想法簡介

仿真已經(jīng)成為設計過程中的一個重要階段，因為它可以讓工程師在原型設計之前評估和驗證電路行為，防止設計缺陷在設計鏈中層疊，并有助于設計人員在虛擬環(huán)境中提高了電路的性能，無風險。

還有什么比讓電路板商店回歸錯誤設計更令人沮喪的事情嗎？今天許多設計師都面臨著在幾周內(nèi)（如果不是幾天）生產(chǎn)原型的壓力，并且設計迭代的余地有限。幸運的是，最新的設計工具通過提供整體和直觀的電路設計和驗證方法來提高生產(chǎn)率。

許多半導體制造商提供工具來幫助在初始規(guī)范階段設計穩(wěn)健的系統(tǒng)模塊。 Analog Devices，Inc。 （ADI），例如，hasan在線濾波器設計工具（參見參考文獻1），指導用戶完成有源濾波器合成過程以及根據(jù)這些規(guī)范選擇推薦的運算放大器。然后，該工具生成最終設計拓撲，以及物料清單和SPICE網(wǎng)表。在原型設計之前的階段，來自NI（NI）的模擬環(huán)境使用指定部件的宏模型提供進一步的優(yōu)化和驗證（參見參考文獻2）。

在本文中，我們將探討如何進行整體設計這種方法可以加速并改善過濾器設計中經(jīng)常令人生畏的任務 - 這是一系列電子應用中常見的構建模塊。但首先是一些背景知識。

SIM基礎知識

最流行的模擬電路仿真工具是SPICE，它代表集成電路強調(diào)的仿真程序。 SPICE可以追溯到20世紀60年代后期，當時它是在加州大學伯克利分校開發(fā)的。 SPICE已發(fā)展成為模擬電路仿真的行業(yè)標準，并且仍然是世界上使用最廣泛的電路仿真器。多年來，增加了更多的模擬算法，組件模型和擴展。例如，在佐治亞理工學院開發(fā)的XSPICE允許對組件進行行為建模，以加快混合模式和數(shù)字仿真的速度。 NI Multisim ?環(huán)境支持SPICE 3F5和XSPICE仿真。

但是為什么設計師需要模擬仿真？仿真已經(jīng)成為設計過程中必不可少的階段，因為它可以讓工程師在原型設計之前評估和驗證電路行為。仿真可以防止設計缺陷從設計鏈級聯(lián)到制造的電路板，重新設計變得成本更高。此外，通過探索一系列假設情景，設計人員可以在無風險的情況下提高其在虛擬環(huán)境中的電路性能。

使用電路仿真器的主要好處之一是能力模擬模擬真實可訂購零件的宏模型。現(xiàn)代SPICE仿真器也采用越來越多的圖形化方法來處理傳統(tǒng)上基于文本的過程。例如，NI Multisim包含17,500多個組件，其中許多宏模型來自領先的半導體制造商;捕獲電路時自動生成基于文本的SPICE網(wǎng)表，交互式測量儀器（如示波器或函數(shù)發(fā)生器）具有模擬真實臺式電腦的顯示和功能。通過這些圖形擴展，設計人員不再需要具備SPICE語法方面的專業(yè)知識，以充分利用仿真的優(yōu)勢。

仿真和濾波器設計

濾波器無處不在 - 從超聲設備到心臟起搏器，只有特定頻率范圍通過才至關重要。然而，雖然過濾器是電子應用中無處不在的構建塊，但過濾器設計很少被理解并且經(jīng)常是痛苦的。是什么讓它如此復雜？通常，強度不是模擬電路設計的系統(tǒng)設計人員不能很好地理解特定性能所需的濾波器階數(shù)。

濾波器類型有很多變化（例如，Butterworth，Chebyshev和橢圓）針對各種規(guī)格進行了優(yōu)化，例如單調(diào)紋波或過渡區(qū)域寬度。濾波器設計還涉及編寫復雜的數(shù)學方程式，以識別改變?yōu)V波器形狀的極點/零點位置（參見參考文獻3）。另一個問題是理論計算過程中假設的完美組分不存在;例如，電阻器的制造公差會影響預期的電路行為。

過濾器向導等設計工具通過幫助設計人員了解不同拓撲結構之間的差異，以及建議在不同拓撲結構中使用的部件，大大簡化了這一復雜任務。設計，無需復雜的數(shù)學。圖形環(huán)境允許設計人員觀察其電路如何在各種元件公差范圍內(nèi)工作。

驗證巴特沃斯濾波器的設計

在我們的示例中，我們驗證了有源電路的設計過濾。該濾波器采用ADI濾波器向導設計，并采用ADA4000-2雙精度運算放大器，該放大器因其快速壓擺率和容性負載穩(wěn)定性而被選中，因此非常適合濾波器設計。該運算放大器的微微安培偏置電流允許使用高值電阻來構建低頻濾波器，而無需擔心增加直流誤差。此外，R1的高值可最大限度地減少與信號源電阻的相互作用。通過級聯(lián)更多塊可以實現(xiàn)更高階濾波器;然而，對元件值的敏感性以及元件之間相互作用對頻率響應的影響顯著增加，使得這些選擇的吸引力降低。信號相位通過濾波器保持（非反相配置）。

