Программы моделирования электронных схем – Программы для радиолюбителей для моделирование электронных схем: скачать бесплатно

Программа для моделирования электронных схем


SimOne в настоящее время поставляется в двух различных модификациях

  • SimOne — бесплатная версия с ограничениями на количество компонентов (до 50)
  • SimOnePro — полная коммерческая версия, период пробной эксплуатации составляет 30 дней.


Перейти на страницу загрузки SimOne или SimOnePro


SimOne – современный высокоэффективный пакет схемотехнического моделирования, использующий наряду c классическими алгоритмами  оригинальные, основанные на современных численных методах.


SimOne многократно превосходит по скорости моделирования обычные SPICE-симуляторы при той же точности расчетов.


SimOne позволяет проводить полнофункциональное SPICE-моделирование радиоэлектронных схем, предлагая пользователю такие новые возможности как расчет периодических режимов схемы и анализ устойчивости.


Расчет периодических режимов позволяет определять поведение схемы в установившемся режиме без предварительных длительных расчетов переходных процессов.


Анализ устойчивости схемы позволяет определять, устойчива схема в текущей рабочей точке или нет,  выделять компоненты схемы, влияющие на ее устойчивость, проводить исследование устойчивости при изменении температуры или параметров моделей элементов.



Основные компоненты SimOne :

  • Библиотека моделей  схемных компонентов,
  • Иерархический схемотехнический редактор,
  • Графический модуль отображения результатов моделирования,
  • Постпроцессор.


Библиотека моделей компонентов содержит как встроенные SPICE-модели компонентов (SPICE-примитивы), так и обширную (более 30 000 шт.) базу готовых моделей реальных схемных компонентов. Реализована удобная работа с тестовыми SPICE-библиотеками и графическими макромоделями.


Схемотехнический редактор представляет собой многодокументное Windows-приложение и позволяет удобно создавать и редактировать схемы, модели компонентов, управлять библиотекой моделей, задачами моделирования.


Графический модуль отображения результатов моделирования и постпроцессорной обработки позволяет пользователю:

  • Строить графики интересующих переменных и функций от них,
  • Использовать функции курсоров для оценки параметров кривых,
  • Производить измерения  и их пересчет при последующих запусках моделирования характеристик построенных кривых,
  • Получать  спектральные характеристики кривых на основе быстрого преобразования Фурье.


SimOne может экспортировать результаты моделирования, а также уравнения цепи в численном и символьном видах, в MATLAB, Maple и MS Excel.


Хотите узнать больше? Скачайте буклет о SimOne.


1. Высокая скорость моделирования. В десятки раз быстрее классических SPICE- программ.


Высокая скорость моделирования в SimOne достигается за счет применения оригинальных программных технологий, современных численных алгоритмов и использования параллельных вычислений.


Кодовый матричный процессор представляет собой высокоэффективную программную реализацию основных матричных операций, необходимых для проведения расчетов и  применяется во всех видах моделирования схемы.


Помощник симуляции  запоминает характерные особенности моделируемой схемы во время запуска текущего вида анализа и использует эту информацию при последующих запусках. Таким образом, его применение становится особенно эффективным при проведении многовариантных видов анализа схем, например — температурного или параметрического.


2. Высокая точность.


Обусловлена применением современных численных методов высшего порядка точности, поддержкой вычислений с представлением чисел повышенной точности.


3. Многоядерность и параллельное моделирование


Параллельный запуск различных вариантов анализа схемы проводится с использованием многоядерной архитектуры процессора. Запуск любого вида расчета позволяет пользователю продолжать работу со схемой и проводить параллельное моделирование.


4. Анализ устойчивости схемы.


Эта опция является отличительной особенностью пакета: анализ устойчивости схем отсутствует у подавляющего большинства конкурирующих программ. Анализ устойчивости схемы позволяет определять, устойчива схема в текущей рабочей точке или нет,  проводить исследование устойчивости при изменении температуры или параметров моделей элементов, выделяя те компоненты и параметры схемы, которые определяют ее устойчивость.


5. Экспорт результатов моделирования.


Рассчитанные переменные, выражения и составленные уравнения схемы могут быть экспортированы в известные инженерные математические пакеты Matlab, и Maple, Excel.

