Освоение методики автоматизированного проектирования и схемотехнического моделирования с использованием САПР. Создание принципиальных схем проектов при помощи различных модулей. Описание процесса подготовки радиоэлектронного средства к моделированию.
Аннотация к работе
В типовой набор методов анализа входят статический, динамический и частотный виды анализа, смешанное логико-аналоговое моделирование , температурный и шумовой анализы, расчет на наихудший случай и статистический по методу Монте-Карло, спектральный анализ, максимизация быстродействия (оптимизируется до 8 параметров). Программа позволяет достаточно оперативно подготавливать электрические схемы аналоговых, цифровых или смешанных аналого-цифровых устройств и проводить их моделирование с получением результатов в виде осциллограмм сигналов и графиков частотных характеристик; возможно получение точных отсчетов с помощью вертикальных и горизонтальных визирных линий; позволяет контролировать режим по постоянному току в выбранных точках схемы. Позволяет рассчитывать режимы по постоянному току, чувствительность характеристик к вариации параметров компонентов, передаточные функции, частотные, фазовые и шумовые характеристики, переходные процессы, проводить спектральный анализ, статистические испытания по методу Монте-Карло, многовариантный анализ, параметрическую оптимизацию. Позволяет выполнять проектирование аналоговых и аналого-цифровых устройств, в том числе задаваемых многостраничными принципиальными схемами иерархической структуры и схемами, содержащими самые современные ПЛИС, производить размещение (компоновку/трассировку) печатных плат с применением различных программ автотрассировки, проводить анализ целостности сигналов. Dynamic AC Analysis - динамический малосигнальный анализ схемы по переменному току (линеаризованной в окрестности рабочей точки по постоянному току) с показом на схеме величин комплексных переменных состояния схемы при различных частотах (задаваемых списком) при «ручном» изменении величин пассивных компонентов (резисторы, индуктивности, конденсаторы);Программа Micro-Cap 8 поставляется с большим количеством примеров, размещенных в меню Help и в каталоге MC8\DATA. Эти примеры, доступные и в демонстрационной версии MC8 DEMO, полезно просмотреть в процессе освоения программы и использовать в качестве справочного материала при составлении собственных схем. Программа MC8 (как и предыдущие версии) позволяет моделировать не только аналоговые, но и цифровые устройства (включая смешенные аналого-цифровые схемы).Размещено на .
Введение
Использование средств систем автоматизированного проектирования (САПР) позволяет перейти от традиционного макетирования разрабатываемой аппаратуры к ее моделированию с помощью ЭВМ.
САПР решает задачи автоматизации работ на стадиях проектирования и подготовки производства.
Основная цель создания САПР - повышение эффективности труда инженеров, включая: сокращения трудоемкости проектирования и планирования;
сокращения сроков проектирования;
сокращения себестоимости проектирования и изготовления, уменьшение затрат на эксплуатацию;
повышения качества и технико-экономического уровня результатов проектирования;
сокращения затрат на натурное моделирование и испытания.
Достижение этих целей обеспечивается путем: автоматизации оформления документации;
информационной поддержки и автоматизации процесса принятия решений;
использования технологий параллельного проектирования;
унификации проектных решений и процессов проектирования;
повторного использования проектных решений, данных и наработок;
стратегического проектирования;
замены натурных испытаний и макетирования математическим моделированием;
повышения качества управления проектированием;
применения методов вариантного проектирования и оптимизации.
Современные программы САПР работают в диалоговом режиме и имеют большой набор сервисных модулей. Пакеты программ САПР способны решать сложнейшие задачи моделирования РЭС ,таких как источники питания, усилители,преобразователи сигналов и другие. Результатами моделирования являются режимы по постоянному току,осцилограммы сигналов, частотные и спектральные характеристики и даже температуры элементов. Полученные результаты могут помочь выявить причины возможных или реальных неисправностей в устройстве, найти пути улучшения его качества. Основной целью выполнения работы является освоение методики автоматизированного проектирования и схемотехнического моделирования узлов и блоков РЭС с использованием средств САПР.
