电路的容差分析仿真及在电路设计中的应用
以实例说明进行电路仿真的详细步骤及注意事项
以实例说明进行电路仿真的详细步骤及注意事项电路仿真是通过计算机模拟电路的性能和行为的过程。
它是电路设计和分析的重要工具，可以帮助工程师验证电路的可靠性、提高设计效率、减少开发成本。
以下是进行电路仿真的详细步骤及注意事项：1.问题定义：明确需要解决的问题或评估的电路行为。
例如，验证电路的稳定性、计算电路的频率响应等。
2. 电路设计：根据问题定义，设计电路图。
可以使用电路设计软件如OrCAD、Altium Designer等进行电路图的绘制。
3.元器件选择：根据电路的参数要求选择适合的元器件。
注意选择元器件时要考虑其性能指标、容差范围等因素。
4.参数设定：为电路中的元器件设置合适的参数。
例如，电阻的阻值、电容的容值等。
5.仿真设置：将电路图导入到仿真软件中，并设置仿真的参数。
例如，仿真的时间范围、采样率等。
6.仿真运行：运行仿真程序，观察电路的响应情况。
仿真软件会根据电路图和设置的参数计算出电路在不同时间点的电压、电流等值。
7.结果分析：根据仿真结果进行分析。
可以比较仿真结果与预期设计目标的差异，评估电路的性能。
8.优化设计：根据仿真分析的结果，对电路进行优化设计。
可以尝试调整元器件的参数、改变电路拓扑等来提升电路性能。
9.进一步验证：进行进一步的仿真验证，以确认电路的改进。
10.实验验证：如果需要，可以将设计出的电路进行实际测试，验证仿真结果的准确性。
在进行电路仿真时，还需要注意以下几个方面：1.确保电路图的正确性：在进行仿真前，仔细检查电路图的连线和元器件的值是否正确，以避免仿真结果不准确。
2.合理设置仿真参数：根据具体的仿真需求，设置仿真的时间范围和采样率等参数。
时间范围要足够覆盖需要分析的电路行为，采样率要足够高以保证仿真结果的准确性。
3.注意元器件的模型选择：在进行仿真时，需要为元器件选择合适的模型。
一些元器件的仿真模型可能会影响到仿真结果的准确性。
4.增加适当的边界条件：在仿真电路时，需要考虑电路与外部环境的交互作用。
Saber容差分析模型使用说明
Saber容差分析模型使⽤说明Saber 容差分析模型使⽤说明⼀、副边电流采样过流保护容差分析 1、仿真电路图：2、电路图原理：如上图所⽰s I 为变换器输出电流（即容差分析对象）；s R 为输出电流检测电阻；1T 是电压控制电流源；1U ，2U 为运放；ref V 为基准电压（如TL431等）。
电路模型建⽴的思路是----对电路进⾏瞬态分析，分析结果能够得出⼀个稳态的s I ，使得a 点的电压与ref V 基准电压相等。
这样即可保证s I 是变换器的过流保护点。
然后再进⾏montecarlo 分析，得到容差分布图和CPK 值。
3、容差分析变量：容差分析变量即使⽤模型时需要设定偏差范围的器件参数。
即实际电路中影响精度（如过流保护点精度）的器件（如采样电阻，基准）。
使⽤时可根据实际需要进⾏更改。
1）电流检测电阻s R2）差分放⼤倍数2R 、3R 、4R 3）电压基准ref V4、仿真结果：如图所⽰，Lower:26为规格书过流点指标下限； Upper:37为规格书过流点指标上限；Cpk:1.3059为软件⾃动计算出的Cpk 值。
⼆、过压保护容差分析 1、仿真电路图：2、电路图原理：如上图所⽰out V 为变换器输出电压（即容差分析对象）；1R 、2R 为输出电压检测电阻；1T 是电压控制电压源；1U 为运放；ref V 为基准电压（如TL431等）。
电路模型建⽴的思路是----对电路进⾏瞬态分析，分析结果能够得出⼀个稳态的out V ，使得a 点的电压与ref V 基准电压相等。
这样即可保证out V 是变换器的过流保护点。
然后再进⾏montecarlo 分析，得到容差分布图和CPK 值。
3、容差分析变量：容差分析变量即使⽤模型时需要设定偏差范围的器件参数。
即实际电路中影响精度（如过压保护点精度）的器件（如采样电阻，基准）。
使⽤时可根据实际需要进⾏更改。
1）电压检测分压电阻1R、2RV2）电压基准ref4、仿真结果：如图所⽰，Lower:2.37为规格书过流点指标下限；Upper:2.48为规格书过流点指标上限；Cpk:1. 2064为软件⾃动计算出的Cpk值。
