从实例中学习OrCAD-PSpice 10.3-AA(第9章 仿真的故障排除)

第9章 仿真的故障排除
    在运行高级分析工具的过程中，由于操作失误、参数设置不合理等方面的原因，常常出现错误信息或者系统仿真不能运行等情况，用户往往得不到理想的分析结果，面对这些存在的难题，不能坐着发闷，要积极的解决问题。本章主要介绍运用故障排除分析工具解决存在问题的使用方法及高级分析中一般性故障的解决方法。

9.1故障排除分析工具的概述及其工作流程
    运用高级分析中的故障排除分析工具可以在PSpice窗口中分析解决任何电路特性函数值在优化过程中不能运行及错误问题。当优化分析失败的时候，会在输出窗口或者Specifications表格区(以红旗或黄旗的方式)显示相应的目标函数及模拟仿真属性文件的故障信息。如果故障是模拟仿真（集中错误）或者计算目标函数的错误信息，就可以在高级分析中的Optimizer工具窗口的Specifications表格区里点击右键，在出现的快捷菜单中执行Troubleshoot in PSpice子命令，来帮助解决存在的故障问题，如图9-1所示。

    故障排除分析工具的工作流程如图9-2所示。

    下面还是以射频放大器电路进行交流小信号分析为例，来说明故障排除分析工具的具体使用方法。  

9.2在优化分析过程中调用、运行故障排除分析工具
9.2.1调用、运行Optimizer分析工具
1. 射频放大器电路原理图的设计及仿真（不多赘述，具体参看第四章的4.3小节内容）。
2. 在PSpice窗口，执行Advanced Analysis / Optimizer程序命令，启动高级分析中的优化工具。在Optimizer工具窗口的Specifications表格区设置要优化的目标函数和约束条件，如图9-3所示。
3. 如果在Error Graph图表区存在任何历史数据，在该区单击右键，执行快捷菜单中的“Clear History”子命令，清除Error Graph图表的曲线和仿真优化运行信息。如图9-4所示。

4.选择MLSQ优化分析引擎，按下按钮，运行Optimizer工具。如图9-5所示。

在优化过程中Optimizer工具尝试的运行14次后停止，Specifications表格区待优化的目标函数出现错误信息，如图9-6所示。

9.2.2 调用、运行故障排除（troubleshoot）分析工具 
    当优化分析运行失败时，就可以运用故障排除（troubleshoot）分析工具解决故障存在的问题。可以在输出窗口定位Specifications表格区错误信息或者查看Specifications表格区第一列黄旗和红旗所在行的相关信息。以图10-6所示的错误信息为例，具体的可在Specifications表格区选中出现红旗错误信息所在行，单击右键，在出现的快捷菜单中选择执行“Troubleshoot in PSpice”子命令，如图9-7所示。

执行该命令后，在PSpice窗口会打开并显示电路特性函数曲线数据，如图9-8所示。

    在图9-8中，第一条曲线轨迹显示的是运行过程中原始曲线数据值，第二条曲线轨迹显示的是运行过程中最后一次的曲线数据值。若要查看曲线波形的数据信息，可以在PSpice窗口中选中要查看的曲线波形，单击右键，在出现的快捷菜单中选择“Information”子命令，出现如图9-9所示的曲线数据信息对话框。

9.3曲线数据信息的分析处理
    从输出窗口的提示信息可知，是3dB带宽的约束条件设置导致了优化过程无法运行。针对这一故障，可以在PSpice窗口添加新的目标函数来检测曲线波形增益-3dB的点。

1. 在显示模拟分析结果的Probe窗口中，选择执行Trace/Evaluate Measurement子命令，出现的Evaluate Measurement对话框，在Trace Expression输入max(db(v(load)))-3，具体设置如图9-10所示。计算的测量结果会显示在Probe窗口中的目标函数测量结果区，如图9-11所示。


从图9-11可知，第二条曲线增益的-3dB点为6.03541dB。

2. 在Probe窗口中按下图标，启动游标，在Probe窗口中同时出现游标数据显示框，如图9-12所示。

从图9-12中可知，游标数据显示框显示的原始数据曲线在1KHz频率处的增益为－12.603dB。
3. 在Probe窗口中激活第二条曲线，并点击该曲线最左边在1KHz频率处的波形值，如图9-13所示。

