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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/PSpice9.2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
2、正确性和完整性十分麻烦。最新版PSpice9.2作为PC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
3、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,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
4、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
5、,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
6、,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
7、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,选择UpdateSchematic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
8、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
