瞬态分析与仿真设置详解

第七章 瞬态分析

章节概述

瞬态分析用于计算电路在用户定义的一段时间内的响应。瞬态分析的精度取决于内部时间步长的大小，这些时间步长共同构成了完整的仿真时间，即运行至时间或停止时间。然而，如第2章所述，在时间t＝0 s时，首先执行直流偏置点分析，以确定电路的起始直流工作点。然后时间递增一个预设的时间步长，并基于时间t＝0时初始计算的值来计算节点电压和电流。对于每个时间步长，都会计算节点电压和电流，并与前一个时间步长的直流解进行比较。只有当两个直流解之间的差值在指定的容差（精度）范围内时，分析才会进入下一个内部时间步长。时间步长会动态调整，直到找到满足容差要求的解为止。

例如，对于缓慢变化的信号，时间步长会增加，而不会显著降低计算精度；而对于快速变化的信号（如具有快速上升沿的脉冲波形），时间步长将减小以提供所需的精度。最大内部时间步长的值可由用户定义。

如果未找到解，则表示分析未能收敛到解，并将如此报告。这些收敛问题及其解决方案将在第8章中更详细地讨论。

有些电路无法找到直流解，例如振荡器电路。对于这类电路，可以在仿真配置文件中设置跳过初始的直流偏置点分析。如果在电路中添加了初始条件，则瞬态分析将使用该初始条件作为起始的直流偏置点。

7.1 仿真设置

图7.1 显示了用于瞬态（时域）分析的PSpice仿真配置文件。在此示例中，仿真时间已设置为 5 μs。“开始保存数据后：”指定了开始收集数据以在探针中绘制相应波形的时间，从而减小数据文件的大小。

最大步长 ：定义最大内部步长，该值取决于指定的运行至时间，通常设置为运行至时间除以50。

跳过初始瞬态偏置点计算 将禁用瞬态分析中的偏置点计算。

7.2 调度

调度允许您在瞬态分析期间动态更改仿真设置；例如，您可能希望在需要更高精度的时段使用较小的步长，并在活动较少的时段放宽精度要求。调度还可应用于仿真设置中的运行时参数，包括PSpice >仿真配置文件>选项中的 RELTOL、ABSTOL、VNTOL、GMIN和ITL。您可以用调度命令替换参数值，该命令定义如下：

{SCHEDULE(t1,v1,t2,v2...tn,tn)}

注意，t1 始终从 0 开始。

例如，在活动较少的时段，通过每毫秒指定一次精度变化，将仿真的相对精度从 0.001% 降低到 0.1%，RELTOL，可能会更高效。格式将定义为：

{schedule(0,0, 1m,0.1, 2m,0.001, 3m,0.1, 4m,0.001)}

仿真设置将在第8章中更详细地讨论。

7.3 检查点

检查点在版本16.2中引入，可让您有效标记并保存瞬态仿真在检查点处的状态，并能从定义的检查点重新启动瞬态仿真。这使得您能够分段运行仿真。当出现收敛问题时，此功能非常有用，因为您可以从时间上标记在仿真错误之前的定义的检查点处重新运行仿真，而无需从头开始整个仿真。

检查点仅适用于瞬态仿真，并在分析>选项框中（图7.2）选择保存检查点和重启仿真。通过指定检查点之间的时间间隔来定义检查点。仿真时间间隔以秒为单位，实际时间间隔以分钟（默认）或小时为单位。时间点是创建检查点的具体时刻。

在从保存的检查点重启仿真之前，您可以更改元件值、参数值、仿真设置选项、检查点重启和数据保存选项。图7.3显示了已选择的重启仿真选项。

已 saved 的检查点数据被设置为以秒为单位的仿真时间，因此“从…重启”显示为4ms，这是在已保存的检查点数据文件中指定的。仿真将从4ms开始，使用瞬态仿真的已保存状态。

7.4 使用文本文件定义时间‐电压刺激

分段线性刺激在第6章中已介绍过，其中使用图形绘制的电压波形作为电路的输入波形。输入波形也可以通过时间‐电压坐标对来定义，这些坐标对可以在属性编辑器中输入，或从外部文本文件中读取。

图7.4 显示了VPWL电压源和IPWL电流源，以及在属性编辑器中对应的时间和电压属性（图7.5）。默认情况下，VPWL和IPWL元件在属性编辑器中显示八个时间‐电压对，但如 图7.5所示，已添加了更多时间‐电压对。在文本文件中定义大量时间‐电压对更加高效且简便。

图7.6 显示了引用文本文件的VPWL_文件，该文本文件包含如图7.7所示的时间‐电压对。例如，在1毫秒时电压为0.2055伏特，在2 毫秒 0.3273V，依此类推。最好将第一行设为注释，因为 PSpice 通常会忽略第一行。

当引用像 Vin.txt 这样的文本文件时，需要指定该文本文件的位置。您可以使用绝对寻址来指定文件的直接路径，或使用相对寻址来指定相对于项目位置的路径。图7.8显示了一个项目的层次结构，展示了 Vin.txt 文件可以放置的不同文件夹，以及在 VPWL<文件>上引用 Vin.txt 时对应的_文件名。