电路容差分析的计算机仿真方法
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电路容差分析的计算机仿真方法
范爱平
（山东大学自动化系， 济南
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摘要： 计算机仿真是电路容差分析的一种有效、 可靠、 快捷的方法。举例说明用电路分析软件 （C&04/ ;24- <72’D414） 和蒙托卡诺分析 （3&7/- ;20’& ） 的具 :0;<= > ?@A1.- B 进行最坏情况分析 体方法和步骤。 关键词： 容差分析； 计算机仿真； E&04/ .24-； 6&7/- .20’& 中图分类号： F?!B+(B 文献标识码： G 文章编号： （*$$+） +$$+H+!B$ +$H$$*IH$#
了解电路中的电路仿真与优化
了解电路中的电路仿真与优化电路仿真是电路设计和分析中不可或缺的重要工具。
通过仿真，工程师可以在电路实际建造之前，使用计算机模拟出电路的行为和性能。
这种虚拟的实验让工程师能够更好地了解电路的特性，优化电路设计，提高电路的性能。
在电路仿真中，工程师使用电路仿真软件，将电路的原理图输入到计算机中。
仿真软件会根据输入的电路信息，利用数学模型和电路分析方法，计算出电路中各元器件的电压、电流和功率等参数。
通过这些计算结果，工程师可以了解电路的工作状态和性能。
电路仿真软件通常还可以模拟不同工况下的电路行为。
工程师可以改变电路中的参数，如电源电压、电阻值等，然后运行仿真来观察电路的响应。
这种能够模拟不同条件的仿真，有助于工程师设计出适应各种工况的电路。
比如，当电源电压变化时，工程师可以通过仿真来预测电路的响应，从而优化电路设计。
电路仿真还可以用于验证电路设计的正确性。
在设计复杂电路时，往往会存在错误或潜在问题。
通过进行仿真分析，工程师可以发现这些问题并进行修正，从而避免在实际建造电路之前出现问题。
这种验收电路设计准确性的方法，可以大大节省时间和成本。
除了电路仿真，工程师还可以使用优化算法来改善电路设计。
优化算法可以自动搜索电路参数的最优解，以满足设计需求。
例如，在设计放大器时，工程师可以使用优化算法来寻找最佳的电阻、电容和电感值，以获得最大的增益和带宽。
优化算法可以通过迭代计算，不断优化电路设计。
工程师可以设置设计目标和约束条件，优化算法会在这些限制下搜索解空间，找到最佳的电路参数组合。
这种基于计算机的自动优化方法，大大提高了电路设计的效率和精度。
电路仿真和优化在电路设计中的应用非常广泛。
无论是在电子产品开发、电力系统设计还是通信网络优化中，电路仿真和优化都发挥着重要的作用。
通过仿真，工程师可以在实际建造之前评估和改进电路设计。
而通过优化，工程师可以寻找最佳解决方案，以满足设计需求。
总之，了解电路中的电路仿真和优化对于电路设计工程师来说是至关重要的。
容差容错分析
带通滤波器电路的主要设计参数表
序号 1 2 3 4 5
参数名称 电阻1 电阻2 电阻3 电容1 电容2
参数标识 R1 R2 R3 C1 C2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
标称值 16.4KΩ
218Ω 1KΩ 0.47uF 0.47uF
偏差范围/% 5 5 5 5 5
技术要求：
30℃的条件下，中心频率范围在320Hz~380Hz之内， 幅值在20mv~40mv之间
26
容差分析示例
举例：带通滤波器电路
VCC
VEE
VCC
V+ 4
U1A
3+
LM124/TEM P
V1
V2
15V
- 15V
0
1 OUT
out
2-
11 V-
VEE
R1 16.4k
0 C1
R3 1k
V3 1Vac
R2 0.47uF
C2
218
0
0
0.47uF
2020/3/14
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容差分析示例
举例：带通滤波器电路
