出负载不变的情况下，输出高电平电压与电源电压成正比。5 小结本文结合实例针对数模混合电路的进行了深入研究,得出以下结论:1)利用PSpice仿真在电路设计阶段就可以随时注入故障,无硬件损伤,保证了电路故障分析试验的安全可靠;2)在数模混合电路中,各测试点的测试值既有模拟量也有数字量。由于模拟量在测量上存在一定误差,所转换的测试码可能会出现一定偏差,而数字量的值不是1(高电平)就是0(低电平),因此,应尽可能选择数字量测试点,这会使诊断更加准确;3)结合具体电路实现的虚拟测试能够对可能的测试结果进行预测,发现测试过程中潜在的可能出现的各种中间和意外结果,同时可以实现对测试环境的缩放、剖析及测试过程的回溯,更好地了解故障诊断过程。参考文献1Jinyan Cai Alam, MSAn algorithm for dividing ambiguitysets for analog fault dictionary IEEECircuits and Systems,Aug,2002: 89-92.2胡荣强,等.PSPICE仿真软件及其在电力电子技术中的应用J.电子设计自动化,2004,3.3孙峻朝,王建莹,杨孝宗.故障注入方法与工具的研究现状J.宇航学报,2001,22(1).4Pinjala,K.K.Kim,B.C.An approach for selection of testpoints for analog fault diagno