CN101694675B - 电路仿真方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电路仿真方法和系统。该电路仿真方法包括：读取电路或其等效电路中各个元件的详细信息；根据读取的所述电路或其等效电路详细信息，对电路进行电路性能计算，得到初始仿真结果，所述电路性能计算包含群时延、群时延的线性失真仿真和群时延的抛物性失真仿真；判断所述初始仿真结果是否符合预置的优化目标参数值；如果所述初始仿真结果符合预置的优化目标参数值，将所述初始的仿真结果作为最终仿真结果并输出。本发明提供的技术方案适用于电路仿真调试，解决了不能对电路性能进行全面准确的仿真的问题。

Description

电路仿真方法和系统

技术领域

本发明涉及电子仿真领域，尤其涉及一种电路仿真方法和系统。

背景技术

近年来，随着通信技术的迅猛发展，电路系统的设计越来越复杂，对电路的指标要求越来越高，电路的功能也越来越多，而设计周期却越来越短。以往的电路设计很大程度上是依靠带有一定盲目性的人工调试，随着计算机的发展，出现了许多电路仿真设计软件，大大缩短了电路的设计调试周期，提高了电路的设计效率，用仿真软件进行电路设计已经成为必然趋势。目前，国内外各种商业化的可用于电路仿真的工具不断涌现，它们大致分为线性/非线性电路仿真软件、2.5维平面电路电磁场仿真软件以及3维电磁场仿真软件等，它们常用的分析方法包括：采用等效电路模型和S参数矩阵级联计算、谐波平衡法和包络仿真法以及电磁场仿真等。这些商用仿真软件能够对线性电路的S参数和相位等进行计算、进行优化设计、容差分析、2.5维及3维电磁场仿真等。

在实际电路设计和研发工作中，研发人员在前期设计电路时，往往需要对其所设计的电路进行仿真，以确定电路方案的可行性以及设计指标的偏离度等。

在上述对电路进行仿真的过程中存在如下问题：

现有的仿真软件不能对电路性能进行全面准确的仿真，使得电路设计人员无法提前预测所设计电路的各项特性，从而影响了前期电路设计工作的准确度以及整个电路设计的研发进度。

发明内容

本发明提供了一种电路仿真方法和系统，解决了不能对电路性能进行全面准确的仿真的问题。

本发明提供了一种电路仿真方法，包括：

读取电路或其等效电路中各个元件的详细信息；

根据读取的所述电路或其等效电路详细信息，对电路进行电路性能计算，得到初始仿真结果，所述电路性能计算包含群时延、群时延的线性失真仿真和群时延的抛物性失真仿真；

判断所述初始仿真结果是否符合预置的优化目标参数值；

如果所述初始仿真结果符合预置的优化目标参数值，将所述初始的仿真结果作为最终仿真结果并输出。

进一步地，所述对所述仿真模型进行电路性能计算，得到初始仿真结果包括：

确定本次仿真的仿真频点；

在所述仿真频点，读入电路中各个元件的信息；

根据所述各个元件的信息，建立所述电路的导纳矩阵；

使用所述导纳矩阵，对所述电路进行电路性能计算；

在完成对整个仿真频率的电路性能计算后，将各个仿真频点的仿真结果整合为初始仿真结果。

进一步地，所述确定本次仿真的仿真频点的步骤之前，还包括：

确定频率步长以及仿真频段的低端频率和高端频率。

进一步地，所述确定本次仿真的仿真频点包括：

如果本次仿真为对所述电路的第一次仿真，则以所述仿真频段的低端频率作为本次仿真的仿真频点；或，

如果上一次仿真的仿真频点低于所述仿真频段的高端频率，则以上一次仿真的仿真频点加上频率步长之后的频率值作为本次仿真的仿真频点。

进一步地，所述读取电路或其等效电路中各个元件的详细信息具体为：

读取电路或其等效电路的结构形式信息及元件数值，将所述结构形式信息及元件数值存储为统一形式和格式的中间文件。

进一步地，所述判断所述初始仿真结果是否符合预置的优化目标参数值的步骤之后，还包括：

如果所述初始仿真结果不符合预置的优化目标参数值，则对电路进行修改，对修改后的电路重新进行仿真。

本发明还提供了一种电路仿真系统，包括：

电路仿真模块，用于读取电路或其等效电路中各个元件的详细信息，并根据读取的所述电路或其等效电路详细信息，对电路进行电路性能计算，得到初始仿真结果，所述电路性能计算包含群时延、群时延的线性失真仿真和群时延的抛物性失真仿真；

