Курсовая работа: Визуальное моделирование электронных схем

Курсовая работа: Визуальное моделирование электронных схем

Введение

В 70-х гг. XX в. стали интенсивно разрабатываться программы анализа электронных схем с помощью ЭВМ. Наибольшую известность с некоторых пор получила программа SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), разработанная в Калифорнийском университете (США). Она оказалась очень удачной и фактически стала эталоном. Принятые в ней математические модели компонентов используются во многих программах систем автоматизированного проектирования (САПР), таких как ДИСП, ДИСП-ПК (Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет), Micro-Cap V и им подобных. Первая версия программы PSpice для персонального компьютера (IBM PC) была создана в 1984 г. корпорацией MicroSim. С тех пор разработано достаточно много версий программы на платформе DOS, а в последнее время – на платформе Windows. Но все последующие версии используют те же алгоритмы, что и SPICE для компьютеров типа IBM 360, тот же формат представления входных и выходных данных. Основу системы DesignLab составляет программа PSpice [11, 16, 17]. Демонстрационную версию программы DesignLab можно получить через Internet по адресу www.microsim.com или www.orcad.com.

1. Управляющая оболочка Schematics

1.1 Графический редактор Schematics

Графический редактор Schematics позволяет создавать чертежи принципиальных схем в среде Windows и осуществлять запуск других программ, в частности PSpice – для моделирования аналоговых устройств и Probe – для графического отображения, обработки и документирования результатов моделирования.

Моделируемая схема может состоять из резисторов, конденсаторов, индуктивностей, диодов (включая стабилитроны и варикапы), биполярных и полевых транзисторов. Кроме того, из этих компонентов можно создавать макромодели или иерархические структуры более сложных электронных устройств – операционных усилителей, компараторов, тиристоров и др.

Графический редактор вызывается щелчком мыши по пиктограмме Psshed. В процессе его загрузки подключаются библиотеки графических символов компонентов и экран приобретает вид, показанный на рис. 1. Редактор Schematics имеет основное меню и панель инструментов. Основные символы панели инструментов совпадают с принятыми в системах MicroSoft.

Вначале нужно выбрать команду File, в ниспадающем меню – строку New, если создаётся новая схема, или строку Open, если загружается существующая схема. (Сокращённо порядок этих действий будем обозначать далее как File/ Open, разделяя имена команд и подкоманд косой чертой).

Рис. 1 - Экран графического редактора Schematics

Символы компонентов наносятся на схему по команде Draw/Get New Part (или вызывается также щелчком по пиктограмме). После этого выбирается компонент для размещения на схеме. (Для ускоренного поиска компонента в строке Part Name можно написать его имя.) Размещается компонент на чертеже нажатием кнопки Place или Place & Close. Последовательным нажатием левой кнопки мыши можно разместить необходимое количество компо-нентов на чертеже, после нажатия правой кнопки мыши компонент «отвязывается» от курсора мыши. Последние десять символов компонентов сохраняются в оперативном списке, из которого они быстро извлекаются нажатием на стрелку в правой части панели.

Проводники наносятся на схему по команде Draw/Wire или нажатием на пиктограмму с изображением карандаша.

Позиционные обозначения наносятся на схему автоматически (с возможностью их редактирования вручную после двойного щелчка левой кнопки мыши по выделенному обозначению компонента). Имена цепей проставляются автоматически и на чертёж не выводятся. Однако, если известны цепи, характеристики которых будут выводиться в программе Probe, цепи можно маркировать вручную. Для этого достаточно щелчком левой кнопки мыши выделить желаемую цепь и после двойного щелчка левой кнопки в меню Label указать имя цепи – цифровое, буквенное или смешанное. Например OUT2, IN, 123 и т.д.

Кроме того, при использовании специальных маркеров при нажатии на пиктограммы  и  именовать цепи не обязательно – достаточно пометить маркером нужную цепь, и на графике после завершения анализа будет выведена соответствующая характеристика.

Отметим, что освоить графический ввод схем достаточно легко, особенно если пользователь уже знаком с работой в любом другом графическом редакторе. Интерфейс графического редактора очень «дружественный» и осваивается достаточно быстро в процессе проб и ошибок.