1. Анализ основных возможностей пакета программ схемотехнического моделирования
Мировым лидером в области автоматизации схемотехнического проектирования можно считать программу SPICE. Она была разработана в университете Беркли, США, в 1972 г. Различные версии этого алгоритма были в разное время заимствованы производителями программного обеспечения для использования в своих продуктах, и в настоящее время под этим названием известен ряд программ различных фирм. В силу применения единого вычислительного алгоритма программы различных производителей представляют собой по большому счету всего лишь графические оболочки, предоставляющие пользователю доступ к функциям программы SPICE, а также некоторые дополнительные возможности обработки полученных данных. Первая версия этой программы для персональных компьютеров PSPICE создана в 1985 г. В типовой набор методов анализа входят статический, динамический и частотный виды анализа, смешанное логико-аналоговое моделирование , температурный и шумовой анализы, расчет на наихудший случай и статистический по методу Монте-Карло, спектральный анализ, максимизация быстродействия (оптимизируется до 8 параметров). В логической части реализовано событийное моделирование, выявляются риски сбоя, рассчитываются зависимые от нагрузки задержки. Программа характеризуется богатым набором математических моделей компонентов, включая модели магнитных элементов с учетом насыщения и гистерезиса, длинных линий с учетом задержек, отражений, потерь и перекрестных помех, взаимодействия аналоговой и цифровой частей и др. Библиотека открыта для включения моделей пользователя, имеются соответствующие инструментальные средства пополнения библиотеки.
CIRCUITMAKER 2000 - простейшая система моделирования фирмы Microcode Engineering (ныне принадлежит компании Protel), в которой приняты модели компонентов стандарта SPICE.
Программа содержит обширную библиотеку моделей промышленных изделий электронных компонентов с возможностью оперативного просмотра их основных характеристик .
Программа позволяет достаточно оперативно подготавливать электрические схемы аналоговых, цифровых или смешанных аналого-цифровых устройств и проводить их моделирование с получением результатов в виде осциллограмм сигналов и графиков частотных характеристик; возможно получение точных отсчетов с помощью вертикальных и горизонтальных визирных линий; позволяет контролировать режим по постоянному току в выбранных точках схемы. Отличительной особенностью программы является наличие анимационных компонентов, призванных имитировать конечный результат работы схемы, а также наличие учебного пособия в демонстрационном режиме. Она интегрируется с программой разработки печатных плат TRAXMAKER.
Electronics Workbench 5 - разработка фирмы Interactive Image Technologies. Позволяет моделировать аналоговые, простые цифровые и аналого-цифровые схемы электронных устройств, устройств автоматики, электромеханических устройств, а также схем, состоящих из функциональных блоков с заданными передаточными функциями. Имеется обширная библиотека моделей аналоговых и цифровых устройств, включая модели интегральных схем и полевых транзисторов. Есть возможность создавать и редактировать принципиальную схему, подключать измерительные приборы и выполнить указанные ниже виды анализа, возможность подключения в схему измерительных приборов, по внешнему виду и характеристикам приближающихся к промышленным образцам, является одной из отличительных особенностей программы. В качестве контрольно-измерительных приборов можно использовать мультиметр, осциллограф, измеритель АЧХ и ФЧХ, логический анализатор, логический преобразователь, функциональный генератор . Программа позволяет имитировать отказы компонентов в виде разрыва, короткого замыкания, наличия переходного сопротивления.
Реализованы следующие виды анализа: DC-анализ (режимы работы по постоянному току);
АС-анализ (АЧХ и ФЧХ);
анализ переходных процессов;
многовариантный анализ по постоянному току;
Фурье-анализ и анализ спектра внутренних шумов;
анализ нелинейных и интермодуляционных искажений;
анализ при вариации параметров схемы и температуры;
расчет нулей и полюсов передаточных функций;
расчет относительной чувствительности характеристик схемы к изменению параметров выбранного элемента;
расчет на наихудший случай;
статистический анализ методом Монте-Карло.
Пользователю программы дается возможность настройки параметров анализа: - выбор метода численного интегрирования;
-задание величин относительной и абсолютной погрешности вычислений;
-задание минимальной проводимости ветвей; изменение величины шага и числа итерации при статистическом анализе.
В конце 1998 г. программа Electronics Workbench 5.3 дополнена простейшей программой разработки печатных плат EWB Layout (Multiboard), причем интерфейс с другими известными САПР печатных плат не предусмотрен, и затем серией программ Multisim 2001, Ultiboard 2001, Ultiroute и Commsim 2001.
