电路仿真已成为现代电子电路设计过程中不可或缺的重要环节,为排除代价高昂且具有危险性的设计缺陷,必须对电路设计流程的每个环节进行缜密的安排和测评,以此确保设计的成功。而电路仿真能使设计人员在进入更为昂贵费时的原型开发阶段前,以高效低成本的方式找出问题所在。因此最佳的设计流程需要将仿真与原型开发混合进行。但是随着电路规模的急速增长,模拟与混合信号电路的仿真通常需耗费大量时间,对于电路仿真软件而言,这会致蒙特卡洛分析法无法继续适用于未来规模更为庞大的集成电路的仿真。相比于软件平台对算法的执行速度,硬件在执行各种操作的速度会高出若干数量级,可自由定制结构的FPGA则常被当作硬件加速方案的首选平台。因此为满足电路仿真在速度及容量方面与日俱增的需求,解决当前仿真软件的性能瓶颈,有必要对基于FPGA的电路仿真系统的设计方案进行研究。本文结合WDF(wave digital filter)理论中对典型电路进行等效映射的方法原理,提出基于WDF与FPGA的电路仿真系统设计方案,并对该方案的具体设计及实现方法进行研究,解决若干关键技术问题,成功实现WDF-FPGA仿真系统的研究设计。论文的主要贡献和创新性研究成果简述如下:1.提出基于二叉树的WDF等效电路拓扑优化方法,降低仿真系统的复杂度,并实现仿真速度的提升。本文以WDF等效电路的结构表达方法作为切入点,分析其在当前WDF等效电路在拓扑结构上的缺点。提出基于WDF二叉树的拓扑结构表达方法,将WDF等效电路展开为二叉树形态。该方法使WDF等效电路结构清晰直观,从WDF二叉树的形态可迅速获知等效电路的模块并行度、最长路径等关键信息,解决传统结构中表达效率低下、结构易混乱的问题。用三端口适配器替代多端口适配器缩减了WDF等效电路中的模块种类,利于降低系统复杂度。此外,本文结合WDF端口适配器的端口对称性,进一步提出WDF二叉树的优化方法。通过对满足要求的结点及附属子叶进行位置交换,令二叉树更为扁平、缩短“入射-反射”过程的最大路径长度,使WDF-FPGA仿真系统的模块并行度和仿真速度得到提升。2.提出基于非线性查找表的WDF模块设计方法,解决当前非线性元件的WDF等效模型结构复杂的问题。本文考虑到非线性WDF模块需满足硬件系统的易实现性要求,以及FPGA自身硬件架构的构成单元特性,提出基于非线性查找表的WDF模块设计方法。通过将非线性元件的关键参数预先存入查找表,非线性WDF模块可在仿真过程中对该表进行查询取值,实现对参考元件的分段拟合。由于非线性元件的行为特征主要藉由非线性查找表进行体现,所以非线性WDF模块在结构设计及优化方法上与线性WDF模块兼容,利于降低WDF-FPGA系统的设计难度。之后又提出基于非线性查找表的MOSFET WDF等效模型,并将其用于两种非线性WDF等效电路的设计与仿真实验。通过实验对上述MOSFET模型及设计方法的可行性及对复杂结构非线性电路的仿真能力进行验证。3.提出并实现基于WDF和FPGA的电路仿真系统设计方案。本文在前两个问题的解决方法基础上,提出WDF-FPGA仿真系统的设计方案。该方案将仿真系统分为输入区、仿真功能区以及输出区,其中仿真功能区包括有WDF等效电路及变量转换模块。通过变量转换模块对接口信号进行K变量域与W变量域之间的转换,解决WDF等效电路在FPGA系统上的数据传输问题。为解决WDF-FPGA仿真系统的优化问题,本文提出并实现了基于FPGA的WDF入射适配器和反射适配器,并以此将WDF等效电路分为入射与反射两种模式。利用前文所述优化方法,分别对两种模式中等效电路拓扑结构进行并行度提升和最长路径缩减,实现对WDF-FPGA仿真系统的结构和性能优化。通过对线性电路及非线性电路的仿真实验,验证WDF-FPGA仿真系统设计方案的可行性,证明该方案能够解决WDF等效电路的FPGA实现与优化问题。