1 Машинное моделирование электронных схем

ВВЕДЕНИЕ

Темой данной дипломной работы является рассмотрение методов математического моделирования схем при помощи ЭВМ, на примере разработки схемы вихревых расходомеров. Проектирование схем с помощью ЭВМ в данный момент является одним из наиболее перспективных способов повышения производительности и качества инженерного труда и получает все более широкое распространение в радиоэлектронике и вычислительной технике.

Традиционный подход к проектированию электронных схем заключается в том, что проектировщик, вооруженный знаниями и опытом, берет в руки карандаш и бумагу, обкладывается таблицами и, полагаясь в значительной степени на свою интуицию, составляет приближенный макет схемы. Затем наступает этап макетирования, результаты предварительного проектирования подтверждаются и возможно улучшаются путем подбора элементов методом проб и ошибок.

Однако такой подход, становится непригодным для анализа интегральных схем, потому что оказывается невозможным дублировать интегральную схему дискретными компонентами.

Очевидно, что путем макетирования с помощью дискретных элементов невозможно точно воспроизвести паразитные эффекты и характеристики согласования элементов, входящих в интегральную схему. Невозможно также выполнить с помощью макетирования анализ допусков или анализ наихудшего случая, так как практически невозможно осуществить при макетировании изменение параметров приборов.

Вместо имитации схемы посредством макетирования можно воспользоваться программой на ЭВМ, которая позволит выполнить анализ схемы автоматически. Такую программу общего анализа часто называют машинной моделью. Поскольку приборы, входящие в интегральную схему, часто удается более точно имитировать с помощью модели схемы, чем с помощью дискретных физических компонент, то и результаты получаемые при машинном моделировании, могут быть значительно точнее, чем результаты макетирования. Кроме того, стоимость машинного моделирования схемы обычно составляет лишь малую часть стоимости макетирования.

В настоящее время программы моделирования электронных схем общепризнанны в качестве обязательного элемента при проектировании сложных электронных схем. Суть этого метода что оператору достаточно просто нарисовать электрическую схему на компьютере и указать номиналы использованных элементов, после чего мы имеем практически готовую схему которую мы сможем исследовать в различных режимах работы и в любой момент изменить схему путем простой перерисовки ее.

В первом разделе работы освещены вопросы истории развития машинного моделирования, структура программ машинного моделирования и приведен сравнительный анализ существующих программ.

Во втором разделе рассматривается возможность применения этого метода, на примере анализа схемы вихревого расходомера. Приведены электрические характеристики.

В третьем разделе находится экономическая часть работы. В нем рассматривается экономическая выгода получаемая при замене метода обычного проектирования электронных схем методом машинного моделирования, путем сравнения себестоимости обоих методов.

Вопросы по безопасности и экологичности проекта находятся в четвертом разделе работы. Этот раздел посвящен рассмотрению вопросов безопасности при работе с ЭВМ, а в качестве индивидуального задания выбрана разработка инструкции по технике безопасности операторов ЭВМ.

1.1 История возникновения и развития методов машинного моделирования

Отношение ученых и инженеров к применению в исследовательской работе и проектировании такого мощного средства, как ЭВМ, претерпело ряд изменений. Для первого этапа, который можно назвать эйфорическим, была характерна вера во всемогущество ЭВМ и в то, что с их помощью наконец–то удастся решить многие трудные проблемы. Затем наступил второй этап – этап разочарований. Применение ЭВМ породило больше трудностей, чем с их помощью удалось разрешить (необходимы разработка математических моделей компонентов электронных схем и создание библиотеки их параметров, совершенствование вычислительных методов для анализа многообразных режимов работы различных устройств и систем, психологическая подготовка пользователей к общению с ЭВМ и т.

п.). К тому же многие задачи оказались неподвластными и ЭВМ. Объективная оценка возможностей ЭВМ дается на третьем этапе. В настоящее время мы переходим от второго этапа к третьему, чему в немалой степени способствует развитие персональных ЭВМ. Персональные ЭВМ занимают свое место в арсенале средств проектирования, с их помощью удалось решить многие трудные задачи. Но внедрение в инженерное проектирование ЭВМ происходит недостаточно быстро, и дело здесь не только в отсутствии ЭВМ на рабочем столе каждого специалиста и нехватке программного обеспечения. Одна из важных причин, это малочисленность инженеров–разработчиков, овладевших идеологией, методологией и техникой автоматизированного проектирования.

Но все же, не смотря на все трудности, автоматизация проектирования в данный момент является одним из наиболее перспективных способов повышения производительности и качества инженерного труда и получает все более широкое распространение в радиоэлектронике и вычислительной технике. В связи со сложностью и разнообразием решаемых задач и ограниченными возможностями ЭВМ, автоматизация проектирования пока еще не существует как единый сквозной процесс, который должен включать в себя:

• синтез структуры и принципиальной схемы устройства;

• анализ его характеристик в различных режимах с учетом разброса параметров компонентов и наличия дестабилизирующих факторов и параметрическую оптимизацию;

• синтез топологии, включая размещение элементов на плате или кристалле и разводку межсоединений;

• верификацию топологии;

• выпуск конструкторской документации.

Обычно процесс проектирования разбивается на уровни различного функционального содержания: структурный, функционально–логический, схемотехнический, конструкторский и т. д.; для каждого уровня разрабатываются соответствующие математические, программные, информационные, лингвистические и технические средства автоматизации проектирования.