Первая из них позволяет осуществлять SPICE, VHDL, Verilog и смешанное моделирование, две другие программы выполняют размещение и трассировку соединений на платах, имеющих до 32 слоев.
Multisim 2001 поступает к заказчику с полной базой компонентов. Каждый из 16000 компонентов включает имитационную модель, схематический символ, электрические параметры и макет для разводки. Для программы создан информационный ресурс Интернета с более чем 12-ю миллионами компонентов, дающий пользователям быстрый и простой доступ к центру конструирования (Design Center), наибольшой базы данных по электронным компонентам. Программа имеет модуль для редактирования, импорта или создания новых компонентов.
ORCAD 9.2 / 10- интегрированный программный комплекс для сквозного проектирования аналоговых, цифровых и смешанных аналого-цифровых устройств, синтеза устройств программируемой логики и аналоговых фильтров. Выпущен корпорацией Cadence Design Systems (бывшая DESIGNLAB), в которую в 1999 г. влились прежние разработчики программы - компании MICROSIM и ORCAD. Проектирование начинается с ввода принципиальной схемы, ее моделирования и оптимизации и заканчивается созданием управляющих файлов для программаторов, разработкой печатной платы и выводом управляющих файлов для фотоплоттеров и сверлильных станков. Основные модули системы: ORCAD Capture - управляющий модуль. При помощи этого модуля создаются принципиальные схемы проектов разного типа. При синтезе ПЛИС и моделировании цифровых устройств этот модуль работает с модулем ORCAD Express. При моделировании аналоговых или аналого-цифровых устройств он работает с модулем PSPICE, при параметрической оптимизации - совместно с модулем PSPICE Optimizer, при разработке печатных плат - с модулем ORCAD Layout;
ORCAD Capture Cis (Component Information System) - модуль для создания принципиальных схем с поддержкой Internet. Зарегистрированный пользователь получает доступ к каталогу из 200 000 компонентов ведущих фирм-производителей;
ORCAD PSPISE - модуль моделирования аналоговых и цифровых устройств. Позволяет рассчитывать режимы по постоянному току, чувствительность характеристик к вариации параметров компонентов, передаточные функции, частотные, фазовые и шумовые характеристики, переходные процессы, проводить спектральный анализ, статистические испытания по методу Монте-Карло, многовариантный анализ, параметрическую оптимизацию.
Protel DXP - интенсивно развивающаяся система сквозного проектирования аналоговых и цифровых электронных устройств фирмы Protel. Позволяет проводить все виды анализа из стандартного набора, предлагаемого любыми программами на базе ядра SPICE. По своим функциональным возможностям приближается к системе ORCAD. Позволяет выполнять проектирование аналоговых и аналого-цифровых устройств, в том числе задаваемых многостраничными принципиальными схемами иерархической структуры и схемами, содержащими самые современные ПЛИС, производить размещение (компоновку/трассировку) печатных плат с применением различных программ автотрассировки, проводить анализ целостности сигналов.
View Analog изначально был разработан компанией VIEWLOGIC, а впоследствии вошел в состав пакета EPRODUCT Designer компании Innoveda. Модуль имеет стандартный набор функций моделирования смешанных аналого-цифровых устройств на базе алгоритма SPICE, но он настолько тесно интегрируется с продуктами семейства Fusion, что позволяет моделировать поведение программируемой логической схемы, описанной на языках VHDL, Verilog, Abel, в окружении аналоговых компонентов.
Примером отечественных программ схемотехнического анализа могут служить версии программ ПА: версия ПА 7, в которой наряду с видами анализа, обычными для программ анализа электронных схем, реализовано моделирование механических, гидравлических, тепловых процессов, и последняя версия ПА 9, написанная на языке Java и ориентированная на использование в распределенных системах проектирования.
Micro-Cap разработка фирмы Spectrum Software.
MICROCAP - это универсальный пакет программ схемотехнического анализа, предназначенный для решения широкого круга задач. Характерной особенностью этого пакета, впрочем, как и всех программ семейства, является наличие удобного и дружественного графического интерфейса, что делает его особенно привлекательным для непрофессиональной студенческой аудитории. Несмотря на достаточно скромные требования к программно-аппаратным средствам ПК, его возможности достаточно велики. С его помощью можно анализировать не только аналоговые, но и цифровые устройства. Возможно также и смешанное моделирования аналого-цифровых электронных устройств, реализуемое в полной мере опытным пользователем пакета, способным в нестандартной ситуации создавать собственные макромодели, облегчающие имитационное моделирование без потери существенной информации о поведении системы.
