所有关于电路
技术文章

用LTSPICE执行最坏情况的电路分析

2020年10月29日通过伊格纳西奥·德·蒙迪扎巴尔

在本文中,我们将在LTSPICE中使用用于温度传感器读数的电阻电路来对LTSPICE进行最坏的分析。

本文将讨论如何使用LTSPICE,这是一个强大的香料仿真工具模拟设备,专门用于最坏情况分析(WCA)。这种类型的分析有助于确保新设计的电路符合每种情况下的所有要求-I.,考虑到温度变化,组分容差,老化和损失等因素。

使用参数的阶梯式变化,该工具还可以用于查看哪些组件对测量有更大的影响。作为一个例子,我们将分析用于温度传感器读数的电阻电路,以显示该工具和技术的强大结果。

什么是最糟糕的分析?

虽然标题“最坏情况分析”听起来自我解释,但这种方法的一些方面的优点进一步讨论。最坏情况分析是一种数字方法,可以在整个项目持续时间内评估新电路或系统是否符合要求。

在一些任务关键部门(如空间行业)中,这种方法可以帮助确保当今设计的电子系统在2050或更高版本中将全功能。

NTC热敏电阻温度传感器读数

负温度系数(NTC)热敏电阻是具有与温度成反比的值的电阻器。它们是广泛使用的,因为它们的价格低,简单,易于安装。Steinhart-Hart方程基于电阻值近似于温度:

\[\压裂{1}{T} = A +左右(R) + C (ln (R)) ^ 3 \]

常数A、B和C取决于热敏电阻的类型和提供热敏电阻的制造商。

以下等式不太准确,但更易于使用。

\[\压裂{1}{T} = \压裂{1}{T_0} + \压裂{1}{β\}\ ln \离开(\压裂{R} {R_0} \) \]

R0是参考温度t的电阻0。参数\(\beta\)以开尔文(K)报告,可从制造商获得,通常包含在数据表中。欲了解更多详情,请查阅关于NTC热敏电阻的本章

我们可以通过测量NTC电阻,了解NTC参数来获得温度。为了我们的目的,我们将使用NTC MurataNCU15XH103F6SRC,其电阻在25ºC和\(\ beta \)参数3380 k处具有10kΩ的电阻。

通常使用以下电路来得到热敏电阻的电阻值。


设置用热敏电阻测量温度。

这可以通过测量热敏电阻上的压降来实现。

节点TEMP_P的电压为

\ [V_ {NTC} = V_ {cc} \压裂{R_ {NTC} + R_{拉}}{R_ {NTC} + R_{拉}+ R_{牵引}}\]

知道该电压,我们可以计算NTC电阻。然后,我们可以计算测量的温度。

其他参数会影响电路中的测量值吗?

该电路只有三个无源元件,但有相当多的参数会影响测量,如无源元件公差和电源反弹。这些因素也必须加以考虑。

无源元件公差

真正的组件并不完美;他们具有宽容,由其制造商表示。频繁的值是1%或5%。

5%公差意味着1 kΩ电阻可以有950 Ω和1050 Ω之间的任何阻值。当一个电路有许多电阻时,累积效应的公差可以产生一个远远超出您预期的结果。

电源弹跳

电力供应本来是稳定的,但就像无源电源一样,它们也有自己的缺点。如果我们做的测量直接依赖于电压供应,我们需要知道电压变化。对于我们的目的,我们将考虑一个在4.9 V和5.1 V之间变化的5v电源。

修改LTspice中的参数

研究LTspice中不同情况的一种方法是手动更改参数,然后每次重复模拟。这个过程可能很耗时而且容易出错。LTspice有各种方法来更改设置和简化多个模拟。

LTspice中的步骤和蒙特卡罗命令

STEP命令自动执行所需参数的变化并模拟每个参数。这可以通过将组件值放在括号(例如{Rpd})和添加SPICE指令来实现:

  • 使用.step param RPD列表950 1000 1050,模拟将使用列出的三个值中的每一个运行。我们将使用这个指令。
  • 使用.step param Rpd 950 1050 50模拟将从最低级别运行到最高步骤50。

步骤参数大大减少了分析时间。

有一个第二个选项来使参数更改。

MC命令代表蒙特卡罗分析。它可以实现超过步骤命令,因为后者要求设计人员知道每个组件的所有离散值,而蒙特卡罗分析执行统计分析。在每次迭代中,蒙特卡罗分析返回公差间隔内的随机数。

为了建立\(R_{pull-down}\)电阻的蒙特卡洛分析,我们需要定义它的元件值如下:{mc (1 k, 0.05)}。此外,我们需要SPICE指令:.step param运行1 100 1。这意味着模拟将运行一百次,从一个和一个步骤开始。

电路的任何组成部分都可以包含在蒙特卡罗分析中。

参数变化并不局限于单个组件。我们可以定义所有想要的参数。我们还可以定义常量,比如公差,这样所有组件就可以同时修改,而不是逐个输入。这是通过指令完成的.Param.。我们将对tolR(0.05)和tolV(0.02)这样做。

常量允许执行复杂的模拟并减少错误。

如何在LTspice中绘制结果

一旦完成所有模拟,我们都可以绘制结果。要直接查看NTC电压,我们执行以下操作:

  1. 右键单击TEMP_N并选择“标记引用”。我们将在网上看到一个黑色探针。
  2. 左键单击Temp_P。我们将看到信号:v(temp_p,temp_n)和一组彩色线;它们中的每一个对应于一个模拟。

随着迭代次数的增加,将覆盖整个容忍间隔。

我们可以通过添加一些图来改进分析。LTSPICE可以使用用户定义的独立变量绘制图形。要以执行号码表示NTC电压,我们需要遵循以下步骤:

  1. 该指令:.测量Vntc AVG V(TEMP_P, TEMP_N)
  2. 再次运行模拟。
  3. 菜单视图→香料错误日志→右击任何地方→绘制。step 'ed .meas数据

度量命令可以度量平均值、RMS、最大值或最小值以及其他因素。


结论

LTSPICE是一个强大的工具。虽然其图形界面可能会令人沮丧,但它的模拟能力非常值得使用工具。最坏情况分析是设计新电路时执行的必要步骤之一。LTSPICE为设计人员提供了执行精确和复杂分析的功能和工具。