1.1.1 Настройка конфигурации

Работа с графическим редактором начинается либо с загрузки созданного ранее файла схемы с расширением *.sch по команде File/Open, либо с очистки поля экрана выбором команды File/New. После этого приступают к настройке конфигурации схемного редактора с помощью команд меню Option (рис. 2). Параметры конфигурации при загрузке программы устанавливаются автоматически, однако иногда полезно их изменить или убедиться в их правильности. Параметры конфигурации заносятся в файл msim.ini и сохраняются при работе с последующими схемами.

Рис. 2 - Меню Option и диалоговое окно команды Option/Display Option

1.1.2 Установка параметров изображения

Устанавливаются следующие параметры (рис. 2б):

–  Grid On – включение/выключение координатной сетки;

–  Snap-to-Pin – включение/выключение режима привязки концов проводников при их нанесении на схему к ближайшему выводу компонента, находящегося в области захвата, радиус которой определяется параметром Gravity – радиусом области захвата;

–  Rubberband – включение/выключение режима перемещения компонента вместе с присоединёнными к нему проводниками;

–  Orthogonal – переключение режимов ввода только ортогональных проводников и проводников с произвольным наклоном;

–  Cursor X and Y – вывод текущих координат курсора в строке состояния (рекомендуется включать всегда);

–  Grid Size – шаг координатной сетки (шаг координатной сетки рекомендуется устанавливать равным 1,25 мм, 2,5 мм или 0,1 дюйма – с таким шагом обычно выполнены фирменные библиотеки, поставляемые вместе с DesignLab).

1.1.3 Подключение библиотек

В верхней части меню команды Editor Configuration в окне Libraries приведён список подключённых библиотек символов компонентов (с расширением.slb), а в строке Library Path – путь доступа к библиотекам.

Рис. 3 - Подключение библиотек символов а) и текстовых библиотек б)

Эти библиотеки подключаются к программе Schematic при её загрузке. Для редактирования списка этих библиотек щелчком выбирается кнопка Library Setting и открывается меню, показанное на рисунке 3а. Имя файла библиотеки указывается после щелчка по кнопке Browse в стандартном стиле Windows. После имени файла нажимается одна из кнопок Add* или Add Local. В первом случае библиотека будет доступна для всех проектов, во втором – только для текущего проекта.

Подключение текстовых библиотек компонентов с расширением.lib выполняется по команде Analysis/Library and include Files –открывается меню, приведённое на рисунке 3б. Дальнейший порядок действия аналогичен подключению библиотек символов.

1.2 Создание принципиальных схем

1.2.1 Размещение компонентов на схеме

Создание принципиальной схемы начинается с размещения компонентов. Нажатие на пиктограмму  вызывает появление окна выбора имени компонента (рис. 4).

Рис. 4 - Окно выбора имени компонента

Если в строке Part Name указан символ * (по умолчанию), то в окне выводится алфавитный список компонентов, содержащийся во всех подключённых библиотеках. Можно также в строке Part Name набрать имя компонента или его начальные символы. Нужный компонент указывается щелчком курсора, после чего его изображение выводится в центральном окне. После выбора компонента и нажатия кнопки Place или Place & Close его символ размещается на схеме, причём изображение перемещается вместе с курсором. При одновременном нажатии клавиш CTRI+R (Rotate) компонент поворачивается на 90о, CTRL+F (Flip) – зеркально отражается. Щелчок левой кнопки мыши фиксирует компонент, после чего на схеме можно разместить ещё одну копию. Щелчок правой кнопки мыши прекращает ввод данного компонента. Заметим, что выбранный компонент окрашен другим цветом, обычно красным, и перемещается по схеме после фиксации и удержания на нём курсора.

1.2.2 Размещение электрических цепей

После щелчка по пиктограмме  курсор приобретает форму карандаша. Начало цепи, точка излома, точка соединения с другой цепью или выводом компонента фиксируется щелчком левой кнопки мыши. Щелчок правой кнопки прекращает рисование цепи. При этом последний сегмент цепи окрашен в красный цвет, то есть данная цепь выбрана для редактирования.

Электрические соединения проводников обозначаются жирной точкой. Если провести два проводника, не останавливаясь в точке их пересечения, то электрическое соединение не образуется. Точка соединения проставляется только для Т-образных пересечений. Поэтому для обеспечения электрического контакта пересекающихся проводников рисование второго проводника нужно закончить в точке пересечения с первым (нажатием левой кнопки). В результате возникнет точка электрического соединения, после чего можно продолжить рисование второго проводника от этой точки.