От младших представителей своего семейства MICROCAP-8 отличается более совершенными моделями электронных компонентов разных уровней (LEVEL) сложности, а также наличием модели магнитного сердечника. Это приближает его по возможностям схемотехнического моделирования к интегрированным пакетам DESIGNLAB, ORCAD, PCAD2002 - профессиональным средствам анализа и проектирования электронных устройств, требующим больших компьютерных ресурсов и достаточно сложных в использовании.
Пакеты программ схемотехнического моделирования и проектирования семейства Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program - «Программа анализа схем на микрокомпьютерах») фирмы Spectrum Software относятся к наиболее популярным системам автоматизированного проектирования (САПР) электронных устройств. Последние версии Micro-Cap (далее МС), обладая большими сервисными возможностями, позволяют выполнять графический ввод и редактирование проектируемой схемы, проводить анализ характеристик аналоговых, цифровых и смешаных аналого-цифровых устройств. С помощью МС можно осуществить анализ электрических схем по постоянному току, рассчитать переходные процессы и частотные характеристики проектируемых схем, провести оптимизацию параметров схемы. Программы МС имеют средства синтеза пассивных и активных аналоговых фильтров, средства моделирования функциональных схем аналоговых и цифровых устройств, обладают возможностями построения 3-мерных графиков результатов моделирования и многое другое.
Основные возможности программы Micro-Cap 9: 1. Возможности графического редактора схем: 1) построение принципиальных и функциональных электрических схем при помощи встроенного графического редактора с использованием библиотеки условных графических обозначений (УГО) электронных компонентов, а также создание собственных УГО с помощью встроенного редактора УГО Shape Editor;
2) номиналы элементов и параметры моделей компонентов могут быть как постоянными, так и выражаться с помощью математических функций через параметры других элементов, состояния схемы (напряжения в узлах или токи через элементы), а также зависеть от температуры, времени и частоты;
3) использование для повышения наглядности анимированных элементов (светодиоды, семисегментные индикаторы, измерители уровня, реле, переключатели и др.), которые изменяют свое состояние непосредственно в режиме анализа схемы в соответствии с поступающими на них управляющими сигналами или действиями пользователя;
4) нанесение текстовых надписей на поле принципиальной схемы, добавление к принципиальной схеме рамки и штампа с основными сведениями о схеме, построение различных геометрических фигур, используемых для выделения законченных функциональных блоков;
5) размещение на поле принципиальной схемы (или в специальном текстовом окне) текстовых директив управления моделированием, задания параметров моделей, задания глобальных параметров моделирования;
6) возможность отображение номеров узлов принципиальной схемы, присваиваемых графическим редактором при вводе схемы;
7) возможность выбора показываемых атрибутов компонента электронной схемы: номинального значения, наименования выводов, позиционного обозначения, параметров и имени макромодели, пользовательских атрибутов и пр.;
8) возможность показа концов выводов компонентов для выявления отсутствия соединения между ними;
9) использование координатной сетки с различным шагом, показ которой можно включать/отключать;
10) возможность использования «растягивающихся проводов», не нарушающих электрические соединения при перемещении компонентов принципиальной схемы;
11) возможность поиска компонента на принципиальной схеме по заданному признаку, расстановка меток (флагов) на принципиальной схеме большого размера для быстрой навигации по схеме, масштабирование изображения принципиальной схемы на экране (увеличение, уменьшение);
12) возможность изменения цветовых и шрифтовых параметров отображения элементов схем отдельно по элементам или перед началом ввода для всей принципиальной схемы.