Моделирование электронных схем


Загрузить бесплатную версию пакета моделирования электронных схем SimOne


В пакете SimOne доступны основные виды анализа схем, существующие в классических SPICE-программах, таких как PSpice, MicroCAP, OrCad. Кроме этого, предлагается новый вид — анализ устойчивости схемы.


При разработке модуля моделирования электронных схем особое внимание уделялось повышению скорости и точности вычислений, в сравнении с конкурентами.

Вычислительное ядро нового поколения


Для всех видов анализа электронных схем используется вычислительное ядро нового поколения Code Matrix Processor™.

Многоядерность и параллельное моделирование


Запуск любого вида расчета позволяет пользователю продолжать работу со схемой и проводить параллельное моделирование.

Новый вид анализа схем — расчет устойчивости — Stability Analysis


Позволяет оценивать надежность функционирования электронных схем на этапе проектирования.

Повышенная точность и скорость расчетов в режиме временного анализа (Transient analysis)


Оригинальный метод  интегрирования дифференциально-алгебраических уравнений.


Для интегрирования уравнений цепи пользователю предлагается оригинальный метод SimOne 4-го порядка точности. Этот метод имеет повышенную точность и устойчивость в сравнении с методами, применяемыми в обычном SPICE-моделировании и является лучшим методом для расчета больших схем.

Возможности



DC Sweep. Расчет статического режима схем по постоянному току.


AC Sweep. Частотный анализ. Расчет частотных характеристик линеаризованной цепи в рабочей точке.


Transient Analysis. Расчет переходных и установившихся временных процессов на длительных интервалах времени при воздействии сигналов произвольной формы.


Temperature Sweep. Моделирование поведения схемы при изменении рабочей температуры.


Parametric Sweep. Моделирование поведения схемы при изменении параметров сигналов, моделей схемных компонентов.


Stability Analysis. Анализ устойчивости схемы.




Пакет SimOne включает в себя  схемотехнический редактор (Capture), решающий все основные задачи, связанные с вводом и редактированием схем, выбором  моделей компонентов, управлением симуляциями,  моделирующее ядро — программный модуль, непосредственно проводящий аналоговое моделирование и графический модуль визуализации результатов  моделирования, позволяющий проводить постпроцессорную обработку данных.


В SimOne доступны следующие виды анализа схем:

1. Расчет статического режима схем по постоянному току (DC Analysis)


Включает в себя расчет рабочей точки схемы, определение передаточных функций по постоянному току. Для решения нелинейных алгебраических уравнений предлагается набор методов: метод Ньютона–Рафсона, Damped Newton–Raphson, Gmin Stepping,Source Stepping.


2. Частотный анализ (AC Analysis)


Включает в себя расчет и построение частотных характеристик схемы, в том числе амплитудно-фазовой характеристики.


3. Анализ переходных процессов (Transient Analysis)


Используется оригинальный метод интегрирования дифференциально-алгебраических уравнений. Метод имеет повышенную точность и устойчивость в сравнении с методами, применяемыми в обычном SPICE-моделировании.


Вычисления в традиционных для SPICE-моделирования методах — методе Гира, трапеций, Эйлера производятся с помощью кодового матричного процессора, что позволяет  значительно сократить время расчета.


4. Анализ установившихся периодических режимов (PSS Analysis)


Расчет периодических режимов ведется с помощью пристрелочного метода Ньютона (Shooting Newton), при этом используется высокоэффективный подход — без явного формирования матрицы чувствительности (Matrix Free Approach). В качестве метода решения СЛАУ используется итерационный метод пространств Крылова — Gmres.


5. Температурный анализ (.TEMP)


Аналоговое моделирование поведения схемы при изменении рабочей температуры.


6. Параметрический анализ схемы (.PARAM)


Моделирование поведения схемы при изменении параметров сигналов, моделей схемных компонентов.


7. Анализ устойчивости схемы. (Stability Analysis)


Для анализа устойчивости схемы в окрестности рабочей точки пользователю предлагаются два независимых способа: на основе расчета собственных частот схемы и на основе критерия Михайлова. Результат анализа — вывод об устойчивости схемы, построение годографа Михайлова, вывод таблицы собственных частот схемы. Пользователь также имеет возможность построить график годографа Михайлова в заданном произвольном диапазоне и принять решение об устойчивости схемы самостоятельно.





www.eremex.ru

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].

studfiles.net

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

microcap-model.narod.ru