CMOS环形压控振荡器的设计
摘要
压控振荡器（VCO）是一个输出振荡频率由电压控制的电子振荡器。当调制信号发生变化时，其会影响VCO的频率和相位的变化，及实现调频和调相。VCO和数字脉冲相似，他们均可以进行频移键控调制、相移键控调制和脉冲宽度调制。对于高频VCO来说，其主要是通过变容二极管连接到谐振电路来控制其输出频率；多出现在LC振荡器中。而在低频情况下是通过另一种方法来控制（如电压控制电流源从而来改变电容的充放电时间）。多用于CMOS振荡器，这也是本次研究所采用的方法。
VCO是现代无线通信射频系统中的一个关键部件，它主要用于提供本地振荡信号、频率合成。同时被广泛应用于通信电路中，例如锁相环、频率综合器，以及时钟产生和环形振荡器。随着深亚微米CMOS工艺的不断发展,CMOS工艺被广泛应用于射频集成电路(RFIC)的设计中。核心部件的射频低功耗低噪声的VCO成为整个PLL电路的研究热点。环形压控振荡器(VCO)在基于CMOS工艺的射频电路中，以其低功耗、面积小、易于集成等优点扮演着重要角色。
本课题的研究内容主要是设计一种基于CMOS工艺的低抖动的环形压控振荡器。通过改变其器件的参数，从而实现如下技术指标：频率变化范围为1000—1200MHz；压控增益为180MHz/V。计算出相关的系统参数和指标，并完成各个子模块的时域和频域分析。
关键词：环形压控振荡器延迟单元频率调谐相位噪声抖动
Design of CMOS Voltage-Controlled Oscillator
ABSTRACT
A voltage-controlled oscillator or VCO is an electronic oscillator designed to be controlled in oscillation frequency by a voltage input. The frequency of oscillation is varied by the applied DC voltage, while modulating signals may also be fed into the VCO to cause frequency modulation (FM) or phase modulation (PM); a VCO with digital pulse output may similarly have its repetition rate (FSK, PSK) or pulse width modulated (PWM).
For high-frequency VCOs the voltage-controlled element is commonly a varicap diode connected as part of an LC tank circuit. It always appears in the LC oscillator. For low-frequency VCOs, other methods of varying the frequency (such as altering the charging rate of a capacitor by means of a voltage controlled current source) are used. And this is usually used in the CMOS oscillator. This is also the method of this study.
VCO is a key component of modern wireless communication in RF system, it is mainly used to provide the local signal and the frequency synthesizer. And it usually is used in communication circuits, such as phase-locked loop frequency synthesizers, and clock generation and ring oscillator. With the continuous development of deep sub-micron CMOS technology, CMOS technology has been widely used in radio frequency integrated circuit (RFIC) design. A core component of the RF low-power low-noise VCO of the PLL circuit is hot. Ring voltage-controlled oscillator (VCO) play an important role in the RF circuit of the CMOS process, with its low power consumption, small size, ease of integration advantages.
The content of this subject is to design a low-jitter ring voltage controlled oscillator based on CMOS technology. This oscillator, in order to achieve the following technical indicators frequency range of 1000-1200MHz, voltage-controlled gain of 180MHz / V by changing the parameters of the device. Calculate the system parameters and indicators, and the completion of each sub-module time-domain and frequency domain analysis.
Key Words: VCO Delay Cell Frequency-Tuning Phase Noise Jitter
目录
第一章绪论 (1)
1.1课题意义 (1)
1.2课题的国内外发展状况 (1)
1.3课题的研究内容 (2)
1.3.1研究方法 (2)
1.3.2研究步骤 (2)
1.3.3工具简介 (2)
第二章VCO的原理 (4)
2.1VCO的振荡条件 (4)
2.2VCO延迟单元电路的介绍 (7)
2.3 VCO频率调谐 (8)
2.3.1频率调谐的原理 (9)
2.3.2频率调谐的方法 (10)
2.4VCO的主要性能指标 (14)
2.4.1VCO的噪声种类 (14)
2.4.2VCO的主要参数 (15)
第三章CMOS环形VCO电路结构及原理 (17)
3.1传统单端反相器VCO的结构 (17)
3.2电流饥饿型VCO的结构 (18)
3.3低抖动VCO的结构 (19)
3.3.1电路的结构原理 (19)
3.3.2电路的特点 (20)
第四章低抖动CMOS环形VCO电路特性的仿真 (22)
4.1电压频率特性的描述及仿真 (22)
4.1.1输出频率的影响因素 (22)
4.1.2输出频率及压控增益的仿真结果及分析 (27)
4.2相位噪声的仿真结果及分析 (32)
4.3版图的设计 (34)
结论 (36)
参考文献 (37)
致谢 (38)
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第一章绪论
1.1课题意义
压控振荡器是高性能数字系统的关键模块。它具有广泛的用途，在通信、电子、航海、航空航天及医学等诸多领域都扮演着重要的角色，尤其在通信系统电路中，压控振荡器(VCO) 是关键部件，特别是在时钟恢复电路、频率综合器电路和锁相环电路中等，更是具有重要的作用，VCO几乎与电流源和运放具有同等重要地位。而且，在现代高性能DSP芯片设计中，锁相环（PLL）被广泛用作片内时钟发生器，实现相位同步及时钟倍频。压控振荡器（VCO）作为锁相环电路的关键模块，其性能将直接决定锁相环的整体工作质量。
目前，在CMOS工艺中实现的VCO主要有两大类：LC压控振荡器和环形压控振荡器。其中LC压控振荡器具有较低的相位噪声和较低的功耗，但需要采用片上集成电感，因而占用很大的芯片面积，且调谐范围较小。而CMOS环形振荡器有着频率调节范围大，芯片面积小，功耗低，易于集成，制造工艺简单等优点，且可以通过调整振荡器的级数，方便的获得不同相位的一系列时钟，因此在系统芯片（SOC）中有着更为广泛的应用[1]。
1.2课题的国内外发展状况
近年来，随着通信电子领域的迅速发展，对电子设备的要求越来越高，尤其是对像振荡器等这种基础部件的要求更是如此。但多年来我国在这方面的研究投入无论在军用还是民用上均不够重视，仅限于在引进和改进状态，还没有达到质的跨越，没有自主的知识产权(IP)，也之所以在电子通信类滞后发达国家的一个重要原因。而且我国多数仍然利用传统的双极工艺，致使产品在体积上、重量上、成本上都较大，各种参数性能不够优越，稳定性差、难以和现代主流CMOS工艺集成等等，都是我国相关领域发展的瓶颈。