Моделирование: 1. Transient Analysis - анализ переходных процессов в схемах при подаче напряжения питания и (или) воздействия (воздействий) произвольной формы с построением графиков переменных состояния схемы и их функций: зависящих от времени; зависящих друг от друга; разложенных в ряд Фурье по гармоническим составляющим;
2. AC Analysis - анализ малосигнальных частотных характеристик схемы (линеаризованной в окрестности режима по постоянному току при воздействии на нее одного или нескольких источников гармонического сигнала с постоянной амплитудой и меняющейся частотой. При этом возможен вывод следующих графиков: зависимости комплексных значений переменных состояния (амплитуда, фаза, групповая задержка) от частоты в линейном, логарифмическом масштабах; зависимости составляющих комплексных величин переменных состояния друг от друга (например, построение годографа); зависимости спектральных плотностей напряжений шума, приведенных к указанным входному и выходному узлам, от частоты;
3. DC Analysis - анализ передаточных характеристик по постоянному току. Возможно проведение анализа при изменении двух входных переменных, что позволяет строить на графике семейства характеристик устройства (например, семейство выходных характеристик биполярного транзистора);
4. Dynamic DC Analysis - динамический анализ схемы по постоянному току с отображением на схеме (по выбору) напряжений, токов, мощностей, состояний полупроводниковых приборов при «ручном» изменении величин источников ЭДС, тока, сопротивлений резисторов;
5. Dynamic AC Analysis - динамический малосигнальный анализ схемы по переменному току (линеаризованной в окрестности рабочей точки по постоянному току) с показом на схеме величин комплексных переменных состояния схемы при различных частотах (задаваемых списком) при «ручном» изменении величин пассивных компонентов (резисторы, индуктивности, конденсаторы);
6. Sensitivity Analysis - расчет чувствительностей в режиме по постоянному току. В этом режиме рассчитываются чувствительности одной или нескольких выходных переменных к изменению одного или нескольких входных параметров (частные производные по входным параметрам). В качестве входных изменяемых параметров для этого вида анализа могут выступать все параметры моделей, величины пассивных компонентов, символьные параметры;
7. Transfer Function Analysis - расчет малосигнальных передаточных функций в режиме по постоянному току. Рассчитывается отношение измеренного изменения заданного пользователем выходного выражения к вызвавшему это изменение малому возмущению заданного пользователем входного источника постоянного напряжения (тока). При этом автоматически рассчитываются входное (относительно клемм входного источника) и выходное (относительно узлов выходного напряжения) сопротивления схемы на постоянном токе;
8. Distortion Analysis - расчет нелинейных искажений усилительных схем с использованием математического аппарата спектрального Фурье-анализа. Фактически в этом режиме запускается анализ переходных процессов при гармоническом воздействии на входе схемы и используются функции спектрального анализа для выходной переменной для расчета нелинейных искажений;
9. Probe Analysis - использование графического постпроцессора PROBE, позволяющего получать различные характеристики моделируемой схемы без перезапуска того или иного вида анализа.
10. Stepping - многовариантный анализ, при котором могут изменяться номиналы простых компонентов, величины параметров моделей компонентов, значения символьных переменных с линейным и логарифмическим шагом с возможностью выбора одновременного изменения до 20 параметров или организации до 20 вложенных циклов. Имеется возможность автоматической подписи на выходных графиках каждого варианта анализа. При использовании многовариантного анализа актуально 3D-моделирование, вызываемое из меню применяемого вида анализа. При этом по оси Z откладывается значение варьируемого параметра и в пространстве строится поверхность, на которой лежат все кривые многовариантного анализа;
11. Performance Window - возможность построения графиков зависимости определенного ряда характеристик функций схемы (функции Performance), таких как длительность нарастания/спада импульса, глобальный или локальный максимумы/минимумы, значение функций в заданных точках, ширина импульса по заданному уровню, период или частота колебаний и т. п. (всего имеется 23 функции Performance), от значения варьируемого параметра компонента или модели при многовариантном анализе;
12. Optimize - параметрическая оптимизация схемы путем подбора номиналов или параметров модели указанных компонентов для достижения заданных значений функций Performance;
13. Monte-Carlo - многовариантный анализ Монте-Карло при статистическом разбросе параметров компонентов с возможностью вывода гистограмм распределения характеристик заданной функции по интервалам значений; автоматизированный проектирование схемотехнический моделирование
2. Схемотехническое моделирование радиоэлектронного средства
2.1 Описание процесса подготовки радиоэлектронного средства к моделированию
Схема электрическая принципиальная моделируемого РЭС представлена в Приложении 1. Данное РЭС представляет усилитель мощности (усилитель звуковой частоты). Моделирование производилось в программе Micro-Cap 9, SPICE-подобной программе для аналогового и цифрового моделирования электрических и электронных цепей с интегрированным визуальным редактором.