На схеме обязательно должен быть узел «земли», всегда имеющий имя 0, – к нему присоединяется символ AGND (аналоговая земля) из библиотеки port.slb.

Внесённые в схему изменения записываются в текущий каталог в файл схемы с расширением.sch (обычным для Windows способом). Если схема создана вновь, дополнительно запрашивается имя схемы (сохранить как).

1.2.3 Редактирование параметров компонентов

Все компоненты характеризуются списком атрибутов (параметров), который открывается двойным щелчком по любой точке, находящейся внутри изображения символа компонента. На рисунке 5 в качестве примера приведены списки атрибутов биполярного транзистора и конденсатора.

Рис. 5 - Диалоговое окно редактирования атрибута транзистора а) конденсатора б)

Символ «*» слева от имени атрибута означает, что этот атрибут нельзя редактировать в режиме рисования схем (только в режиме редактирования символа). Чтобы сделать этот атрибут доступным для редактирования в режиме рисования схемы, необходимо войти в режим редактирования символа (пиктограмма ), выполнить команды Part/Attributes и установить флаг в окне Changeable schematics.

Если параметры компонента отражены на схеме (например, сопротивление резистора, ёмкость конденсатора, напряжение источника питания), их удобно редактировать индивидуально, дважды щёлкнув по нему курсором мыши. В результате открывается окно редактирования, пример которого приведён на рисунке 6.

Рис. 6 - Панель редактирования ёмкости конденсатора

2. Подготовка к моделированию

После создания схемы моделируемого устройства должны быть введены символы источников сигнала и источники питающего напряжения.

Источники сигналов представлены в системе моделирования достаточно широко [16, 17]. Уделим внимание только наиболее важным и часто используемым.

Источник питания имеет имя VDC и содержит в качестве изменяемого атрибута напряжение DC =xxV.

Источник постоянного тока имеет имя IDC и содержит в качестве изменяемого атрибута ток DC=xxA.

Источник напряжения для АС анализа имеет имя VAC и содержит в качестве редактируемых атрибутов напряжение постоянного тока DC=xxV, напряжение переменного тока ACMAG=xxV и фазу ACPHASE=xx (в градусах).

Источник тока с именем IAC имеет изменяемые атрибуты, аналогичные по смыслу с атрибутами источника напряжения VAC, но, естественно, единицей измерения тока является [А].

Источник синусоидального сигнала VSIN содержит в качестве редактируемых атрибутов напряжение постоянного тока DC=xxV, напряжение переменного тока AC=xxV, напряжение смещения VOFF=xxV, амплитуду синусоидального сигнала VAMPL=xxV, частоту FRIQ=xx (в Герцах), задержку включения TD=xx (в секундах), коэффициент затухания DF=xx (в 1/с) и фазу PHASE=xx (в градусах).

Источник импульсного сигнала VPULSE содержит в качестве редактируемых атрибутов напряжение постоянного тока DC=xxV, напряжение переменного тока AC=xxV, напряжение V1=xxV в начале импульса, напряжение V2=xxV по окончании импульса, TD – задержку переднего фронта (сек.), TR – длительность переднего фронта (сек), TF – длительность заднего фронта (с), PW – длительность плоской вершины (с) и PER – период повторения.

Отметим, что всем атрибутам должно быть присвоено какое-либо значение, иначе при начале моделирования будет выдано сообщение об ошибках.

2.1 Составление задания на моделирование

Перед проведением моделирования составляется задание на моделирование по команде Analysis/Setup или при нажатии пиктограммы . В открывшемся окне (рис. 7) нажатием курсора отмечают нужные директивы моделирования (при этом в графе Enabled появляется флаг). После нажатия соответствующей кнопки открываются диалоговые меню задания директив моделирования.

Рис. 7 - Выбор директив моделирования

2.1.1 AC Sweep-расчёт частотных характеристик и уровня шума

В диалоговом окне задания параметров режима AC Sweep имеется три раздела (рис. 8).

В разделе AC Sweep Type определяют характер изменения частоты: Linear – линейная шкала; Octave – изменение частоты октавами; Decade – изменение частоты декадами.