Для большинства устройств их структура и принципиальная схема в существенной степени зависят от области применения и исходных данных на проектирование, что создает большие трудности при синтезе принципиальной схемы с помощью ЭВМ. В этом случае первоначальный вариант схемы составляется «вручную» с последующим моделированием и оптимизацией на ЭВМ. Поэтому разработчики программного обеспечения САПР сосредоточили в первую очередь усилия на создании универсальных моделирующих программ для анализа характеристик широкого класса аналоговых и цифровых устройств (при этом остается огромное поле деятельности по созданию программ синтеза принципиальных схем устройств частного назначения).

Традиционный подход к проектированию электронных схем заключается в том, что проектировщик, вооруженный знаниями и опытом, берет в руки карандаш и бумагу, обкладывается таблицами, картами и номограммами и, полагаясь в значительной степени на свою интуицию, пригодную аппроксимацию. Затем наступает этап макетирования, которого результаты предварительного проектирования подтверждаются и возможно улучшаются путем подбора элементов методом проб и ошибок.

Большинство проблем, связанных с анализом схем, решаются в два этапа. Первый этап заключается в составлении уравнений электрического равновесия в форме, позволяющей использовать законы Кирхгофа и характеристики элементов, входящих в схему. Второй этап заключается в решении этих уравнений путем применения подходящих аналитических или численных методов. До появления ЭВМ эти уравнения, как правило, решались аналитическим путем; такой подход накладывал жесткие ограничения на размер и тип схем, которые могли быть подвергнуты анализу. Большие линейные схемы (содержащие, скажем, более 50 элементов) или даже небольшие нелинейные схемы редко поддавались точному анализу. Поэтому инженеры–проектировщики полагались в основном на интуицию и усидчивость, выполняя приближенный анализ таких схем. Во всех случаях процесс анализа завершался макетированием схемы и измерениями представляющих интерес переменных параметров.

Однако даже такой подход, предполагающий макетирование, становится непригодным для анализа интегральных схем, потому что оказывается невозможным дублировать интегральную схему дискретными компонентами. Очевидно, что путем макетирования с помощью дискретных элементов невозможно точно воспроизвести паразитные эффекты и характеристики согласования элементов, входящих в интегральную схему. Невозможно также выполнить с помощью макетирования анализ допусков или анализ наихудшего случая, так как практически невозможно осуществить при макетировании изменение параметров приборов.

Вместо имитации схемы посредством макетирования можно разработать такую программу для ЭВМ, которая позволит выполнить анализ схемы автоматически. Такую программу общего анализа часто называют машинной моделью. Поскольку приборы, входящие в интегральную схему, часто удается более точно имитировать с помощью модели схемы, чем с помощью дискретных физических компонент, то и результаты получаемые при машинном моделировании, могут быть значительно точнее, чем результаты макетирования. Кроме того, стоимость машинного моделирования схемы составляет лишь малую часть стоимости макетирования.

Машинный анализ является первым шагом к автоматическому проектированию электронных схем. В настоящее время программы моделирования электронных схем общепризнанны в качестве обязательного элемента при проектировании сложных электронных схем.

Преимущества машинного анализа схем перед их макетированием настолько очевидны, что в последнее десятилетие было разработано много программ машинного моделирования и многие из них продолжают совершенствоваться в настоящее время. Каждая машинная модель разрабатывается для решения ограниченного определенного класса задач анализа схем.

В таблица 1.1 приведен перечень типовых задач, решаемых обычно методом машинного моделирования.

Таблица 1.1 – Типовые задачи анализа схем

Тип четырехполюсника	Описание задачи
I. Линейный, резистивный. (не содержит емкостей или индуктивностей) и линейный динамический (содержит хотя бы одну емкость или индуктивность)	1. Статический анализ (нахождение решения линейного резистивного четырехполюсника по постоянному току)
	2. Частотный анализ (нахождение частотной характеристики линейного динамического четырехполюсника)
	3. Анализ переходной характеристики (нахождение переходной характеристики линейного динамического четырехполюсника)
	4. Анализ шумовых характеристик (анализ по переменному току или переходный анализ с источником шума на входе)
	5. Анализ допусков (анализ чувствительности или худшего случая)
	6. Определение положения полюсов и нулей переда точных функций
	7. Получение функций символической схемы
II. Нелинейный резистивный (емкостей или индуктивностей нет)	1. Анализ рабочей точки (нахождение статического решения нелинейной резистивной схемы)
	2. Определение характеристики возбуждения (нахождение соотношения между током и напряжением возбуждения)
	3. Определение передаточной характеристики (нахождение соотношения между выходным напряжением или током и входным напряжением или током)
	4. Нахождение формы выходного сигнала в зависимости, от временных функций на входе
III. Нелинейный, динамический (содержит хотя бы одну емкость или индуктивность)	1. Начальные условия, смещение или анализ равновесного состояния (анализ рабочей точки при условии, что все емкости заменены разрывами цепи, а все индуктивности – замыканиями)
	2. Анализ переходных характеристик (нахождение формы выходных сигналов при начальник условиях, заданных пользователем или определенных программой, при наличии входных сигналов и без них)
	3. Анализ установившегося состояния (нахождение периодического решения установившегося состояния при наличии входных сигналов и без них)
	4. Анализ нелинейных искажений (нахождение гармоник, модуляция и перекрестные искажения)

На выбор конкретной машинной программы обычно оказывают влияние как широта возможностей программы, так и степень нашего знакомства с методикой ее использования.

