在LTspice仿真軟件中如何使用FFT進(jìn)行頻譜分析

在瞬態(tài)分析中，可以像示波器一樣確認(rèn)時(shí)間變化中的信號(hào)電平。而如果想確認(rèn)信號(hào)中的頻率，F(xiàn)FT 功能將派上用場(chǎng)，通過仿真模擬可以確認(rèn)電路的失真和噪聲成分。

什么是 FFT？

FFT 即 Fast Fourier Transform，是快速傅里葉變換的簡(jiǎn)稱。FFT 的一個(gè)常用場(chǎng)景是確定一個(gè)時(shí)域噪聲信號(hào)的頻率分量。在 LTspice 中，它像頻譜分析儀可以計(jì)算并顯示信號(hào)的頻率成分和電平 (功率)。由于 FFT 功能是以在瞬態(tài)分析 (時(shí)間軸) 中獲得的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，因此它是內(nèi)置于 Waveform Viewer 的功能。

FFT 功能使用步驟

以一個(gè)由 3 個(gè)不同頻率和幅值的正弦波合成的信號(hào)為例，通過瞬態(tài)分析查看其波形，并使用 FFT 顯示功能確認(rèn)其頻率的分布。瞬態(tài)分析產(chǎn)生正弦波合成波形的電路，如下圖 (圖1) 所示：

圖1 產(chǎn)生正弦波合成波形的電路 (瞬態(tài)分析)

正弦波合成波形 (OUT 端子) 如下圖 (圖2) 所示，單看這個(gè) OUT 端子的波形，無法知道頻率成分和大小。

圖2 正弦波合成波形 (OUT端子)

因此，以下將使用 FFT 顯示功能。如下圖 (圖3) 所示，從菜單欄中選擇 “View” → “FFT”。

圖3 FFT顯示方法步驟1

然后會(huì)彈出下圖 (圖4) 所示的對(duì)話框，點(diǎn)擊 “OK”。

圖4 FFT 表示方法步驟 2

FFT 顯示結(jié)果如下圖 (圖5) 所示，得到縱軸為信號(hào)電平 (dB)、橫軸為頻率 (Hz) 的對(duì)數(shù)曲線。峰值位于頻率 1kHz、3kHz、10kHz 處，這樣我們就能掌握波形的成分和大小。

圖5 FFT顯示結(jié)果

FFT 功能使用要點(diǎn)

使用 FFT 功能時(shí)，建議設(shè)置 “.options plotwinsize=0” 命令，這樣可以防止分析數(shù)據(jù)被壓縮。通過使用該命令，并降低本底噪聲，如上圖 (圖5) 所示。另外，如果設(shè)定瞬態(tài)命令的 “最大時(shí)間步長(zhǎng)” 短于一個(gè)信號(hào)周期的 1/100，則可得到良好的 FFT 結(jié)果。然而，更短的時(shí)間設(shè)定會(huì)帶來更長(zhǎng)的仿真時(shí)間，所以請(qǐng)根據(jù)需要來權(quán)衡調(diào)整。

為了進(jìn)行比較，在 .options 中沒有指定 plotwinsize，而是用默認(rèn)的最大時(shí)間步長(zhǎng)來運(yùn)行模擬。與上圖 (圖5) 的結(jié)果相比，本底噪聲的基底較大，并且在非預(yù)期的頻率處也存在峰值，如下圖 (圖6) 所示。這個(gè)結(jié)果表明，".options plotwinsize=0 " 命令對(duì) FFT 分析很重要。

圖6 FFT表示結(jié)果 (未指定 plotwinsize，MaxiumTimeStep 默認(rèn)設(shè)置)

用 FFT 觀察電源 IC 的輸出電壓信號(hào)

在以往文章《活學(xué)活用 LTspice 進(jìn)行電路設(shè)計(jì) — DC-DC 轉(zhuǎn)換器仿真》中，我們以降壓轉(zhuǎn)換器 LT8640 為例，示范了如何確認(rèn)輸出紋波電壓。這次我們繼續(xù)以 LT8640 為例，用 FFT 功能查看其頻率成分。FFT 分析需要在穩(wěn)定狀態(tài)下獲得結(jié)果，因此在電源啟動(dòng)后需要確認(rèn)紋波電壓。由于這個(gè)原因，瞬態(tài)分析的模擬時(shí)間定為 500u~700usec。

圖7 使用 LT8640 模擬輸出電壓的頻率分析

輸出電壓的紋波波形，如下圖 (圖8) 所示：

圖8 輸出電壓波形 (時(shí)間軸)

通過 FFT 分析，不僅能確認(rèn) 1MHz 的開關(guān)頻率成分，還包含 2 倍、3 倍偶數(shù)和奇數(shù)的頻率成分，如下圖 (圖9) 所示：

圖9 輸出電壓波形 (頻率軸)

來自電源電路的噪音可能會(huì)影響外圍電路和 EMI 測(cè)試。通過使用 FFT 功能掌握頻率成分，可以在模擬研究噪聲對(duì)策，如濾波器設(shè)計(jì)等。

總結(jié)

本文介紹了在 LTspice 仿真軟件中 FFT 功能的使用步驟及要點(diǎn)，以及如何用 FFT 觀察電源 IC 的輸出電壓信號(hào)。

審核編輯：劉清