而且在当前时代，很多发展趋势正在影响着具有改进相位噪声的VCO的开发。例如，基本的RFIC工艺在不断的改进，半导体工艺能实现品质因数在不断改善，各种有源和无源器件都在提高中。在硅工艺方面，现在已经能制造出特征频率超过50GHz的晶体管，具有宽电容比调谐范围（低串联阻抗）的更高Q值变容二极管也可以实现。这些工艺的特点是具有更低损耗的衬底，它的金属层更厚，电感Q值更高。采用这些工艺制作的器件可以减少寄生原件，是VCO具有更低的噪声，更高的工作频率和更低的电流消耗。VCO的研究者通过发明更先进的电路来充分利用IC技术的以进一步改善VCO的性能。
因此，我国在电子通信领域市场潜力非常大，自主研究高性能、高质量、低成本的压控振荡器市场前景广阔、意义巨大。
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1.3课题的研究内容
1.3.1研究方法
首先，利用相关的EDA软件进行子功能模块电路的设计，再通过EDA软件对设计电路进行优化，使其达到相应参数。再通过EDA软件进行仿真，得到其频域图和时域图，分析是否符合课题要求。最后将各个模块综合到一起，通过调整各模块的可变参数，使整个VCO系统达到它所要求的技术指标。
1.3.2 研究步骤
第一步：熟悉课题内容，查阅相关资料；
第二步：完成系统结构的设计；
第三步：完成原理图设计；
第四步：使用EDA软件设计电路；
第五步：使用EDA软件优化电路；
第六步：完成电路的版图设计；
第七步：完成电路的整体仿真验证。
1.3.3研究工具
Cadence是Cadence公司的全定制集成电路设计工具，也是一款大型的EDA软件，它几乎可以完成电子电路设计的所有内容，比如ASIC设计、FPGA设计、PCB板设计等等。而且Cadence在仿真、电路图设计、自动布局布线、版图设计及验证等方面有着绝对的优势。尤其是在版图设计方面居于行业的领先地位。其中包含有原理图输入环境Virtuoso Schematic Composer、版图编辑环境Virtuoso Layout Editor、晶体管级电路仿真器Spectre、验证工具Assura 和Diva以及验证和参数提取工具Dracula等。这里主要使用其原理图输入环境Virtuoso Schematic Composer、版图编辑环境Virtuoso Layout Editor及Spectre仿真器等功能。
Spectre紧密结合在Cadence IC全定制设计平台中，能够在多个领域提供详细的晶体管级分析结果。其优越的软件构架允许在低内存消耗的同时进行高容量的分析。其功能和特点有：它具有可调整准确性和收敛性的工具箱，提供高性能、高容量的SPICE级模拟和射频仿真；具有能够权衡精度和性能的用户友好型的仿真设置，适用于最复杂的模拟和定制数字集成电路；能够实现精确、高效的布局后模拟，包括RLCK寄生、S参数模型（n端口）和有损耦合传输线（mtline）；可以执行特定应用的RF性能参数分析（如光谱响应、增益压缩、互调失真、阻抗匹配、稳定性、隔离）；它还包括先进的统计分析（智能、蒙特卡罗、DC match），在不牺牲时间的前提下，帮助制造具有高级工艺节点的集成电路设计公司拓展市场和提高产
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量；通过紧密集成Virtuoso模拟设计环境中，提供快速的交互仿真设置、交叉探测和可视化的后仿真结果处理；通过其多模式仿真模型，对使用硅工艺和foundry认证的共享器件模型的设计，确保更高的设计质量。
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4 第二章 VCO 的原理
2.1 VCO 的振荡条件
振荡器是不需要外加信号激励，自身能将直流信号转换为周期性的交流信号（一般为电
压信号）的电路。振荡器的核心是一个在振荡频率处呈现正反馈的环路。图2.1给出了该反馈系统的通用模型。
图 2.1 振荡器的反馈模型
其中
为前向电路的传输函数，而是反馈防漏的传输函数，而反馈系统的闭环传输函数为。则该反馈系统的闭环传输函数为:
= (2.1)
其中是该反馈系统的环路增益。如果在所有的频率点上，则该系统是一个稳
定的反馈系统在各种低频模拟电路中，这种系统得到了广泛的应用。如果在某频率上
，该系统在频率为处的闭环传输函数为无穷大，因此只要该系统的输入引入一
点噪声，该噪声就会被无限放大，产生无穷大的输出，即产生了振荡。而如果在某频率上，该系统在频率为处的环路增益大于1，因此只要环路中引入一点噪声，该噪声
就会被无限放大，产生无穷大的输出，亦即产生了振荡。因此振荡器的振荡条件为：
(2.2)
该判定条件可以分解为两方面，幅度判据和相位判据：
(2.3)
它们即为振荡器的幅度稳定条件和相位稳定条件。该条件被称为Barkhausen 判据[2]。 (2.4)
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但是由上可知，振荡器在开始振荡时，需要一个微小的噪声源，该微小的噪声源，在此稳定条件下不能够为输出提供稳定的周期信号，所以在开始振荡时，必须要求环路增益要大于1，这样它便可以将微小噪声源放大，从而达到稳定的周期输出信号。考虑到温度和和工艺等外界因素的影响，在振荡频率处环路增益通常设计为必须值的两到三倍。当环路中的信号振幅增加到一定程度后，振荡器中有源器件存在的非线性会限制振幅的继续增加，使得振荡器的输出达到稳定，这是一个非线性过程。
但是Barkhausen 判据仅是实现振荡器的必要条件，而不是充分条件。例如，如果一个反
馈系统在频率为0时的环路增益不小于1，而且相移等于
，那么该系统仅处于锁定状态，而不是振荡状态。
实际中振荡器的输出信号应该是稳定的周期信号，因此振荡器需要满足稳定条件，即指
在外因作用下，振荡器的平衡条件收到破坏时，振荡器可以进行自我调节，重新建立平衡条件，从而继续稳定振荡。其稳定条件又可以分为幅度稳定条件和相位稳定条件。
振幅稳定性条件是指振幅平衡条件受到破坏时，振荡器自身能重新建立起振幅平衡点的
条件，若能建立，则振荡器仍能保持稳定的振荡。振幅稳定性条件的关键是在平衡点附件，环路增益的幅度随振幅的变化特性具有负的斜率，即：
。 (2.5) 其中是振荡器稳定工作时的幅度。可通过图2.2说明其幅度稳定条件。
图 2.2 稳定振荡器闭环传输函数与振荡幅度关系曲线
由图可知，环路增益的幅度随着振荡的增强而下降。当受到某种外因时，其振荡幅度减
小，而环路增益的幅度将大于1，这样便会使振荡幅度逐渐增加，而只有当其振荡幅度重新达到V Q 时，环路的增益下降到1，从而使振荡器达到稳定；同理，当振荡幅度增加时，其环路增益度幅度将小于1，振荡器呈现减幅振荡，这样又使得其振荡幅度减弱，当达到V Q 时，又达到稳定条件。因而，由图可以看出，其幅度稳定条件是环路增益幅度随振幅的变化特性具
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有负斜率。
类似的，相位稳定条件即指相位条件受到破坏时，振荡器能自身建立新的相位平衡条件。
但需要注意的是，由于振荡器的角频率是相位的变化率（），当其相位发生变化时，频率也必然发生变化，因此相位稳定条件实质上和幅度稳定条件是一回事。如果由于某种原因，相位平衡遭到破坏，产生了一个很小的相位增量。如果，则反馈电压超前于原输入电压（前一次反馈电压）一个相角，相位超前就意味着周期缩短。如果振荡电压不断地放大、反馈、再放大，如此循环下去，输入电压的相位将一次比一次超前，周期不断缩短，相当于
每秒钟内循环的次数在增加，这就意味着振荡频率在不断地提高。反之，如果，反馈电压将滞后于原输入电压，同理将导致振荡频率的不断降低。因此，外因引起的相位变化与频率的关系是：相位超前导致频率升高，相位滞后导致频率降低，振荡频率与相位的变化关系可表示为：
(2.6)
为了维持振荡器的相位稳定，振荡器本身应该具有恢复相位平衡的能力。换句话说，就是在振荡频率发生变化的同时，振荡电路能够产生一个新的相位变化，以抵消由外因引起的变化，因而这二者的符号应该相反，亦即相位稳定条件为振荡电路的相移与频率之间的关系应该满足：
(2.7) 即振荡器的相位稳定条件要求谐振回路的相频特性曲线在工作频率附件具有负的斜率。
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图 2.3 并联谐振回路的相频特性
如果振荡器采用LC 谐振负载来决定振荡频率（LC 反馈振荡器，后面我们会讲到），则环
路增益的相移由放大器的相移、谐振回路的相移以及反馈回路的相移三部分组成。而并联谐振回路的相频特性恰好具有负的斜率，如图2.3（a
）所示，其中为振荡器的总相移。在利
用图2.3（b ）来解释振荡器的频率稳定原理。假定放大器的相移和反馈回路的相移之和为
，则只有工作频率为时，谐振回路的相移，相位平衡条件方被满足。若由于外因使振荡器相位发生了变化，变化到，即产生了一个增量，从而破坏了频
率的平衡条件。这种不平衡促使频率升高。由于频率升高使谐振回路产生负的相移增量
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。当时，环路增益的相位重新满足等于0
的条件，振荡器在
频率上再一次达到
平衡。但是新的稳定平衡点
毕竟还是偏离原来稳定平衡点一个。显而易见，这是为了抵消
的存在必然出现的现象[2]。