优化设计模块，用于判断所述电路仿真模块获取的初始仿真结果是否符合预置的优化目标参数值；

结果输出模块，用于在所述优化设备模块判断所述初始仿真结果符合预置的优化目标参数值时，将所述初始的仿真结果作为最终仿真结果并输出。

进一步地，所述电路仿真模块包括：

仿真频点确定单元，用于确定本次仿真的仿真频点；

信息读入单元，用于在所述仿真频点，读入电路中各个元件的信息；

矩阵建立单元，用于根据所述信息读入单元读入的各个元件的信息，建立所述电路的导纳矩阵；

计算单元，用于使用所述导纳矩阵，对所述电路进行电路性能计算。

进一步地，所述仿真频点确定单元，还用于确定频率步长以及仿真频段的低端频率和高端频率。

进一步地，所述优化设计模块，还用于在所述初始仿真结果不符合预置的优化目标参数值，对电路进行修改；

所述电路仿真模块，还用于在所述优化设备模块对电路进行修改后，对修改后的电路重新进行仿真。

本发明提供了一种电路仿真方法和系统，首先读取电路或其等效电路中各个元件的详细信息，然后根据所述电路或其等效电路中各个元件的详细信息对电路进行电路性能计算，其中包括群时延、群时延的线性失真仿真和群时延的抛物性失真仿真等性能的计算，得到初始仿真结果，并针对初始结果对初始设计电路进行优化设计，仅在判断初始仿真结果符合预置的优化目标参数值时才输出仿真结果，实现了对电路尤其是射频电路的准确仿真和优化，解决了不能对射频电路进行全面准确的仿真的问题。

附图说明

图1为本发明的实施例提供的一种电路仿真方法的流程图；

图2为图1中步骤102的具体流程图；

图3为本发明的实施例提供的一种电路仿真系统的结构示意图；

图4为图3中的电路仿真模块301的结构示意图。

具体实施方式

在实际的电路系统中，不同频率处对应的相位频率特性曲线的斜率不同，即群时延值不相等，造成了电路所占频带内各个频率的群时延数值之间的偏差，偏差越大，群时延失真就越大。如果不能有效直观地对群时延失真进行仿真，就会使得电路设计人员无法提前预测所设计电路的群时延失真程度，从而影响了前期电路设计工作的准确度以及整个电路设计的研发进度。

为了解决上述问题，本发明的实施例提供了一种电路仿真方法。为了更好的对本发明的实施例进行说明，首先对群时延的概念进行介绍。

群时延是描述系统相移特性的另一种表示方法，信号传输过程中，由于分布参数的存在，传输系统的特性参数不是纯阻的，而是由电阻、电容、电感组成的网络，因此不同的频率分量在同一介质传输时，到达的时间不同或有相位差，这种差值一般用群时延失真来度量。线性群时延考察的是每MHZ群时延的变化，用群时延对频率的微分即群时延一次求导来衡量，抛物线群时延考察的是每MHZ线性群时延的变化，用线性群时延对频率的微分即群时延的二次求导来衡量。三者之间的关系犹如路程、速度、加速度之间的关系，群时延单位为ns，线性群时延单位为ns/MHZ，抛物线群时延单位为ns/MHZ²。