1.2 Структура программ и методы применяемые при машинном моделировании

Большинство программ машинного моделирования общего назначения состоят из пяти основных блоков: блока входных данных; блока поиска модели прибора и замещения блока формирования уравнения равновесия; блока численного решения; блока выходных данных. Соотношение этих блоков показано на рисунке 1.1, а на рисунке 1.2 и 1.3 показаны характеристики первых двух и последующих трех блоков соответственно.

Во входном блоке ЭВМ принимает информацию от пользователя. В составе этой информации должны быть данные о конфигурации схемы, характеристикам элементов и типах анализа, которые должны быть проведены. Обычно эта информация поступает с магнитных носителей или эквивалентных им носителей информации. Языки или правила для входных данных весьма разнообразны и от них зависит удобство пользования.

Особенности входного блока программы перечислены на рисунке 1. 2. С учетом этих особенностей составление программы усложняется. В среднем в любой ориентированной на потребителя программе машинного моделирования около 40 % объема кодирования используется для обработки входного языка и для получения диагностики. Некоторые потребители рассматривают большинство из этих особенностей как дополнительные удобства, а не как необходимую принадлежность моделирования. Однако если какая–либо моделирующая программа имеет широкое признание, особенно среди инженеров, то одним из наиболее важных факторов для этого служит удобство потребителя.

Второй блок имеет дело с моделями приборов. Обычно этот блок не нужен для малых моделирующих программ и для программ, написанных для директивных применений, но становится очень важным в программах, применяемых при проектировании электронных схем.

Если какой–либо прибор, например транзистор типа КТ130, часто используется в этих схемах, то целесообразно описать его параметры для ЭВМ, один раз. Для полной характеристики некоторых приборов требуется использовать до 36 параметров. В таких случаях обычно применяют каталог моделей. Например, чтобы описать сложную логическую схему каждый базовый транзистор описывается лишь один раз, ему присваивается наименование модели, для которой определены характеристики внешних узлов, н затем эти данные вводятся в каталог библиотек данных.

Впоследствии, когда возникнет необходимость использовать транзистор этого типа, потребителю достаточно найти наименование модели для этого транзистора, показав одновременно, где должны быть подключены выводы транзистора. Модели могут быть заложены в библиотеке данных на нескольких уровнях. Таким образом, очень сложные схемы могут быть описаны пользователем с помощью чрезвычайно простых операторов.

Заметим, что библиотека моделей н группирование моделей не делают сложную схему простой для анализа ее машинным методом. Они способствуют лишь сокращению трудоемкости описания схемы пользователем.

Помимо возможности нахождения и выдачи модели библиотека моделей также должна допускать модификацию, изменение наименования и восстановление любой модели. Для заложенных в библиотеку моделей (т.е. моделей, конфигурация которых должна быть определена заранее, как например, модели Эберса–Молла для биполярного транзистора) программа должна также обеспечивать вычисление или доопределение необходимого количества величин «недостающих» параметров. В этом случае начинающий пользователь не должен беспокоить себя всеми деталями модели, если они не представляют интереса для решения его задачи.

Для детального изучения способов реализации первых двух блоков программы требуется знание программирования ЭВМ и работы периферийных устройств, таких как магнитные диски или печатающие устройства.

Втретьем блоке программа формирует уравнения равновесия для схемы, конфигурация которой и размеры элементов должны быть полностью оговорены. Перечень методов, используемых в этом блоке, приведен в первом блоке на рисунке 1. 3. Имеются три широко используемых метода: узловой, гибридный (смешанный) и метод переменных состояния.

Для анализа линейных схем по постоянному и переменному току используются методы формирования узловых уравнении и гибридных (смешанных) уравнений. Для анализа переходных процессов (а также анализа по переменному току) линейных схем применяются методы формирования уравнений состояния. Методы формирования узловых уравнений и гибридные уравнения для статического анализа нелинейных резистивных схем.

Любая схема может быть описана тремя типами ограничивающих уравнений, вытекающих из закона напряжений Кирхгофа, закона токов Кирхгофа и характеристик элементов. Эти ограничения образуют систему уравнений, часть из них является алгебраическими, а остальные – нелинейными дифференциальными уравнениями. При формировании узловых, гибридных или уравнений состояния основным соображением является уменьшение количества уравнений, которые должны быть решены одновременно. Однако при использовании преимуществ современного метода разреженных матриц вопросы сокращения количества одновременно решаемых уравнений для разреженных систем уравнений не являются актуальными. Как следствие этого, особое значение при использовании программ машинного моделирования приобретает структурный метод, который включает всю информацию о схеме в нередуцированной форме.

В четвертом блоке уравнения равновесия решаются в численном виде (в противоположность аналитическим решениям). Для решения линейных алгебраических уравнений, получаемых при узловом или гибридном анализе с вещественными или мнимыми коэффициентами, используются метод исключений Гаусса и метод LU–разложения. Для решения нелинейных алгебраических уравнений, которые могут появиться в результате узлового или гибридного анализа, используется метод Ньютона–Рафсона и кусочно–линейные методы. Для нелинейных уравнений состояния аналитическое решение в общем виде не является необходимым, и мы должны применить методы численного интегрирования.