容差分析工具——OrCAD
OrCAD/PSPICE 容差分析相关功能
系统 功能 建模
和 分析
参数 偏差 容差 分析
环境 温度 变化 容差 分析
退化 效应 容差 分析
最坏 情况 分析
蒙特 卡罗 分析
温度 分析
参数 分析
优化 工具 分析
OrCAD/PsPice 是一款出色的 EDA仿真软件， 它以功能强大、 计算准确高效、 开放程度高等优 势占据全世界仿 真市场40%以上 的市场份额。
2020/3/14
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容差分析流程
容差分析
6.电路容差分析方法
在工程中常用的容差分析方法包括阶矩法、最坏情况分析 法、仿真法等。 6.1.阶矩法 阶矩法是一种概率统计方法。该方法根据电路组成部分参 数的均值和方差，求出电路性能参数的均值和方差。 （1）计算模型 该方法需要建立电路组成部分参数和电路输出参数之间的 数学模型，根据数学模型推导出电路组成部分参数均值与方 差和电路输出参数均值与方差之间关系式，并据此进行偏差 计算。 电路性能参数(特征值)Y可以表示为电路组成部分参数 ( X ,, X )的函数： Y f ( X 1 , , X n ) （1） 假设参数 X ( 1 i n )的取值具有统计特性，存在着均值和方差。 同理，性能参数Y也具有统计特性，存在着均值和方差。根据 泰勒级数公式，以标称值为中心将式（1）展开，去掉高阶项 后得到如下的性能参数均值近似计算公式： m y f (m1 , , mn ) （2） m 式中： ——电路性能参数Y的均值； m , , m ——电路组成部分参数的均值。
Multisim14电子系统仿真与设计第8章 Multisim14的仿真分析方法
仿真结果显示：结点1和3的静态工作点电 压分别为705.68644mV和3.03713V，即静态 时晶体管的集电极电压UCE≈3V、发射极电压 UBE≈0.7V，故放大电路工作在放大状态。
需要注意的是，在做电路仿真分析时，若打开的电路图中未显示结点标号， 可先通过Properties命令或Sheet Properties命令，在Sheet visibility选项卡的 Net names栏中，选择Show all，标出电路中待分析的结点号。
完成分析设置后，点击Run可进行仿真分析，结果显示在Grapher View窗口中：
本例选择电阻R1为扫描元件，设置其 扫描开始数值为1kΩ、结束数值为20kΩ、 扫描点数为4。选择扫描分析类型为瞬态分 析，并设置瞬态分析结束时间为0.01秒。从 仿真分析结果可见，R1在1kΩ~20kΩ之间 变化时，放大器的输出波形由饱和失真到 基本不失真。显然，R1=20kΩ比较合适， 此时输出波形基本不失真。
8.1 交互式仿真（Interactive Simulation）
选择交互式仿真后，其对话框会显示3个分析设置选项卡：
分析参数选 项卡(Analysis Parameters )用 于设置仿真的 初始条件、结 束时间和时间 步长等。
8.1 交互式仿真（Interactive Simulation）
8.6 单频交流分析（Single Frequency AC）
单频交流分析能给出电 路在某一频率交流信号激励 下的响应，相当于在交流扫 描分析中固定某一频率时的 响应，分析的结果是输出电 压或电流相量的“幅值/相位” 或“实部/虚部”。
本节仍以单级放大器为例说明单频交流分析的方法和步骤。
仿真电容效应实验报告
一、实验目的1. 理解电容的基本特性及其在电路中的作用。
2. 掌握使用Multisim软件进行电容效应仿真的方法。
3. 分析不同电容参数对电路性能的影响。
4. 验证电容在滤波、耦合和储能等电路中的应用。
二、实验原理电容是一种电子元件，具有储存电荷的能力。
电容在电路中具有以下基本特性：1. 隔直通交：电容对直流电具有隔离作用，对交流电具有导通作用。
2. 充放电：电容在电路中可以充放电，其充放电过程遵循RC时间常数。
3. 滤波：电容可以用于滤波，抑制电路中的高频干扰信号。
4. 耦合：电容可以用于耦合信号，将信号从一个电路传递到另一个电路。