2.2 VCO 的延迟单元及其优缺点
环型振荡器的实现，可以采用纯数字的CMOS 工艺来实现，其不需要电感，可以节省大
量的芯片面积，从而实现低成本的振荡器；而且这种振荡器可以实现很宽的调谐范围，因此环型振荡器在时钟类型的应用以及低频或者中频通信系统中得到广泛应用。但是环型振荡器的噪声性比较能差，功耗高，这些缺点限制了它在射频通信系统中的应用。环型振荡器由几个相同的延迟单元组成一个环路，如图 2.4所示。延迟单元可以采用单端反相放大结构或者差分结构，（a ）图为单端反响放大结构，（b ）图为差分结构。
图 2.4 环形振荡器
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图 2.5 单端延迟单元电路
VCO的延迟单元可以采用单端和差分结构。图2.5给出了一些常用的单端延迟电路，（a）是电阻做负载的共源放大结构；又考虑到，工作在线性区的MOS管也可以作为电阻，因此（a）中的负载电阻也可以用线性区工作的PMOS来实现，如图（b）所示，为了保证MOS电阻的准确度，偏置电压设置应合理，则该结构也可以实现全摆幅振荡。但是信号幅度太大时，PMOS 的导通电阻值会发生变化，从而导致振荡器的波形产生畸形，上升时间和下降时间不在相等；同时负载电阻也可以用二极管型负载来代替，如图（c），PMOS管接成二极管形式，其负载
电阻为，而且该结构输出的电压最高只能达到，但信号的摆幅受到限制；（d）图给吃了将二极管型负载和线性区工作的MOS管负载并联组合，作为公园放大器的负载，其可以扩大负载电阻的线性范围；（e）是CMOS反相器，其也可作为延迟单元实现全摆幅振荡。这些延迟单元的延迟时间都于电源电压有关，大电源电压变化时，电路的延迟时间也会发生变化，从而直接影响着振荡器的频率发生变化。
一般的单端延迟电路，其延迟时间容易受到电源电压噪声和衬底噪声的干扰，而单端延迟单元和差分结构的区别在于，差分延迟单元可在一定程度上抑制这类噪声，因为我们知道差分结构的特点就是其共模抑制比很大，可以抑制共模噪声，即能很好的抑制环境噪声（电源噪声），但是它也有个缺点，那就是以电路面积为代价的，因为其电路结构的对称性，在芯片上占用的面积相对较大，这也增加了其制作的成本。但是考虑到现在芯片发展的主流趋势，以微小化，便捷化为目标，所以本设计中仍然采用的是单端延迟单元，具体分析见后文。
2.3 VCO频率调谐
VCO又称电压频率转换器，其输出频率受输入电压控制，因此称作压控振荡器。对于环
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形压控振荡器来说，改变其延迟单元的时间即可改变其振荡频率，而改变延迟时间可以通过改变电路的时间常数或者充放电电流来实现。
2.3.1 频率调谐的原理
对于环形压控振荡器来说，其频率主要由延迟单元的延迟时间所决定。结合图2.6、2.7
具体分析其频率决定因素。
图 2.6 环形振荡器的原理电路
图 2.7 环形振荡器的理想工作波形
假定我们认为的V11加一个微小的正跳变，经G1的传输延迟时间T pd 后，V12产生了一个
幅度更大的负跳变，在经过G2的传输延迟时间T pd 后，使V13产生更大的正跳变，经G3的传输延迟时间T pd 后，在V o 产生一个更大的负跳变并反馈到G1输入端。可见，在经过3T pd 后，V11又自动跳变为低电平，再经过3T pd 之后，V11又将跳变为高电平。如此周而复始，便产生自激振荡。如图2.6所示，可见振荡周期为T=6T pd ，则其频率就可确定。
在许多实际应用要求中，振荡器要求是可调谐的，即它们的振荡频率是一个控制输入信号（通常是电压信号）的函数。理想的电压控制振荡器（VCO ）的振荡频率是它的控制电压
的线性函数： （2.8） 其中，是相应于控制电压V cont = 0时的振荡频率，K vco 是VCO 的增益或灵敏度，单位
为rad/s?V ，VCO 的输出频率范围称为它的调谐范围。调谐范围通常由两个因素决定：一个是
cont vco out V K ?+=0ωω
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11 应用要求的频率范围，另一个是工艺和温度变化对VCO 频率的影响。在决定VCO 的调谐范围时，应综合考虑这两方面的因素，使得在各种温度和工艺变化的情况下，VCO 的输出频率范围仍然覆盖应用要求的频率范围。
由式（2.8）可知:Kvco 是衡量VCO 很重要的一个参数，在一定的工艺条件下，V cont 的取
值范围是一定的（例如从0到VDD ），因此K vco 高，振荡器的调谐范围就越宽。随着CMOS 工艺技术的发展，电源电压下降，控制电压的取值范围也下降，导致对K vco 的要求也越来越高。但K vco 很高时，控制线上微小的电压扰动（如噪声、耦合干扰等）都会引起振荡器输出频率很大的变化，因此从减小噪声影响的角度考虑，VCO 的K vco 应该取尽可能低的值；减弱控制线噪声影响的另一种办法是采用差分调谐方式，控制线采用差分结构，振荡器的振荡频率由一个差分信号进行控制，这种办法可以抑制共模噪声干扰，但在某些振荡器中，这种调谐方式并不适用。
2.3.2 VCO 频率调谐的方法
对于环型振荡器来说，改变延迟单元的延迟时间就可以改变振荡频率，改变延迟单元的
延迟时间可以通过改变电路的时间常数或者充放电电流来达到。下面简单介绍一下下面几种频率调谐技术。
1、 改变充放电电流来调节延迟单元的延迟时间
从本质上来说，延迟单元的延迟时间是由电流对节点电容的充放电时间来决定的，通过
上节内容了解到充放电时间与频率之间的关系。因此，改变充放电电流就可以改变延迟单元的延迟时间，从而达到调谐的目的。采用这种技术的延迟单元如图2.8(a)所示，通过调节电流源或者电流沉的大小，可以改变延迟单元的延迟时间，从而改变环型振荡器的振荡频率。但是仅调节电流源或者电流沉的大小，仅能改变延迟单元的上升延迟时间或者下降延迟时间，使得振荡波形会发生畸变，为了改变这一点，可以采用同时调节电流源和电流沉的大小，如图2.8 (b)如所示。
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图 2.8 改变充放电电流调节诉单元的延迟时间
采用这种技术实现的一个环型振荡器如图2所示，它采用了三级反相器级联构成的环路结
构，三个反相器由同一个电流源提供电流，通过改变电流源的电流大小，就可以改变振荡器的振荡频率。由于控制信号一般都是电压，因此需要一个电压-电流转换电路，如2.8所示。控
制信号加在采用了源简并技术的晶体管栅极，它的等效跨导为Gm=gm/(1 + R?gm)， 当 时，
，因此可以将控制电压线性地转化为控制电流，该电流经电流镜镜像后，控制电流源或者电流沉的大小。 从而实现对节点电容的充放电电流的控制，即控制节点电容的充放电时间，最终实现延迟时间的控制，达到频率调节的作用。
图 2.9 恒电流源环形振荡器
2、改变负载电阻值来调节延迟单元的延迟时间；
对于采用电阻作负载的延迟单元来说，可以通过改变负载电阻的阻值来调节延迟时间，
如图2.9所示。控制电压加在线性区工作的MOS 管栅极，使PMOS 管M3、M4成为一个压控电阻。当控制电压变化时，MOS 管的等效电阻也会发生变化，这样就改变了输出端的时间常数和延迟单元的延迟时间。如果M3、M4工作于深度线性区，则输出端的时间常数为：
(2.9)
其中，是输出节点的总电容。则：
(2.10)
1gm R <
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图 2.10 改变负载值来调节延迟单元延迟时间
由这种延迟单元构成的环型振荡器的振荡频率与控制电压成线性关系。但为了保证M3、M4工作于深度线性区，控制电压的取值范围会受到限制。
采用这种调谐技术的一个缺点是振荡信号的幅度会随着振荡频率的变化而变化，振荡信号的幅度为，所以当负载电阻的值发生变化时，其幅度会随着负载电阻发生变化[2]。
3、采用差值技术来调节延迟单元的延迟时间
环型振荡器的另一种频率调谐技术是采用差值技术，如图2.11所示。延迟单元由两个不同延迟时间的路径构成，这两条延迟路径在输出相加，控制电压V cont 控制着它们对输出的相对贡献，如果V cont 使得快速路径对输出的贡献相对更大，而慢速路径对输出的贡献相对更小，那么延迟时间就会减小；相反，如果V cont 使得慢速路径对输出的贡献相对更大，而快速路径对输出的贡献相对更小，那么延迟时间就会增加。这样V cont 就可以控制该延迟单元的延迟时间。
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图 2.11 采用差值技术来调节延迟单元的延迟时间[2]
实现该思想的单端延迟单元如图2.12（a ）所示。快速路径和慢速路径都采用反相器结构，快速路径上的反相器尺寸较大，延迟时间较小，而慢速路径上的反相器尺寸较小，延迟时间较大（见（b ）），延迟单元总延时控制和两条路径相加是通过电压控制开关来实现的（见（c ））。当控制电压不同时，快速路径上的反相器和慢速路径上的反相器对延迟单元输出节点电容（主要是下级的输入电容）充放电电流的比例就会变化，改变了延迟时间；（d ）给出了控制电压实现反相的电路，如果控制电压本身就是差分的，那么（d ）所示的单端到差分转换是不需要的。
图 2.12 采用差值技术的单端延迟单元电路[2]
