在上一篇关于SPICE仿真语言的文章中，我们分析了基本RC电路的行为并研究了它的时间常数。在这新一篇文章中，将探讨对时间常数分析有用的其他指令，我们将实施更有效的策略来可视化和解释从仿真中获得的结果。特别是，我们将研究如何可视化随时间变化的各种电气量，以及如何推导出将它们联系起来的数学方程。
观察信号的图形对于一般分析是有用的，但对于精确的数学分析是不够的。对于后者，事实上，有必要知道每时每刻测量的准确数值。这个时间间隔可以是可变的，这取决于测量的需要。了解每个时刻信号的准确值对于验证电路的行为很有用，但更重要的是，它可以有效地确定描述信号本身趋势的数学规律。在上一篇文章中，我们开始使用两种不同的软件程序进行电路仿真，二者都是免费软件：
下面，将使用本课程中使用的两个软件程序来研究准确确定各种瞬态测量的方法。为此，将使用与前一篇文章(见图1)相同的电路图，其中涉及电解电容器的充电问题。它由以下电子元件组成：
电路图中并未标明电容器的极性，但通过对其两端电压的动态行为进行仿真分析可以很容易地确定。
图1：用于时间常数分析的电路图。
LTspice与其他SPICE程序略有不同，它没有在每个所需时间段显示瞬态信号值的直接功能。请注意，时间常数表示将电阻两端的电容器充电(或放电)到其总充电容量的63.2%所需的时间。通过以下关系确定：
符号分别为：
在此示例中，在电容器开始充电后的18.92秒，其电势以指数形式达到最大可用电压(即12V电压发生器的电压)的63.2%。
我们从更简单的ngspice程序开始讨论，因为该软件具有“.PRINT”指令。它是基于SPICE语言语法的电子电路仿真程序中的一项功能，允许指定在电路仿真期间要在输出中显示哪些电气量。具体来说，“.PRINT”指令的语法涉及指定要显示的电气量的名称，包括电压、电流和功率。
该指令可用于详细显示仿真电路的行为，并分析各个元器件的运行情况。例如，可以显示电容器或电阻器两端的电压、流过二极管或晶体管的电流，或者元器件在仿真的不同时刻消耗的功率。此外，“.PRINT”指令可用来生成用于后续数据分析的输出，例如生成图形或比较不同仿真的结果。值得一提的是，ngspice提供了两种可执行程序：一种带有GUI(图形用户界面)，称为“ngspice.exe”，另一种带有控制台，称为“ngspice_con.exe”。对于文本输出，就像我们正在研究的那样，控制台软件可能是最合适的，因为它在数据显示方面要快得多。现在输入下面的SPICE列表并使用以下命令启动仿真：一种带有GUI(图形用户界面)，称为“ngspice.exe”，另一种带有控制台，称为“ngspice_con.exe”。对于文本输出，就像我们正在研究的那样，控制台软件可能是最合适的，因为它在数据显示方面要快得多。现在输入下面的SPICE列表并使用以下命令启动仿真：
source MySource.cir
现在，我们将逐行详细解释SPICE代码的各行：
使用以下定义，输出中预计会有大约3600行结果，如图2所示。具体来说，使用“.PRINT”指令创建的报告包含以下列：
结果以科学记数法或指数记数法表示。在这种格式中，数字表示为尾数并乘以10的幂，用术语“e+”表示。选择所有结果并将其粘贴到文本文件中非常容易，即使是在控制台窗口中也是如此。
图2：ngspice的输出显示了仿真期间不同时间的电压v(out)值
LTspice没有“.PRINT”指令，因此必须找到一个可行的替代方案。解决方案是通过“.STEP”指令在最小值和最大值之间迭代一个数值，并通过“.MEAS”指令测量特定可变时间的电压。这是一种稍微复杂一些的方法，但就时间而言，它可能比“.PRINT”指令提供的方法更好、更准确。因此，在LTspice接线图中，插入以下两个指令：
.step param moment 0 360 1
.meas TRAN Out FIND v(out) AT moment
我们现在将详细解释这两个SPICE指令：
使用指令后，预计将输出大约360行结果，如图3所示。具体来说，按[CTRL]+[L]键显示的报告包括以下列：
图3：LTspice的输出显示了仿真不同时间的电压v(out)值
有了这两种方法，设计人员就可以掌握所有文本格式的仿真数据。它们可用于许多外部应用程序，并可以用多种不同方式进行处理。我们在下面列出了其中的一些：
图4：使用外部程序根据仿真中收集的数据创建的电容器电荷图
要确定电容器充电的数学规律，必须进行统计分析。常见的程序包括以下步骤：
一些用于表示电容器电荷的优秀模型(参见图5)如下所示：
图5：一些描述电容器充电模式的数学模型
本文对使用SPICE仿真语言分析基本RC电路的时间常数提供了进一步的见解。我们已经说明了更有效的可视化和解释仿真结果的策略，包括可视化随时间变化的各种电气量，以及创建将数据趋势联系在一起的数学方程。这些信息可用于了解电路的行为并预测其在特定情况下的运行方式。
(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Guide to Spice Simulation for Circuit Analysis and Design -Part 3 : Further investigation of the time constant，由Ricardo Xie编译。)
用于电路分析和设计的SPICE仿真指南-第1部分：简介和网表
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