Последним в программе машинного моделирования, но не последним по важности, следует выходной блок. Через его посредство пользователь получает ответ на поставленные вопросы. Многообразие возможностей для выхода информации показано на рисунке 1.3.

1.3 Рассмотрение существующих программ машинного моделирования

Большинство программ машинного моделирования общего назначения имеют базовые подпрограммы для анализа по постоянному току, переменному току и переходного анализа. Для получения других типов выходной информации необходимо писать специальные подпрограммы.

Автоматическое проектирование электронных схем, являющееся в настоящее время предметом широких исследований, требует хорошей программы анализа и хорошей стратегии оптимизации. Уже издано довольно много книг по теоретическим аспектам систем автоматизированного проектирования (САПР [l–8]). Однако сведений о практической работе с конкретными пакетами программ в литературе недостаточно, а данные о параметрах математических моделей отечественных компонентов вообще отсутствуют. Большое количество материалов по САПР радиоэлектронной аппаратуры приведено в справочнике [9], в котором, однако, нет данных о программном обеспечении САПР на ЭВМ.

Современные программы САПР работают в диалоговом режиме и имеют большой набор сервисных модулей, упрощающих работу на ЭВМ и делающих их «дружественными» по отношению к пользователям. В частности, предусмотрен ввод принципиальной схемы моделируемого устройства в графическом виде.

Топология печатной платы или кристалла интегральной схемы синтезируется после завершения разработки принципиальной схемы. На этом этапе проектирования решается задача размещения элементов и трассировки соединений. Наиболее успешно она решается при проектировании цифровых устройств, где вмешательство человека в процесс синтеза топологии сравнительно невелико. Разработка аналоговых устройств требует гораздо большего участия человека в процессе проектирования коррекции и при необходимости в частичной переделке результатов машинного проектирования. Основная сложность при разработке аналоговой аппаратуры заключается в автоматизации синтеза топологии и обеспечении взаимодействия программ моделирования схем и синтеза топологии.

Заключительным этапом разработки является верификация топологии. На нем проверяются соблюдение технологических норм, соответствие топологии исходной принципиальной схеме, а также рассчитываются электрические характеристики схемы с учетом паразитных параметров, присущих конкретной конструкции. При этом следует заметить, что моделирование аналоговых схем полностью не заменит, по крайней мере в ближайшее время, физического макетирования, так как при моделировании всегда выбираются упрощенные (идеализированные) схемы замещения, не полностью адекватные условиям работы реального устройства. Но зато результаты логического моделирования цифровых устройств, как было сказано выше, являются более достоверными.

Ниже приведен краткий обзор наиболее известных комплексов программ и отдельных программ автоматизированного проектирования электронной аппаратуры.

Автоматизированное проектирование печатных плат

Один из самых простых пакетов программ конструкторского проектирования – пакет smARTWORK фирмы «Wintek Corp.», который включает в себя графический редактор двусторонней печатной платы, программу ручной и автоматической трассировки соединений и программу выдачи чертежей на графопостроитель. Большими функциональными возможностями обладает пакет OrCAD фирмы «OrCAD System Corp.»¹, в котором имеется графический редактор принципиальных схем и печатных плат, а также программы моделирования цифровых устройств и проектирования топологии. Особую привлекательность этому пакету придают удобство работы с графическим редактором и возможность перекодирования списка соединений схемы в форматы других программ, таких как P–CAD, PSpice и др.

Одна из самых мощных систем автоматизированного проектирования – система P–CAD фирмы «Personal CAD Systems, Inc.». В нее входят редакторы принципиальных схем и печатных плат, программы моделирования цифровых устройств, автоматического размещения компонентов на печатной плате и трассировки соединений, выдачи чертежей на принтер, графопостроитель, фотопостроитель, а также вспомогательные сервисные программы. Система Personal Logican фирмы «Saisy Systems Corp.» позволяет проектировать цифровые устройства, включая микропроцессоры, контроллеры и устройства памяти [12]. Большие успехи достигнуты в создании САПР цифровых устройств на базе программируемых логических матриц [13]. Разработка ПЛМ возможна с помощью системы P–CAD и последних разработок фирмы «OrCAD Systems Corp.». Начаты работы по автоматизации проектирования на ЭВМ аналоговых и цифровых схем на базовых матричных кристаллах. Известны также комплексы программ CADdy («CADdy Corp.»), Micrograph («Micrograph Systems»), отечественные разработки МАГИСТР, «Минск ПК», ГРИФ и ряд других [10, 15].

Особо следует выделить пакет машинной графики AutoCAD фирмы «Autodesk» [10, 14]. С его помощью можно, например, создать чертеж принципиальной электрической схемы или печатной платы и затем преобразовать это графическое изображение в формат P–CAD и средствами системы P–CAD моделировать схему или разработать печатную плату. Пакет AutoCAD можно использовать также для доработки чертежей, создаваемых системой P–CAD, в соответствии с требованиями ЕСКД.

Моделирование аналоговых устройств

Наиболее доступны для пользователей, малознакомых с вычислительной техникой, программы моделирования на ЭВМ семейства Micro–Cap фирмы «Spectrum Software» [16–18]. Программа Micro Cap II обладает удобным графическим вводом принципиальной схемы и обеспечивает проведение простейших видов анализа характеристик схемы во временной и частотной областях. В программе последнего поколения Micro–Cap III используется многооконный диалог, в нее включены расчет уровня внутреннего шума и статистический анализ по методу Монте–Карло. Наличие библиотеки основных компонентов электронных схем позволяет применять эти программы при моделировании не очень сложных устройств.

