如何將Hspice資料轉進MATLAB計算

緣緣 · 發表於 2007-10-4 22:57:23

我現在在設計一個三角積分調變器(sigma delta modulator)，電路完成後，我用Hspice做FFT(快速傅立葉轉換)求得SNDR(Signal to Noise plus distortion ratio)，但我看其他論文秀出來的都是再經Matlab轉出來的圖形，請問，hspice要如何轉換成matlab畫出SNDR及DR(Dynamic Range)？包含方法及指令，愈詳細愈好。拜託有高手能相告。
謝謝！

緣緣 · 發表於 2008-4-28 17:19:49

志良你好：
如果你是要將hspice的波形用matlab叫出來比較，你可以去Matlab網站下載hspice toolbox來用，至於用法，我之前有在網路上搜尋到hspice toolbox的英文及簡體的說明檔，我另外自己也寫了一份繁體中文檔，我把他們全部置於附件中，供你參考，你看完說明檔後，應該就會用了，有問題再發問吧。
關於你的第二個問題，這說起來可能有點複雜，你可以看一下版面上我之前與版主及副版主的問與答內容，應該可以知道如何從hspice下指令得到所需的資料，matlab程式的寫法，可以去買有關matlab的書來看，到時有問題再發問了。希望對你有幫助。

[ 本帖最後由緣緣於 2008-4-28 05:48 PM 編輯 ]

monkeybad · 發表於 2007-10-5 18:42:51

我之前做ADC再算SNR有用過一個方法可是很爛但是還勉強可以用
就是直接用.print指令把你要量的電壓印出來
然後再用手動把印出來的資料copy起來
然後貼在Matlab程式上面然後就可以做FFT了

緣緣 · 發表於 2007-10-5 21:39:18

謝謝版主的回覆及支援，我之前有找到一個MATLAB的應用軟體叫做HspiceToolbox，可以將hspice輸出的檔案透過HspiceToolbox將檔案轉入MATLAB中，也可用MATLAB叫出hspice電路中各節點的信號，只是，接下來MATLAB要用何種指令才能算出電路輸出點的SNDR及DR，我知道可以將MATLAB的指令整合成一個副檔名為m的檔案，不知版主或其他高手有沒有這方面的指令寫法或是m檔案，那就感激不盡了。

謝謝！

sjhor · 發表於 2007-10-8 09:40:08

Matlab 有 fft 的  program,
所以  只要將FFT後的資料  做一些轉換就可以唷!!
將主信號找出來!!  然後將"所有的 fft power 加起來 - 主信號的 power"
就可以換算  SNDR 了!!
SNDR is Signal to (Noise + THD) ratio?

緣緣 · 發表於 2007-10-11 17:44:50

謝謝sjhor版主的回復，我正上Matlab網站努力尋找資料中。

finster · 發表於 2007-10-13 08:20:07

我以前作DAC的MATLAB部份程式
我想,應該可以給你一些參考吧

% --------------Using minimum 4-term Blackman-harris Windows -------------
nb=1:1

ts;
kb=0.355768-0.487396*cos(2*pi*nb/(pts))+0.144232*cos(4*pi*nb/(pts))-0.012604*cos(6*pi*nb/(pts));
win_gain=sum(kb)/pts;
kb=kb/win_gain;

% --------------- Calculated fft --------------------------
yb=kb.*x(ptst

tfi);
yk=fft(yb);
fft_no=length(yk);
f=fs*(0:fft_no-1)/fft_no;
Pyy=yk.*conj(yk)/((fft_no/2)^2);

% ---------- Calculate THD ----------------------------
j=1;
for i=1:1

fft_no/2)
if (f(i) == (fi*j))
      HD(j)=Pyy(i);    %% find all harmonic distortion components
      j=j+1;
end
end
P_hd=sum(HD(2:9));
THD =10*log10(P_hd/HD(1));  %% HD(1) is fundamental signal
fprintf('THD = %g dB\n',THD);

