5.1.Общие сведения о программе pSpice Optimizer

В пакете OrCAD параметрическая оптимизация выполняется методом наискорейшего спуска путем взаимодействия модуля PSpice Optimizer с графическим редактором схем (PSpice Schematics или OrCAD Capture), программой моделирования PSpice и постпроцессором Probe. Критерий оптимизации — обеспечение заданного значения целевой функции при выполнении ряда линейных и нелинейных ограничений.

1. Если схема оптимизируемого устройства создается в PSpice Schematics, на нее наносится символ OPTPARAM из библиотеки Special.sib для определения списка оптимизируемых параметров. Щелчком по заголовку этого символа открывается ДО спецификации параметров (рис.4.1).

Рис.4.1.Диалоговое окно спецификации варьируемых параметров

с помощью символа OPTPARAM

Символ OPTPARAMна рисунке показан над ДО. В окне задаются следующие величины:

Name — имя параметра;

Initial Value — начальное значение;

Current Value — текущее значение (вводится либо начальное значение, либо текущее, либо оба);

Lower Limit — нижняя граница изменения параметра;

Upper Limit — верхняя граница изменения параметра;

Tolerance — допуск стандартизованного ряда значений параметров, используемый при округлении значений параметров, в процентах.

Нажатие кнопки Add Param добавляет введенные значения к списку параметров. После ввода последнего параметра нажимается кнопка Save Param для их сохранения.

Определенные таким образом параметры должны быть использованы для обозначения параметров компонентов схемы и их моделей (сопротивлений резисторов, параметров транзисторов и т.п.).

Далее в меню Analysis по команде Setup открывают ДО для задания вида анализа и диапазона изменения текущей переменной (частоты, времени, источника постоянного напряжения или глобального параметра). Например, на рис.4.2 задано изменение ЭДС источника напряжения Vbeв пределах от 0,4 до 0,82 В с шагом 0,01 В в режимеDCSweep.

Рис.4.2.Диалоговое окно оптимизации в режиме DCSweep

При создании схемы с помощью OrCAD Capture список оптимизируемых параметров задается по команде PSpice>Place Optimizer Parameters.

2. Критерий оптимизации задается непосредственно в программе PSpice Optimizer, которая вызывается из меню Tools программ PSpice Schematics и OrCAD Capture по команде Run Optimizer для создания или редактирования файла задания на оптимизацию *.ОРТ. Главное окно программы PspiceOptimizerпоказано на рис.4.3.

Рис.4.3.Главное окно программы PspiceOptimizer

В правой верхней части этого окна помещен список значений функций, которые могут быть целевыми функциями или ограничениями (раздел Specifications), в нижней — перечень варьируемых параметров (раздел Parameters).

Значения целевых функций рассчитываются с помощью программы Probe. Они задаются следующим образом:

• целевые функции Goal Function программы Probe, записанные в файл с расширением имени *.PRB;

• выражения, заданные в программе PSpice Optimizer.

Целевые функции программы Probe позволяют рассчитать минимум или максимум функции, расстояние между выделенными точками, центральную частоту, полосу пропускания и т.п. (стандартные целевые функции размещены в файле pspice.prb).

В выражениях программы PSpice Optimizer разрешается использовать следующие математические операции и функции:

+, -, *, / — арифметические операции;

** — возведение в степень;

ЕХР(x) — ехр(х), экспонента числа х;

LOG(x) — ln(x) , натуральный логарифм х;

LOG10(x) — l og(x), десятичный логарифм х;

SIN(x) — sin(x), синус х (х в радианах);

COS(x) — cos(x), косинус х (х в радианах);

TAN(x) — tg(x), тангенс х (х в радианах);

ATAN(x) — acrtg(x), арктангенс х (х в радианах).

По команде Параметры (Parameters) меню Редактирование (Edit) открывается ДО co списком спецификации функций (рис.4.4, а). Нажатием кнопки Добавление (Add) открывается ДО изменить параметры, показанное на рис.4.4, б). Это же окно открывается щелчком по имени функции из списка. Чтобы открыть ДО спецификации необходимо: выбрать меню Редактирование>Спецификации в появившемся ДО Спецификации нажать на кнопку Добавление (Add) открывается ДО Изменить спецификацию (рис.4.5). В окне спецификации вводятся следующие данные:

Имя (Name) — имя функции;

Разрешение (Enabled) — включение режима расчета функций на следующей итерации;

Ссылка (Reference) — выбор между внутренней спецификацией Внутренний (Internal), задаваемой в диалоговом окне, и Внешней (External), адресуемой к имени файла данных;

Вес (Weight) — весовой коэффициент целевой функции (с их помощью устанавливается важность каждой целевой функции и учитываются различия их абсолютных значений).

Внутренняя спецификация задается параметрами:

Цель (Target) — желаемое значение функции;

Область (Range) — ширина допустимого диапазона значений функции;

Ограничение (Constraint) — включение/выключение режима учета ограничений. Если режим Constraint включен, задаваемая в этом окне функция

является ограничением, в противоположном случае — целевой функцией;

Тип (Туре) — тип - ограничения: =target — равно, >=target — больше или равно, <=target — меньше или равно заданному значению функции.