В настоящее время наиболее распространены в мире программы семейства PSpice фирмы «MicroSim Corp.», именно этот пакет программ был использован при выполнении данной работы [11].

Основные правила моделирования электронных устройств

Характерной ошибкой при анализе электронных схем с использованием программ схемотехнического анализа (в частности MicroCAP) является «лобовой» подход к моделированию. При этом принципиальная схема устройства (подчас – достаточно сложного) механически переносится в редактор схем, затем лихорадочно ищутся модели компонентов или их аналоги (подобных вопросов полно в любом форуме по электронике). Но, к удивлению новичков, при попытке запустить анализ ничего похожего на ожидаемые режимы работы не получается. Или же появляется сообщение о какой-нибудь ошибке. Сразу же – разочарование. Ведь все компоненты и их номиналы скопированы с рабочей схемы (книги, журнала и т.п.). А схема не работает.  И все попытки определить причину такого поведения программы схемотехнического анализа обычно заканчиваются неудачей. После этого выносится вердикт – программа никуда не годна. И начинается поиск новой версии или другой, более «продвинутой» программы. Хотя на самом деле причина неудач банальна – незнание принципов работы систем схемотехнического анализа, алгоритмов расчета и используемых моделей компонентов. И, как следствие, непонимание ограничений, которые необходимо учитывать при моделировании электронных устройств.

Современные версии программы MicroCAP позволяют моделировать достаточно сложные схемы. Это – большой плюс для опытных пользователей, но ловушка для новичков. У них возникает желание сразу промоделировать электронное устройство именно в том виде, в каком оно изображено на принципиальной схеме. Но это обычно удается только для очень простых случаев. А в остальных – необходимо сначала немного подумать и отсечь лишнее. Ведь каждый компонент усложняет расчетную модель, увеличивает вероятность ошибки и усложняет отладку схем. Да, именно отладку. Очень многие не придают значения тому, что проводят имитационное моделирование. И поведение расчетной модели имитирует поведение реальной схемы во всем. В том числе – и в процессе настройки.

Странно, но почти ни у кого не вызывает удивление тот факт, что сколько-нибудь сложная аналоговая схема сразу после сборки как правило не работает и требует настройки (проверки и подгонки режимов). А что такой же подгонки и проверки требует расчетная модель – почему-то вызывает удивление.

Авторы статьи используют программы семейства MicroCAP достаточно давно (начиная с MicroCAP-II). Естественные ограничения и несовершенство младших версий позволили за эти годы наработать ряд приемов, которые позволяли выполнять достаточно сложные расчеты даже при скудных возможностях программы (в свое время, при проведении моделирования для кандидатской диссертации вполне хватило учебной (ограниченной) версии MicroCAP-IV) . Эти приемы актуальны и при использовании современных версий. Они намного упрощают освоение программ схемотехнического анализа и получения практических навыков работы с ними, а также позволяют сэкономить массу времени, которое начинающие пользователи тратят на борьбу с характерными ошибками. Кроме того, использование помимо компьютера еще и собственной головы позволяет лучше разобраться в принципах работы моделируемых электронных устройств.

Общие правила моделирования достаточно просты. Необходимо четко осознать, что моделирование электронных устройств с использованием пакетов программ схемотехнического анализа включает в себя несколько этапов:

1. Определение задач моделирования;
2. Анализ моделируемой схемы, разложение ее на функциональные узлы и выбор упрощающих допущений;
3. Построение модели анализируемого устройства с учетом упрощающих допущений;
4. Проведение расчета по построенной модели и анализ полученных результатов;
5. Максимально возможное приближение модели к схеме анализируемого устройства, получение окончательных результатов и их анализ.

Рассмотрим эти этапы подробнее.

• Определение задачи моделирования. Моделирование электронного устройства подразумевает, что это устройство предварительно разработано и проведен расчет его компонентов инженерными средствами. Поэтому в задачи моделирования могут входить:

1. Подтверждение правильности проведенных инженерных расчетов и проверка работоспособности устройства;
2. Исследование чувствительности к разбросу параметров компонентов;
3. Исследование нестационарных и аварийных режимов работы
4. Исследование температурной нестабильности устройства;
5. Подбор корректирующих цепей.

• Анализ моделируемой схемы, разложение ее на функциональные узлы и выбор упрощающих допущений. Как уже отмечалось выше, большинство электронных устройств слишком сложны для непосредственного анализа. Если в качестве модели использовать полную принципиальную схему, время расчета становится неоправданно большим, либо такой расчет не удается провести вовсе. Однако, анализ любой схемы показывает, что она состоит из основных и вспомогательных функциональных узлов. Вспомогательные узлы обеспечивают заданные режимы работы основных узлов и моделирование их работы нецелесообразно (по крайней мере – на первом этапе). К ним относятся цепи питания, источники тока и напряжения смещения, задающие генераторы и т.п. Как правило, все эти узлы целиком целесообразно заменить стандартными моделями MicroCAP.

