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1、专业好文档基于Multisim 10的电子电路可靠性研究雷 跃 谭永红（柳州铁道职业技术学院 广西 柳州545007）【摘要】利用Multisim 10平台进行电子电路设计的可靠性研究，可以有效地解决传统分析方法难以对电子电路设计进行容差精确分析的技术问题。方法为统计取样法，其理论基础是概率论中的大数定理，基本原理是根据指定的分布规律在器件参数容差范围内随机地选取元器件及电路工作条件参数，再经大量计算，分析出电路性能的统计规律。通过实例，说明应用Multisim 10进行蒙特卡罗分析和最坏情况分析的方法和步骤，呈现出Multisim 10在电子电路设计的可靠性研究中出色的应用效果和广阔的应用前
2、景。【关键词】容差分析；仿真分析；可靠性【收稿日期】2010-3-5【作者简介】雷跃(1958-)，男，湖南长沙人，柳州铁道职业技术学院现代技术中心主任，高级实验师，主要从事电气自动化控制技术研究；谭永红(1959-)，女，广西桂林人，柳州铁道职业技术学院电子工程系高级实验师，主要从事应用电子技术研究。【中图分类号】TN702 【文章标识码】 AReliability Research of Electronic Circuit Based on Multisim 10 Lei Yao Tan Yong-hong(Liuzhou Railway Vocational Technical Col
3、lege，Liuzhou Guangxi 545007)Abstract： using Multisim 10 platform to research the reliability of electronic circuit design can effectively solve accurate tolerance analysis of the electronic circuit design. This method called statistical sampling is based on Bernoulli Theorem in Probability Theory. A
4、ccording to the specified distribution rule, it selects the Electron Component and work condition parameters within the tolerance randomly, then by virtue of calculation, analyzes the statistical regularity of the circuit performanceThrough examples，the methods and steps of the Monte Carlo analysis
5、and the worst case analysis by Multisim 10 are illustrated, and the outstanding effect and broad prospect of Multisim 10 in the reliability consideration of electronic circuit design are presented. Key words：tolerance analysis；simulation analysis； reliability1 引言对于高精度的复杂电子系统，其稳定性问题在系统可靠性中占有很重要的地位。由于
6、制造工艺和使用条件等原因，任何电子产品都不可避免地会受到随机扰动因素的影响。例如实际电路中的元器件参数和其标称值之间的随机误差、使用时间的增加、环境条件的变化等，均会造成元器件容差的积累，以至使电路、设备的输出超出规定值而无法正常使用。为尽可能地消除这种现象，在电子电路的设计过程中应进行有效的电路容差分析，以便在设计阶段采取措施加以纠正。电子电路可靠性设计中的容差分析，通常需要在建立具体电路的数学模型后，进行相关计算分析，这不但计算复杂，工作量巨大，而且大多数电路的模型建立较为困难，这就极大地限制了容差分析技术在电子电路可靠性设计中的应用。而Multisim 10提供的容差分析方法，完全可以在
7、电子电路设计中对设计电路进行全面、系统、精确地可靠性分析。将Multisim 10中容差分析技术和方法应用于电子电路可靠性分析中，既解决了建立电路模型的困难，又免去了复杂数学计算及大量的数据处理，可很好地实现电路性能和可靠性的并行设计分析，使电子电路的设计达到高质量、高可靠性的同时，还有效地降低成本，缩短了开发周期。基于Multisim 10的容差分析方法与其他的分析方法相比，其具有更简便、快速和有效的优势。2 容差分析方法的原理Multisim 10的容差分析方法包括蒙特卡罗分析和最坏情况分析。蒙特卡罗分析是一种利用概率统计理论计算容差的方法。它是按照元器件的参数容差所服从的统计分布规律，用
8、一组组伪随机数，求出元器件参数的随机抽样序列，而后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，较好地模拟实际情况。应用蒙特卡罗分析，可得出电路性能的均值、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。蒙特卡罗分析的主要步骤是构造数学模型、实现从已知概率分布的抽样及建立各种统计量的估计。在对电路包含的器件及其他有关量的实际参数（x）进行随机抽样时，初次抽样值记作：x1,x2, xn (1)将（1）式代入由数学模型得出的输出性能表达式f (x),得到第一个随机值：F1= f（x1,x2,xn ） (2)如此反复N
9、（抽样次数）次，得到第N个随机值，再对f (x) 进行统计分析,画出直方图,求出不同容许偏差范围内f (x)的出现概率。利用蒙特卡罗分析方法计算电子电路容差时，首先要指定相应元件参数的容差范围，排选出对该电路特性高敏感的元器件，使其容差足够小；而对低敏感度的元器件则使其容差尽可能大。指定容差范围后随机得到的元件参数值，不仅取决于容差范围，还取决于容差分布。电路元器件参数的容差分布有均匀分布、正态分布、指数分布和威布尔分布等。Multisim 10中的蒙特卡罗分析提供了均匀分布和正态高斯分布：1）均匀分布（Uniform）元件值在他的容差范围内以相等的概率出现，是一种线性的分布形式。2）正态高斯