В разделе Sweep Parameters задаются параметры диапазона частот: Total Pts – общее количество точек расчёта при выборе линейного масштаба или количество точек на октаву или декаду по частоте; Start Freq – начальная частота; End Freq – конечная частота.

Рис. 8 - Расчёт частотных характеристик и уровня шума

В разделе Noise Analysis устанавливаются параметры расчёта спектральной плотности внутреннего шума: Noise Enabled – включение режима расчёта уровня шума; Output Voltage – выходное напряжение; I/V – имя входного источника напряжения или тока; Interval – интервал расчёта парциального уровня шума.

Расчёт характеристик в частотной области производится после определения режима по постоянному току и линеаризации всех нелинейных компонентов. Все независимые источники напряжения и тока, для которых заданы значения АС-амплитуды и фазы, являются входными воздействиями.

2.1.2 DC Sweep – вариация параметров при расчёте режима по постоянному току

Расчёт режима по постоянному току производится при вариации одного или нескольких источников постоянного напряжения или тока, температуры, параметров моделей компонентов схемы и глобальных параметров.

После нажатия на кнопку DC Sweep открывается основное окно (рис. 9), в котором задаются следующие параметры.

В разделе Sweep Var. Type задаётся тип варьируемого параметра: источник напряжения, температура, источник тока, параметры модели компонента, глобальные параметры.

В зависимости от выбранного типа параметра заполняется одна или несколько строк:

Name – имя варьируемого параметра (для источника напряжения, источника тока, глобального параметра);

Model Type – тип модели, например RES, DIOD, NPN (для Model Parameter);

Рис. 9 - Диалоговое окно задания цикла изменения параметров в режиме DC Sweep

Model Name – имя модели, например KT815B (для Model Parameter);

Param. Name – имя параметра (для Model Parameter, Global Parameter).

В разделе Sweep Type задаётся тип вариации параметра: Linear – линейный масштаб; Octave – логарифмический масштаб октавами; Decade – логарифмический масштаб декадами; Value List – в виде списка параметров.

Пределы изменения параметров задаются в строках: Start Value – начальное значение; End Value – конечное значение; Incremen – приращение; Value – список параметров.

Статистический анализ по методу Монте-Карло (Monte Carlo/Worst Case) не рассматривается.

Ещё одно замечание необходимо сделать о режиме Options – установка параметров моделирования. До приобретения навыков работы с программой Schematics лучше пользоваться теми опциями, которые система устанавливает по умолчанию. При ошибочно выбранных значениях некоторых параметров моделирования может быть нарушена сходимость вычислений из-за ограниченности разрядной сетки компьютера и моделирование схемы провести не удастся. Однако в некоторых случаях за счёт установки необходимых опций удаётся повысить точность расчётов, особенно связанных с определением производных.

2.1.3 Parametric – многовариантный анализ

Вариация параметров назначается по заданию Parametric. На каждом шаге вариации параметров по очереди выполняются все виды анализа характеристик цепи. Варьироваться могут все параметры всех моделей компонентов и глобальные параметры, за исключением: параметры L и W МОР-транзистора; температурные коэффициенты резисторов и других компонентов.

Приведём пример проведения многовариантного анализа по глобальному параметру А. Диалоговое окно вариации параметров имеет такое же назначение полей, как и для директивы DC Sweep (рис. 10).

Рис. 10 - Диалоговое окно вариации параметров

Например, многовариантный анализ переходных процессов при изменении амплитуды А гармонического сигнала осуществляется следующим образом: в описании синусоидального источника VSIN атрибуту VAMPL присваивается значение {A}. Далее после размещения на схеме символа стандартного компонента PARAMETRS двойным щелчком мыши вызывается диалоговое окно PartName:PARAM (рис. 11).

Рис. 11 - Окно спецификации задаваемых параметров

Далее определяется глобальный параметр А: NAME1=A и задаётся его начальное значение VALUE1=0. Это означает, что режим по постоянному току будет рассчитан при амплитуде генератора синусоидального сигнала равной нулю.

Затем будут выполнены расчёты переходных процессов согласно установкам списка значений амплитуд, установленных в окне Parametric (рис. 10): А=1V, A=5V, A=10V.