1. Анализ переходных процессов (Transient Analysis)
Слева от каждой строки спецификации вывода результатов моделирования расположена группа кнопок , определяющих характер вывода данных, задаваемых в той же строке. С помощью первых двух кнопок (Log/Linear Scale) осуществляется переключение между логарифмической и линейной шкалой по осям X и Y. Третья кнопка (Color) позволяет менять цвет графиков, а при нажатии четвертой кнопки (Numeric Output) в текстовый выходной файл с расширением .tno заносится таблица отчетов вычисленной функции.
В графе P (Plot Group) указывается номер графического окна, в котором должна быть построена функция моделирования. Функции, помеченные одним и тем же номером, выводятся в одном окне.
Выражения: X Expression - имя переменной, откладываемой по оси X (T - время, F - частота, H - напряженность магнитного поля и др.);
Y Expression - имя переменной, откладываемой по оси Y. Это могут быть простые переменные [V(3) - напряжение в узле, V(R1)- падение напряжение на резисторе, I(2,1) - ток ветви, I(R1) - ток через резистор и т.п.] или математические выражения, например, V(2)-V(3) - разность потенциалов между узлами 2 и 3 схемы;
X (Y) Range - максимальное и минимальное значения переменной X (Y) на графике по формату High[,Low]. Если минимальное значение равно нулю, то его можно не указывать. Для автоматического выбора диапазона переменных X(Y) в соответствующей графе Range указывается Auto.
Щелчок курсором по одной из панелей P, X (Y) Expression, X (Y) Range открывает всплывающие окна для выбора параметров графиков. Если курсор установлен в одной из граф строки спецификации, то после щелчка правой кнопки мыши так же открывается всплывающее меню выбора параметров построения графиков.
Параметрическая оптимизация (команда Optimize) позволяет, изменяя значения компонентов схемы в процессе проведения оптимизации, получить характеристики схемы с параметрами, максимально близкими к заданным значениям. Использование режима параметрической оптимизации рассмотрено в [1].
Для анализа полученных в процессе моделирования графиков характеристик схемы можно воспользоваться различными средствами (инструментами), имеющимися в программе МС. Включение одного из имеющихся режимов измерения (управления электронным курсором) осуществляется нажатием на соответствующую пиктограмму в меню инструментов. Набор инструментов можно менять, если двойным щелчком курсора в поле графиков открыть диалоговое окно Properties и обратиться к закладке Tool Bar. Способы обработки результатов моделирования описаны в разделе 6.
Расчет частотных характеристик (AC Analysis)
Для проведения анализа частотных характеристик схемы необходимо к ее входу подключить источник синусоидального (SIN), импульсного (PULSE) сигнала или сигнала USER, параметры которого задаются пользователем (раздел 3.3). В этом случае в режиме AC программа МС8 вместо указанных источников подключает на вход схемы гармоническое возмущение с переменной частотой. В процессе расчета частотных характеристик комплексная амплитуда этого сигнала полагается равной 1 В, начальная фаза - равной нулю, а частота меняется в пределах, заданных в меню AC Analysis Limits.
В режиме AC сначала рассчитывается режим схемы по постоянному току, затем линеаризуются все нелинейные компоненты (пассивные компоненты с нелинейными параметрами, диоды, транзисторы, нелинейные управляемые источники) и выполняется расчет комплексных величин узловых потенциалов и токов ветвей. Цифровые компоненты при линеаризации заменяются их входными и выходными комплексными сопротивлениями, а передача сигналов через них не рассматривается.
Как правило, при расчете частотных характеристик используется один источник, воздействие которого приложено ко входу схемы. Если же источников несколько, то отклики от каждого сигнала будут складываться как комплексные величины.
После проверки правильности составления схемы и при отсутствии ошибок программа открывает окно задания параметров моделирования AC Analysis Limits, которое по своей структуре аналогично окну Transient Analysis Limits (рис. 5). Тем не менее, имеются и отличия, связанные с особенностями моделирования в режиме AC Analysis.
Расчет передаточных функций по постоянному току (DC Analysis)
В режиме DC рассчитываются передаточные характеристики схемы по постоянному току. Ко входам цепи программа МС подключает один или два независимых источника постоянного напряжения или тока. В качестве выходного сигнала может рассматриваться разность узловых потенциалов или ток через ветвь, в которую включен резистор. При расчете передаточных функций программа МС “закорачивает” индуктивности и исключает из схемы все конденсаторы. Далее рассчитывается режим по постоянному току при нескольких значениях входных сигналов.