% ---------- Calculate SNR ----------------------------
fundamen_dB=max(10*log10(Pyy(1:fft_no/2)));
fundamen_no=find(10*log10(Pyy(1:fft_no/2))==fundamen_dB);
span=max(round(fft_no/200),5);
P_sig=sum(Pyy(fundamen_no-span:fundamen_no+span));

P_noise1=sum(Pyy(1:fft_no/2))-P_sig-P_hd;
SNR1=10*log10(P_sig/P_noise1);
fprintf('SNR = %g dB\n',SNR1);

緣緣 · 發表於 2007-10-15 19:34:54

謝謝finster副版主回復，想再請問一下：
請問你的程式是將Hspice輸出的*.lis檔內的FFT做運算，還是使用HspiceToolbox由Matlab將Hspice電路中各節點的訊號叫出來，才根據某一輸出點作分析，還請不吝指教。

另外，我在另一個網站(EETOP,中國電子頂級開發網)發現一個matlab的m檔，原帖標題為:
"一个对ADC和PLL输出结果作FFT频谱分析的matlab程序，推荐！"
內容為：
压缩文件共有三个文件：两个m文件和一个txt文件
spectra.m :用来调用主程序fft_analy.m和txt文件。其中txt是我做的27M PLL的Hspice输出模拟结果。步长为1ns，对应里面的取样频率fs=1000。cycle对应的是取的波形长度。如果数据是ADC的量测结果，则要添加相应的bit数,程序里已标明PLL和ADC的语句。
希望大家喜欢！！
附件為:FFT.rar

我根據他的說明修改他的程式變為如附件FFT2.rar的程式，FFT2包含一個ADC用Hspice做FFT分析得到一個輸出結果，如int40b.txt，主程式內容修改成fin=5K，fs=5.12M，Bit數為1 bit，如附件FFT2.rar內的spectra2.m及fft_analy2.m，執行後，Matlab卻顯示以下的錯誤訊息：

??? Undefined command/function 'AD10'.

Error in ==> spectra2 at 43
d0=round(AD10(start:stepstart+M*step-step),3)/1.8);

由程式的錯誤訊息應是"AD10"的函數或指令未被定義，但不知如何再做修改，可否請Finster副版主幫我看一下，有什麼地方需要修改，感激不盡！

∼不曉得為何無法上傳附件，一直出現Internet Explorer無法連線訊息~???????

[ 本帖最後由緣緣於 2007-10-15 07:54 PM 編輯 ]

緣緣 · 發表於 2007-10-15 20:54:45

謝謝finster副版主回復，想再請問一下：
請問你的程式是將Hspice輸出的*.lis檔內的FFT做運算，還是使用HspiceToolbox由Matlab將Hspice電路中各節點的訊號叫出來，才根據某一輸出點作分析，還請不吝指教。
另外，我在另一個網站(EETOP,中國電子頂級開發網)發現一個matlab的m檔，原帖標題為:
"一个对ADC和PLL输出结果作FFT频谱分析的matlab程序，推荐！"
內容為：
压缩文件共有三个文件：两个m文件和一个txt文件
spectra.m :用来调用主程序fft_analy.m和txt文件。其中txt是我做的27M PLL的Hspice输出模拟结果。步长为1ns，对应里面的取样频率fs=1000。cycle对应的是取的波形长度。如果数据是ADC的量测结果，则要添加相应的bit数,程序里已标明PLL和ADC的语句。
希望大家喜欢！！
附件為:FFT.rar

我根據他的說明修改他的程式變為如附件FFT2.rar的程式，FFT2包含一個ADC用Hspice做FFT分析得到一個輸出結果，如int40b.txt，主程式內容修改成fin=5K，fs=5.12M，Bit數為1 bit，如附件FFT2.rar內的spectra2.m及fft_analy2.m，執行後，Matlab卻顯示以下的錯誤訊息：

??? Undefined command/function 'AD10'.