三、实验仪器与软件1. 实验仪器：Multisim软件2. 实验电路：RC滤波电路、RC耦合电路、电容储能电路四、实验步骤1. RC滤波电路仿真(1) 在Multisim软件中搭建RC滤波电路，如图1所示。
(2) 设置输入信号为正弦波，频率分别为100Hz、1kHz、10kHz。
(3) 观察并记录不同频率下输出电压波形。
(4) 分析不同频率下电容对滤波效果的影响。
2. RC耦合电路仿真(1) 在Multisim软件中搭建RC耦合电路，如图2所示。
(2) 设置输入信号为正弦波，频率为1kHz，幅值为1V。
(3) 观察并记录输出电压波形。
(4) 分析电容在耦合信号中的作用。
3. 电容储能电路仿真(1) 在Multisim软件中搭建电容储能电路，如图3所示。
(2) 设置输入信号为正弦波，频率为1kHz，幅值为1V。
(3) 观察并记录输出电压波形。
(4) 分析电容在储能电路中的作用。
五、实验结果与分析1. RC滤波电路(1) 随着输入信号频率的增加，输出电压幅度逐渐减小，说明电容对高频信号具有较好的滤波作用。
(2) 当输入信号频率等于电容的截止频率时，输出电压幅度最小，说明电容在该频率处具有最佳滤波效果。
2. RC耦合电路(1) 输出电压波形与输入电压波形基本一致，说明电容在耦合信号中起到了传递信号的作用。
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电路的容差分析仿真及在电路设计中的应用
【摘要】讨论了电子电路中元器件产生随机误差的原因及其对电路性能的影响，分析了应用PSpice进行电子电路容差分析的原理及其对电子产品的设计和生产的指导作用。
关键词：随机误差，容差分析，PSpice
1引言
众所周知，由于制造工艺和使用条件的原因，任何电子产品都不可避免地会受到随机扰动因素的影响，从而使实际电路中的元器件参数和其标称值之间总是存在随机误差。
这就意味着，实际电子电路中元器件参数的实际数值不一定等于其标称值，而只是其标称值容差范围内的一个随机数值。
而我们在设计电路过程中往往都是采用元器件参数的标称值进行分析和设计，因此，设计的电路和实际生产制造出的电子产品性能之间必然存在着差别。
而且，电子产品在使用的过程中随着使用时间的增加和环境温度的变化，也会使这种差别进一步扩大。
在严重的情况下，这种偏差可能会达到影响电子产品的正常使用的程度，从而造成电子产品的功能失效。
另外，电子元器件的参数容差和电子产品的经济成本直接相关。
通常，元器件的精度越高，其误差范围越小，价格也会越高。
总而言之，电子产品的性能和价格与所采用的元器件的参数容差密切相关，我们在设计电子产品时只有充分考虑这一因素，才能设计出高可靠的，具有竞争力的电子产品。
然而，由于这种误差所服从的是一种概率统计规律，在产品的研制过程中，我们很难通过传统的人工设计方法来全面地考虑元器件参数容差对产品性能的影响。
随着计算机的迅速发展，各种EDA技术也得到了广泛的应用，电路设计者可以应用这些软件对电路进行各种分析，计算和仿真。
不仅能使设计者的设计达到高质量、高可靠性，而且可以降低成本，缩短开发周期。
OrCAD公司的PSpice就是得到广泛应用的一种电路模拟仿真软件，它由于收敛性好，适于做系统及电路级的仿真，又有微机版本，在国内得到了广泛的应用。
对于电路的容差分析，PSpice提供了蒙特卡罗分析和最坏情况分析两种方法来分析电路中元器件参数数值变化对电路性能的影响。
2PSpice的容差分析原理
容差分析就是在给定电路元器件参数容差范围的条件下，计算元器件参数变化对电路性能的影响。
通过容差分析，我们可以发现所设计电路中元器件的容差对性能影响的大小，从而据此来优化我们的设计，将电路的误差控制在可靠的范围内。
容差分析有两种方法：一种是统计的方法。
在很多情况下，我们并不可能确切地知道一批产品中每个元器件参数实际偏离标称值的量，只是知道它们偏离范围
和各个参数的随机分布规律，我们可以利用统计方法，通过已知的元器件参数的随机分布规律去计算电路特性的分布规律。
PSpice中的蒙特卡罗分析（Monte Carlo Analysis）就是这种统计抽样的方法。
