原创 【转】从实例中学习OrCAD-PSpice 10.3-AA(第5章 优化) 6

5.9 曲线拟合分析 
   在进行优化设计分析时，除了可以采用5.8小节的电路特性函数作为优化目标外还可以采用曲线作为优化指标，运用曲线拟合的方法，使优化设计结果与目标曲线要求相吻合。本节以有源带通滤波器电路为例，进行交流信号模拟分析，使该电路的增益和相位达到曲线设计要求的频率特性。

5.9.1电路原理图设计及电路模拟仿真
1. 电路原理图设计
    调用Capture10.3进行电路原理图设计，以光盘自带的有源带通滤波器电路为例，其图如5-34所示。该电路实例所在路径为: ... ools pspice tutorial capture pspiceaaandpass。
 

2．电路仿真模拟
    调用PSpice对有源带通滤波器电路进行交流分析，并检查结果：交流分析模拟仿真参数设置如图5-35所示，分别调出输出电压相位P(V(Vout))和增益DB(V(Vout))随频率变化的曲线交流模拟分析结果，其电路输出波形如图5-36所示。 
 
 
    图5-36所示的有源带通滤波器电路输出波形基本具备了带通形状的频率特性，但是与优化目标曲线（参考波形）还是有很大的差距，优化目标曲线（参考波形）如图5-37 所示，因此可以在该电路模拟分析的基础上在优化工具中运用曲线拟合法进行优化分析，使输出的实际波形也优化目标的参考波形相吻合。
 
5.9.2 曲线拟合参考文件的设置
    使用曲线拟合方法优化电路是采用一组数据描述的参考波形来作为优化目标。所以首先就要建立描述参数波形的数据文件，即曲线拟合的参考文件。建立参考文件的方法比较的简单，只要打开Windows的“记事本”程序，采用一般的文本编辑工具就足以胜任了，具体设置如图5-38所示。
 
    曲线拟合参考文件的格式规范特点：参数文件的第一列描述的是变量参数。从第二列开始，每一列描述一个参考波形。参数文件每一列的第一行为“标题行”,说明该列的相关内容。其中标题行采用的名称由用户自行规定。在设置曲线拟合的规范目标时，将采用标题行名称来指定相应的参考波形。若使用者没有确定标题行名称，根据PSpice规定，从参考波形的第二列开始，每一列的第一行默认名称依次为Column_1、Column_2……。（实际位于参考文件的第二列）。 
    图5-38中:参考文件的第一列描述的是变量参数“Frequency”。第二列描述的输出信号的相位“PHASE”参考波形；第三列描述的输出信号的增益“Max”参考波形。参考文件设置完毕后，最好保存在当前电路设计目录下，供设置曲线拟合优化目标时调用。

5.9.3 曲线拟合规范的曲线参数设置 --在“Curve Fit”表格区调整 
    启动优化（Optimizer）工具(参看5.7节内容)，在优化Optimizer工具窗口，点击左上角的 标签页，创建曲线拟合规范，关于调整电路相关的设计变量可在“Parameters”表格区调整完成（不多赘述，参看5.8.2小节内容）这里主要说明“Curve Fit”表格区曲线参数的调整。如图5-39所示。 
 
 
 
 
 
 
    说明：该误差栏显示的并不是实际模拟优化结果波形与参考波形之间的均方根误差值（Erms）,而是Erms值与Tolerance栏指定的相对容差值之差。若Erms值小于相对容差值，则Error栏显示结果为0，表明已满足优化设计要求，并不是表示实际优化结果波形和参考波形完全符合，没有任何差别。
    所有元器件参数及曲线拟合规范设置完成后的Optimizer工具窗口，如图5-42所示。
 
5.9.4优化结果的分析
    所有曲线拟合参数设置完成后，在Optimizer工具窗口选择MLSQ引擎并执行Run命令，启动曲线拟合优化设计设计进程。优化结果如图5-43所示。 
 