使用本发明的实施例提供的电路仿真方法完成电路仿真的过程如图1所示，包括：

步骤101、读取电路或其等效电路中各个元件的详细信息；

任何一个电路都是由多个元、器件和传输线连接组成的，在不涉及元、器件内部的详细物理机理时，元、器件的特性可用其等效电路来描述，连接它们的传输线则可等效成双导线传输线。为了方便仿真设计，首先需要把所要仿真的电路中各个元器件以及传输线，用集中参数和分布参数元件组成的等效电路来表示。然后利用该模块读入等效电路中各个元件的类型、量值、在电路中的位置，以及所仿真的电路的中心频率、带宽，电路的源阻抗、负载阻抗等，其中各个元件在电路中的位置通过对电路中从输出到输出的各个节点进行节点编号实现，最后将其保存为统一结构和格式的中间文件，以便后续的仿真和优化设计调用。

本步骤中，读入电路或其等效电路中各个元件的详细信息，从中提取仿真信息并将其保存为统一结构和格式的中间文件。

步骤102、根据读取的电路或其等效电路详细信息，对电路进行电路性能计算，得到初始仿真结果；

根据由步骤101读取的电路或其等效电路中各个元件的详细信息，对电路进行电路性能计算，得到初始仿真结果，所述电路性能计算包含群时延、群时延的线性失真仿真和群时延的抛物性失真仿真。

本步骤中，电路性能计算的算法主要采用等效电路模型和不定导纳矩阵级联计算。先把电阻、电容、电感、传输线、短路线、耦合线的不定导纳矩阵分别算出，然后将所要仿真的电路中各个元器件以及传输线用集中参数和分布参数元件组成的等效电路来表示，即等效为由上述基本元件组成的等效电路，由各元件的不定导纳矩阵，建立整个电路导纳矩阵，最后将电路导纳矩阵简化成等效两端口网络导纳矩阵，从而计算电路特性。

本步骤具体包括如下步骤：

如图2所示，步骤1021、确定本次仿真的仿真频点；

在系统初始化时，需要确定频率步长以及仿真频段的低端频率和高端频率。本发明实施例中，f1和f2分别是频带的低端频率和高端频率，f3为频率的步长，可以根据仿真电路精度的需要设定频率步长。

如果本次仿真为对一电路的第一次电路仿真，则以f1作为本次仿真的仿真频点，首先对第一个频点f1下的电路进行电路性能计算，之后按照增加步长f3的方法获取新的仿真频点，依次对仿真频段内的每个频点的电路进行电路性能计算，直到计算至最后一个频点(即该频点再加上频率步长会超过高端频率)为止。

步骤1022、根据各个元件的信息，建立电路的导纳矩阵；

本步骤中，需要读入电路各个元件的信息。

元件的类型不同，相对应的信息也不同。电阻电容电感等元件是两端元件，它们包含四个信息，分别为：元件类型信息、两个节点信息以及元件的量值信息；传输线一般视为三端元件，包含六个信息，分别为：元件类型信息、三个节点信息、传输线在中心频率上的电长度、传输线的特性阻抗；短路线由于可以看作是一端接地的传输线，所以视为两端的传输线处理，包含五个信息，分别为：元件类型信息、两个节点信息、传输线在中心频率上的电长度、传输线的特性阻抗；平行耦合线一般视为四端元件，包含十个信息，分别为：元件类型信息、四个节点信息、耦合线在中心频率上的电长度以及第一、第二根耦合线的奇、偶模导纳。通过节点信息，系统可以判断各个元件在电路中的连接位置。根据元件类型不同，建立其不定导纳矩阵。由于元件类型不同其不定导纳矩阵的算法不同，为了方便程序编写，节省程序的运行时间，我们把不同类型元件的不定导纳矩阵分别计算，放入不同的子程序中，系统可以根据元件类型的判别，调用对应的子程序。

在完成一个元件的信息读入后，需要判断所有元件是否全部读入，如果没有全部读入，则继续读入下一个元件；在完成全部元件的信息读入后，根据各个元件的不定导纳矩阵建立整个电路的导纳矩阵。

步骤1023、使用导纳矩阵，对电路进行电路性能计算；

本步骤中，根据步骤1022建立的导纳矩阵，对电路进行电路性能计算，获取如下性能指标：电路的传输衰减、电压传输系数、传输增益、输入输出端的电压反射系数、电压驻波比、传输相移以及群时延、群时延的线性和抛物线失真仿真等。其中，群时延、群时延的线性和抛物线失真仿真保证了对相位的线性度要求比较高的射频电路和器件的仿真精确度。