第二种方法是以灵敏度为基础的分析方法，利用灵敏度信息解决多个元器件参数变化偏离标称值对电路性能的总影响。
PSpice中的最坏情况分析（Worst－Case Analysis）就是这样一种方法。
·蒙特卡罗分析（Monte Carlo Analysis）：
蒙特卡罗分析是一种统计模拟分析方法。
它是按照元器件的参数容差的所服从的统计分布规律，用一组组伪随机数，求得元器件参数的随机抽样序列，从而在不同的器件参数的随机抽样序列下进行电路特性仿真，并通过多次分析结果的综合统计分析，得到电路特性的分散变化规律，从而可以较好地模拟实际情况。
应用蒙特卡罗分析，可以求出电路性能的均值、最大值、最小值、方差、电路的合格率及电路性能的统计分布直方图等。
·最坏情况分析（Worst－Case Analysis）：
最坏情况是指电路中器件参数在其容差范围内取某种组合时，所引起电路性能的最大偏差，如果我们已知电路中元器件参数的容差而不知其统计分布规律时，可以通过最坏情况分析估算出电路性能的这种最坏偏差。
用数学模型描述如下。
假定电路中器件参数的标称值矢量为：
那么，满足条件：
的器件参数矢量就构成了器件参数空间的容差域，最坏情况分析就是在器件参数满足x∈R T的条件下，求电路性能偏差其标称值的最大量。
最坏情况是一种极端情况，在实际中出现的概率极低。
但是最坏情况的分析结果从一方面反映了电路设计质量的好坏。
如果最坏情况的分析结果都能满足规范要求或与规范要求相差不大，那么，将这种电路设计用于生产中时，成品率一定很高。
3实例分析
以8阶巴特沃斯高通滤波器为例，说明PSpice在实际电路设计的指导作用。
8阶巴特沃斯高通滤波器原理图如图1所示。
所设计的高通滤波器的理想的截止频率为1kHz。
其中：所有电容的容差均为±10％，电阻容差均为±5％，且设元器件参数分布服从正态分布（高斯分布），在Pspice中的蒙特卡罗分析中设置分析次数为10次，设置的仿真温度为＋27℃。
蒙特卡罗分析结果如图2所示，图2即为对该8阶巴特沃斯高通滤波器进行蒙特卡罗分析后，高通滤波器频域分析所输出结果的波形。
由图2所显示的波形中可以看出，当元器件参数值按正态分布规律随机变化时，电路的输出波形的截止频率呈现了一定的分散性，这种情况就是模拟了电路实际制造中的情况，从图中我们可以分析出所采用元器件的容差范围是否满足电路特性的要求。
另外，从仿真结果的报告文件中，我们还可以得到每次分析的截止频率及其相对标称值的偏差。
图3所示为高通滤波器的截止频率分布的直方图。
直方图显示了在元器件容差范围内，一共400批次的电路用蒙特卡罗分析所出波形的截止频率所占的比例，同时在下方还显示了直方图有关信息说明和统计分析结果。
在这些数据中，列出了波形截止频率的最大值、最小值、方差和均值等，如果我们指定电路性能的约束条件，还可以计算出产品的合格率及合格样品的标准偏差。
例如，从图中我们得
到，截止频率主要分布在1．0kHz～1．2kHz范围内，约占80％，中值频率为1087．47Hz，平均值为1102．55Hz等等，从这些数据我们看到，和预想的截止频率基本一致。
图4为最坏情况分析结果的输出波形。
图4中，曲线1是最坏情况时高通滤波器的输出波形曲线，曲线2是元器件参数为标称值的情况下高通滤波器的输出波形。
由波形图可以看出，在最坏情况下，高通滤波器的输出波形在1．3kHz处有一个尖峰（峰值电压达到1．5V），且滤波器的截止频率发生了偏移。
从分析后所产生的报告文件可以看出，在最坏情况下，波形产生了比较大的偏差，是按标称值分析结果的158．94％。
当然，这种情况出现的概率很小，是一种很保守的情况分析。
根据最坏情况分析的结果，我们可以预计分析出所采用的元器件容差是否能够达到产品设计所要求的性能。
如果不能达到，则所设计产品的性能在某种情况有可能会发生漂移故障，我们可以通过采用误差较小的元器件来加以解决。
4结束语
应用PSpice所提供的容差分析，我们可以模拟实际生产中因电路中所用元器件参数的分散性所引起的电路性能的分散性，还可以预见系统是否具有较好的稳定性，从而可以在节省设计时间和设计费用的条件下优化所设计的电路，提高所设计产品的可靠性。