在LTspice仿真软件中如何使用FFT进行频谱分析

在瞬态分析中，可以像示波器一样确认时间变化中的信号电平。而如果想确认信号中的频率，FFT 功能将派上用场，通过仿真模拟可以确认电路的失真和噪声成分。

什么是 FFT？

FFT 即 Fast Fourier Transform，是快速傅里叶变换的简称。FFT 的一个常用场景是确定一个时域噪声信号的频率分量。在 LTspice 中，它像频谱分析仪可以计算并显示信号的频率成分和电平 (功率)。由于 FFT 功能是以在瞬态分析 (时间轴) 中获得的数据为基础进行计算，因此它是内置于 Waveform Viewer 的功能。

FFT 功能使用步骤

以一个由 3 个不同频率和幅值的正弦波合成的信号为例，通过瞬态分析查看其波形，并使用 FFT 显示功能确认其频率的分布。瞬态分析产生正弦波合成波形的电路，如下图 (图1) 所示：

图1 产生正弦波合成波形的电路 (瞬态分析)

正弦波合成波形 (OUT 端子) 如下图 (图2) 所示，单看这个 OUT 端子的波形，无法知道频率成分和大小。

图2 正弦波合成波形 (OUT端子)

因此，以下将使用 FFT 显示功能。如下图 (图3) 所示，从菜单栏中选择 “View” → “FFT”。

图3 FFT显示方法步骤1

然后会弹出下图 (图4) 所示的对话框，点击 “OK”。

图4 FFT 表示方法步骤 2

FFT 显示结果如下图 (图5) 所示，得到纵轴为信号电平 (dB)、横轴为频率 (Hz) 的对数曲线。峰值位于频率 1kHz、3kHz、10kHz 处，这样我们就能掌握波形的成分和大小。

图5 FFT显示结果

FFT 功能使用要点

使用 FFT 功能时，建议设置 “.options plotwinsize=0” 命令，这样可以防止分析数据被压缩。通过使用该命令，并降低本底噪声，如上图 (图5) 所示。另外，如果设定瞬态命令的 “最大时间步长” 短于一个信号周期的 1/100，则可得到良好的 FFT 结果。然而，更短的时间设定会带来更长的仿真时间，所以请根据需要来权衡调整。

为了进行比较，在 .options 中没有指定 plotwinsize，而是用默认的最大时间步长来运行模拟。与上图 (图5) 的结果相比，本底噪声的基底较大，并且在非预期的频率处也存在峰值，如下图 (图6) 所示。这个结果表明，".options plotwinsize=0 " 命令对 FFT 分析很重要。

图6 FFT表示結果 (未指定 plotwinsize，MaxiumTimeStep 默认设置)

用 FFT 观察电源 IC 的输出电压信号

在以往文章《活学活用 LTspice 进行电路设计 — DC-DC 转换器仿真》中，我们以降压转换器 LT8640 为例，示范了如何确认输出纹波电压。这次我们继续以 LT8640 为例，用 FFT 功能查看其频率成分。FFT 分析需要在稳定状态下获得结果，因此在电源启动后需要确认纹波电压。由于这个原因，瞬态分析的模拟时间定为 500u~700usec。

图7 使用 LT8640 模拟输出电压的频率分析

输出电压的纹波波形，如下图 (图8) 所示：

图8 输出电压波形 (时间轴)

通过 FFT 分析，不仅能确认 1MHz 的开关频率成分，还包含 2 倍、3 倍偶数和奇数的频率成分，如下图 (图9) 所示：

图9 输出电压波形 (频率轴)

来自电源电路的噪音可能会影响外围电路和 EMI 测试。通过使用 FFT 功能掌握频率成分，可以在模拟研究噪声对策，如滤波器设计等。

总结

本文介绍了在 LTspice 仿真软件中 FFT 功能的使用步骤及要点，以及如何用 FFT 观察电源 IC 的输出电压信号。

审核编辑：刘清