    9-13中可知，游标数据显示框显示的第二条数据曲线在1KHz频率处的增益为7.2910dB。由图10-11的目标函数测量结果区同样可知，第二条曲线增益的-3dB点为6.03541dB。这就说明-3dB增益点（6.03541dB）的游标发生在曲线1KHz频率之前，优化工具正在增加带宽来满足设计电路要求，但是这种方式还不够精确。对于设计者来说还有一点值得注意的是在得到高带宽的同时，更感兴趣的是增加的截止频率值大小。 
    对于曲线数据信息的分析处理一般都是要尽最大可能的去查找、编辑、修改。通常有以下4种途径可以选择：
(1) 在PSpice窗口，检查测量函数的Plot或者按下按钮，查看仿真输出文件；
(2) 在PSpice测量函数结果数据区，查看用到的测量规范和设计变量；
(3) 在PSpice窗口，按下按钮，编辑模拟仿真属性参数文件；
(4) 在图表编辑器中，改变参数值大小。

9.4 排除故障，解决最优化问题
    以上的曲线数据信息分析，可有两种方法来排除故障，解决电路设计中的最优化问题。一种方法是保持电路特性函数的低通截止频率高于1KHz，但是这样同时会使电路优化更加复杂化，占有更多的时间来运行系统优化分析，影响系统的优化分析效率。显然这不是设计者期望的快捷排除故障的方法。另外一种方法相对来说简单一些，造成优化分析失败的原因可能是在优化工具中设置了大量的自由化参数。所选的参数中可能有一些对于目标函数和约束条件不是优化所必须的设计变量参数，这样往往会影响优化进程。 
    由上述分析可知，可以在灵敏度(Sensitivity)分析工具窗口中找出对于带宽目标函数最灵敏的关键元器件组件。返回高级分析工具，并启动灵敏度(Sensitivity)分析工具，在灵敏度(Sensitivity)分析工具窗口中，选中带宽目标函数所在行并以相对灵敏度形式显示分析结果，运行灵敏度(Sensitivity)分析，如图9-14所示。

    从9-14可知，电容器C3,C6,C7对于带宽目标函数的灵敏度不是最关键的元器件组件。所以下一步就要再返回到优化Optimizer分析工具窗口中，将非关键带宽目标函数的电容器C3,C6,C7删除，减少设计变量参数，排除故障，解决最优化问题。具体操作如图9-15所示。

    针对普遍存在的故障问题，可以通过以下两种方法来更好的设置优化分析工具。
(1)对于 PSpice中的测量函数，可以采用复制、粘贴的方式发送到高级分析优化工具的Specifications表格区，供目标函数所调用；
(2)对于图表编辑器中的参数值，可以通过优化分析工具Parameters表格区"Click here to import a parameter..."文本所在行程序命令来添加相应的参数数据。
    若在Error Graph图表区存在任何历史数据，在该区单击右键，执行快捷菜单中的“Clear History”子命令，清除Error Graph图表的曲线和模拟仿真优化运行信息。选择MLSQ优化引擎，重新运行Optimizer分析工具，优化分析结果如图9-16所示。

从上述分析可知，为了使优化设计更具有针对性，提高优化设计效率，最好在优化设计分析之前进行灵敏度分析，确定出对电路中灵敏度较高的关键性元器件，来作为优化设计中可调整的元器件参数，使电路特性达到最佳化。

9.5 高级分析中的一般性故障及解决方法
    这一节主要是针对在高级分析过程可能遇到的一般性故障问题，分析故障原因并给出解决办法。这些存在的一般性故障可归结为4类问题：