实现差值技术的一种差分延迟单元如图2.13所示。快速路径是由差分对M1、M2构成的增益级，而慢速路径是两个差分放大器构成的级联结构，因此具有更大的延迟时间。这两条路径的输出都是电流，因此可以在输出直接实现相加功能，并采用同一个电阻R1、R2作负载。通过调节快速路径和慢速路径上的差分对的偏置电流，就可以改变快速路径和慢速路径对输出节点充放电电流的相对比例，从而改变该延迟单元的延迟时间。但振荡频率变化时，流过负载电阻上的电流也会发生变化，导致振荡信号幅度发生变化。考虑到差分对M5、M6的偏置电流即使不发生变化，图2.13所示电路也能实现差值技术，这时慢速路径上仅M3、M4的偏置电流发生变化。为了保持振荡信号幅度不变，可以采用上一小节所提到的电压控制差分对作尾电流，如图2.14所示。差分控制电压作差分对M7、M8的输入电压，控制着M1、M2和M3、M4的尾电流源的电流分配，调节快速路径和慢速路径的相对贡献，起到调节延迟单元延迟时间的目的。为了适应低压应用，电流镜M7、M8 也可以采用电流折叠技术[2]。
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图 2.13 采用差值技术的差分延迟单元电路
[2] 图 2.14 差值技术的恒振荡幅度差分延迟单元电路[2]
2.4 VCO 的主要性能指标
2.4.1 VCO 的噪声种类
对于一般VCO 而言，其噪声主要来源可以分为两组[12] ,分别为器件噪声和外加干扰。器件噪声包括热噪声（thermal noise )、散弹噪声（shot noise )、闪烁噪声（flicker noise )，电源噪声和衬底噪声(supply and substrate noise)属于外加干扰噪声。
其中，热噪声是指导体中由电子的骚动而产生的随机噪声，通常又称白噪声。其主要是由导体中的电子的热震动引起的，存在于所有电子器件和传输媒介。它是温度变化的结果，但是不受频率变化的影响。而且它不能消除，也因此对通信系统性能构成了上限。
散弹噪声则是由真空电子管和半导体器件中的电子发射的不均匀性引起的。散弹噪声的物理性质可由图2.15平行板二极管的电子发射示意图来说明。在给定的温度下，二极管的热阴极每秒发射的电子平均数目是常数，不过电子发射的实际数目随时间的变化是不可预测的。这就是说，如果我们将时间轴分为许多个等间隔的小区间，则在每一个小区间内电子发射数目不是常量而是随机量。因此，发射电子所形成的电流并不是固定不变的，而是在一个平均值上起伏变化的如图2.16 [14]。
图 2.15 平行板二极管的电子发射示意图[14] 图 2.16 二极管的总电流变化示意图[14]
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图2.16所示的总电流实际上是许多单个电子单独作用的总结果。由于从阴极发射的每一个电子可认为是独立出现的，且观察表明，每1安培的平均电流相当在1秒钟内通过约为个电子，所以总电流便是相当多的独立小电流之和。于是，根据中心极限定理可知，总电流是一个高斯随机过程，也就是说，图2.16中的起伏电流（即散弹噪声）是一个高斯随机过程。利用普通电子学的知识，还可以找到在温度限定下二极管的散弹噪声的功率谱密度。在非常宽的频率范围内（通常认为不超过100MHz），散弹噪声电流的功率谱密度等于一个恒值，其
中，是平均电流值，是电子的电荷，[14]。
闪烁噪声又称1/f噪声，它是由于传输媒介表面的不规则性或其颗粒状性质而导致的随机噪声。其与散弹噪声一样，同样与流过被测体系的电流有关，与腐蚀电极的局部阴阳极有关；所不同的是引起散弹噪声的局部阴阳极反应产生的能量耗散掉了，而对于闪烁噪声的能量则表现为具有各种瞬态过程的变量。以上这些都是由于器件本身的一些特性所引起的，大多数情况下是我们所不能控制的，也是不可避免。因此他们对电路的性能的影响可以认为是先天性的[15]。
而电源噪声和衬底噪声则不同，他们对电路性能的影响是由我们认为导致的，是可以通过一定措施来减小和抑制的。所谓的电源噪声通俗的讲就是电源的输出抖动对后面电路的性能的影响。因为实际中的电源输出的值不是恒定的，它是会受到一些外界因素影响而发生变化的，而我们在理论分析中所谓的电源电压是多少，或电流是多大，那都是想理想状态下的，认为它是恒定的。因此，在实际的应用，这种抖动就会给后面的电路带来一些影响，从而造成后面电路的性能的变化，所以将它理解为一种影响电路性能的噪声。而衬底噪声也是相同的机理，虽然衬底一般是接地的，但是它上面也是有一定的电流流过，同样流过衬底的电流也不是恒定的，而是在一定范围内发生变化的，这样就会造成衬底上的电位的变化，而不是我们认为理想的零电位，所以它也会对电路性能造成一定的影响。
而且电源噪声和衬底噪声对相位噪声的影响也是不能忽略，且与级数有关。由于振荡器每一级都受到相同的干扰，呈现完全相关的噪声。在频率一定时，级数越多则电源噪声对相位噪声的影响就越大，所以一般VCO电路选择三级延迟单元。版图设计中也应注意完全对称原则，从而将有效抑制电源引入的共模噪声。同时，尽量增大电源和地线之间的电容,可滤除电源耦合串扰。有源放大管衬底噪声可以看作是电源噪声的负变化，即衬底电压变化-ΔV等效为电源电压变化ΔV[6]。但是，级数的选择又会影响到压控增益的大小，所以我们在设计电路时，应当折中的去考虑，不能只考虑一方面的因素，应该兼顾多方面因素，从而使得我们设计的电路具有良好的综合性能。
2.4.2 VCO的主要参数
VCO的主要性能指标包括振荡频率、电压-频率特性曲线的线性度、调谐范围、相位噪声、抖动和制造成本等。其中最主要的参数是相位噪声和调谐范围。其次，压控增益也是比较重
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★测试方法 一、编写用例的方法 等价类划分、边界值、因果图、判定表、正交排列法、场景法、状态转换图法、测试大纲方法 ☆等价类划分 1.应用场合： 只要有数据输入的地方，就可以应用等价类划分。 从很多的数据中，选取具有代表性的数据进行测试，可以提高测试效率，节约测试成本。 2.核心概念： （1）有效等价类： 对程序有意义、合理的输入数据 程序接收有效等价类数据，应该正确计算、执行 （2）无效等价类： 对程序无意义、不合理的输入数据 程序接收无效等价类数据，应该给出错误提示，或者根本不让输入 3.步骤： （1）根据需求，划分等价类 （2）细化等价类 再次检查，等价类能不能细分，一般依据的不是书面上的需求，而是基于对计算机数据存储、 处理方式的深入理解。——对正数和负数一般需要单独测试 （3）建立等价类表（熟练后，直接做这一步） 个人认为这一步是多余的。 （4）编写测试用例 从每个等价类中至少选取一个数据进行测试即可 4.边界值法 说明：一般不会单独说到用边界值，等价类和边界值是小情侣，结合使用设计一套较为完善的测试用
例。 边界值选取规则：得到需求的边界值时，取大于，等于，小于三个值设计测试用例。 5.等价类法经验 1)在一条用例中，可以尽可能多的测试（覆盖）不同控件的1个有效等价类（包括有效边界值）—— 对于不同控件的有效等价类（有效边界值）可以组合着去测。 2)在一条用例中，只测试一个控件的一个无效等价类（包括无效边界值）——无效等价类先不要组 合（无效等价类先单独测试，避免屏蔽现象，最后可以考虑无效等价类的组合） ☆因果图法 1.应用场合 在一个界面中，有多个控件，要考虑控件之间的组合，不同控件的组合会产生不同的输出结果组合，为了弄清输入组合和输出组合之间的对应关系，可以使用因果图（控件之间的组合） 2.因果图的核心 （1）因——原因，输入动作 （2）果——结果，输出结果 找出原因（输入）和结果（输出），以及它们之间的对应关系 3.图形符号 （1）基本符号 表达输入（因）和输出（果）的对应关系 （2）约束条件 约束的是同一类型（全部是输入或者全部是输出） 4.步骤 1)找出所有的原因（输入）和找出所有的结果（输出） 2)找到各输入的限制关系和组合关系和找出各输出的限制关系和组合关系
计算机仿真技术的发展概述及认识 摘要：随着经济的发展和社会的进步，计算机技术高速发展，使人类社会进入了信息时代，计算机作为后期新秀渗入到人们生活中的每一个领域，给人们的生活带来了前所未有的变化。作为新兴的技术，计算机技术在人类研究的各个领域起到了只管至关重要的作用，帮助人类解决了许多技术难题。在科研领域，计算机技术与仿真技术相结合，形成了计算机仿真技术，作为人们科学研究的一种新型方法，被人们应用到各个领域，用来解决人们用纯数学方法或者现实实验无法解决的问题，对科研领域技术成果的形成有着积极地促进作用。 本文在计算机仿真技术的理论思想基础上，分析了计算机仿真技术产生的基本原因，也就是人们用计算机模拟解决问题的优点所在，讨论了模拟、仿真、实验、计算机仿真之间的联系和区别，介绍了计算机仿真技术的发展历程，并查阅相关资料介绍了计算机仿真技术在不同领域的应用，分析并预测了计算机仿真的未来发展趋势。经过查阅大量数据资料并加以分析对比，这对于初步认识计算机仿真技术具有重要意义。 关键词：计算机仿真；模拟；仿真技术；发展 一、引言 计算机仿真技术是以多种学科和理论为基础，以计算机及其相应的软件为工具，通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术。计算机仿真（模拟）早期称为蒙特卡罗方法，是一门利用随机数实验求解随机问题的方法。