Наиболее характерные примеры упрощенных моделей:

Источник питания — battery
Источник напряжения смещения (стабилитрон, прямосмещенный диод) — battery
Источник тока Isource
Задающий генератор (прямоугольник, пила) — pulse source
Сеть промышленной частоты (220В, 50Гц) — sine source
Понижающий сетевой трансформатор — sine source
Варикап — capacitor
Компаратор, транзисторный ключ — switch
Операционный усилитель с ограничением — function sources

• Построение модели анализируемого устройства с учетом упрощающих допущений. Используя рассмотренные выше допущения, строится упрощенная модель анализируемого устройства. Распространенной ошибкой является построение сразу полной модели. Если моделируемое устройство достаточно сложное, то для построения работоспособной модели целесообразно пользоваться методом поблочной настройки, используемым для наладки реальных электронных устройств. Суть его, в применении к построению расчетной модели, состоит в том, что сначала добиваются работоспособности отдельных узлов и лишь потом объединяют их вместе. Например, при анализе усилителя мощности целесообразно сначала промоделировать входной каскад на ОУ (не забыв соответствующим образом замкнуть обратную связь), затем подсоединить выходные каскады, подобрать напряжение смещения этих каскадов и лишь затем завести общую обратную связь и добавить цепи термостабилизации, коррекции и защиты по току. Пренебрежение этим правилом иногда сильно затрудняет получение работоспособной модели.

Кроме того, не стоит забывать, что поиск моделей конкретных компонентов (например, точной модели какого-нибудь транзистора, используемого в реальной схеме) в подавляющем большинстве случаев является нецелесообразным. Задание в стандартной модели того же транзистора основных справочных параметров практически гарантированно дает вполне приемлемый результат (если, конечно, целью моделирования не является исследование поведения конкретного транзистора в данной схеме).

Вообще же для первичного анализа целесообразно применять базовые модели компонентов. Но, в тоже время – необходимо знать их особенности. К примеру, отсутствие насыщения у простейшей модели операционного усилителя приведет к неработоспособности ряда схем, в которых используется именно этот режим работы компонента.

• Проведение расчета по построенной модели и анализ полученных результатов. После получения упрощенной модели проводятся расчеты в соответствии с задачами моделирования. На этом этапе анализ полученных результатов проводится для того, чтобы проверить правомерность принятых упрощающих допущений и, если нужно, провести усложнение модели. На этом же этапе проводится точный подбор цепей смещения и коррекции, а также статистический анализ и определение чувствительности к параметрам компонентов.

• Максимально возможное приближение модели к схеме анализируемого устройства, получение окончательных результатов и их анализ. На этом этапе проводят окончательный расчет по скорректированной модели, получают все необходимые характеристики и на основе их анализа делают окончательные выводы.

Марина Амелина, Сергей Амелин
[email protected]

На главную

Что такое электронное моделирование онлайн? Почему используется имитация?

 

Сейчас, когда мы живем в мире электроники, каждый день создаются сотни и тысячи схем. Мало того, на самом деле в одной машине можно легко использовать от 10 до 50 электронных схем. Таким образом, это означает, что необходимо использовать миллионы электронных компонентов, чтобы удовлетворить высокий спрос на электронные схемы.

Но вы действительно хотите тратить деньги на дорогие электронные компоненты в период проб и ошибок при построении схемы? А также, на более макроуровне, можем ли мы позволить себе постоянное использование электронных компонентов на первом этапе построения электронной схемы? Пока мы даже не уверены, будет ли схема все-таки работать или нет?

Ну, не беспокойтесь об этом, потому что решение уже готово! Моделирование электронной схемы. Верно! Эти 3 хитрых слова, взятые вместе, помогут вам избавиться от лишних электронных компонентов на первом этапе построения схемы. Как? Что ж, посмотрим.

 

 

Что такое моделирование электронных схем?

Электронное моделирование или моделирование электронной схемы — это математическая характеристика схемы. Проще говоря, это математическая модель схемы, созданная инженерами-электронщиками для понимания ее поведения и анализа того, насколько эффективно компоненты схемы работают вместе. Поскольку моделирование схемы позволяет инженерам легко понять схему, не создавая ее, в конечном итоге это экономит им время и деньги.

 

В основном существует 3 типа электронной симуляции:

• Симуляция аналоговой схемы
• Моделирование цифровой схемы
• Моделирование схемы смешанного режима

Чтобы понять, как работает каждая из этих симуляций схемы, давайте рассмотрим их по отдельности.

 

Типы моделирования цепей

Давайте более четко разберемся с тремя различными электронными симуляциями.

Аналог: При аналоговом моделировании мы обычно используем аналоговые компоненты и сигналы. Математические модели в этом моделировании должны быть очень точными и точными, чтобы работать в частотной области (AC), нелинейных режимах покоя (DC) и во временной области (переходный процесс).

Цифровой: Сравнивая цифровые симуляторы с аналоговыми, вы обнаружите, что они проще. В рамках цифрового моделирования мы должны работать с двумя уровнями напряжения, т. е. логическим 0 и логическим 1.

Mixed-Mode: Отличное моделирование схемы, поскольку оно использует как цифровое, так и аналоговое моделирование. В электронном моделировании смешанного режима цифровое и аналоговое являются отдельными объектами и имеют свои собственные инструменты и ресурсы.

Поскольку мы теперь различаем 3 типа электронных симуляций и уловили общую идею этой концепции, мы можем начать понимать их большой спрос, поскольку они являются большим ресурсом в электронной промышленности.

Все мы знаем, что теперь, когда производится все больше и больше электронных устройств, моделирование электронных схем становится все более незаменимым инструментом для создания интегральных схем (ИС). Он имеет огромную растущую потребность буквально в каждой отрасли. Давайте посмотрим на некоторые из этих потребностей, которые удовлетворяет электронное моделирование!

