Установка параметров изображения
Редактирование параметров компонентов
DC Sweep – вариация параметров при расчёте режима по постоянному току
Transient – расчёт переходных процессов
Monte Carlo – вероятностный анализ
Конфигурирование программы Probe
Электронный курсор
Моделирование схемы по переменному току (AC Sweep)
Навигация
Monte Carlo – вероятностный анализ
Визуальное моделирование электронных схем
60447
знаков
0
таблиц
45
изображений
2.1.8 Monte Carlo – вероятностный анализ
Вероятностный анализ по методу Монте-Карло – это своего рода «высший пилотаж» схемотехнического моделирования. Возможно, для предлагаемого изучения элементарных схемотехнических «кирпичиков» такой вид анализа может и не потребоваться. Однако зачастую искусство проектирования радиоэлектронных схем как раз и заключается в умении создать такую схему, которая будет функционировать не только в лабораторных условиях, со специально подобранными вручную компонентами, но и в условиях серийного или мелкосерийного производства со случайным разбросом параметров компонентов.
До сих пор в процессе моделирования мы исходили из того, что компоненты проектируемых схем действительно имеют те значения, которые установлены индикатором значения: то есть если рядом с резистором стоит индикатор 1k, на самом деле резистор имеет сопротивление в 1k. Однако это предположение далеко от истины: все компоненты, используемые в электронных схемах, имеют допуски на номинальное значение.
Программа PSpice позволяет присваивать допуски параметров компонентов. Тогда в ходе одного анализа Монте-Карло одна и та же схема может моделироваться («прогоняться») до двадцати тысяч раз: каждый раз с новым набором параметров, заданных по принципу случайной выборки. Затем отдельные результаты оцениваются программой по тем критериям, которые заранее оговорены во время предварительной установки анализа.
Программа PSpice позволяет проводить анализ Монте-Карло в сочетании с анализами DC Sweep, AC Sweep и Transient. В ходе моделирования первый прогон анализа Монте-Карло всегда является «номинальным», то есть при этом все компоненты имеют свои номинальные значения.
Разброс значений компонентов может быть задан пользователем как выбором функции распределения, так и диапазоном разброса. Так, по умолчанию программа PSpice предлагает равномерное распределение (опция Uniform) в рамках заданного диапазона допуска. Возможно также и Гауссово распределение (опция Gaussian) или любое другое, определяемое пользователем (опция User Defined). Это предоставляет широчайшие возможности профессиональным разработчикам, занимающимся проектированием схем для массового производства. Однако здесь мы ограничимся только равномерным распределением параметров разброса, уже установленного в программе PSpice по умолчанию.
В качестве примера исследуем с помощью вероятностного анализа схему активного фильтра на операционных усилителях типа μA741 с высокой крутизной фронта амплитудно-частотной характеристики (рис. 16). Такие схемы чрезвычайно чувствительны к разбросам параметров резисторов и конденсаторов.
Рис. 16 - Схема активного полосового фильтра на операционных усилителях
На рисунке 17 приведена частотная характеристика активного полосового фильтра. Эта частотная характеристика имеет такие крутые фронты, что даже неискушённому схемотехнику придётся задаться вопросом: а сохранит ли эта схема свои качества даже при небольших разбросах параметров компонентов?
Рис. 17 - Частотная характеристика активного полосового фильтра
Чтобы провести анализ Монте-Карло, необходимо проделать следующие шаги. Всем резисторам в схеме зададим 1 % допуска, а конденсаторам – 2 %. Для этого можно было бы, войдя в таблицу атрибутов каждого элемента, задать параметр Tolerance 1 % или 2 % соответственно. Однако программа PSpice предоставляет другую возможность задать допуски.
Вначале необходимо выделить все резисторы, поочерёдно щёлкая по ним правой клавишей мышки, удерживая при этом клавишу Shift.
Далее в меню Edit необходимо выбрать опцию Attributes… В окне, которое затем откроется (рис. 18), необходимо подтвердить своё намерение одновременно изменить атрибуты всех выделенных резисторов (глобально), после чего откроется окно Global Edit Attributes (рис. 18).
Рис. 18 - Окно подтверждения намерения глобально редактировать атрибуты
Узнать, какие атрибуты являются общими для всех выделенных резисторов, можно, щёлкнув по кнопке Browse… и открыв окно Select Attribute (рис. 19).
Рис. 19 - Окно для одновременного редактирования нескольких атрибутов
Отметив строку Tolerance= (Допуск), необходимо подтвердить свой выбор щелчком по кнопке OK, после чего снова откроется окно Global Edit Attributes. В поле Value вводится требуемое значение допуска, в данном случае 1 %, и ввод подтверждается щелчком по кнопке OK (рис. 20, 21).