在完成某一仿真频点下的一次仿真后，需要判断是否计算完整个频带的仿真，若没有计算完整个频率(即当前仿真频点加上频率步长仍小于高端频率)，则返回步骤1021继续进行下一个频点的仿真计算。在完成整个频段的仿真后，将各个仿真频点的仿真结果整合为初始仿真结果。

步骤103、判断初始仿真结果是否符合预置的优化目标参数值；

本发明实施例中，在系统初始化时，根据电路设计的性能指标的需要设定优化目标参数值。一般情况下，电路需要同时满足所要求的各项性能指标，此时就需要设定多个优化目标参数值，而在某些指标之间可能是相互矛盾或是相互制约的，优化设计需要设法在各项指标间找出折衷方案，尽量使各项指标都等到满足。对于某些电路系统，对电路性能有特殊的要求，如对电路相位特性的线性度规定了很高的指标，优化设计时就会对这项指标优先设定优化目标参数值。

本步骤中，判断得到的初始仿真结果中，各项性能指标的仿真结果是否符合预置的优化目标参数值。如果符合，则可以将结果输出，进入步骤105；如果不符合，需要对电路进行修改并再次仿真，进入步骤104.

步骤104、如果初始仿真结果不符合预置的优化目标参数值，则对电路进行修改，对修改后的电路重新进行仿真；

本步骤中，在初始仿真结果没有达到优化目标参数值时，则需要对电路进行优化修改。可根据电路设计的实际情况，即优化目标的优先级高低，对优化目标逐个进行优化，如直接利用Matlab软件里面的优化函数对系统进行优化，对电路的设计参数进行修改；将修改后的电路通过步骤101至步骤102所示的流程再次进行仿真，并将得到的结果继续与优化目标参数值进行比较，直至达到优化目标参数值为止。

步骤105、如果初始仿真结果符合预置的优化目标参数值，将初始的仿真结果作为最终仿真结果并输出；

本步骤中，在对电路的仿真以及优化结束后，系统将初始仿真结果作为最终仿真结果存储起来。最终仿真结果包括电路在所有频点的性能仿真数据，数据计算结果可以根据实际需求精确到所需要的位数；包括了仿真性能特性曲线图形，以便使设计者能够直观明了地查看仿真电路的性能；还包括了进行优化仿真过后电路的最终设计参数。

本发明的实施例还提供了一种电路仿真系统，该系统如图3所示，包括：

电路仿真模块301，用于读取电路或其等效电路中各个元件的详细信息，并根据读取的所述电路或其等效电路详细信息，对电路进行电路性能计算，得到初始仿真结果，所述电路性能计算包含群时延、群时延的线性失真仿真和群时延的抛物性失真仿真；

优化设计模块302，用于判断所述电路仿真模块301获取的初始仿真结果是否符合预置的优化目标参数值；

结果输出模块303，用于在所述优化设备模块302判断所述初始仿真结果符合预置的优化目标参数值时，将所述初始的仿真结果作为最终仿真结果并输出。

进一步的，所述电路仿真模块301如图4所示，包括：

仿真频点确定单元3011，用于确定本次仿真的仿真频点；

信息读入单元3012，用于在所述仿真频点，读入电路中各个元件的信息；

矩阵建立单元3013，用于根据所述信息读入单元3012读入的各个元件的信息，建立所述电路的导纳矩阵；

计算单元3014，用于使用所述导纳矩阵，对所述电路进行电路性能计算。

进一步的，所述仿真频点确定单元3011，还用于确定频率步长以及仿真频段的低端频率和高端频率。

进一步的，所述优化设计模块302，还用于在所述初始仿真结果不符合预置的优化目标参数值，对电路进行修改；

所述电路仿真模块301，还用于在所述优化设备模块302对电路进行修改后，对修改后的电路重新进行仿真。

上述电路仿真系统，可以与本发明的实施例提供的一种电路仿真方法相结合，首先读取电路或其等效电路中各个元件的详细信息，然后根据所述电路或其等效电路中各个元件的详细信息对电路进行包括群时延、群时延的线性失真仿真和群时延的抛物性失真仿真等的电路性能计算，得到初始仿真结果，并仅在判断初始仿真结果符合预置的优化目标参数值时才输出仿真结果，实现了对电路尤其是射频电路的准确仿真优化，解决了不能对射频电路进行全面准确的仿真的问题；且采用等效电路模型和导纳矩阵级联计算，提高了仿真速度。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种电路仿真方法，其特征在于，包括：

