Схемомоделирование

Книга содержит сведения по применению популярной системы схемотехнического моделирования с помощью которой выполняется графический ввод проектируемой схемы, анализ характеристик аналоговых, цифровых и смешанных аналого-цифровых устройств. Рассмотрены методика анализа нелинейных схем по постоянному току, расчет переходных процессов и частотных характеристик, средства синтеза пассивных и активных аналоговых фильтров, средства моделирования функциональных схем аналоговых и цифровых устройств, возможности анимации цифровых устройств и построение 3-мерных графиков результатов моделирования. Обсуждается взаимодействие с программой схемотехнического моделирования PSPICE и программами для разработки печатных плат P-CAD 2001, OrCAD 9.2 и Protel DXP.

Micro-Cap I (сентябрь 1982 г.). Реализован графический ввод схем линейных и нелинейных аналоговых устройств, их моделирование и динамическое отображение графиков характеристик в процессе моделирования.

Micro-Cap II (ноябрь 1984 г.). Широко известная версия Micro-Cap II [4] предназначена для моделирования аналоговых линейных и нелинейных электронных цепей. Она имеет существенные ограничения на максимальный размер схемы (50-150 узлов), графический редактор старомоден и неудобен, программа написана на Бэйсике, но тем не менее Micro-Cap II (имеются его выпуски 1, 2, 3 и 4) обеспечивает достаточную точность моделирования (в рамках принятых упрощенных моделей полупроводниковых приборов). Поддерживаются мониторы с высоким разрешением, сопроцессоры и вывод на плоттеры (ранее вывод данных осуществлялся только на принтеры).

Micro-Cap III (декабрь 1988 г.). Программа следующего поколения переписана на Си, имеет великолепную управляющую оболочку, удобный графический редактор, но точность моделирования не вьщерживает критики: погрешность расчета амплитудно-частотных характеристик изменяется от десятых долей децибела для простых схем до единиц децибел для сложных, групповое время запаздывания рассчитывается неправильно, метод статистических испытаний дает непрогнозируемые результаты, а при анализе воздейст-

вия импульсных сигналов переходные процессы приобретают сильно осциллирующий характер, связанный с потерей устойчивости вычислительных алгоритмов. Поэтому результаты моделирования, полученные с помощью Micro-Cap III, следует подвергать доскональным проверкам.

Micro-Cap IV (февраль 1992 г.). В Micro-Cap IV [7] применены надежные вычислительные алгоритмы SPICE 2G.6 и исправлены замеченные в Micro-Cap III ошибки, при этом расширены .функциональные возможности программы. Характерная особенность Micro-Cap IV - полная совместимость с пакетом PSpice как по принятым моделям компонентов, так и по текстовому описанию схемы. Однако управляющая оболочка Micro-Cap IV не очень удобна, принятая последовательность выполнения команд нелогична; это последняя версия Micro-Cap для DOS.

Micro-Cap V (август 1995 г.). Программа Micro-Cap V претерпела радикальные изменения. Во-первых, она переведена на платформу Windows, имеет удобный интерфейс, в текстовых надписях на схемах и графиках поддерживает кириллицу. Во-вторых, она теперь позволяет моделировать не только аналоговые, но и цифровые и аналого-цифровые электронные устройства. В-третьих, как для аналоговых, так и для цифровых компонентов используются математические модели, принятые в известной программе PSpice [6, 12-16]. Для моделирования аналоговых компонентов оставлен алгоритм SPICE 2G.6, а для моделирования цифровых компонентов разработан собственный.

По своим функциональным возможностям Micro-Cap V находится между профессиональной программой моделирования аналогово-цифровых устройств PSpice A/D, входящей в состав пакета DesignLab 8.0 [6], и более дешевым базовым вариантом с офаниченными возможностями PSpice A/D Basics. Основное ее отличие от DesignLab (ныне OrCAD [8]) - работа под управлением одной управляющей оболочки, в которой при смене режима лишь частично изменяется состав меню команд. В системе же DesignLab при смене режима один экран полностью заменяется друтм, выполненным в ином стиле, что затрудняет ее освоение начинающими пользователями.

Основные изменения связаны с развитием многовариантного анализа. Допускается одновременно варьировать до 10 переменных и строить графики зависимостей характеристик схемы от варьируемых параметров. Введен режим построения 3-мерных графиков. Значительно расширена библиотека компонентов, включающая модели более 10 тыс. аналоговых и цифровых электрорадиоэлементов ведущих фирм.

Micro-Cap 6 (июль 1999 г.) [5]. В этой версии введены следующие нововведения:

•добавлена возможность параметрической оптимизации при анализе переходных процессов и в режимах АС и DC, в режиме АС добавлена возможность построения круговых диафамм и S-параметров;

. введен отдельный режим Dynamic DC для анализа нелинейных схем по постоянному току и визуализации непосредственно на схеме значений узловых потенциалов, токов ветвей и рассеиваемой мощности; кроме того, предусмотрена оперативная настройка параметров в режиме по постоянному току с помощью движковых регуляторов без проведения повторного моделирования;

• созданы средства синтеза пассивных и активных аналоговых фильтров;

• обеспечен интерфейс с программами разработки печатных плат OrCAD, P-CAD, Protel и др.;

• усовершенствованы алгоритмы моделирования, повышена их точность и быстродействие;

• введен анализ чувствительности и передаточных функций по постоянному току;

• расширен перечень варьируемых параметров;

• расширен перечень макрокоманд и математических функций, введены функции комплексных переменных, в частности, помимо преобразования Лапласа введено z-преобразование, введен встроенный датчик случайных чисел, расширен состав библиотек компонентов;

• введен режим анимации при анализе цифровых устройств.