Error in ==> spectra2 at 43
d0=round(AD10(start:stepstart+M*step-step),3)/1.8);

由程式的錯誤訊息應是"AD10"的函數或指令未被定義，但不知如何再做修改，可否請Finster副版主幫我看一下，有什麼地方需要修改，感激不盡！

緣緣 · 發表於 2007-10-15 22:18:15

∼不曉得為何無法上傳附件，一直出現Internet Explorer無法連線訊息~???????
附上上帖的附件

finster · 發表於 2007-10-15 22:31:57

在回答你的問題前我先稍微解說一下我的MATLAB程式
要作FFT必需是sine waveform或者近似sine waveform,所以,我在作DAC的SNR及THD時,必需是輸出信號為sine waveform的記錄數值
故而,我利用SPICE中.measure的指令來記錄DAC的輸出信號數值,然後將這些記錄的值存成一個TXT的文字檔,然後再用MATLAB將這個文字檔讀出,再作FFT運算

在MATLAB程式中要作FFT運算時,需注意它必須是2的倍數,同時,我在作FFT運算時,先行利用minimum 4-term Blackman-harris Windows的filter來使DAC的輸出信號平順些,當然,你也可以不加,不過,畫出的waveform會有點怪怪的,再者,因為我們記錄的數值是每隔一段時間所記錄的數值,所以畫成連續的圖形時,會很不連貫,所以,一般都會作windows的filter,而我也問過一些比較資深的analog designer此種作法是否恰當,還沒有人對於這種作法感到奇怪,也許大家都是這個樣子作的吧

我看不到你的附件檔,故而實在無法作出評論
而看了一下你所秀出的錯誤訊息,想問一下,MATLAB程式中有AD10這個函式嗎??又或者有沒有AD10這個array??
從錯誤訊息來看,似乎是找不到AD10這個函式或者array,所以才有錯誤

緣緣 · 發表於 2007-10-16 15:54:59

由於之前一直出現Internet Explorer無法連線訊息~???????
所以重新上傳附件

緣緣 · 發表於 2007-10-16 17:02:11

再請問一下finster副版主，如果我是要將Hspice的電路輸出點Dout，使用.measure指令來記錄ADC的輸出信號數值，暫態分析(TRAN)掃瞄區間:0~3.2msec，
指令的寫法是否為：

.MEAS TRAN DIGOUT
+TRIG  V (Dout)  VAL=0       RISE=2
+TARG V (Dout)  VAL=3.2m  RISE=2

∼還請指教，謝謝∼

另外，我先使用一個小程式去試.measure這個指令，輸出的*.lis只發現以下的數據：

digout=  3.7443E-09  targ=  1.5167E-07 trig=  1.4792E-07

Hspice輸出檔多了一個*.mt0的檔案，該檔內容同上面之敘述，不知是否還有那邊出錯？

[ 本帖最後由緣緣於 2007-10-16 05:34 PM 編輯 ]

finster · 發表於 2007-10-16 23:08:40

在Hspice執行.measure指令時,它是依據你的.lib的數目來產生相對應的*.mt*檔
故而,如果你的檔案有多出*.mt0的檔案,那表示這是你的.lib的第一個依據.measure所計算出來的資料
所以,請再檢查一下你的HSPICE檔案吧

再來,你的.measure指令用法沒有問題
但,你的取樣點及時間似乎不對
你的暫態分析(TRAN)掃瞄區間:0~3.2msec,你所用的指令為:
.MEAS TRAN DIGOUT
+TRIG V (Dout) VAL=0 RISE=2
+TARG V (Dout) VAL=3.2m RISE=2
寫法沒錯,但,如果是ADC,那其輸出信號為digital,故而,輸出信號的振幅不是0就是vdd,如果要記綠輸出信號的digital code的話
那,計算輸出信號的digital code應該依照clock來作取樣時間,而不是0~3.2ms,也就是.measure的VAL要是clock
另外,若依照你的指令來用,應該會計算不到輸出信號,除非你的模擬時間超過6.4ms,因為你是用RISE=2
再者,如果是用.measure來計算digital code,那如果以rise edge作基準則應該用RISE=1,而不是RISE=2,這是很嚴重的錯誤,除非你的clock及取樣有delay 1個clock的作用在,如果是以fall edge則是FALL=1,若是以你RISE=2,那你取樣出來的digital code應該都是錯誤的

