Matlab在PSPICE仿真软件中的应用研究.pdf资源-CSDN文库

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第一章绪论 .......................................................... 1

1.1 研究背景与现状 ................................................................................................. 1

1.2 研究目的和意义 ................................................................................................. 3

1.3 本论文的主要内容和结构 ................................................................................. 3

第二章应用软件与开关电源基础知识 .................................... 5

2.1 软件的基本介绍 ................................................................................................. 5

2.1.1 PSPICE 软件介绍 ...................................................................................... 5

2.1.2 Matlab 软件介绍 ....................................................................................... 7

2.2 开关电源电路 ..................................................................................................... 9

2.2.1 基本的 DC-DC 变换器 .......................................................................... 11

2.2.2 具有隔离功能的 DC-DC 变换器 .......................................................... 14

2.2.3 控制电路分析 ......................................................................................... 17

2.3 小结 .................................................................................................................... 17

第三章 LNK364 开关电源的分析与仿真 .................................. 19

3.1 LNK364 开关电源系统电路 ............................................................................ 19

3.2 LNK364 开关电源电路分析 ............................................................................ 19

3.2.1 输入电路 ................................................................................................. 19

3.2.2 反向激励变换器 ..................................................................................... 22

3.2.3 LNK364 控制电路 .................................................................................. 26

3.2.4 输出电路 ................................................................................................. 29

3.3 LNK364 开关电源的仿真 ................................................................................ 35

3.4 小结 ................................................................................................................... 36

第四章 Matlab 与 PSPICE 软件的联合仿真 ............................... 37

4.1 Simulink 建模 .................................................................................................... 37

4.1.1 平衡振荡器的 Simulink 模型 ................................................................ 38

4.1.2 电压比较电路的 Simulink 模型 ............................................................ 41

4.1.3 脉冲宽度调节电路的 Simulink 模型 .................................................... 43

4.1.4 稳压电路的 Simulink 模型 .................................................................... 46

4.2 Matlab 与 PSPICE 软件的联合仿真 ................................................................ 48

4.3 小结 ................................................................................................................... 50

第五章 Matlab 和 PSPICE 间的数据通信 ................................. 51

5.1 Matlab 数据向 PSPICE 的导入 ........................................................................ 51

第一章绪论

1947 年贝尔实验室发明的晶体管以体积小、功耗较低等优势取代了真空管，

但降低了电路的可靠性。1958 年德州仪器公司制备了全球第一块集成电路板，它

提高了电路的可靠性，降低了成本，标志着世界进入了集成电路时代。之后的五

十多年中，IC 行业迅速发展，在需求牵引和技术推动下，逐渐发展到将整个系统

集成在一个微电子芯片上，即片上系统（SoC），从而由分立器件、集成电路发展

到系统芯片。随着电子行业的飞速发展，对计算机软硬件技术的要求不断提高，

电路仿真技术的发展和应用也逐渐提高。电路仿真作为电子设计自动化（EDA，

Electronic Design Automation）系统的重要组成部分，对电路、集成电路和系统设

计起着至关重要的作用。近年来，以计算机辅助工具（CAD，Computer Aided

Analysis and Design）为基础的 EDA 技术逐渐应用在电子工程领域中。

1.1 研究背景与现状

随着电子技术的发展，计算机辅助设计方法的介入、模拟电路的电路分析、

数字电路的逻辑模拟、版图的设计及系统级的仿真均采用计算机辅助工具来加快

设计验证，缩短设计周期，提高设计的成功率。

根据计算机辅助设计介入的深度和广度，电子技术的发展历程可以分为以下

三个阶段：

1）传统的设计方法，设计的电子系统比较简单，工作量较小，从设计方案的

提出、验证、修改到完善都是采用人工手段完成的。

2）CAD 的介入是在电子产品由简单到复杂、工作量由小到大的发展过程中

产生的，它是利用计算机进行数据处理、模拟分析和设计验证等工作的。

3）EDA 是在电子产品向数字化、集成化、微型化和低功耗方向发展过程中

产生的，设计师可以从概念、算法、协议等开始进行电子系统设计，大量工作由

计算机完成，也可以将电子产品从电路设计、性能分析到 IC 版图设计或 PCB 版

图设计的全过程交由计算机自动处理完成

[1]

。

目前，EDA 软件大致可以分为芯片辅助设计软件、可编程芯片辅助设计软件、

系统设计辅助软件三类。其中电子电路设计与仿真软件包含 SPICE/PSPICE、

Multisim、Matlab 等。

(1) PSPICE 软件

PSPICE 软件是以图形或文件的方式输入，自动进行电路规则检查，生成网

表，进行数字、模拟电路混合仿真和计算的 EDA 软件。它具有强大的电路图绘

Matlab 在 PSPICE 仿真软件中的应用研究

制功能，可以进行各种电路仿真、添加各种激励信号、制作元器件符号，也可以

进行温度与噪声分析、模拟控制、波形/数据输出，还可以在同一窗口显示数字和

模拟的仿真结果

[2]