Рис. 20 - Окно с указанием доступных для одновременного изменения атрибутов
Рис. 21 - Окно Global Edit Attributes с установленными для всех резисторов допусками в размере 1 %
Аналогично задаются допуски в 2 % и для всех конденсаторов.
Теперь можно приступать собственно к анализу Монте-Карло. Для этого нужно открыть окно Analysis Setup, установить флажок рядом с кнопкой Monte Carlo/Worst Case… (анализ Монте-Карло/Наихудшего случая) и щёлкнуть по ней. Откроется окно Monte Carlo or Worst Case с установками для проведения анализа Монте-Карло (рис. 22).
Предварительные установки делаются, как показано на рисунке 22. В ходе моделирования будет проведено десять прогонов анализа Монте-Карло (опция MC Run) на основе анализа AC Sweep (опция Analysis Type). Все настройки в разделе Function можно оставить без изменения (по умолчанию). Они имеют значение только для выходного файла и в данный момент не представляют интереса.
Рис. 22 - Окно для установки параметров анализа Monte Carlo or Worst Case
В поле Output Var необходимо указать, какую величину следует понимать как выход. В списке MC Options выберем опцию All; в этом случае как в PROBE, так и в выходном файле будут представлены результаты всех прогонов.
Убедитесь, что все предварительные установки сделаны так, как вы хотели, и подтвердите выполненные настройки щелчком по кнопке OK, а затем запустите процесс моделирования. После того как программа завершит вычисления, откроется окно Available Sections, в котором можно выбрать для отображения на экране постпроцессора PROBE интересующие прогоны анализа Монте-Карло. Если требуются все имеющиеся данные, нужно нажать кнопку OK.
Теперь на экран может быть выведена частотная характеристика выходного напряжения полосового активного фильтра для всех десяти прогонов анализа Монте-Карло (рис. 23).
Представленные графики показывают, что фильтр не теряет работоспособность, однако его частотная характеристика претерпевает некоторые изменения.
Наряду с анализом Монте-Карло в программе PROBE можно выполнить стохастический анализ: на экране будет показано статистическое распределение величин, которые извлекаются из каждого отдельного прогона Монте-Карло с помощью целевых функций.
Рис. 23 - Поведение частотной характеристики активного полосового фильтра в ходе анализа Монте-Карло
В качестве примера изобразим в виде гистограммы статистическое распределение ширины полосы пропускания активного фильтра на уровне -3 дБ десяти полученных выше кривых (рис. 23).
В этом случае необходимо действовать следующим образом.
Необходимо удалить с экрана PROBE все графики, затем активизировать опцию Performance Analysis через меню Trace. Далее необходимо открыть окно Add Traces и отправить в строку Trace Expression целевую функцию Bandwith (1, db_level), а в скобках ввести Bandwith (V(2), 3). После щелчка по кнопке OK на экране постпроцессора PROBE создаётся гистограмма, подобная изображённой на рисунке 24 (с другими статистическими данными, соответствующими вашему моделированию, гистограмма будет выглядеть иначе).
Разумеется, ожидать подробную статистику после 10 прогонов нельзя, но теперь число прогонов можно увеличить до 399, чтобы создать более совершенную гистограмму. Чем больше прогонов будет сделано, тем тоньше будут столбцы и тем больше их будет отображено. Число столбцов можно установить, выбрав в PROBE в меню Tools/Options строку Number of Histogram Divisions (количество столбцов гистограммы). Если установить количество столбцов гистограммы 30 при 399 прогонах, гистограмма будет выглядеть, как представлено на рисунке 25.
Рис. 24 - Гистограмма статистического распределения полос частот на уровне -3 дБ при 10 прогонах
Отметим, что показать здесь использование всех целевых функций не представляется возможным. В то же время в постпроцессоре PROBE можно ознакомиться с назначением всех целевых функций и правилом их описания по процедуре Trace/Goal Function – выбор функции – View (рис. 26).
Рис. 25 - Гистограмма статистического распределения полос частот на уровне -3 дБ при 399 прогонах
Рис. 26 - Окно описания целевых функций
Приведём ещё небольшой пример того, как можно изменять параметры компонентов, если они недоступны через меню атрибутов (как это можно было сделать с резисторами и конденсаторами). Рассмотрим схему простейшего усилителя (рис. 27), у которого роль цепи смещения выполняет источник сигнала V1.