其原理可追溯到1773年法国自然学家G.L.L.Buffon为估计圆周率值所进行的物理实验。根据仿真过程中所采用计算机类型的不同，计算机仿真大致经历了模拟机仿真、模拟－数字混合机仿真和数字机仿真三个大的阶段。20世纪50年代计算机仿真主要采用模拟机；60年代后串行处理数字机逐渐应用到仿真之中，但难以满足航天、化工等大规模复杂系统对仿真时限的要求；到了70年代模拟－数字混合机曾一度应用于飞行仿真、卫星仿真和核反应堆仿真等众多高技术研究领域；80年代后由于并行处理技术的发展，数字机才最终成为计算机仿真的主流。现在，计算机仿真技术已经在机械制造、航空航天、交通运输、船舶工程、经济管理、工程建设、军事模拟以及医疗卫生等领域得到了广泛的应用。 二、基本概念 模拟：（Simulation）应用模型和计算机开展地理过程数值和非数值分析。不是去求系统方程的解析解，而是从系统某初始状态出发，去计算短暂时间之后接着发生的状态，再以此为初始状态不断的重复，就能展示系统的行为模式。模拟是对真实事物或者过程的虚拟。模拟要表现出选定的物理系统或抽象系统的关键特性。模拟的关键问题包括有效信息的获取、关键特性和表现的选定、近似简化和假设的应用，以及模拟的重现度和有效性。可以认为仿真是一种重现系统外在表现的特殊的模拟。 仿真：（Emulation）利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统，又称模拟。即使用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目仿真项目
第一章控制系统及仿真概述 控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算数学与计算机技术的综合性新型学科。这门学科的产生及发展差不多是与计算机的发明及发展同步进行的。它包含控制系统分析、综合、设计、检验等多方面的计算机处理。计算机仿真基于计算机的高速而精确的运算，以实现各种功能。 第一节控制系统仿真的基本概念 1．系统： 系统是物质世界中相互制约又相互联系着的、以期实现某种目的的一个运动整体，这个整体叫做系统。 “系统”是一个很大的概念，通常研究的系统有工程系统和非工程系统。 工程系统有：电力拖动自动控制系统、机械系统、水力、冶金、化工、热力学系统等。 非工程系统：宇宙、自然界、人类社会、经济系统、交通系统、管理系统、生态系统、人口系统等。 2．模型： 模型是对所要研究的系统在某些特定方面的抽象。通过模型对原型系统进行研究，将具有更深刻、更集中的特点。 模型分为物理模型和数学模型两种。数学模型可分为机理模型、统计模型与混合模型。 3．系统仿真： 系统仿真，就是通过对系统模型的实验，研究一个存在的或设计中的系统。更多的情况是指以系统数学模型为基础，以计算机为工具对系统进行实验研究的一种方法。 要对系统进行研究，首先要建立系统的数学模型。对于一个简单的数学模型，可以采用分析法或数学解析法进行研究，但对于复杂的系统，则需要借助于仿真的方法来研究。 那么，什么是系统仿真呢？顾名思义，系统仿真就是模仿真实的事物，也就是用一个模型（包括物理模型和数学模型）来模仿真实的系统，对其进行实验研究。用物理模型来进行仿真一般称为物理仿真，它主要是应用几何相似及环境条件相似来进行。而由数学模型在计算机上进行实验研究的仿真一般则称为数字仿真。我们这里讲的是后一种仿真。 数字仿真是指把系统的数学模型转化为仿真模型，并编成程序在计算机上投入运行、实验的全过程。通常把在计算机上进行的仿真实验称为数字仿真，又称计算机仿真。
课程实验报告 课程3G移动通信实验 学院通信学院 专业通信工程 班级13083414 学号13081403 学生姓名李倩
实验Okumura-Hata 方法计算机仿真 【实验目的】 ? 加深对奥村模型的理解； ? 能够使用C 语言（或者Matlab ）利用Okumura-Hata 方法计算基本传输损耗； ? 比较奥村模型和Okumura-Hata 方法获得的基本传输损耗的差异，分析Okumura-Hata 方法的误差。 【实验内容】 ? 使用C 语言（或者Matlab ）利用Okumura-Hata 方法计算基本传输损耗； ? 分析Okumura-Hata 方法的误差； 【实验设备】 ? 一台PC 机 【实验步骤】 1. 采用Okumura-Hata 方法分别计算大城市市区地区准平滑地形、郊区和开阔区，基站天线高度是hb=200米，手机天线高度是hm=3米情况下，不同传播距离d 和不同载波频率f 条件下的传播损耗中值。画出相应的曲线。 050010001500 20002500300080100 120 140 160 180 200 大城市 频率/MHz 损耗中值/d B
2. 将计算结果和通过奥村模型实测测得的结果进行比较，验证计算结果的正确性。 050010001500 2000250030008090 100 110 120 130140150 160 170 180 郊区 频率/MHz 损耗中值/d B 050010001500 200025003000100120 140 160 180200 220 240开阔区 频率/MHz 损耗中值/d B
实验七:模拟法测静电场 示范实验报告 【实验目的】 1． 理解模拟实验法的适用条件。 2． 对于给定的电极，能用模拟法求出其电场分布。 3． 加深对电场强度和电势概念的理解。 【实验仪器】 YJ-MJ-Ⅲ型激光描点模拟静电场描绘仪、白纸、夹子 【实验原理】 直接测量静电场，是非常困难的，因为： ① 静电场是没有电流的，测量静电场中各点的电势需要静电式仪表。而教学实验室只有磁电式仪表。任何磁电式电表都需要有电流通过才能偏转，所以想利用磁电式电压表直接测定静电场中各点的电势，是不可能的。 ② 任何磁电式电表的内阻都远小于空气或真空的电阻，若在静电场中引入电表，势必使电场发生严重畸变；同时，电表或其它探测器置于电场中，要引起静电感应，会使场源电荷的分布发生变化。 人们在实践中发现：两个物理量之间，只要具有相同的物理模型或相同的数学表达式，就可以用一个物理量去定量或定性地去模拟另一个物理量，这种测量方法称为模拟法。本实验用稳恒电流场模拟静电场进行测量。 从电磁学理论知道，稳恒电流场与静电场满足相同的场方程： 0E dl ?=? （静电场的环路定理） ， 0E dS ?=?? （闭合面内无电荷时静电场的高斯定理）； 0j dl ?=? （由?=?0l d E ，得?=?0l d E σ，又E j σ=，故?=?0l d j ） ， 0j ds ?=?? （电流场的稳恒条件）； 如果二者有相同的边界条件，则场分布必定相同，故可用稳恒电流场模拟静电场。 1．长直同轴圆柱面电极间的电场分布 在真空中有一个半径为r 0的长圆柱导体A 和一个内半径为R0的长圆筒导体B ，其中心轴重合且均匀带电，设A 、B 各带等量异种电荷，沿轴线每单位长度上内外柱面各带电荷σ+和
、数值计算，编程完成以下各题(共20分，每小题5 分) 1、脉冲宽度为d，周期为T的矩形脉冲的傅里叶级数如下式描述: d［i.^= sin(^d/T)cos(^：n.) T n」n rd /T 当n =150，d..「T =1；4，- 1/2 ：：：.：：： 1/2，绘制出函数f(.)的图形。 解： syms n t; f=((si n(n *pi/4))/( n*pi/4))*cos(2*pi* n*t); s=symsum(f, n,1,150); y=(1+2*s)/4; x=-0.5:0.01:0.5; Y=subs(y,'t',x); plot(x,Y) 2 0 05x2 5 ■ 5 2、画出函数f (x)二(sin 5x) e .- 5x cos1.5x 1.5x 5.5 x 在区间［3, 5］的图形，求出该函数在区间［3, 5］中的最小值点X min和函数的最小值f min . 解：程序如下 x=3:0.05:5; y=(si n(5*x).A2).*exp(0.05*x.A2)-5*(x.A5).*cos(1.5*x)+1.5*abs(x+5.5)+x.A2.5; mix_where=fi nd(y==mi n(y)); xmin=x(mix_where); hold on; plot(x,y); plot(xmi n,min (y),'go','li newidth',5); str=strcat('(' ,nu m2str(xmi n),',' ,nu m2str(mi n(y)),')'); text(xmi n,min (y),str);
Ylabel('f(x)') 经过运行后得到的图像截图如下： 运行后的最小值点X min =4.6 , f m in = -8337.8625 3、画出函数f (x) = cos2x「e^'x — 2.5 X在口，3]区间的图形, 解该非线 并用编程求性方程 f (x) = 0的一个根，设初始点为X o = 2 . 解： x=1:0.02:3; x0=2; y=@(x)(cos(x).A2).*exp(-0.3*x)-2.5*abs(x); fplot(y,[1,3]); Xlabel('x') Ylabel('f(x)') X仁fzero('(cos(x).A2).*exp(-0.3*x)-2.5*abs(x)',x0) 运行后求得该方程的一个根为z=0.3256 。 4、已知非线性方程组如下，编程求方程组的解，设初始点为[1 0.5 -1].