1.  工具分析失败；
2.  不是所期望的理想结果；
3.  不能使用户得到想要的设计命令；
4.  没有足够的磁盘和内存空间。

下面将以表格的形式分别介绍各类故障问题的排除方法。 

表9-2不是所期望的理想结果

存在的故障	故障分析	解决办法
设计好电路并运行Smoke分析，但没有得到期望的理想结果。	电路中的元器件可能没有指定电应力参数。	查找高级分析库清单或Pspice库清单中的Smoke参数来替换原有电路中含有电应力参数元器件部分。 对于无源元器件R,L和C等，可通过设计变量表添加。 对于有源元器件，可通过创建模型参数，在模型编辑器中进行添加。
热电应力分析中的峰值(Peak)结果看起来不正确：测量结果很小。	瞬态分析时间太短，导致分析范围中没有包含对预测元器件有意义的峰值大小。	在PSpice窗口查看瞬态分析结果，保证分析过程中包含用户所期望的任何峰值结果。如果需要可以在瞬态分析设置对话框中增大仿真时间长度、减小每一次扫描步长，达到理想分析结果。
Smoke分析中的RMS(均方根值) 和平均值(Average)测量结果不是所期望的理想结果。	瞬态分析的创建和设置可能不够精确。	在PSpice窗口查看瞬态分析结果，保证分析过程中的整个范围内的电压和电流平均值是用户期望的平均值。如果期望的测量平均值是基于静态工作情况下的，要确保分析时间足够长，以保证保存的平均值数据信息超过一个周期。
在Smoke分析中选择了标准降额和用户自定义降额文件，但%Derating和%Max值没有改变。	需要按下RUN按钮，以新的降额文件形式来重新计算热电应力分析结果。	在热电应力分析中点击最高工具栏中的按钮，重新运行分析工具，等待新的分析结果出现。
Smoke分析结果出现黄旗提示，单元格呈现灰色。	对于电应力参数没有限定(average, RMS, or peak)值大小。灰色显示的是模拟仿真计算结果同时也暗示了没有限制的比较不可能是有效的。	数据信息提供给用户一种给便捷的方式来显示模拟仿真计算结果(average, RMS, or peak)。用户要设置安全工作条件限制范围，在分析结果区会以不同颜色的条状图形来显示分析结果。
尽管应用了不降额设置，但是PDM smoke参数的降额因子却不是100％。	这是可以的，Smoke分析允许热量订正到计算过程中。	不需要改动任何值，这是一种正常情况。
优化(Optimizer)分析中结果看起来不正确。 电路特性的“当前值”一栏消失了。	在误差图中游标可能是建立在一个提前运行模式中，看到的结果可能是历史数据结果。	在误差图中，点击Nth (结束)运行垂直线，电路特性的“当前值”会显示在Parameters 表格区。
在优化(Optimizer)分析工具中，最终得到了理想的参数值，但是当继续运行其他优化设置时，理想的参数值发生了变化。	运行下一次分析时理想的参数值要想不改动，是要被锁定的。	在优化(Optimizer)工具的Parameters 表格区点击图标选中要保持不变的元器件参数，保证该参数在下一次运行中不被改变。
在优化(Optimizer)分析中，使用的元器件没有列出任何离散文件。	离散值是提供给RLC的，若元器件不是RLC，就必须创建离散文件表格。	对于非RLC元器件可以在离散引擎设置选项中创建离散文件表格。
在优化(Optimizer)分析中，看不到离散文件表格专栏。	优化引擎没有设置为离散引擎。	在下拉菜单中选择离散引擎作为优化(Optimizer)过程中的优化引擎。
无法找到Monte Carlo分析中每一次的运行结果	没有选择表格标签页。	按下键即可显示电路特性函数原始数据每一次的运行结果。
希望在Monte Carlo分析表格显示区显示更多运行信息。	电路特性函数直方图区间数太小。	在Monte Carlo工具窗口中执行Edit/profile Settings/ Monte Carlo命令，在出现的对话框中增加电路特性函数直方图区间数。
Monte Carlo中 PDF / CDF图表显示测量结果不正确。	使适合的特性测量函数行不显示高亮。	点击测量函数行，图表显示结果会响应测量特性函数。
看不到CDF格式图表。	系统默认的图表显示方式为PDF格式。	在图表区点击右键，在出现的快捷菜单中选择执行CDF graph子命令。
在Monte Carlo运行过程中，不能找到参数值大小。	Monte Carlo分析的参数值大小只能显示在log 文件中。	可以执行View/ Log File / Monte Carlo命令，查找出适合运行的参数文件。