本文討論如何在LTspice仿真中利用flat()、gauss()和mc()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)偽隨機(jī)數(shù)和真隨機(jī)數(shù)的生成，并介紹如何使用設(shè)置面板的Hacks部分中的Use the clock to reseed the MC generator（使用時(shí)鐘重新設(shè)置MC生成器的隨機(jī)種子）選項(xiàng)。文章探討了偽隨機(jī)數(shù)和真隨機(jī)數(shù)之間的利弊權(quán)衡，同時(shí)比較了蒙特卡羅統(tǒng)計(jì)仿真與更有針對(duì)性的最壞情況仿真之間的差異。

在LTspice原理圖中，有多種方法可模擬隨機(jī)性。LTspice中的flat()、gauss()和mc()函數(shù)支持在LTspice仿真中引入隨機(jī)性。本文以mc()函數(shù)為例，說(shuō)明如何模擬無(wú)源元件值的容差。打開LTspice 后，選擇Help > LTspice Help（“幫助”>“LTspice幫助”，或按F1）可打開《幫助手冊(cè)》，了解有關(guān)flat()和gauss()的更多信息。

圖1中的示例使用mc()來(lái)設(shè)置R1和C1的標(biāo)稱值和容差。例如，R1的標(biāo)稱值為10 kΩ，容差為5%。mc(x,y)函數(shù)將生成在x*(1-y)和x*(1+y)之間均勻分布的偽隨機(jī)數(shù)。請(qǐng)繼續(xù)閱讀，深入了解偽隨機(jī)數(shù)和真隨機(jī)數(shù)之間的區(qū)別，以及如何強(qiáng)制LTspice生成真隨機(jī)數(shù)。.STEP指令用于指示LTspice運(yùn)行仿真的迭代次數(shù)。在下面的示例中，.STEP指令以1為增量將一個(gè)虛擬參數(shù)從1逐步增加到100，從而進(jìn)行100 次仿真運(yùn)行，其中R1和C1的值都是隨機(jī)生成。

圖1. RC電路使用mc()來(lái)設(shè)置無(wú)源元件的值和容差

觀察mc()函數(shù)在每一步迭代中的行為：圖2顯示了一個(gè)僅使用電壓源的簡(jiǎn)單示例。此示例使用mc()將標(biāo)稱電壓設(shè)置為10 V，并將容差設(shè)置為100%。因此，預(yù)計(jì)將得到一個(gè)在0 V和20 V之間均勻分布的電壓。從波形查看器和SPICE輸出日志中的結(jié)果可以看到，在10次迭代中，電壓變化范圍是2.7 V至19.92 V，分布并不完全均勻，但更多次迭代將有助于確保結(jié)果在統(tǒng)計(jì)上更加合理。

圖2. 電壓源使用mc()生成隨機(jī)電壓

我們不妨更仔細(xì)地觀察，并反復(fù)運(yùn)行這個(gè)仿真。在這些仿真過(guò)程中，數(shù)值是否發(fā)生了變化？在我的計(jì)算機(jī)上，每次運(yùn)行仿真時(shí)，每一步迭代都得到相同的電壓值。這稱得上“隨機(jī)”嗎？

您所看到的是代碼和計(jì)算機(jī)在生成隨機(jī)數(shù)時(shí)的典型表現(xiàn)。編程語(yǔ)言中的隨機(jī)數(shù)生成器有一個(gè)與之關(guān)聯(lián)的可選seed()方法。想要獲得真隨機(jī)數(shù)（即每次運(yùn)行程序時(shí)得到不同的隨機(jī)數(shù)），需要調(diào)用seed()方法，并為其指定動(dòng)態(tài)變化的種子值。通常，程序員會(huì)將當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間傳遞給seed()方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這種隨機(jī)性。

這與我們的LTspice仿真有何關(guān)系？如果希望每次運(yùn)行仿真時(shí)獲得不同的隨機(jī)值，則必須在設(shè)置面板的Hacks部分中啟用Use the clock to reseed the MC generator選項(xiàng)（參見圖3）。

圖3. LTspice設(shè)置面板的Hacks選項(xiàng)卡，顯示了如何實(shí)現(xiàn)真隨機(jī)性

此Use the clock to reseed the MC generator選項(xiàng)也適用于flat()和gauss()函數(shù)。這些函數(shù)可以用在mc()所使用的地方。