緣緣 · 發表於 2007-10-17 14:02:04

再次謝謝Finster的回復，我會依照你的方法再重試一遍，另外在麻煩你幫我看看上傳的ADC Matlab程式。

∼感激不盡∼

緣緣 · 發表於 2007-10-18 23:59:51

再請問一下finster副版主，我有兩個非重疊的Clock，一個ON，另一個就為OFF，取樣頻率為5.12M，週期0.1952u sec，半週脈寬0.0976u sec，第一個clock延遲0.05u sec開始觸發，第二個Clock再經過半週0.0976u sec觸發，電路輸出點為Dout，.Measure指令的寫法是否為：2 b% S8 U/ K7 L# j
3 }) X8 A, P4 X" H8 S& m
.MEAS TRAN DIGOUT
+TRIG V (Dout) VAL=0 TD=0.5E-7 RISE=1( Z" a/ w) H+ q' t$ Y3 `! j! f
+TARG V (Dout) VAL=0.976E-7 RISE=1

∼還請指教∼

程式重試的結果，*.mt0檔案只出現:
digout temper alter#
1.890e-12 25.0000 1.0000
不知是否還需修改？

[ 本帖最後由緣緣於 2007-10-19 12:11 AM 編輯 ]

finster · 發表於 2007-10-19 01:58:58

先回答第一個問題
你的MATLAB程式我大概看了一下,發覺到AD10應該是一個由別人自行撰寫的運算函式,而因為你在MATLAB程式中並沒有這個函式,同時也沒有呼去這個函式,故而,你在執行MATLAB程式時,當然會出現錯誤訊息
所以,如果這不是你自己寫的MATLAB程式,那我只能說你的MATLAB程式並不完整,也許,這是別人故意留一手的吧

再來,在ADC中的Sample and hold電路若是用SC電路,是會用non-overlap clock,故而會有兩個clock
但,源頭的clock只有一個,而這個clock會透過non-overlap circuit去產生兩個時間差的clock
一般而言,ADC的數位電路所需的clock通常都是由源頭的clock作為基準,然後將數位信號輸出,故而,在使用.measure時,所參考的時間及頻率也該是以這個源頭的clock為主,而不是由non-overlap circuit所產生出來的兩個時間差clock,除非,你的ADC電路並沒有包Sample and hold circuit(我不清楚你的電路架構為何,但,ADC一般而言一定要有Sample and hold circuit)
再來,我看了一下你的取樣頻率為5.12Mhz,這是很低的clock頻率,所以,照理來說這麼低的頻率,你的架構應該是採用SAR架構的ADC吧,那你的輸入信號頻率為何呢??另外,你的.tran的時間多久呢???還有,你是幾個bit的ADC呢???
舉個例來說,假如你是4-bit ADC,輸出分別為D3,D2,D1,D0,且clock為1MHz,所以使用.measure應該為
.MEASURE TRAN DIGOUT_D3_t1 find V(D3) AT=5.2us
.MEASURE TRAN DIGOUT_D2_t1 find V(D2) AT=5.2us
.MEASURE TRAN DIGOUT_D1_t1 find V(D1) AT=5.2us
.MEASURE TRAN DIGOUT_D0_t1 find V(D0) AT=5.2us

.MEASURE TRAN DIGOUT_D3_t2 find V(D3) AT=6.2us
.MEASURE TRAN DIGOUT_D2_t2 find V(D2) AT=6.2us
.MEASURE TRAN DIGOUT_D1_t2 find V(D1) AT=6.2us
.MEASURE TRAN DIGOUT_D0_t2 find V(D0) AT=6.2us

我只計算clock的週期,然後再初估ADC中的delay時間為0.2us,所以,我第一個數位取出的時間為第5個clock週期來取出4個bit的digital code,然後在第6個clock週期時又取出第2筆digital code
我用的方式較為簡化些,因為ADC要取出的是在每個clock週期中的digital code,所以,只要精算出每個clock時間,即可簡化.measure的指令,而不用用到TRIG....TARG.....,當然,這是我的作法,你也可以依照我前面寫的改成你用的TRIG...TARG的用法