Внешняя спецификация задается параметрами:

Файл (File) — имя файла данных, содержащего значения функции;

Имя столбца X (Column Name) — заголовок столбца данных, содержащего значения отсчетов переменной х;

Имя столбца Y (Column Name) — заголовок столбца данных, содержащего значения отсчетов переменной у;

Допуск (Tolerance) — класс допуска при округлении результатов вычислений до стандартных значений.

Остальные параметры имеют следующий смысл:

а)

б)

Рис.4.4.Диалоговые окна: параметры целевых функций и

ограничений а) и их редактирование б)

Анализ (Analysis) — выбор вида анализа (AC, DC или Transient);

Circuit File — имя файла схемы, к которому обращаются при моделировании (если оно не указано, то математические выражения вычисляются непосредственно);

Файл Пробе содержит целивую функцию (Probe File Containing Goal Functions) — имя файла целевых функций для программы Probe (расширение имени по умолчанию *.PRB);

Оценить (Evaluate) — спецификация математического выражения для функции. В нее могут входить имена переменных, имена Goal Function

и имена любых параметров.

Рис.4.5.Диалоговое окно спецификации целевых функций и их редактирование

Следует обратить внимание на то, что для разных целевых функций можно задавать разные вида анализа и даже разные имена схем. Например, при оптимизации фильтра можно в режиме АС контролировать его резонансную частоту, а в режиме Transient — величину выброса в переходном процессе.

3. Запуск процесса оптимизации выполняется в меню Настройка>Авто>Старт (Tune). По команде Обновление эффективности (Update Performance) рассчитываются характеристики схемы для начальных и текущих значений каждого параметра. Это может использоваться для проверки корректности постановки задачи оптимизации. Значения целевых функций для начальных значений параметров отображаются в главном окне программы, что позволяет оценить близость этих значений к оптимальным.

По команде Обновление производных (Update Derivatives) вычисляются чувствительности каждой целевой функции к изменению каждого параметра, равные частным производным. Информация о чувствительностях позволяет выбрать параметры, к изменению которых целевые функции

наиболее чувствительны. Матрица чувствительностей отображается на экране по команде Отображение производных (Show Derivatives).

Оптимизация в автоматическом режиме запускается по команде Авто>Старт (Auto>Start). Сначала вычисляется матрица чувствительностей и определяется направление изменения параметров. Движение в этом направлении происходит до тех пор, пока не перестанет уменьшаться разность между текущим и требуемым значениями целевой функции. После этого снова вычисляется матрица чувствительностей и новое направление изменения параметров. По достижении оптимума процесс оптимизации завершается или его нужно остановить по команде Авто>Завершение (Auto > Terminate). Результаты оптимизации отображаются в главном окне программы (см. рис.4.3).

Оптимизация в интерактивном режиме начинается с вычисления чувствительностей по команде Обновление производных (Update Derivatives). После этого в основном окне программы изменяются значения параметров и выполняется команда Обновление эффективности (Update Performance) для расчета новых значений целевых функций. Однако при этом моделирование не производится, а расчет основывается на матрице чувствитель-ностей. Поэтому в таком режиме изменения параметров должны быть небольшими. Далее снова производится расчет матрицы чувствительностей и вносятся новые изменения в значения параметров.

Заметим, что любой параметр или функцию можно исключить из процесса оптимизации, переведя выключатель около имени параметра или функции в главном меню в положение Disable (галочка должна исчезнуть).

После успешного завершения оптимизации найденные значения параметров отображаются в главном меню. В связи с тем что ряд

параметров компонентов, например сопротивления резисторов, не могут принимать любые значения, можно выполнить округление их

значений до ближайшей стандартной величины по команде Редактирование>Округление до ближайшего (Edit>Round Nearest Edit>Round Calculated). Точность округления определяется параметром Tolerance (Толерантность ), который может принимать значения 1, 5 и 10%. Новые значения целевых функций после округления параметров рассчитываются автоматически. Под толерантностью понимается способность системы выдерживать изменения входных данных в определённом диапазоне без отказов и без нарушения правильности обработки.

Значения найденных в процессе оптимизации параметров переносятся на схему по команде Редактирование>Обновление схемы (Edit>Update Schematic). Новые значения параметров отображаются в атрибутах символов OPTPARAM.

Замечание.

В связи с тем что никакой регулярный метод оптимизации не может в общем случае обеспечить нахождение глобального экстремума, рекомендуется выполнять параметрическую оптимизацию в два этапа. Сначала проводят статистические испытания по методу Монте-Карло, варьируя параметры в широких пределах. По результатам, этих испытаний определяется несколько локальных экстремумов, в окрестности каждого из которых выполняется оптимизация с помощью программы PSpice Optimizer.

Другой способ — проводят несколько циклов оптимизации, интуитивно выбирая разные начальные значения параметров.

Перечень команд программы PSpice Optimizer дан в табл.4.1.

Таблица 4.1.

Команды программы PSpice Optimizer

Продолжение таблицы 4.1.

По окончании оптимизации полезно просмотреть текстовые отчеты, составляемые по команде File>Report (расширение имени *.ООТ),

и составляемые автоматически протоколы оптимизации (расширение имени *.OLG).