ASIZ在模拟开关电容电路仿真教学中的应用
中图分类号：G424.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）04-0240-02
模拟电子技术是高等院校电类专业开设的一门重要的专业基础课程。通过该课程的教学使学生获得模拟电子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能，培养学生分析问题和解决问题的能力，为今后深入学习电子技术方面的课程及应用打下良好的基础。相比其它专业基础课，该课程的理论性和实践性较强，是一门既要有理论知识又要有实践技能的综合性课程。因此，在该课程的教学过程中除了理论讲授外，实物实验和虚拟仿真也是重要的教学手段。其中，高效、安全且经济的虚拟仿真方法在该课程教学中扮演重要角色，特别是有些难于以实物方式进行验证和设计时，虚拟仿真教学恰好弥补了这一缺陷。另外，虚拟仿真教学打破传统实物实验受条件、时间和场地限制，极大地拓展了教学的内容、形式、时间和空间，为学生的自主学习、自主实验和创新研究创造了条件，所以，研究该课程内容的虚拟仿真教学具有重要实际意义。模拟电子技术课程教学中有一个教学内容是模拟开关电容电路。由于该类型电路在非重叠双相时钟的控制下工作，学生在理论学习中对电路工作原理难于理解，分析和设计相关电路就变得更加困难。另外，由于时钟开关的存在，搭建实物电路又比较繁琐。因此，结合虚拟仿真方法对该部分内容进行教学不但可以克服教学内容的抽象性，而且能够使学生加深理解并自主分析和设计相关电路。鉴于此，本文将虚拟仿真软件引入模拟开关电容电路教学中，提高学生对模拟开关电容电路的分析和设计能力。
1 开关电容电路
开关电容电路由模拟开关、电容和运算放大器组成，它是利用电荷的存储和转移来实现对信号的各种处理功能[1-3]。系统传递函数的特性取决于时间常数中两个电容之比（还与时钟周期成正比）。由于集成元件比值的精度可高于千分之一，所以这种集成电路的精度较高，而且可以通过时钟进行调谐。开关电容电路以其电路结构简单，易于用MOS工艺实现，尺寸小，功耗低，易于大规模集成等特点，现已成为模拟电路家族中的一个重要分支。
2 ASIZ软件简介
ASIZ[4]（Analysis of Switched-current Filters in Z Transform）软件是由里约热内卢联邦大学的M. C. M. de Queiroz博士开发的一款非商业性开关电流电路仿真软件。它是基于z变换的开关电流电路建模与分析软件，也可以分析开关电容和其它任意周期性的开关线性时不变网络。用ASIZ软件建模简单、操作方便、效率高、效果好，不但支持固定格式的程序文本输入，也支持直接电路图输入方式，并可与SPICE软件结合使用，对开关线性时不变网络的设计非常实用。ASIZ具有以下功能特点：
（1） z变换传递函数分析。软件包含了较完备的元件库，支持电路图和网络表文本输入，EdFil程序对绘制的电路图能自动转换为网络表文件。Asizw程序读入网络表并设置分析参数后进行仿真分析，电路的传递函数分母或特征多项式被计算并列出。
（2）零极点分析。软件能够计算任一传递函数的零极点并绘制相应图形。零极点参数窗口可控制零极点的计算和显示。
（3）时域响应分析。软件提供了多种测试信号的时域响应绘制，特别是提供了外部信号文本输入功能。参数窗口可实现对各参数的选择与调控。
（4）频域响应分析。对电路的频率响应进行分析并在程序主窗口给出绘图。
（5）灵敏度分析。分析电路元件容差所带来的误差。设定所选择的元件参数具有相同的变化，在频率响应窗口绘制出增益和相位的误差范围。
3 设计与仿真实例
为了加深学生对模拟开关电容电路的理解，掌握ASIZ软件的使用，将以设计一个开关电容电路为例，给出具体的电路元件参数计算与仿真分析过程。
考虑一个二阶IIR传递函数H（z）：
中心频率为1kHz。令抽样频率为37.7kHz，采用开关电容反相微分器和开关电容反相器为基本结构单元设计该电路并仿真。开关电容反相微分器的传递函数为：
以开关电容反相微分器和开关电流反相器为基本单元的多环反馈结构开关电容电路如图1所示。图中，，。根据式（6）设置电路中相应电容值，其中，为了满足实际电路中电容值的设置需要，在电容系数后乘以单位电容值。采用ASIZ软件仿真获得的幅频响应如图2所示。同时，图中给出了理论幅频特性曲线。仿真的幅频特性曲线在1.009kHz处取得峰值17.6dB，与理想幅频特性曲线在1kHz处取得峰值18.06 dB。通过对比可知，理论与仿真幅频特性曲线很接近，证明所设计电路具有较高的实现精度。另外，图2中的小窗口给出了电路的零极点图，其中，“○”代表零点，“×”代表极点。由于所有极点都采用z1/2的幂形式来表示，所以对于二阶开关电容电路，小窗口中有4个极点。由图可见，所有极点均位于z平面的单位圆内，因此所构造的系统是稳定的。接下来，利用该软件对所设计电路进行灵敏度分析。假定开关电容电路中所有电容存在±5%的随机误差，通过统计计算得到的幅频特性误差范围如图3所示，图中实线对应正常幅频特性。比较正常幅频特性曲线与误差上下限可知，所设计的开关电容电路在元件存在误差的情况下，幅频特性误差范围很小，平均增益误差为0.614dB，验证了该开关电容电路的低灵敏度特性。
4 结语
针对模拟开关电容电路教学内容比较抽象，实际电路搭建比较繁琐等问题，在理论教学中引入基于ASIZ软件的虚拟仿真教学方法，提高学生在开关电容电路分析与设计方面的能力。以设计一个开关电容电路为例，给出了具体的电路参数计算和仿真分析过程。通过虚拟仿真教学，学生能够直观地理解开关电容的特性，掌握仿真软件的使用，并具备初步设计开关电容电路的实际能力，达到理论与实际相结合的目标。