常见的阴影计算模拟分析方法及其结果对比 作者：陆星光QQ:845064009 目前我们做光伏电站的前后排阵列阴影遮挡，障碍物阴影遮挡分析计算的时候，会采用各自的不同计算方法。本人对手头上现有的几种阴影模拟计算方法整理总结了一下，做了简单的使用介绍和对比分析。 这里我们以上海（纬度31.2度）为阴影分析地点，2米高且与水平面竖直90度角的墙作为遮挡障碍物来分析，这里考虑到正南正北朝向太简单了，我们选用障碍物朝向为南偏西45度。如下图所示的模型： 1.借助论坛上网友编制的公式表格计算（如光伏系统设计多功能软件——友哥、山 区型光伏电站布置间距计算，这里十分感谢周长友、蒋华庆等前辈大牛制作的表 格） 把以上的一些相关信息分别输入，得到以下结果：
光伏系统设计多功能软件——友哥的计算结果 （不得不说友哥的表格真心不错，功能齐全，适合各种间距计算需要，手动在蓝色区域里填写信息即可，这里我用了计算南北坡屋面计算的模块，由于障碍物垂直水平面，且南偏西朝向，所以手动做了一些数据模型优化处理） 2.使用CAD VBA的插件shadeobject，首先CAD里需要安装VBA,然后加载shadeobject 文件，加载完成即可使用。过程如下： 1）打开CAD,输入命令shr 2）输入纬度：31.2 3）选择点，这里我们随便选择一个点。 4）输入高度（这里的高度不是mm，而是需要转化过得到结果为167）167并回车 5）把得到的阴影旋转45°即可得到所需结果。最终阴影结果如下图
图中线为红色（夏至）7根，绿色（春分秋分）7根，浅蓝色（冬至）7根，同一颜色长短不一的7根射线分别代表那一天从左往右为上午9点、10点、11点、12点、13点、14点、15点时候的阴影长度。 3.使用pkpm里的一个功能模块sunlight软件做阴影计算分析（该软件可以集成在 pkpm中，也可以单独安装） 1）打开sunlight软件，新建工程。 2）使用矩形和拉伸命令绘制成模型。 3）把建好的模型转过45°角。如下图
第3章 连续系统仿真的方法 3.1 数值积分法 连续系统数值积分法，就是利用数值积分方法对广微分方程建立离散化形式的数学模型——差分方程，并求其数值解。可以想象在数学计算机上构造若干个数字积分器，利用这些数字积分器进行积分运算。在数字计算机上构造数字积分器的方法就是数值积分法，因而数字机的硬件特点决定了这种积分运算必须是离散和串行的。 把被仿真系统表示成一阶微分方程组或状态方程的形式。一阶向量微分方程及初值为 () (),00t Y Y t Y ???? ?????? Y =F = （3-1） 其中，Y 为n 维状态向量，F （t ，Y ）为n 维向量函数。 设方程（3-1）在011,,,,n n t t t t t +=…处的形式上的连续解为 ()()()()n+1n+1 t t n+10t t t =Y t +,(),n Y F t Y dt Y t F t Y dt =+ ?? （3-2） 设 n =() n Y Y t ，令 1n n n Y Y Q +=+ （3-3） 则有： ()1n+1t n Y Y += 也就是说， 1 (,)n n t n t Q F t Y dt +≈ ? （3-4） 如果n Y 准确解()n Y t 为近似值，n Q 是准确积分值的近似值，则式（3-4）
就是式（3-2）的近似公式。换句话说，连续系统的数值解就转化为相邻两个时间点上的数值积分问题。 因此，所谓数值解法，就是寻求初值问题（3-1）的真解在一系列离散点12n t t t <…<…上的近似解12,,,n Y Y Y ……，相邻两个时间离散点的间隔 1n n n t t +=-h ，称为计算步距或步长，通常取n =h h 为定值。可见，数值积分法的主要问题归结为对函数(,)F t y 的数值积分问题，即如何求出该函数定积分的近似解。为此，首先要把连续变量问题用数值积分方法转化成离散的差分方程的初值问题，然后根据已知的初值条件0y ，逐步地递推计算后续时刻的数值解(1,2,)i y i =…。所以，解初值问题的数值方法的共同特点是步进式的，采用不同的递推算法，就出现各种不同的数值积分方法。 3.2 替换法 基于数值积分的连续系统仿真方法具有成熟、计算精度比较高的优点，但算法公式比较复杂、计算量比较大，通常只有在对速度要求不高的纯数字仿真时使用。当进行实时仿真或在计算机控制系统中实现数字控制器的算法时，要求计算速度快，以便能在一个采样周期内完成全部计算任务，这就需要一些快速计算方法。 用数值积分方法在数字机上对一个连续系统进行仿真时，实际上已经进行了离散化处理，只不过在离散化过程中每一步都用到连续系统的模型，离散一步计算一步。那么，能否先对连续的模型进行离散化处理，得到一个“等效”的离散化模型，以后的每一步计算都直接在这个离散化模型基础上进行，而原来的连续数学模型不再参与计算呢？回答是肯定的。这些结构上比较简单的离散化模型，便于在计算机上求解，不仅用于连续系统数字仿真，而且也可用于数字控制器在计算机上实现。 替换法的基本思想是：对于给定的函数G （s ），设法找到s 域到z 域的的某种映射关系，它将S 域的变量s 映射到z 平面上，由此得到与连续系统传递函数G （s ）相对应的离散传函G （z ）。进而再根据G （z ）由z 反变换求的系统的时域离散模型——差分方程，据此便可以进行快速求解。
《电力电子系统的计算机仿真》题目：方波逆变电路的计算机仿真
电力电子技术综合了电子电路、电机拖动、计算机控制等多学科知识，是一门实践性和应用性很强的课程。由于电力电子器件自身的开关非线性，给电力电子电路的分析带来了一定的复杂性和困难，一般常用波形分析的方法来研究。仿真技术为电力电子电路的分析提供了崭新的方法。 我们在电力电子技术课程的教学中引入了仿真，对于加深学生对这门课程的理解起到了良好的作用。掌握了仿真的方法，学生的想法可以通过仿真来验证，对培养学生的创新能力很有意义，并且可以调动学生的积极性。实验实训是本课程的重要组成部分，学校的实验实训条件毕竟是有限的，也受到学时的限制。而仿真实训不受时间、空间和物质条件的限制，学生可以在课外自行上机。仿真在促进教学改革、加强学生能力培养方面起到了积极的推动作用。 【关键字】电力电子，MATLAB，仿真。
第一章电力电子与MATLAB软件的介绍 一、电力电子概况 二、MATLAB软件介绍 第二章电力电子器件介绍 一、电力二极管特性介绍 二、晶闸管特性介绍 三、IGBT特性介绍 第三章主电路工作原理 一、单相桥式逆变电路 二、三相桥式逆变电路 三、PWM控制基本原理 第四章仿真模型的建立 一、单极性SPWM触发脉冲波形的产生 二、双极性SPWM触发脉冲波形的产生 三、单极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路 四、双极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路第五章仿真结果分析 第六章心得体会 第七章参考文献
第一章电力电子与MATLAB软件的 介绍 一、电力电子概况 电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。 电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。 一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出的第一个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。此前就已经有用于电力变换的电子技术，所以晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前或黎明时期。70年代后期以门极可关断晶闸管（GTO），电力双极型晶体管（BJT），电力场效应管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件全速发展（全控型器件的特点是通过对门极既栅极或基极的控制既可以使其开通又可以使其关断），使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT 可看作MOSFET和BJT的复合）为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通态压降小，在流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成模块的形式，后来又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前PIC的功率都还较小但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向 利用电力电子器件实现工业规模电能变换的技术，有时也称为功率电子技术。一般情况下，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。例如，将交流电能变换成直流电能或将直流电能变换成交流电能；将工频电源变换为设备所需频率的电源；在正常交流电源中断时，用逆变器（见电力变流器）将蓄电池的直流电能变换成工频交流电能。应用电力电子技术还能实现非电能与电能之间的转换。例如，利用太阳电池将太阳辐射能转换成电能。与电子技术不同，电力电子技术变换的电能是作为能源而不是作为信息传感的载体。因此人们关注的是所能转换的电功率。 电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要
