基于PSpice92的电子电路最优化设计的方法

1、基于PSpice9. 2 的电子电路最优化设计的方法摘要:文章介绍了用电路仿真软件OrCAD/ PSpice 9. 2 优化电子电路的设计方案,提出了一种电路最优化设计的方法,并结合具体电路实例,阐述了用该方法对电路进行最优化设计的具体步骤和仿真过程,给出了最优化设计的结果,实践证明该方法在电子电路的最优化设计中具有很高的实用价值。关键词:仿真软件;电子电路;最优化设计1 引言随着电子设计自动化( EDA) 技术的飞速发展,电子电路的设计,已由传统的手工设计转向为计算机辅助设计。传统的手工设计方法不仅耗时、费力,而且分析和验证电路的正确性和完整性十分麻烦。最新版PSpice 9. 2 作为PC

2、 级的电路仿真分析软件,不仅能进行直流分析、交流分析、瞬态分析等电路的基本特性分析,还可以进行参数扫描分析、蒙特卡诺统计分析、最坏情况分析,从而可以对电路进行最优化设计,并且所有分析的结果都以波形或图表的方式直观地反映出来,在电路的最优化设计中非常实用。2 PSpice 的电路优化设计电路的最优化设计是对一个满足基本功能要求的电路,根据约束条件和目标参数,调整电路中的元器件参数,使电路的性能指标达到设计要求的目标值。PSpice 将电路的最优化设计方法和电路的基本特性分析方法相结合,在约束条件的限制下,从每个待调整的元器件的初始值开始,分别计算每个优化指标对相应元器件的导数,根据优化指标的要求

3、,自动调整元器件参数的增减方向;同时调用电路仿真分析程序,进行电路模拟迭代运算,并根据迭代运算的结果来调整元器件参数,从而得到经过一次迭代优化后元器件参数的当前值,再通过计算元器件参数的当前值与优化目标值之间的均方根误差,来判断是否进行下一次迭代,直到目标参数满足最优化目标值的要求。上述过程,只要将电路设计的优化指标以交互式的方式设置好,其余的工作完全由PSpice 自动完成,提高了最优化电路设计的效率和准确性。3 PSpice 最优化设计的方法用PSpice 对电路进行最优化设计,可以采取参数扫描分析和优化设计两种方法。PSpice 参数扫描分析的优点是扫描变量的取值原则上可以设置为近似无穷

4、多个,其缺点是每次只能对一个扫描变量进行仿真分析,因此用PSpice 参数扫描分析进行电路的优化,虽然最终总是可以达到优化设计指标的要求,但是,仿真分析可能要执行相当多次,从而影响优化执行的效率。PSpice 优化设计的优点是其优化算法采取的是迭代法和最小二乘逼近法,因此,优化的效率和精度相当高,但是,由于用PSpice 的最优化设计,必须保证电路基本达到其功能和性能指标,因此在最优化设计之前必须对电路中优化指标进行PSpice 电路的基本特性分析,使电路的性能指标基本满足最优化设计的要求。同时, PSpice 最多只能对电路中的8 个元器件参数进行优化设计。文中提出了一种基于PSpice 的

5、电路最优化设计的新方法,即将PSpice 的参数扫描分析和最优化设计相结合起来对电路进行最优化设计。其设计流程如图1 所示。 图1 最优化设计流程图电路的最优化设计实际上包括6 个阶段:(1) 电路原理图的绘制:利用PSpice 的前端模块Capture可以顺利地完成电路原理图的绘制,其中要注意的最主要事项是优化参数符号OPTPARAM 的选取,其用于设置电路优化设计过程中需要调整的元器件的名称和有关参数值;(2) 电路基本性能分析: 通过PSpice 对电路进行相应的基本特性分析,使电路能正常地工作,并使电路基本满足设计的功能要求;(3) 电路的参数扫描分析:通过PSpice 对电路进行参数

6、扫描分析,确定需要优化参数的初始值,使电路基本满足设计的性能指标要求;(4) 优化指标的设置:在电路基本满足设计的功能和性能指标要求后。设置可调整的元器件参数、待优化的目标参数和相应的约束条件等与最优化设计有关的参数。此过程是整个优化设计的关键,参数设置是否合适决定了最大迭代次数和仿真分析的次数,也决定了最终能否达到满意的优化结果;(5) 运行优化程序:将电路性能参数的最终优化值、元器件参数的最终优化设计值、优化结果的均方根误差、最大迭代次数和仿真分析次数以图表的方式显示出来;(6) 最优化结果分析:将最优化设计的输出结果与设计性能指标相比较,看是否达到优化的效果。如果满足最优化设计的要求,选

7、择Update Schematic 子命令可以用元器件参数的最终优化设计值自动更新原理图中相应的元器件参数,从而完成整个电路的最优化设计。4 PSpice 最优化设计的应用用PSpice 对电路进行优化设计,先对待调整元器件进行参数扫描分析,由此确定基本满足电路性能指标的元器件参数值,再对电路进行优化设计,可以提高电路最优化的效率和准确性。以下对如图2 所示的有源带通滤波器电路进行最优化设计。 图2 带通滤波器电路需要优化设计的有源带通滤波器的性能指标如表1 所示。 由电子电路的理论分析可知,通过调整有源带通滤波器电路中的3 个电位器Rfc、Rbw 和Rgain 的滑动触点可以改变电位器SET

8、 参数值的大小和方向,从而使中心频率、带宽和增益满足最优化设计指标的要求。(1) 绘制电路原理图:按要求将电路中元器件的属性编辑好,其中电位器的属性参数SET ,用于指定滑动触点的位置,其取值范围为01 ,它也正是电路优化设计所需要调整的参数,其初始值为0. 5 (即滑动触点位于电位器的中心) 。(2) 电路的参数扫描分析: 将基本特性分析类型设置为交流分析, 扫描方式为十倍频, 起始频率60Hz , 终止频率200Hz ,扫描记录点数为500 ,在参数扫描分析中,将R1 设置为全局变量,扫描类型为线性,扫描起始值10k ,终止值20k ,增值步长5k ,在Probe 波形显示窗口调用增益V

9、(out) / V (in)波形,参数扫描分析的仿真结果如图3 所示。 图3 R1的参数扫描分析从图中可以初步确定能满足带通滤波器的增益Gain2的R1 的电阻值约为15k左右。用同样的方法,分别将R3 和R5 作为全局变量进行参数扫描分析,从仿真结果波形图中可以初步确定能满足带通滤波器的中心频率Fc100Hz 的R3 的电阻值约为150 ,满足带通滤波器的3db 带宽Bw 10Hz 的R5 的电阻值约为40k。经过参数扫描分析后,电路的性能指标得到一定的改善,基本满足设计的功能要求。如果要使电路设计最优化,完全满足设计的性能指标,还需要经过PSpice 的最优化设计。(3) 待优化调整参数的设置: 将电路中的3 个电位器设置成待调整的参数,将其SET 属性参数分别修改为RFc、RBw 和RGain ,并在相应的优化参数对话框中设置初始值为0. 5 ,当前值为0. 5 ,容差值为10 %,下限值为0. 1 ,上限值为1。(4) 优化指标的设置:根据设计要求,带通滤波器电路有3个优化指标,即中心频率Fc、3db 带宽Bw 和增益Gain。在优化指标设置对话框中完成相应的主要参数的设置,如表2所示。 (5) 运行优化程序:执行Tune/ Auto/ Start 优化设计运行子命令,