例如，如果将 Vin.txt 文件放在与原理图相同的文件夹中，则可以在 VPWL FILE 的 属性中输入 ..\Vin.txt。

项目文件夹 >PSpiceFiles >原理图 >仿真配置文件
..\..\Vin.txt ..\Vin.txt Vin.txt

您还可以提供文本文件的绝对路径。例如，如果有一个名为 stimulus 的文件夹，则输入 C:\stimulus\Vin.txt。

在源库中还有其他VPWL和IPWL元件，可让您创建周期性的VPWL信号，以执行若干个周期或无限重复。这些元件如下所示：

• VPWL F RE FOREVER__ _
• VPWL F RE NTIMES__ __
• VPWL RE FOREVER_ _
• VPWL RE N TIMES_ __
• IPWL F RE FOREVER__ _
• IPWL F RE N TIMES__ __
• IPWL RE FOREVER_ _
• IPWL RE N TIMES_ __

上述源将在练习中介绍。

7.5 练习

练习1

本练习将演示最大时间步长对仿真分辨率的影响，并介绍调度命令的使用。

1. 绘制 图7.9 中的电路，该电路由来自 source库的正弦电压源与一个负载电阻 R1 相连组成。
2. 创建一个名为 transient的PSpice仿真配置文件，选择 分析类型： 为时域（瞬态） ，并设置 运行至时间 为10ms，这将显示正弦波的10个周期（图7.10）。
3. 在节点“out”上放置一个电压标记并运行仿真。你应该看到如图7.11所示的结果波形，其分辨率不足。
4. 在Probe中选择工具>选项，然后勾选标记数据点或单击图标。你将看到构成正弦波的数据点。

5. 在仿真配置文件中，设置一个调度命令以在指定时间点减小时间步长。您可以在“最大步长”框中输入调度命令，但由于该输入框较小，建议在记事本等文本编辑器中输入调度命令，然后将以下命令剪切并粘贴到该框中：

{schedule(0,0, 2m,0.05m, 4m,0.01m, 6m,0.005m, 8m,0.001m)}

运行仿真。由于标记数据点 仍处于开启状态，您应该会看到随着最大步长限制的减小，波形的分辨率得到改善（图7.12）。

练习2

图7.13 显示了一个峰值检测电路，其中输入激励可以是激励编辑器练习中创建的 Vin Sourcstm 源，也可以是包含输入波形时间‐电压定义的文件。将描述这两种实现方式。

1. 创建一个名为峰值检测器的项目，并绘制图7.13中的电路。如果使用演示光盘，请使用uA741运算放大器。
2. 将原理图1文件夹重命名为峰值检测器。
3. 你需要通过使用特殊库中的IC1元件在电容器C1上设置初始条件（IC）。这确保了在时间 t＝0 时，电容器上的电压为 0 V。

或者，您可以双击电容器C1，在属性编辑器中将IC属性值设置为0（图 7.14）。这可确保在t ＝ 0时刻，电容器上的电压为0 V。如果您更改电容器，则必须记得设置初始条件，而IC1元件在原理图上始终可见。

4. 创建一个仿真配置文件，确保将其命名为瞬态，并将运行至时间设置为10毫秒。关闭仿真配置文件。

在激励编辑器中使用图形生成的波形

5. 对于输入激励，使用第6章中预定义的Vin源stm，在第6章中编辑仿真配置文件并选择配置文件选项卡，将类别 设置为激励，然后单击浏览 找到 stimulus.stl文件所在位置。单击添加到设计 ，如图7.15所示。在第6章中已对添加到仿真配置文件中的激励文件进行了说明。

6. 通过选中激励名称并点击编辑来检查激励。这将启动激励编辑器并显示Vin波形。关闭仿真配置文件。

7. 转到步骤12。

使用包含描述输入波形的时间‐电压数据的文件

8. 在记事本等文本编辑器中输入图7.16 中的时间‐电压数据点。默认情况下，仿真器会忽略第一行，因此不要在第一行输入数据。但是，使用星号 ∗字符在数据文件中添加描述或注释始终是一个好习惯，例如说明数据的内容。仿真器将忽略以 ∗字符开头的任何行。

* 激励电压源 Vin
0, 0
0.001, 0.2055
0.0015, 0.3109
0.002, 0.3273
0.0025, 0.2345
0.003, 0.1382
0.0035, 0.1564
0.004, 0.2582
0.0045, 0.44
0.005, 0.5182
0.0055, 0.6018
0.006, 0.5527
0.0065, 0.5018
0.007, 0.3727
0.0075, 0.3
0.008, 0.3564
0.0085, 0.5109
0.009, 0.6673
0.0095, 0.6782
0.01, 0.6291

将文件命名为 Vin，并将该文件作为文本文件保存到项目的 PSpice文件夹中，峰值检测器 > peakdetector-PSpiceFiles(图7.17)。确保该文件已使用 .txt扩展名 保存为 Vin.txt。

9. 从源库中放置一个 VPWL_文件，并将FILE>重命名为图7.18 中所示的 ....\Vin.txt

10. 你的峰值检测电路将如图7.19所示。

11. 转到步骤12。

12. 在节点in和 OUT 上放置电压标记并运行仿真。图7.20 显示了峰值检测器对输入电压Vin的仿真响应。

生成周期性的Vin

13. 删除 VPWL_FILE 源，并从源库中替换为一个 VPWL_F_RE_FOREVER。双击 < FILE>，按照第9步的操作，输入 ....\Vin.txt

14. 编辑 PSpice 仿真配置文件，将仿真运行至时间增加到 50毫秒，然后运行仿真。你应该会看到如 图7.21 所示的响应，其中 Vin现在是周期性的（永久重复）。

15. 研究 VPWL_F_RE_N_TIMES 源。