Возможность подключения в режиме DC к схеме двух источников позволяет рассчитать не только передаточную функцию анализируемого устройства, но построить и семейство характеристик (например, семейство статических выходных характеристик транзистора).
После перехода в режим DC программа МС открывает окно задания параметров моделирования DC Analysis Limits (рис. 7), имеющее следующие разделы.
Расчет режима по постоянному току (Dynamic DC)
Режим Dynamic DC позволяет произвести анализ электрической схемы по постоянному току и отобразить результаты расчетов на чертеже схемы. Если предварительно на закладке Options команды Options>Preferences включен параметр Circuit Show Slider, то на схеме у изображений батарей и простых компонентов (резисторы, конденсаторы и индуктивности) размещаются движковые регуляторы. При их перемещении с помощью курсора изменяются и номинальные значения данных компонентов с отображением новых значений на схеме. Очевидно, что при изменении сопротивлений резисторов будут меняться и параметры схемы. Минимальные и максимальные значения величин компонентов определяются с помощью атрибутов SLIDER_MIN и SLIDER_MAX в окне задания параметров компонентов.
На рис. 11, а приведена схема транзисторного усилителя. После исполнения команды Analysis>Dynamic DC на чертеже схемы появляются изображения движковых регуляторов, а в окно схем вводится диалоговое окно для задания параметров моделирования.
Расчет режима по переменному току (Dynamic AC)
В отличие от более ранних версий в программе MC8 предусмотрен режим Dynamic AC, при котором производится расчет схемы по переменному току, т.е. вычисляются комплексные амплитуды напряжений в узлах и токов в ветвях схемы, а также рассчитывается не только активная, но и реактивная составляющая мощности.
После завершения моделирования полученные графики характеристик схемы могут быть подвергнуты дальнейшей обработке. Дополнительная обработка заключается в изменении характера оформления графиков и нанесении необходимой текстовой информации, в измерении параметров полученных сигналов и определении координат особых точек графиков и т.д. Средства отображения, просмотра, обработки сигналов и нанесения надписей на графики сгруппированы в виде команд в отдельные разделы меню. Большинство команд доступны для пользователя в виде пиктограмм, которые можно ввести в окно результатов моделирования, воспользовавшись закладкой Tool Bar в диалоговом окне Properties. Ниже рассматриваются некоторые режимы обработки графиков.
Вывод
Программа Micro-Cap 8 поставляется с большим количеством примеров, размещенных в меню Help и в каталоге MC8\DATA. Эти примеры, доступные и в демонстрационной версии MC8 DEMO, полезно просмотреть в процессе освоения программы и использовать в качестве справочного материала при составлении собственных схем.
Рассмотренные выше методы схемотехнического проектирования и моделирования в основном касаются вопросов анализа аналоговых электронных схем. Программа MC8 (как и предыдущие версии) позволяет моделировать не только аналоговые, но и цифровые устройства (включая смешенные аналого-цифровые схемы). Некоторые рассмотренные выше режимы анализа (например, расчет переходных процессов или передаточных функций по постоянному току) вполне применимы к цифровым устройствам. Однако схемотехническое моделирование цифровых устройств имеет определенную специфику и требует специального рассмотрения.
Перечисленные достоинства делают пакет программ MICROCAP-7 весьма привлекательным для моделирования электронных устройств средней степени сложности.
Удобство в работе, нетребовательность к ресурсам компьютера и способность анализировать электронные устройства с достаточно большим количеством компонентов позволяют успешно использовать этот пакет в учебном процессе.
В данной работе рассмотрены лишь основные сведения, необходимые для начала работы с пакетом и анализа большинства электронных схем, изучаемых в специальных дисциплинах и используемых при курсовом и дипломном проектировании. В случае необходимости дополнительные (и более подробные) сведения могут быть получены из встроенной подсказки системы (вызывается клавишей или через меню HELP/Contens).
Другие возможности программы MC8 (построение трехмерных графиков, анимация, подготовка файлов для переноса схемы на печатную плату) так же полезны не только для инженерной практики, но и при использовании пакета в учебном процессе.