不過(guò)，請(qǐng)慎重考慮否是需要刻意實(shí)現(xiàn)這種仿真行為。您希望仿真過(guò)程是真隨機(jī)的嗎？倘若如此，您的仿真將失去可預(yù)測(cè)性和可重復(fù)性。

為了說(shuō)明這一點(diǎn)，讓我們回顧圖2中的示例。如果目標(biāo)是模擬一個(gè)在0 V和20 V之間均勻分布的電壓呢？當(dāng)前的示例不太符合預(yù)期。然而，通過(guò)將迭代次數(shù)從10次增加到100次，我們可以使仿真結(jié)果更接近目標(biāo)（圖4）。這種調(diào)整使得仿真更接近實(shí)現(xiàn)預(yù)期的分布范圍。

圖4. 使用mc()且迭代更多次數(shù)的電壓源

現(xiàn)在有兩點(diǎn)已經(jīng)很明確：(a)mc()迭代運(yùn)行100次，便能得到一個(gè)相當(dāng)好的數(shù)值分布；(b)如果不啟用reseed the MC generator（重新設(shè)置MC生成器的隨機(jī)種子）功能，則每次運(yùn)行仿真將得到可重復(fù)的結(jié)果。

如果電路中多處使用mc()呢？能否保證通過(guò)100次迭代能夠覆蓋所有容差？圖5展現(xiàn)了這一嘗試，其中顯示了兩個(gè)使用mc()的電壓源。將V(out1)作為y軸、V(out2)作為x軸進(jìn)行繪圖，可以清楚地看到，V1和V2的組合呈現(xiàn)出高度隨機(jī)的坐標(biāo)分布（右鍵單擊x軸標(biāo)題，將x軸從步進(jìn)虛擬參數(shù)更改為V(out2)）。但從技術(shù)上講，這些電壓的最小值和最大值并非同時(shí)達(dá)到，導(dǎo)致極端（角落）情況的覆蓋有些不足。

圖5. 繪制一次仿真中兩個(gè)mc()電壓的結(jié)果

如果目標(biāo)是接近完全覆蓋，則需要更多次迭代（圖6）。

圖6. 繪制更多次迭代的結(jié)果

對(duì)于這個(gè)簡(jiǎn)單的例子，仿真運(yùn)行速度相當(dāng)快，即便運(yùn)行1000次也毫無(wú)問(wèn)題。但如果仿真運(yùn)行時(shí)間很長(zhǎng)，運(yùn)行多次迭代需要數(shù)小時(shí)或數(shù)天時(shí)間呢？應(yīng)考慮啟用Use the clock to reseed the MC generator選項(xiàng)是否有幫助。如果在一次仿真運(yùn)行中，mc()生成的值令人滿意，那么接下來(lái)的目標(biāo)是讓這些結(jié)果在每次運(yùn)行時(shí)可重復(fù)，還是隨機(jī)變化呢？啟用此項(xiàng)功能之前，這是一個(gè)值得考慮的好問(wèn)題。

為了大幅縮短仿真時(shí)間，我們來(lái)看一種相對(duì)不太隨機(jī)的方法。

圖7所示的例子確保了仿真能夠覆蓋無(wú)源元件容差的所有邊緣情況，同時(shí)保持總體仿真時(shí)間盡可能短。這個(gè)例子遍歷了R1的三個(gè)值和C1的三個(gè)值，進(jìn)行了九次仿真，并覆蓋了元件值同時(shí)達(dá)到最小值（或最大值）的情形。

圖7. 設(shè)置元件的特定值以模擬容差導(dǎo)致的行為

如果目標(biāo)是探索電路在極端工況下的行為，則相對(duì)不太隨機(jī)的方法可能更為合適。相反，如果目標(biāo)是對(duì)仿真在一系列變化下的行為進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，則使用大量仿真并通過(guò)隨機(jī)函數(shù)引入隨機(jī)性可能是更好的方法。但無(wú)論哪種情況，您現(xiàn)在應(yīng)該已經(jīng)對(duì)如何在LTspice仿真中引入（或不引入）隨機(jī)性有了更好的理解。