    由于在“Curve Fit”表格区的 列中设置呈现 图形状态，所以还可以在Probe窗口中动态的显示实际模拟优化结果波形向作为优化目标的参考波形的逼近情况。在本例中，P(V(out))是在优化过程中的实际输出相位的频率特性波形。R(“PHASE”)是描述对实际输出相位优化目标要求的参考波形。如图5-44a所示。同理，DB(V(out))是在优化过程中的增益的频率特性波形，如图5-44b所示。在一张图中采用两条纵坐标分别表示输出电压相位的频率特性波形P(V(out))和增益的频率特性波形DB(V(out))随频率变化的关系曲线优化结果，如图5-45所示。 
 
 
 
    从显示的优化后的实际波形和参考波形的比较，可以清晰的看出，优化结果基本满足参考波形的设计要求。若要查看优化过程中任何一次模拟仿真结果，可以在误差图(Error Graph)中点击Error Graph图中横坐标（代表模拟次数），例如：选中Error Graph图中的第8次分析过程，则相应的在Parameters和Curve Fit表格区显示该次分析的参数值和曲线拟合规范结果。如图5-46所示。 
 
    若要查看实际输出相位的情况，点击P(V(out))所在行的标志 列，在上单击右键，在弹出的快捷菜单中选择View[Run#8]in PSpice,则Probe窗口中显示第8次模拟优化结果P(V(out))波形及其相应的参考波形。如图5-47a所示。同理，可以查看增益波形情况，如图5-47b所示。
 
 
    优化完成后，运用离散引擎确定元器件的有效值。（参见5.8.6运用离散引擎确定参数值）  

5.10 本章小结&n bsp;
    本章在介绍优化分析基本概念（设计变量、约束条件、目标函数等）的基础上重点介绍了使用Optimizer工具对电路进行优化分析的具体使用方法。OrCAD10.3版本PSpice–AA中的Optimizer工具可以对多种电路特性进行直流、交流和瞬态优化分析。相对于以前的PSpice 优化分析，在PSpice 高级分析中，新的Optimizer有了很大的改善和提升。它没有限制Parameter及Specifications的个数。
    在Optimizer工具窗口可以以电路特性函数规范参数和曲线参数扫描两种方式进行优化指标的描述。通过Parameters、pecifications和Curve Fit表格区查看相应的分析结果。
    1. Specifications 是架构在Measurements里，并可从PSpice加载进来。在线路图里无须额外的设定参数；它们可以在Optimizer的列表中去选择，也可以从灵敏度分析窗口里或是线路图里加载。在优化过程中可在Specifications表格区里设定想要的规格(目标函数或约束条件)及权重，若搜寻不到特性函数规格时，会及时显示错误的 plot。 可用光标在Plot窗口移动到先前的点上，来观察Measurement的参数。任何之前的点都可以拷贝到下一次去运行，作为下一次的起始点执行最佳化的模拟。 
    2.Parameters 也有“Cross-probed”的功能在Optimizer的窗口里，很容易的去寻找在线路图里的组件。更是提供四种优化搜寻引擎来完成最佳化电路的设计。

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• 最小二乘法(LSQ) 引擎:找最小的整体误差，做电路的最佳化分析。
  
• 改进的最小二乘法(MLSQ)引擎:用在目标函数及Constraint的最佳化分析里, 且用较少的仿真模拟去做电路的最佳化分析。
  
• 随机引擎: 随机取样参数的集合，并做多次的仿真来作电路的最佳化分析。
  
• 离散引擎: 由高级分析提供(例如：Resistor-5%)或是用户自订的元器件参数表格，让Parameter选定与优化结果要求最接近的商品化元器件系列标称值。

    3. Curve Fit表格区可以通过曲线扫描的方式来优化指标，运用曲线拟合的方法，采用曲线的一组数据值，使优化设计结果与目标曲线要求相吻合。还可以在Probe窗口中动态的显示实际模拟优化结果波形向作为优化目标的参考波形的逼近情况。
    综上所述，清晰可见优化分析是在满足电路设计要求的基础上，使电路特性得到最大的改善提升，实现电路的最优化设计。