2.1.4 Temperature – вариация температуры

Список температур указывается в диалоговом окне, открывающемся после нажатия на кнопку Temperature в меню выбора директив моделирования. В этом окне указывается список значений температуры (по шкале Цельсия), для которых следует выполнить все заданные виды анализа характеристик. Если эта директива не используется, то все расчёты по умолчанию проводятся для номинальной температуры 27 оС по умолчанию.

2.1.5 Transfer Function – передаточные функции по постоянному току

При работе с управляющей оболочкой Schematics определение передаточных функций задаётся в диалоговом окне, открывающемся после нажатия на кнопку Transfer Function в меню выбора директив моделирования (рис. 12). В нём указываются имена входной и выходной переменной.

Рис. 12 - Определение передаточной функции

В этом случае рассчитывается передаточная функция dV(OUT1)/dV(V1). Кроме того, всегда рассчитываются входное и выходное сопротивления.

Результаты расчёта выводятся в выходной файл и могут быть просмотрены только в текстовом виде при выполнении команд Analysis/Examine Output.

2.1.6 Transient – расчёт переходных процессов

Определение параметров расчёта переходных процессов задаётся в диалоговом окне (рис. 13), открывающемся после нажатия на кнопку Transient в меню выбора директив моделирования.

Рис. 13 - Задание параметров расчёта переходных процессов

Переходные процессы всегда рассчитываются с момента времени t=0 до момента, указанного в строке Final Time, – конечное время. Перед началом расчёта переходных процессов рассчитывается режим по постоянному току. Шаг интегрирования выбирается автоматически <Step Ceiling>=<Final Time>/50. Иногда для повышения точности расчётов целесообразно уменьшить это время, например, в 10 раз. Тогда в строке Step Ceiling необходимо указать значение времени.

Если будет установлен флаг в окошке Skip initial transient solution, то расчёт режима по постоянному току отменяется. Это бывает необходимо при исследовании работы различных генераторов [11, 17].

В режиме Transient можно провести спектральный анализ. Для этого необходимо установить флаг в окне Enable Fourier и указать частоту первой гармоники Center Frequency, количество гармоник Number of harmonics и выходной узел Output Vars. В программе рассчитываются амплитуды постоянных составляющих всех указанных гармоник. Спектральному анализу подвергается последний период колебаний в конце интервала анализа. Для повышения точности расчёта рекомендуется шаг интегрирования, как это было указано выше.

Результаты спектрального анализа выводятся в выходной файл Examine Output в виде таблицы.

2.1.7 Sensitivit – анализ чувствительности выходного напряжения цепи постоянного тока к разбросам параметров компонентов

Анализ чувствительности позволяет установить, какое влияние оказывают изменения отдельных параметров компонентов схемы на узловые напряжения схемы, в частности, на выходное напряжение. Таким образом можно выяснить, какие компоненты необходимо выбирать с как можно меньшими допусками на отклонение, чтобы гарантированно обеспечить работоспособность схемы при её изготовлении в виде серийной продукции.

Результат анализа чувствительности будет помещён в выходной файл Examine Output в текстовом виде под заголовком DC Sensitivity Analysis.

Рассмотрим в качестве примера достаточно простую схему установления статического режима для одиночного транзистора (рис. 14).

Рис. 14 - Установление статического режима для одиночного транзистора

Чтобы провести анализ чувствительности, необходимо выполнить следующие действия: в открытом окне Analysis Setup установить флажок рядом с кнопкой Sensitivity и, щёлкнув по этой кнопке, открыть окно Sensitivity Analysis (рис. 15).

В этом окне необходимо установить обозначение напряжения, чувствительность которого к изменению значений компонентов схемы необходимо исследовать. Если таких напряжений несколько, их можно разделить в поле ввода с помощью пробела.

Следует отметить, что выходной файл в этом случае может оказаться огромным, особенно если схема содержит много транзисторов. Поэтому, если такого рода процедуры с различными схемами проводятся достаточно часто, необходимо периодически проводить «чистку» дискового пространства.

Рис. 15 - Окно Sensitivity Analysis с установкой для проведения анализа чувствительности напряжения в узле 2

Далее необходимо закрыть окно Sensitivity Analysis, щёлкнув по кнопке OK, и окно Analysis Setup, щёлкнув по кнопке Close.

Страницы: 1, 2