读取电路或其等效电路中各个元件的详细信息；

根据读取的所述电路或其等效电路详细信息,对电路进行电路性能计算，得到初始仿真结果，所述电路性能计算包含群时延、群时延的线性失真仿真和群时延的抛物性失真仿真；

判断所述初始仿真结果是否符合预置的优化目标参数值；

如果所述初始仿真结果符合预置的优化目标参数值，将所述初始的仿真结果作为最终仿真结果并输出；

所述对电路进行电路性能计算，得到初始仿真结果包括：

确定本次仿真的仿真频点；

在所述仿真频点，读入电路中各个元件的信息；

根据所述各个元件的信息，建立所述电路的导纳矩阵；

使用所述导纳矩阵，对所述电路进行电路性能计算；

在完成对整个仿真频率的电路性能计算后，将各个仿真频点的仿真结果整合为初始仿真结果。

2.根据权利要求1所述的电路仿真方法，其特征在于，所述确定本次仿真的仿真频点的步骤之前，还包括：

确定频率步长以及仿真频段的低端频率和高端频率。

3.根据权利要求2所述的电路仿真方法，其特征在于，所述确定本次仿真的仿真频点包括：

如果本次仿真为对所述电路的第一次仿真，则以所述仿真频段的低端频率作为本次仿真的仿真频点；或，

如果上一次仿真的仿真频点低于所述仿真频段的高端频率，则以上一次仿真的仿真频点加上频率步长之后的频率值作为本次仿真的仿真频点。

4.根据权利要求1所述的电路仿真方法，其特征在于，所述读取电路或其等效电路中各个元件的详细信息具体为:

读取电路或其等效电路的结构形式信息及元件数值，将所述结构形式信息及元件数值存储为统一形式和格式的中间文件。

5.根据权利要求1所述的电路仿真方法，其特征在于，所述判断所述初始仿真结果是否符合预置的优化目标参数值的步骤之后，还包括：

如果所述初始仿真结果不符合预置的优化目标参数值，则对电路进行修改，对修改后的电路重新进行仿真。

6.一种电路仿真系统，其特征在于，包括：

电路仿真模块，用于读取电路或其等效电路中各个元件的详细信息，并根据读取的所述电路或其等效电路详细信息,对电路进行电路性能计算，得到初始仿真结果，所述电路性能计算包含群时延、群时延的线性失真仿真和群时延的抛物性失真仿真；

优化设计模块，用于判断所述电路仿真模块获取的初始仿真结果是否符合预置的优化目标参数值；

结果输出模块，用于在所述优化设计模块判断所述初始仿真结果符合预置的优化目标参数值时，将所述初始的仿真结果作为最终仿真结果并输出；

所述电路仿真模块包括：

仿真频点确定单元，用于确定本次仿真的仿真频点；

信息读入单元，用于在所述仿真频点，读入电路中各个元件的信息；

矩阵建立单元，用于根据所述信息读入单元读入的各个元件的信息，建立所述电路的导纳矩阵；

计算单元，用于使用所述导纳矩阵，对所述电路进行电路性能计算。

7.根据权利要求6所述的电路仿真系统，其特征在于，

所述仿真频点确定单元，还用于确定频率步长以及仿真频段的低端频率和高端频率。

8.根据权利要求6所述的电路仿真系统，其特征在于，

所述优化设计模块，还用于在所述初始仿真结果不符合预置的优化目标参数值，对电路进行修改；

所述电路仿真模块，还用于在所述优化设备模块对电路进行修改后，对修改后的电路重新进行仿真。