10、（Gaussian）分布概率为：P（x）= exp-式中，为标称参数值；x为独立变量；为标准偏差（SD）值： = 误差百分比标称值。例如：电路中一个1k的电阻，误差百分比设定在5%，等于50，即误差范围为0.951.05k，则总体百分比为68%。即有68%电阻值在0.951.05k范围变化。最坏情况是指电路中的元件参数在其容差域边界点上取某种组合以造成电路的最大误差，而最坏情况分析是在给定电路元器件参数的情况下，估算出电路性能相对于标称值时的最大偏差。最坏情况分析法是一种非概率统计方法，用来分析在电路组成部分参数最坏组合情况下的电路性能参数偏差，找出在参数给定限制变化情况下电路或系统的最坏可能
11、输出。此方法是利用已知元器件参数的变化极限来预计系统性能参数变化是否超过允许范围。在预计系统性能参数变化范围时，元器件参数的变化取它们的上、下极限值、如果预计的系统性能参数在规定的范围内，那么就可以确信该系统有较高的稳定性。反之，就可能发生漂移故障。最坏情况分析法可以预测某个系统是否发生漂移故障，并提供改进的方向。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：设电路中的元器件参数标称值矢量为X0=（x1,x2,xn）T其容差矢量为X=(x1 ,x2 , ,xn)T,其中xi0, i1,2,3,n满足条件M=x|
12、xi-xi|xx0i+x1, i1,2,3,n的元器件参数矢量，就构成了元器件参数空间的容差域。最坏情况分析就是在该容差域内，求取电路性能偏差的极值。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技术要求，那么，将这种电路设计用于生产中时，就能大大提高产品的质量和成品率。3 基于Multisim 10的容差分析利用Multisim 10进行仿真容差分析的流程如图1所示。图1 容差分析流程图以带通滤波器为例，分别进行蒙特卡罗分析和最坏情况分析。带通滤波器的作用是允许在一个频率范围内的信号通过，而比通带下限频率低和比上限频率高的信号都被阻断。在 Multisim
13、 10 平台建立带通滤波器分析电路如图2所示。单击 Simulate/Analyses/Monte Carlo 命令， 在蒙特卡罗分析对话框中添加相关的容差设置参数：1) 确定分析元器件为R3，参数的容差范围及其分布规律选择正态高斯分布百分比为5。2) 选择 AC Analysis 类型，蒙特卡罗分析次数为6次，输出节点为节点4。3) 采用倍频程扫描，起始频率为300Hz，截止频率为800 Hz。4) 单击 Simulate 按钮，蒙特卡罗分析启动并运行。图2 带通滤波器电路图3是进行6次蒙特卡罗分析的结果，通过计算机仿真分析得出了带通滤波器标称值与有 5%容差的频率响应和相位响应的曲线族波形
14、。可以看出，元器件为标称值的中心频率为500Hz，当元器件参数值按5%正态高斯分布规律随机变化时，电路的频率响应及相位响应曲线呈现了一定的分散性。每次蒙特卡罗分析运行的平均频率值，标准输出偏差频率值，运行输出值及R3的变化范围见图3的记录表中。 图3 蒙特卡罗分析结果最坏情况分析的步骤与蒙特卡罗分析类同，不在叙述。在电路分析时，先对标称值进行分析，而后进行交流或直流灵敏度分析，通过计算出每个参数对输出量的灵敏度，就可以获得最坏情况分析的结果。最坏情况仿真的数据由排序函数进行收集，每一次运行只收集一种排序函数的一个数据。图4所示为带通滤波器R3有5%容差的最坏情况分析结果。从分析的结果看整个频率
15、响应、相位响应曲线往右移，中心频率变为512Hz，此时R3的阻值为120650，而标称值为127000。 图4 最坏情况分析结果从上面的蒙特卡罗分析结果、最坏情况分析结果看出，所采用元器件的参数及容差范围是不能满足电路特性的要求。元件R3是取决带通滤波器中心频率、通频带的主要元件，其对该电路特性影响比较敏感，为了使电路的性能指标更接近理想状况，其容差应足够小。经反复多次改变容差值进行蒙特卡罗分析、最坏情况分析得出结论，对该电路特性影响比较敏感的元件R3、C1、 C1的最大容差为2%，对低敏感元件R1 等的容差则可设为5% ，经反复多次的分析从分析结果记录表中可得出R3的优化值为126.6K，将
16、原带通滤波器电路中的原始值127K修正为126.6K。元件参数容差分布，抽样次数同修正前电路，进行蒙特卡罗分析、最坏情况分析，分析结果如图5、图6所示。从图5、图6中看出，通过改进设计电路，使其在最坏情况下，性能、指标均满足要求，同时也保证元器件所受的电应力在可靠范围内，不至于引起器件失效。由此可见利用Multisim 10 平台进行蒙特卡罗分析、最坏情况分析是一种可行有效的方法。图5修正后的蒙特卡罗分析结果 图6修正后的最坏情况分析结果4 结论容差分析是电子电路系统可靠性分析的一个重要环节。通过上述利用Multisim 10平台进行蒙特卡罗分析和最坏情况分析的实例,可以看出该分析方法是电子电
17、路容差分析的一种有效、可靠、快捷的方法。它避免了传统分析方法中许多复杂的数学运算，大大减少了工作量。而应用Multisim 10所提供的容差分析方法，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，可预见电路系统是否具有较好的稳定性，从而，在有效优化所设计的电路，提高电子电路设计可靠性的同时，节省设计时间和设计费用，为电子电路的性能参数和状态的预测及考虑元件容差的电路参数设计提供了一种新的方法和手段。参考文献1王冠华，王伊娜。Multisim 8电路设计及应用M.北京：国防工业出版社，20062聂典等.Multisim 9 计算机仿真在电子电路设计的应用M北京：电子工业出
18、版社，20073熊伟等.Multisim 7 电路设计及仿真应用M北京：清华大学出版社，20054王卫平电子产品制造技术M北京：清华大学出版社，20055汪汉新，朱翠涛，陈亚光.PSpice在电子电路优化设计中的应用J 。微计算机信息2006（10）：111-1136李忠波等.电子设计与仿真技术M.北京：机械工业出版社，2004 （责任编辑 张扬）Editors note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four years, coveri