在NI Multisim中捕獲過濾器以進行驗證和進一步分析（參見圖1）。這種低通，四階巴特沃茲濾波器設計具有20 kHz截止頻率和Sallen-Key實現(xiàn)，因為它易于設計，最大平坦的頻率響應和最小的元件要求。巴特沃斯濾波器在通帶和阻帶中是單調(diào)的，并且具有最佳的通帶紋波和寬的過渡區(qū)域（即通帶和阻帶之間的區(qū)域）。它們經(jīng)常在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中用作抗混疊濾波器。在EVAL-FLTR-SO-1RZ和EVAL-FLTR-LD-1RZ濾波器板上使用雙極版Sallen-Key濾波器拓撲結構，可從ADI訂購。該電路板的應用筆記為AN-0991。

設計濾波器時，重要的是要考慮電路的頻率和時域響應。讓我們研究如何使用NI Multisim驗證這些特性。

驗證頻率響應

圖2顯示了交流分析的結果。仿真結果表明截止頻率（增益下降3dB的頻率）為20.1 kHz，這非常接近我們設定的20 kHz規(guī)范。我們可以看到，在這個轉角頻率之外，增益下降到每十倍頻80 dB（濾波器傳遞函數(shù)中每個極點為-20dB / dec或-6dB / oct）。

我們還觀察到阻帶不會像我們對理想濾波器的預期那樣連續(xù)減小;由于運算放大器電壓增益的損失，增益開始在大約1 MHz處增加。使用光標，我們估計該阻帶約為700 kHz。

驗證時域響應

我們可以使用Multisim中提供的測量儀器來研究階躍響應。函數(shù)發(fā)生器允許我們輸入激勵，示波器允許我們直接在原理圖環(huán)境中觀察輸出波形。這些測量儀器模仿他們的臺式機;例如，使用示波器，可以根據(jù)波形特征調(diào)整時基和分壓等參數(shù)。使用測量儀器，我們還可以實時更改設置，例如函數(shù)發(fā)生器設置的頻率，這樣我們就可以看到信號在超過20 kHz點的頻率下衰減了多少。

我們可以用示波器測量上升時間和建立時間等特性，如圖3所示;但是，我們也可以在Grapher中查看這些數(shù)據(jù)，這個選項允許我們注釋和打印圖形以用于文檔目的。

我們研究的第一個特征是上升時間（定義為時間從最終產(chǎn)值的10％到90％）;使用游標，我們確定這是19.3μs。我們還看到約92μs的建立時間。這些特性在圖4所示的圖表上進行了注釋。（請注意，參數(shù)TMAX會影響上升時間，并且為了本示例的目的而從默認值更改。）

考慮最壞的案例情景

模擬的另一個核心好處是能夠計算非理想的組件值（即容差）。在本節(jié)中，我們執(zhí)行蒙特卡羅分析，該分析使用我們在原理圖中定義的5％元件公差范圍內(nèi)的元件值排列運行多個交流分析;這使我們能夠看到在最壞的情況下我們的截止頻率如何受到影響。 （請注意，此分析也可用于瞬態(tài)或直流工作點分析。）

假設理想條件，第一次運行是標稱運行。我們的分析輸出迭代了我們電路的200個排列，如圖5所示。觀察到第171次運行（底部跟蹤）和第二次運行（底部跟蹤）定義了截止頻率為20.67 kHz和19.02 kHz的最壞情況， 分別。截止頻率的這種偏差表明該濾波器設計對元件方差的靈敏度較低。

正如我們所看到的，一些測量需要比其他測量更多的后處理。例如，如果重復進行，計算上升時間等任務可能會變得乏味。幸運的是，有一些工具可以解決這個問題。 NI LabVIEW ?是一種圖形化編程語言，允許我們創(chuàng)建一個自定義界面，用于在Multisim中可視化和分析測量結果。該儀器可根據(jù)輸入和輸出波形自動計算濾波器設計的上升時間，斜率，過沖和下沖。通過創(chuàng)建自定義儀器，設計人員可以自動顯示傳統(tǒng)上需要手動后處理的準確的特征值。定制儀器可用于廣泛的應用，包括將實際采集的測量值導入NI Multisim，其中包含噪聲等真實效果，以獲得更高的仿真精度。

結論

今天的系統(tǒng)設計師無法承受未經(jīng)驗證的想法。借助現(xiàn)代設計工具，例如ADIFilter向導，已經(jīng)構建和驗證的電路和NI Multisim，他們不需要工程師可以在原型設計階段之前驗證和改善電路行為，大大提高設計效率。結果是重新設計成本更低，上市時間更短，設計性能更好。