姓名：123学号：321杭州电子科技大学 实验一Okumura-Hata方法计算机仿真 【实验目的】 ?加深对奥村模型的理解； ?能够使用Matlab利用Okumura-Hata方法计算基本传输损耗； ?比较奥村模型和Okumura-Hata方法获得的基本传输损耗的差异，分析 Okumura-Hata方法的误差。 【实验内容】 ?使用Matlab利用Okumura-Hata方法计算基本传输损耗； ?分析Okumura-Hata方法的误差； 【实验设备】 ?一台PC机 【实验步骤】 1.采用Okumura-Hata方法分别计算大城市市区地区准平滑地形、郊区和开阔区，基站天线高度 是200米，手机天线高度是3米情况下，不同传播距离和不同载波频率条件下的传播损耗中值。画出相应的曲线。 2.将计算结果和通过奥村模型实测测得的结果进行比较，验证计算结果的正确性。 3.分析Okumura-Hata方法在何距离以及何频率范围内存在较大的误差。 【实验内容】 1.大城市 clear; hb=200; hm=3; for d=[125103060100] f1=150:0.1:300; Lb11=69.55+26.16*log10(f1)-13.82*log10(hb)-(8.29*log10(1.54*hm).^2-1.1) +(44.9-6.55*log10(hb))*log10(d); f2=300:0.1:1920; Lb12=69.55+26.16*log10(f2)-13.82*log10(hb)-(3.2*(log10(11.75*hm)).^2-4. 97)+(44.9-6.55*log10(hb))*log10(d); f=[f1f2]; Lb1=[Lb11Lb12]; figure(1); hold on; plot(f,Lb1,'r'); end grid; title('大城市'); xlabel('频率/MHz');
计算机仿真技术
The computer simulation technology Abstract: With the development of information processing technology and network technology, simulation technology has not only limited to the performance test product or system integration after production, but also can be applied to the whole process of product models developed, including demonstration program, tactical and technical indicators feasibility studies, design analysis, manufacturing, testing, maintenance, training and so on various stages. System simulation technology is also knowned as system simulation technology, computer simulation of so-called electronic communications system, it is used of computer systems for real electronic communications or digital models of physical model tests. To analyze and study the performance of such a model experiment and working conditions of a real system. When tested in the actual study of electronic communication systems is difficult or impossible to achieve, simulation technology has become an inevitable choice。 Keyword：message，network，simulation，communication，research 计算机仿真技术 摘要：随着信息处理技术和网络技术的发展，仿真技术的应用已不仅仅限于产品或系统生产集成后的性能测试试验，更可应用于产品型号研制的全过程，包括方案论证、战术技术指标论证、设计分析、生产制造、试验、维护、训练等各个阶段。系统仿真技术也称为系统模拟技术,所谓电子通信系统的计算机仿真,就是利用计算机对实际电子通信系统物理模型或数字模型进行试验,通过这样模型实验来对一个实际系统的性能和工作状态进行分析和研究.当在实际电子通信系统中进行试验研究比较困难或者根本无法实现时,仿真技术就成为必然选择。 关键字：信息，网络，仿真，通信，研究 1、什么是计算机仿真技术： 仿真技术是伴随着计算机技术的发展而发展的。是一门多学科的综合性技术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验,其可以再现系统的状态﹑动态行为及性能特征，用于分析系统配置是否合理﹑性能是否满足要求，预测系统可能存在的缺陷，为系统设计提供决策支持和科学依据。 [1]它具有经济、可靠、实用、安全、灵活、可多次重复使用的优点, 已经成为对许多复杂系统( 工程的、非工程的) 进行分析、设计、试验、评估的必不可少的手段。它是以数学理论为基础, 以计算机和各种物理设施为设备工具, 利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验仿真研究的一门综合技术。在计算机问世以前，基于物理模型的实验一般称为“模拟”，它一般附属于其他相关学科。自从计算机特别是数字计算机出现以后，其高速计算能力和巨大的存储能力使得复杂的数值计算成为可能，计算机仿真技术得到了蓬勃的发展，从而使计算机仿真成为一门重要的学科。随着仿真应用的日益扩展，计算机仿真的外延也在延伸。如现代的各种仿真训练器：飞行器，船舶、轮机仿真训练器等，尽管在景观、声响、操纵和监控系统等方面大量地采用物理仿真，但其核心部分仍然是对系统及其各组成元件的实时计算机数学仿真。广义地．这些仿真也纳入了计算机仿真的范围。 2、现代仿真技术 现代仿真技术的重要进展主要体现在: 2.1系统建模方面: 传统上,多通过实验辩识来建立系统模型。近十几年来, 系统辩识技术得到飞速发展。在辩识方法上有时域法、频域法、相关分析法、最小二乘法等;在技术手段上有系统辩识设计、系统模型结构辩识、系统模型参数辩识、系统模型检验等[2]。除此之外,近年来还提出了用仿真方法确定实际系统模型的方法;基于模型库的结构化建模方法:面向对象建模方法等。特别是对象建模,可在类库基础上实现模型的拼合与重用。
商务统计方法模拟试题三 一、判断题 1、定义数据结构是在数据视窗中进行的。（） 2、在进行二项分布检验时，要求检验变量必须是二值变量。（） 3、Kendall相关系数适用于度量定类变量间的线性相关关系。（） 4、非参数检验要求样本来自的总体服从或近似服从正态分布。（） 5、配对样本中个案个数一定是相同的。（） 6、在SPSS数据文件中，一行代表一个个案（case）。（） 7、单样本t检验也可用于对总体比率进行检验。（） 8、在进行方差分析时，若总方差主要是由组内方差引起的，则会拒绝原假设。（） 9、二值变量序列中，游程数最小为1.（） 10、变量值越大，对应的秩就会越小。（） 二、单项选择题 1、SPSS数据文件默认的扩展名（） A、.sps B、.spo C、.sav D、.rtf 2、在SPSS的运行方式中，最常见，对初学者最适用的方式是（） A、程序运行方式 B、完全窗口菜单方式 C、混合运行方式 D、联机帮助方式 3、面对100份调查问卷，在进行SPSS数据输入时，应采用（） A、原始数据的组织方式 B、计数数据的组织形式 4、下列关于变量名的取名规则的说法，不正确的是（） A、变量名的字符数不能超过8个 B、变量名不区分大小写字母 C、“3G”是一个合法的变量名 D、变量名可以以汉字开头 5、在定义数据结构时，Label是指定义（） A、变量名 B、变量名标签 C、变量值标签 D、变量类型 6、“年龄”这个变量属于（） A、定类型变量 B、定序型变量 C、定距型变量 7、欲插入一个个案，应选择的一级菜单是（） A、File B、Edit C、View D、Data 8、在横向合并时，[Excluded V ariables]框中的变量是（） A、两个待合并的数据文件中的所有变量 B、合并后新的数据文件中包括的变量 C、合并后新的数据文件中不包括的变量 D、第二个待合并的数据文件中的变量 9、如果只想对收入大于5000或者职称不小于4级的职工进行计算，应输入的条件表达式是（） A、收入>5000or 职称>4 B、收入>5000and 职称>4 C、收入>5000 or not(职称>4) D、收入>5000 or not(职称<4) 10、希望从全部231个个案中随机选出32个个案，应采用的选取方式是（） A、指定条件选取 B、近似选取 C、精确选取 D、过滤变量选取 11、分类汇总中，默认计算的是各分类组的（）
基于MATLAB的数字模拟仿真 摘要：本文阐述了计算机模拟仿真在解决实际问题时的重要性，并较为系统的介绍了使用计算机仿真的原理及方法。对于计算机模拟仿真的三大类方法：蒙特卡罗法、连续系统模拟和离散事件系统模拟，在本文中均给出了与之对应的实例及基于MATLAB模拟仿真的相关程序，并通过实例深入的分析了计算机模拟解决实际问题的优势及不足。 关键词：计算机模拟；仿真原理；数学模型；蒙特卡罗法；连续系统模拟；离散事件系统模拟 在实际问题中，我们通常会面对一些带随机因素的复杂系统，用分析方法建模常常需要作许多简化假设，这样进行处理过后的模型与我们面临的实际问题可能相差很远，以致求解得到答案根本无法应用，这时，计算机模拟几乎成为唯一的选择。本文通过对计算机模拟仿真进行系统地介绍，寻求利用模拟仿真来解决问题的一般方法，并深入探讨了这些方法的长处和不足。我们定义一些具有特定的功能、相互之间以一定的规律联系的对象所组成的总体为一个系统，模拟就是利用物理的、数学的模型以系统为问题解决对象，来类比、模仿现实系统及其演变过程，以寻求过程规律的一种方法。模拟的基本思想是建立一个实验的模型，这个模型包含所研究系统的主要特点，这样做的目的就是通过对这个实验模型的运行，获得所要研究系统的必要信息。另外，系统的运行离不开算法，仿真算法是将系统模型转换成仿真模型的一类算法，在数字仿真模型中起核心和关键作用。 1、所谓计算机仿真 计算机仿真是利用计算机对一个实际系统的结构和行为进行动态演示，以评价或预测该系统的行为效果。它是解决较复杂的实际问题的一条有效途径。针对一个确定的系统，根据运行的相似原理，利用计算机来逼真模仿研究对象（研究对象可以是真实的系统，也可以是设想中的系统），计算机仿真是将研究对象进行数学描述，建模编程，且在计算机中运行实现。 对比于物理模拟通常花费较大、周期较长，且在物理模型上改变系统结构和系数都较困难的诸多缺陷，计算机模拟不怕破坏、易修改、可重用，有更强的系统适应能力。但是计算机模拟也有缺陷，比如受限于系统建模技术，即系统数学模型不易建立、程序调试复杂等。 计算机仿真可以用于研制产品或设计系统的全过程中，包括方案论证、技术指标确定、设计分析、生产制造、试验测试、维护训练、故障处理等各个阶段。 2、计算机仿真的目的 对于一个系统，是否选择进行计算机模拟的问题，基于判断计算机模拟与非计算机模拟方法孰优孰劣的问题。归纳以下运用计算机模拟的情况： （1）在一个实际系统还没有建立起来之前，要对系统的行为或结果进行分析研究时，计算机仿真是一种行之有效的方法。 （2）在有些真实系统上做实验会影响系统的正常运行，这时进行计算机模拟就是为了避免给实际系统带来不必要的损失。如在生产中任意改变工艺参数可能会导致废品，在经济活动中随意将一个决策付诸行动可能会引起经济混乱。 （3）当人是系统的一部分时，他的行为往往会影响实验的效果，这时运用系统进行仿真研究，就是为了排除人的主观因素的影响。