19、ng severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the worlds first satellite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstr
20、ong step foot on the moon and the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed my childhood d
21、reams to reach for the stars.As a meteorologist, Ive still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, youd hear my foot tapping rapidly under my desk. Im anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico desert.Its like
22、 the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live stream of the Red
23、 Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line we would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a photographer, but ab
24、ove all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swirling wind kick
25、ed up and twisted the partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith each twist, you could
26、see the wrinkles of disappointment on the face of the current record holder and capcom (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early as Sunday.The weath
27、er plays an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposphere) where our
28、day-to-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tropopause), he can ex
29、pect a lot of turbulence.The balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, Fearless Felix will unclip. He will roll back the door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something resembling an Olympic diving platform.Below, the Earth
30、becomes the concrete bottom of a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, hell be traveling fast, so despite the distance, it will not be like diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end.Skydiver preps for the big jumpWhen he jumps, h
31、e is expected to reach the speed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approaches the more dense air closer to Earth. But this will not be enough to stop him completely.If he goes too fast or spins out of control, he
32、has a stabilization parachute that can be deployed to slow him down. His team hopes its not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-meter) main chute at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters).In order to deploy this chute successfully, he will have to slow to 172
33、mph (277 kph). He will have a reserve parachute that will open automatically if he loses consciousness at mach speeds.Even if everything goes as planned, it wont. Baumgartner still will free fall at a speed that would cause you and me to pass out, and no parachute is guaranteed to work higher than 2
34、5,000 feet (7,620 meters).It might not be the moon, but Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way Id miss this.