Изображение Кредит: VLAB-IITK-OPAMP

Необходимость моделирования электроники онлайн ( Почему моделирование используется?) собственно построение схемы.

Экономичный, экономящий время, а также являющийся неотъемлемым инструментом для простого проектирования сложных схем.

Сокращает потери ценных аппаратных ресурсов, предоставляя нам возможность получать удовлетворительные и точные результаты с помощью программного моделирования.

Не устраивает работа схемы? Не беспокойтесь, вы можете легко перепроектировать схему на основе результатов моделирования и по своему вкусу.

Не только это, но и программное обеспечение для моделирования схем позволяет нам модифицировать существующие проекты без проектирования печатных плат.

Кроме того, вы можете легко исследовать различные точки цепи и просматривать виртуальные сигналы.

Звучит очень полезно, правда? Что ж, тогда позвольте нам познакомить вас с преимуществами использования имитации цепей и дать вам понять, насколько они выгодны для вашего интеллектуала в области электроники!

 

Преимущества моделирования цепей

Ну, конечно, если что-то пользуется таким большим спросом, у него будут некоторые преимущества, верно? Позвольте нам перечислить их для вас!

1. Программное обеспечение для моделирования цепей, такое как SPICE, LTspice и т. д., можно использовать бесплатно, что делает их вполне доступными.
2. Изменение моделей и общего поведения симулятора теперь стало детской игрой. Таким образом, повторение нескольких уровней стимуляции для изучения ограничений и возможностей схемы становится бесшовным.
3. Кроме того, изменение значений компонентов моделирования также стало довольно простым, наряду с изменением различных входных параметров, таких как напряжения и токи для схемы.
4. Эти симуляторы цепей также имеют инструменты для тестирования систем распределения питания и конструкций источников питания, что делает их очень полезными!
5. Плюс отдельно аналоговые симуляторы позволяют проверять продолжительность перехода между логическими уровнями, а также Тестирование таймингов памяти и латентности модулей памяти становится очень простым

 

Таким образом, вы можете видеть, что моделирование цепей стало необходимостью в наше время. Кроме того, их различные преимущества полностью оправдывают эти требования.

 

Не знаете, с чего начать? И как найти лучшее программное обеспечение для моделирования? Что ж, давайте поможем!

 

Для начала на рынке представлено несколько отличных электронных симуляторов. Одной из самых популярных является SPICE-Simulation Program with Integrates Circuit Emphasis. Другие подобные программы, которые так же просты в использовании, как и SPICE:

• нгспайс
• Мультисим
• Синопсис ПраймСим
• PSIM
• Каденс Спектр

В нашей следующей статье мы подробно обсудим преимущества каждого из этих программ и выясним, какое из них лучше для вас. Но помните, все это довольно здорово. Итак, начните свое путешествие с электронным симулятором уже сегодня! и воплотить в жизнь несколько отличных интегральных схем!

 

См. также : Виртуальная лаборатория базовой электроники для учителей и учащихся

 

Надеюсь, вам понравилась статья «Онлайн-моделирование электроники» и сообщите нам свой комментарий в разделе ниже.

 

Если вам нравится этот пост, подпишитесь на наш канал YouTube для видеоуроков по IoT. Вы также можете найти нас в Twitter , Facebook и Instagram для получения дополнительных обновлений.

Начните свое путешествие в мир IoT с Основы IoT от IoTDunia.

 

Каталожные номера: electronicshub

 

Проектирование электроники, симуляторов электронных схем

Проектирование электроники, симуляторы электронных схем

2022-04-15

Проектирование электронных схем — это процесс создания схем, состоящих из пассивных и активных компонентов. Их монтаж и соединение создает путь для электрического тока, который выполняет определенные функции. При проектировании такой схемы на компьютере ее представляют в виде схемы. Каждый физический компонент схемы идентифицируется соответствующим графическим символом и информацией о его параметрах. В компьютерном процессе проектирования электроники возможно редактирование отдельных выделенных частей и всей схемы даже на дальнейших этапах работы.

В вычислительном отношении это очень трудоемкая и сложная задача, поэтому мы начали создавать устройства, которые будут поддерживать процесс проектирования схем , а также такие, которые помогут проверить системы и их слабые места перед внедрением. Так были созданы симуляторы электронных схем . С их помощью можно на основе наблюдений делать выводы о функционировании физических объектов в конкретных условиях (в хороших тренажерах можно изменять такие условия, как температура окружающей среды) и вносить изменения в схему до того, как она будет создана физически. .

Проектирование схем – прорыв в SPICE

Первым широко используемым симулятором электронных схем был SPICE (Программа моделирования с акцентом на интегральные схемы). Первая демонстрация SPICE состоялась в Канаде на 16-м Среднезападном симпозиуме по теории цепей 12 апреля 1973 года. С речью выступил профессор Дональд О. Педерсон из Калифорнийского университета в Беркли. Разработчики программы возлагали скромные надежды на SPICE и его успех, поэтому все, что произошло потом, стало большой неожиданностью. В течение нескольких лет SPICE получил признание почти во всех областях электротехники. Школы и любители быстро начали производить производные SPICE, что, вероятно, подпитывалось расширяющейся индустрией интегральных схем. В настоящее время практически каждая программа для моделирования электронных схем создается на основе тех же математических основ, которые использовались разработчиками SPICE.