Рис. 27 - Схема простейшего усилителя на одиночном транзисторе
Сначала, как и в предыдущих случаях, необходимо маркировать транзистор (чтобы он окрасился в другой, чаще всего красный цвет), затем открыть меню Edit и выбрать в нём строку Model… Откроется окно Edit Model, где нужно щёлкнуть по кнопке Edit Instance Model (Text)… (Редактировать модель образца…). Откроется редактор моделей с параметрами транзистора. Рядом с параметром Bf (усиление тока) следует в качестве дополнения ввести допуск Dev=50 % (рис. 28).
Рис. 28 - Редактор моделей с TN15; усиление тока базы имеет разброс 50 %
Программа автоматически присваивает этой модели новое имя – (TN15-Х). Созданная модель действительна только для данной схемы. Она сохраняется в той же директории, что и рисунок, только с расширением файла.lib. Новую модель можно присвоить и другим транзисторам схемы. Для этого нужно выделить изменяемый компонент, затем открыть окно Edit Model и щёлкнуть в нём по кнопке Change Model Reference… (Изменить название модели…). В открывшемся окне можно изменить имя модели на редактированное. Такой способ позволяет создавать локальные модели, не трогая основную текстовую библиотеку моделей.
Анализ коэффициента усиления по напряжению транзисторного каскада при изменении коэффициента усиления тока базы на 50 % приведён на рисунке 29. Коэффициент усиления на частоте 10 кГц при номинальном значении коэффициента усиления тока базы составляет 9,23.
Рис. 29 - Частотная характеристика усилителя на одиночном транзисторе
Обратите внимание: построение, например, частотной характеристики целесообразно проводить при небольшом числе прогонов, например Далее, после построения гистограммы по выбранной целевой функции при числе прогонов 10 и числе столбцов гистограммы тоже 10, целесообразно увеличить число прогонов анализа Монте-Карло вплоть до 399 и довести число столбцов до 30-40. В этом случае время, необходимое для выполнения анализа, и объём выходного файла будут приемлемыми.
Гистограмма, построенная с помощью целевой функции, показывающей распределение коэффициента усиления по напряжению исследуемой схемы на частоте 10 кГц, приведена на рисунке 30.
Рис. 30 - Гистограмма статистического распределения коэффициента усиления по напряжению при вариации коэффициента усиления по току транзистора
Как показывает гистограмма, коэффициент усиления по напряжению меняется от 9,01 до 9,3, что вполне закономерно, так как через эмиттерный резистор осуществляется достаточно глубокая отрицательная обратная связь, стабилизирующая коэффициент усиления по напряжению.
Если в окне Monte Carlo or Worst Case отметить опцию List, то в выходном файле будет содержаться подробная информация, например, о вкладе отдельных компонентов схемы в общую чувствительность схемы к допускам компонентов. Сведения такого рода могут оказаться незаменимыми, если проектировщик с наименьшими затратами пытается устранить излишнюю чувствительность схемы.
3. Запуск программы PSpice
После создания чертежа схемы, подключения источников стимулирующих сигналов и составления задания на моделирование необходимо осуществить подготовку к запуску программы PSpice. Для этого нужно выполнить следующие процедуры.
Похожие работы
... комплекса является задание на дипломную работу утвержденное приказом по академии № 07-17 от 07.02.2003 года. Наименование организации: ДГМА. Тема разработки: "Моделирование тепловых процессов при наплавке порошковой проволокой". Специальная часть: "Программно-методический комплекс для расчета температурного поля вылета порошковой проволоки". Назначение разработки Функциональное назначение ...
... входит в электронное образовательное пространство учителя»?(Рис.1) Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо определить: «что же такое цифровой образовательный ресурс?» Место ЦОР в электронном образовательном пространстве учителя Определения ЦОРов В настоящее время существует множество определений понятия цифровых образовательных ресурсов, попробуем рассмотреть некоторые из них. ...
аучного цикла является отсутствие возможности реальной постановки учебного, и лабораторного эксперимента. Хотя в настоящее время имеются разработки виртуальных лабораторных практикумов, однако окончательно решение проблемы требует пристального внимания специалистов различных профилей, в том числе и психолого-педагогического. 1.2 Роль технологии виртуальных приборов обучения в техническом вузе ...
... по созданию электронных образовательных ресурсов остается актуальной. Выводы по главе Данная глава дипломной работы посвящена постановке задачи автоматизации и анализу предметной области системы учета работ по созданию электронных образовательных ресурсов, а также описанию предприятия, на примере которого будет продемонстрирована работоспособность и эффективность разрабатываемого приложения ...
0 комментариев