最後,像我剛才寫的.MEASURE TRAN DIGOUT_D3 find V(D3) AT=5.2us
可以用MATLAB程式寫成一個自我產生的.measure,我以前是用MATLAB來自己產生的,不然,光是計算1024點就要寫4096行.MEASURE指令,那是一件很浪費時間和生命的事,用MATLAB的迴圈即可一下子產生出所有.MEASURE指令,小小作法,提供給你參考

緣緣 · 發表於 2007-11-8 15:00:24

再次謝謝finster副版主的詳細解說，我前一陣子剛好有事在忙，沒有及時回復你的問題，還請見諒。
我大概講一下我的架構：
我電路是使用Switched-Current(SI)的架構，不同於Switched Capacitor(SC)的架構，最早設計是設定輸入頻率Fin=10KHz，取樣頻率為Fs=10.24MHz，頻寬40K，位元數為1-bit；由於我電路中有一個Op-Amp，因為OP-Amp頻寬限制的原因，在高頻時易產生非常大的諧波(harmonic)及雜訊(Noise)，所以才降頻為輸入頻率Fin=5KHz，取樣頻率為Fs=5.12MHz，頻寬20K。電路中有兩個Clock(Φ1 & Φ2)，Φ1 & Φ2是兩個Non-overlappind clock，由於尚在模擬階段，所以兩個clock的產生是使用hspice的指令寫出，指令如下：
For Fs=10.24MHz:
V0 NET2 0  PULSE 0  3.3  0.5E-7 0.976E-10 0.976E-10 0.488E-7 0.976E-7
V1 NET6 0  PULSE 0  3.3  0.988E-7  0.976E-10 0.976E-10 0.488E-7 0.976E-7
For Fs=5.12MHz
V0 NET2 0  PULSE 0  3.3  0.5E-7 1.952E-10 1.952E-10 0.976E-7 1.952E-7
V1 NET6 0  PULSE 0  3.3  1.476E-7  1.952E-10 1.952E-10 0.976E-7 1.952E-7
另外，我在hspice做FFT運算取的點數為32k，所以根據計算，如果Fs=10.24M，.tran的時間=(1/Fs)*32k=3.2msec，如果Fs=5.12M，.tran的時間=(1/Fs)*32k=6.4msec。
如果依照你指令的寫法，根據我的clock=>Fs=5.12M，delay 0.05us的情形下，同樣第一個數位取出的時間為第5個clock週期來取出1個bit的digital code,然後在第6個clock週期時又取出第2筆digital code，寫法是否為：
.MEASURE TRAN DIGOUT_D0_t1 find V(D0) AT=1.026us
.MEASURE TRAN DIGOUT_D0_t2 find V(D0) AT=1.2212us
然後以此類推，在第7個clock週期時又取出第3筆digital code，如果32k點(二進制)，就須寫32768行，這樣對嗎？
你說可以用matlab寫迴圈，可是如果我是將hspice的輸出數據再帶到matlab做計算，那我就需要先在hspice下指令記錄輸出數據，再帶到matlab中，那這樣子變成還是需要在hspice中寫32768行的指令才能記錄數據，或是說有其他辦法可簡化hspice指令？或是就你所言，用MATLAB程式寫成一個自我產生的.measure，但要如何做呢？還請finster副版主多多指教！謝謝！

[ 本帖最後由緣緣於 2007-11-8 03:04 PM 編輯 ]

finster · 發表於 2007-11-12 02:06:38

看了一下你的說明,覺得有些奇怪的地方
首先,我沒作過switched current ADC,不過,依照取樣原理理論來說,取樣頻率需大於輸入信號的兩倍才能夠將原始信號還原回來
而你的取樣頻率和輸入信號頻率卻非常地接近,似乎有違取樣原理的理論基礎,不知道這個樣子真的能夠取出真實的信號?