Моделирование цепи – что это такое? Проектирование электроники.

Моделирование схемы — это процесс, при котором модель электронной схемы создается и анализируется с использованием различных программных алгоритмов, которые прогнозируют и подтверждают поведение и характеристики схемы. Поскольку изготовление электронных схем, особенно интегральных схем (ИС), является дорогостоящим и трудоемким, быстрее, удобнее и, что наиболее важно, дешевле проверить поведение и производительность схемы с помощью симулятора схемы перед ее изготовлением. Существуют различные типы симуляторов цепей, отвечающие различным потребностям в диапазоне точности, производительности и производительности. На одном конце спектра находятся аналоговые симуляторы, благодаря которым можно получить точное представление электронных схем. Они обеспечивают высокую точность и обычно используются для моделирования небольших схем. На другом конце спектра находятся цифровые симуляторы, в которых используются функциональные представления электронных схем, обычно описываемые с помощью языков описания оборудования (HDL). Они обеспечивают наивысшую производительность и емкость, но при относительно более низком уровне точности. Цифровые симуляторы обычно используются для моделирования очень больших схем.

Типы моделирования цепей. Программы для проектирования электроники.

Существует три основных типа моделирования цепей: аналоговое, цифровое и смешанное.

1. Моделирование аналоговых схем предполагает использование высокоточных моделей (т. е. представлений) электронных схем для достижения высокой точности. Модели включают нелинейные, линейные и простые табличные представления различных электронных устройств в схеме. Аналоговая симуляция может выполняться в различных режимах. К ним относятся переменный ток (частотная область), постоянный ток (нелинейный режим покоя) и переходный процесс (временная область). Все аналоговые симуляторы используют алгоритмы для математического анализа поведения электронной схемы в этих различных режимах. Все они разделяют качество решения матриц для прогнозирования производительности электронной схемы. Сигналы распространяются как постоянно меняющиеся значения. Есть два основных типа 9Симуляторы аналоговых цепей 0015 : SPICE и FastSPICE. Симуляторы SPICE используют высокоточные нелинейные и линейные модели электронных устройств для анализа поведения схемы. Они используют множество различных методов интегрирования, таких как прямой Эйлер, обратный Эйлер и метод Ньютона-Рафсона, а также методы матричной декомпозиции для вычисления отклика всей схемы (т. е. математического представления) в каждый отдельный момент времени. Напротив, симуляторы FastSPICE используют более простые табличные представления моделей электронных устройств для анализа поведения схемы. Они используют сложные алгоритмы для уменьшения сложности схемы и разделения схемы на основе различных критериев, по существу создавая более простое и более модульное представление схемы. Затем это представление выборочно оценивается в заданный момент времени интересующего периода в рамках моделирования, что значительно повышает производительность и возможности моделирования. Симуляторы FastSPICE предлагают различные ручки моделирования, помогающие сбалансировать компромисс между точностью моделирования и производительностью.
2. Моделирование цифровых схем предполагает использование простых моделей электронных схем. Эти модели обычно создаются с использованием HDL. В цифровом моделировании распространяются несколько дискретных уровней напряжения (в основном логический 0 и логическая 1), а не постоянно меняющиеся сигналы. Методы распространения этих сигналов имеют разную степень точности в отношении задержки распространения логических уровней по цепи. С помощью этого метода можно моделировать гораздо большие схемы за более короткое время с меньшими вычислительными ресурсами по сравнению с аналоговым моделированием.
3. Смешанное моделирование схемы сочетает аналоговый и цифровой подходы к моделированию. Цепь разделена между двумя системами для поддержки адекватного детального анализа каждой части цепи. Аналоговые симуляторы (SPICE и FastSPICE) используются для аналогового анализа, а цифровые симуляторы — для цифрового анализа. Этот метод моделирования позволяет моделировать гораздо большие схемы за меньшее время и с меньшими вычислительными ресурсами по сравнению с аналоговым моделированием.

Какой симулятор электронной схемы использовать?

Существуют как платные, так и бесплатные симуляторы. В случае анализа сложных схем для промышленного использования стоит рассмотреть платное программное обеспечение для профессионалов. Однако для любителя должно быть достаточно одного из бесплатных решений, которые все чаще доступны прямо из веб-браузера. Бесплатное и/или открытое программное обеспечение для моделирования электронных схем должно помочь пользователю проектировать электронику, анализировать и тестировать схемы виртуально на уровне браузера. В идеале инструмент должен предлагать функции аналогового или цифрового (или и того, и другого) моделирования, а также редактирования диаграмм, просмотра сигналов, вспомогательных резисторов, конденсаторов, светодиодов и т. д.

Преимущества моделирования схем

Моделирование схем позволяет получить критическое представление о поведении электронных схем. Учитывая затраты и время, затрачиваемые на производство электронных схем, особенно интегральных схем, гораздо практичнее проверить поведение и производительность схемы с помощью моделирования схемы до производства.

Использование симуляторов имеет несколько других преимуществ:

1. Создание схемы на симуляторе значительно быстрее, чем реальное строительство;
2. Если схема не работает в начале, мы не несем никаких потерь;
3. Мы получаем доступ к любому узлу схемы всего в один клик, что значительно ускоряет отладку;
4. Мы можем опробовать компоненты, которых у нас пока нет физически.