。

PSPICE 是一款多功能电路模拟仿真软件，因其收敛性较好，适合用于系统

级和电路级仿真。主要优势有：

1）图形界面友好，易学易用，操作简单。

2）实用性强，仿真效果好。

3）功能强大，集成度高。

PSPICE 软件也有其不足之处。电路在仿真分析中需要添加相应的激励信号

源，但 PSPICE 内部所提供的资源有限，在电路进行某些仿真时需要导入外部文

件。例如进行瞬态分析时，需要添加特殊的激励信号源。

(2) Matlab 软件

Matlab 软件包含众多的面向具体应用的工具箱和仿真模块，拥有完整的函数

集可对图像信号处理、控制系统设计、通信系统仿真和神经网络等特殊应用进行

设计和分析

[3]

。Matlab 产品家族提供了从概念设计、算法开发、建模仿真到实现

的理想集成环境，其主要功能有：数据分析和可视化，数值和符号计算，控制系

统设计，数字信号处理，图像处理，系统建模、仿真，原型与应用开发，图形用

户界面设计等

[3]

。Matlab 还具有数据采集、报告生成和 Matlab 语言产生独立 C/C++

代码等功能

[3]

，可以进行特定领域的研发过程，使使用者将精力放在构思上而不

是编程上。其优势主要有：

1）与多种操作系统兼容；

2）丰富的内部函数；

3）具有很好的图形功能；

4）具有数值计算和符号计算功能；

5）可开发算法，自动选择算法

6）可以直接处理声音和图像文件；

7）与其他软件和语言有良好的对接性；

8）Simulink 建模仿真；

9）使用方便，具有很好的扩展功能。

Matlab 软件为产品研发提供了自上而下的解决方案，通过 Matlab 开发和分析

算法，利用 Simulink 搭建系统级或电路级模型，再添加所需激励信号源进行仿真

与测试，可以帮助客户：

1）获得清晰的系统设计规范；

2）仿真系统各模块间的行为；

第一章绪论

3）设计和测试整个系统；

4）及时发现设计中存在的问题；

5）降低设计风险，缩短设计周期。

Matlab 软件在对电路、系统进行建模仿真时，可以及时发现设计是否可行，

其仿真速度较快可缩短仿真时间。但 Matlab 软件终究为一种模型仿真，是一种较

为理想的仿真，忽略了电路内部的某些效应。

1.2 研究目的和意义

电路的设计方法可以分为自上而下和自下而上两种，但目前采用最多的一般

是自上而下的方法。步骤大致为：1）确定项目需求；2）系统级设计；3）前端设

计；4）后端设计。首先确定电路需满足何种性能需求，再确定体系结构，也就是

将整个系统分为几个模块，再依次进行逻辑设计、电路设计和版图设计。在电子

电路设计与仿真中，主要使用的 EDA 软件包含 PSPICE 和 Matlab 软件。

PSPICE 软件主要用于具体的电路仿真，仿真精度较高；Matlab 软件主要用

于模型的仿真，判断电路设计的可行性。两者相比，前者的仿真速度较低，后者

的仿真精度较低。而且 Matlab/Simulink 用于系统级电路建模仿真，可以测试电路

的功能是否能实现，设计是否可行，有效缩短了仿真时间，但电路内部的某些效

应被忽略。

Matlab 拥有丰富的信号源和库函数，也可以生产新的信号源，为电路仿真提

供多种激励信号，同时还可以完成系统性能测试的后处理工作。

在电路仿真中，将两款软件相结合，集其优势于一体，既可以保证电路的仿

真精度，又可以缩短电路的仿真时间，从而提高电路的仿真效率，缩短电路的设

计周期。

1.3 本论文的主要内容和结构

本文的主要研究内容为 Matlab 在 PSPICE 仿真中的应用研究。通过对开关电

源系统的建模与仿真，实现了其在 Matlab 与 PSPICE 之间的联合仿真，与单一的

PSPICE 仿真对比，其在保证仿真精确度的前提下缩短仿真时间；通过噪声激励

信号源的产生使数据由 Matlab 软件导入到 PSPICE 软件中，通过射频放大器的蒙

特卡罗分析将数据由 PSPICE 软件导入到 Matlab 软件中，实现 PSPICE 与 Matlab

软件之间的数据通信。Matlab 和 PSPICE 软件联合仿真可以在保证仿真精度的前

提下缩短仿真时间，也可以更加完善的处理数据，从而为电路的仿真分析提供了

一个省时高效的仿真流程。

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