再者,FFT運算基本上也是依照取樣原理理論發展出來的,因為FFT的取樣點數是輸入信號的2^N倍,N的最小值為1,也就是FFT的最小取樣頻率是輸入信號的2倍,亦即輸入信號在一個週期內會被取樣2點,而我們所撰寫的FFT來計算SNR,SFDR,THD...也是依此理論陸續往下寫的,所以,看了你的規格,實在覺得有些奇怪

FFT的取樣點數如我剛才所言是取樣點數是輸入信號的2^N倍,所以,取樣點數為2,4,8,16,32,64,128,256,512,1024,2048,4096...,一般取到1024點或者2048點就已經非常足夠了,因為超過2048點之後所計算出來的SNR,SFDR,THD....其實變化的只有小數點後面幾位的不同而以,取樣到32768點,其實真的不需要

clear all
fid=fopen('dual_measure_rms.txt','w')
for M=1:1:1024
   T=M-1;
   from=(50*T)+45; %DUAL DAC measure time
   to=50+(50*T);
   fprintf(fid,'.MEASURE TRAN A%g RMS v(daci_outp) from=%gn to=%gn\n',M,from,to);
end
MATLAB程式會產生一個dual_measure_rms.txt檔,你將這個檔裡面的.MEASURE複製到HSPICE中即可,不過,如我前面所言,取樣頻率是輸入信號的2^N倍,然後再算出我的取樣點的時間點為何,如果不知道這些關係式,那這個MATLAB程式將無法使用
這個程式很簡單,只是一個迴圈再加上幾行計算時間的式子

monkeybad · 發表於 2007-11-12 12:02:56

感謝Finster提供一個非常實用的小技巧
這樣以後模擬FFT就非常方便了
看一下應該是先計算好要取樣點的時間間隔也就是sample clcok的時間
然後譬如取1024個點就用Matlab產生1024個.measure指令敘述吧
只是我Matlab指令不熟看來這些程式碼還得花點時間弄清楚一下

緣緣 · 發表於 2007-11-13 15:58:41

首先我想請問副版主finster，你說我的取樣頻率和輸入信號頻率非常地接近，在取樣頻率Fs=10.24MHz的條件下，不知這裡輸入信號頻率指的是輸入信號頻率10K，還是輸入信號頻寬頻率40K?
我解釋一下我為何要用fin=10k，Fs=10.24MHz的原因：
因為我的Fs=10.24M，所以我的Fin=10.24M/1024=10k，會取1024倍的原因是之前曾上過ADC的課程，上課的講師提到由數位信號處理(DSP)的理論，Fs=1024*Fin的情形下，頻譜比較不會產生leakage。
且如果以我的規格來看，我的OSR=Fs/2Fb=10.24M/(2*40k)=128，我是希望縮小Bandwidth提高OSR，進而提高SNR，可是我們老闆堅持要做到40k以上，所以，在無法提高取樣頻率Fs的情形下，只能維持OSR=128來設計。
另外，為何FFT運算要取32K points，是因為我看相關的論文，幾乎都是取16k或32k points，然後我在hspice使用FFT指令來計算的結果，好像32k points以上圖形比較像SNDR的圖形，所以才用32k points，後來再問其他人員，SNDR要由matlab做計算，輸出的圖形才準，論文中提到matlab計算的點數大多也是32K points，也因此，我也才想用32k points去計算FFT。
依照你所言，由於我的Fs是Fin的1024倍，所以，我的FFT只需取1024點即可，依照你的.measure迴圈程式，我將程式更改為:
clear all
fid=fopen('sdm_out.txt','w')
for M=1:1:1024
T=M-1;
AT=(0.1952*T)+1.026; %SDM measure time
fprintf(fid,'.MEASURE TRAN DIGOUT_t%g find V(D0) AT=%gu',M,AT);
end
試的結果，可得到1024行.MEASURE的指令，我會把他代入hspice程式跑跑看。
想再請問的是：
當我使用.MEASURE指令得到數據後，是不是還要在你提供的SNDR&SNR的Matlab程式前加上load指令，例如：
load sdm_out.txt -ascii ;%sdm_out.txt is output digital code of SDM
然後就可算出SNDR及SNR以及畫出圖形了嗎？
請指教∼

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