计算机仿真 概述
引言 仿真技术作为一门独立的科学已经有50多年的发展历史了，他不仅用于航天、航空、各种系统的研制部门，而且已经广泛应用于电力、交通运输、通信、化工、核能等各个领域。特别是近20年来，随着系统工程与科学的迅速发展，仿真技术已从传统的工程领域扩充到非工程领域，因而在社会经济系统、环境生态系统、能源系统、生物医学系统、教育系统也得到了广泛的应用。 在系统的规划、设计、运行、分析及改造的各个阶段，仿真技术都可以发挥重要作用。随着研究对象的规模日益庞大，结构日益复杂，仅仅依靠人的经验及传统技术难以满足愈来愈高的要求。基于现代计算机及其网络的仿真技术，不但能提高效率，缩短研究开发周期，减少训练时间，不受环境及气候限制，而且对保证安全、节约开支、提高质量尤其具有突出的功效。 现在，仿真技术成已为各个国家重点发展的一门高新技术，从某种角度上，它代表着一个国家的科技实力的强弱，同时在某些方面也制约着一些国家的现代化建设和发展。 从理论上讲，我们日常生活中以及自然界中碰到的一切问题，都可以利用计算机进行模拟。因此，要跟上时代的发展要求，学习和了解一定的仿真技术是必要的。 一、系统、模型与仿真 在认识仿真之前，首先要了解与仿真相关的两个概念：系统与模型。 系统：一般来说，所谓“系统”就是指按照某些规律结合起来，相互作用、相互依赖、相互依存的所有实体的集合。描述系统的“三要素”――实体、属性、活动。实体确定了系统的构成；属性也称为描述变量，用来描述每一实体的特性；活动定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内部发生的过程。举个例子说，我们可以把一个理发馆定义为一个系统。该系统的“实体”包括服务员和顾客，顾客到达模式和服务质量分别是顾客和服务员两个实体的“属性”，而整个服务过程就是“活动”。 模型：所谓“模型”就是系统某种特定功能的一种描述，它集合了系统必要的信息，通过模型可以描述系统的本质和内在的关系。它一般分为物理模型和数学模型两大类。物理模型与实际系统有相似的物理性质，它们与实际系统外貌相似，只不过按比例改变尺寸，如各种飞机、轮船的模型等。数学模型是用抽象的数学方程描述系统内部各个量之间的关系而建立的模型，这样的模型通常是一些数学方程。如带电粒子在电场中运动的数学模型，我们关心的是粒子的速度、位移随时间的变化。于是我们将系统的特征如电场强度，时间，粒子
课程名称：计算机仿真与应用 论文名称：论计算机仿真与应用的作用专业名称：计算机学院 班级：网络工程（2）班 学号：201240420228 姓名：刘小虎 指导教师：桂静宜
计算机仿真与应用技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。计算机仿真技术具有经济、安全、可重复和不受气候、场地、时间限制的优势，被称为除理论推导和科学试验之外的人类认识自然和改造自然的第三种手段。 据《2013-2017年中国计算机仿真行业发展前景与投资预测分析报告》[1]数据显示，计算机仿真技术广泛应用于国防、工业及其他人类生产生活的各个方面，如：航空、航天、兵器、国防电子、船舶、电力、石化等行业，特别是应用于现代高科技装备的论证、研制、生产、使用和维护过程。目前，计算机仿真行业已经成为代表国家关键技术和科研核心竞争能力，具有相当规模的产业。计算机仿真行业按仿真技术的应用特点可以划分为计算机仿真测试、仿真模拟训练、虚拟制造等领域，其中计算机仿真测试又可分为机电仿真测试和射频仿真测试、通用测试等。根据前瞻网研究分析，目前全球计算机仿真市场的总体规模已超千亿美元，中国计算机仿真市场的总体规模在700亿人民币以上，未来计算机仿真行业发展潜力巨大。 计算机仿真行业是一个全球竞争的行业。目前以美国为首的欧美发达国家厂商凭借先发优势和成熟仿真产品，在全球范围内的计算机仿真主要市场占据领先地位，其主要企业包括美国国家仪器公司(NI)、德国dSPACE公司、美国安捷伦科技有限公司、英国思博伦公司、CAE公司等。国内计算机仿真行业发展较晚，其在国内的应用包括军用和民用两个领域，在开放的民用市场，国外企业凭借产品技术的先进性和发达的市场销售网络，在相应市场处于优势地位。在国防军工、核能源、航空航天以及其他尖端核心技术等军用领域，受国防安全和国外禁运等多重影响，国外企业和产品受到很大限制，难以直接进入，拥有国防军工资质的国内厂商特别是具有一定自主创新能力的国内厂商可以凭借自主产品和贴近终端用户的个性化服务参与竞争，并具有相当的竞争优势。 真技术在电子商务教学中的应用[摘要] 随着网络经济的发展,各个院校相继 开设了电子商务专业。但普遍存在重理论而轻实践的现象,不利于电子商务人才的培养。将仿真技术应用在电子商务教学中，可以组建电子商务仿真实验室,将计算机类的课程与商务类的课程有机结合起来,注重培养学生的动手能力。 电子商务作为一个新兴领域,各个院校在电子商务专业建设中,培养目标和课程体系不是完全统一，因此侧重点是不同的。普遍存在的问题是重理论而轻实践的现象非常严重,不利于电子商务人才地培养。原因很简单，就是实践的电子商务平台很难搭建，应用仿真技术可以解决这一问题。利用计算机技术、网络技术等现代信息技术从事商务活动,突出学生的动手能力,培养融IT与商务于一身的高素质复合型人才。
题目：随机模拟方法研究 学生姓名吴含 学院名称建筑工程学院 专业水工结构工程 学号2014205151 随机模拟方法研究 摘要随机模拟方法，也称为蒙特·卡罗（MonteCarlo）方法。它的基本思想是：为了求解数学、物理、工程技术以及生产管理等方面的问题，首先建立一个概率模型或随机过程，使它的参数等于问题的解；然后通过对模型或过程的观察或抽样试验来计算所求参数的统计特征，最后给出所求解的近似值。所谓随机模拟，是指根据收集的信息，人工合成反映变量Z(u)空间分布的模型，且该模型是可选的、高精度的和等概率的。本文根据文献及相关数据查阅，简单描述总结了随机模拟方法在地质建模、风险分析、水文随机模拟等领域中的一些应用。 1.随机模拟方法的起源及思想 随机模拟方法，或称蒙特卡罗(Monte Carlo)方法，是一种基于“随机数”的计算方法。二十世纪四十年代中期，由于科学技术的发展和电子计算机的发明，蒙特卡罗方法作为一种独立的方法被提出来，这一方法源于美国在第二次世界大战中研制原子弹的“曼哈顿计划”。该计划的主持人之一、数学家冯·诺伊曼用驰名世界的赌城—摩纳哥的Monte Carlo—来命名这种方法，为它蒙上了一层神秘色彩。 Monte Carlo方法的基本思想很早以前就被人们所发现和利用。早在17世纪，人们就知道用事件发生的“频率”来决定事件的“概率”。19世纪人们用投针试验的方法来决定圆周率π。本世纪40年代电子计算机的出现，特别是近年来高速电子计算机的出现，使得用数学方法在计算机上大量、
快速地模拟这样的试验成为可能。 考虑平面上的一个边长为1的正方形及其内部的一个形状不规则的“图形”，如何求出这个“图形”的面积呢？Monte Carlo方法是这样一种“随机化”的方法：向该正方形“随机地”投掷N个点，有M个点落于“图形”内，则该“图形”的面积近似为M/N。 可用民意测验来作一个不严格的比喻。民意测验的人不是征询每一个登记选民的意见，而是通过对选民进行小规模的抽样调查来确定可能的优胜者。其基本思想是一样的。 科技计算中的问题比这要复杂得多。比如金融衍生产品（期权、期货、掉期等）的定价及交易风险估算，问题的维数（即变量的个数）可能高达数百甚至数千。对这类问题，难度随维数的增加呈指数增长，这就是所谓的“维数的灾难”(Course Dimensionality)，传统的数值方法难以对付（即使使用速度最快的计算机）。Monte Carlo方法能很好地用来对付维数的灾难，因为该方法的计算复杂性不再依赖于维数。以前那些本来是无法计算的问题现在也能够计算量。为提高方法的效率，科学家们提出了许多所谓的“方差缩减”技巧。 另一类形式与Monte Carlo方法相似，但理论基础不同的方法—“拟蒙特卡罗方法”(Quasi-Monte Carlo方法)—近年来也获得迅速发展。我国数学家华罗庚、王元提出的“华—王”方法即是其中的一例。这种方法的基本思想是“用确定性的超均匀分布序列(数学上称为Low Discrepancy Sequences)代替Monte Carlo方法中的随机数序列。对某些问题该方法的实际速度一般可比Monte Carlo方法提出高数百倍，并可计算精确度。 蒙特卡罗方法在金融工程学，宏观经济学，计算物理学(如粒子输运计算、量子热力学计算、空气动力学计算)等领域应用广泛。 2随机模拟方法介绍 2.1随机模拟方法基本原理 由概率定义知，某事件的概率可以用大量试验中该事件发生的频率来估算，当样本容量足够大时，可以认为该事件的发生频率即为其概率。因此，可以先对影响其可靠度的随机变量进行大量的随机抽样，然后把这些抽样值一组一组地代入功能函数式，确定结构是否失效，最后从中求得结构的失效概率。蒙特卡罗法正是基于此思路进行分析的。 X(i=1，2，3，…，k)，它们对应的概率密度设有统计独立的随机变量 i