Micro-Cap 7 (сентябрь 2001 г.). Введена параметрическая оптимизация во всех основных видах анализа и сделаны другие нововведения [17, 18]:

• исправлен ряд ошибок, имевшихся в версии 6, в частности, исправлена основная модель операционного усилителя LEVEL 3, исправлены ошибки синтеза фильтров и др.;

• введены S-параметры линейных 4-полюсников и круговые диаграммы (диаграммы Смита) для моделирования высокочастотных устройств;

• в файл схем включена вся информация, необходимая для переноса моделируемого проекта на другой ПК;

• обеспечено размещение файлов схем и библиотек математических моделей компонентов в разные каталоги;

• введен редактор воздействий Stimulus Editor;

• усовершенствован редактор компонентов Component Editor;

• в схемотехническом редакторе введен откат назад и вперед на один или несколько шагов;

• предусмотрено составление списков соединений схемы в форматах программ Cadence OrCAD, PADS, Protel, P-CAD и др. для разработки печатных плат.

Из других достоинств Micro-Cap 7 отметим исчерпывающую встроенную помощь и возможность задания функциональных зависимостей параметров схемы (как функций времени, токов ветвей и узловых потенциалов), причем эти возможности даже несколько шире, чем в последних версиях OrCAD 9.2 - в них можно сделать параметры пассивных компонентов зависящими только от токов или напряжений других ветвей схемы, в этих целях не нужно больше применять управляемые источники токов или напряжений. Приведем перечень основных характеристик Micro-Cap 7:

• многостраничный графический редактор принципиальных схем, поддерживающий иерархические структуры;

• поведенческое моделирование аналоговых и цифровых компонентов, возможность описания цифровых компонентов с помощью логических выражений. В сочетании с библиотекой графических символов типовых операций (суммирование, вычитание, умножение, интегрирование, применение преобразования Лапласа, Z- преобразования и т. п.). Это позволяет моделировать динамические системы, заданные не только принципиальными, но и функциональными схемами;

• большая библиотека компонентов, включающая в себя наиболее популярные цифровые интегральные схемы дискретной логики и PLD и аналоговые компоненты типа диодов, биполярных, полевых и МОП-транзисторов, магнитных сердечников, линий передачи с потерями, макромодели операционных усилителей, кварцевых резонаторов, датчиков Холла и т. п. Все эти модели написаны в стандартном формате SPICE и могут быть использованы с программами моделирования фирм Altium, Cadence, IntoSoft и др.;

• макромодели компонентов могут быть представлены в виде принципиальных электрических схем или в текстовом виде;

• графики результатов выводятся в процессе моделирования или после его окончания по выбору пользователя, имеются сервисные возможности обработки графиков;

• многовариантный анализ при вариации параметров и статистический анализ по методу Монте-Карло;

• имеется специальная программа MODEL для расчета параметров математических моделей аналоговых компонентов по справочным или экспериментальным данным;

• при наличии ошибок информация о них мгновенно появляется на экране (в PSpice большинство ошибок нужно отыскивать в текстовом файле); имеются встроенные средства помощи;

• имеется электронная документация и контекстно-ориентированные средства помощи.

Если ранее фирма Spectrum Software выпускала две отдельные программы (в российской интерпретации BOSS): Micro-Cap для мо-

делирования аналоговых устройств и Micro-Logic для моделирования цифровых устройств (последняя развивается с июня 1980 г.), то Micro-Cap 5 и его более старшие версии позволяют моделировать и аналоговые, и цифровые устройства и более того, смешанные аналого-цифровые устройства. Однако при этом нужно учитывать, что программа Micro-Cap 7 поддерживает формат PSpice старых версий пакета Design Center/OrCAD . В последних же версиях ряд ключевых слов текстовых описаний PSpice претерпел незначительные изменения и появились новые возможности. Поэтому перед загрузкой в современные версии PSpice текстовых описаний,схем, полученных с помощью программы, может потребоваться их коррекция.

Для Micro-Cap 7 имеется студенческая или демонстрационная версия, которая предназначена для моделирования простейших схем содержащих не более 50 компонентов или 100 связей ( количество связей равно числу узлов + число индуктивностей + число источников сигналов), что вполне достаточно для студентов младших курсов и проверки несложных проектов. Кроме того, в ней отсутствует программа составления математических моделей компонентов по экспериментальным данным MODEL, недоступна команда составления списка соединений схемы для их передачи в системы разработки печатных плат и ряд друтх, ограничены возможности средств синтеза аналоговых фильтров, построения трехмерных графиков и ряда др. В профессиональной версии Micro-Cap 7 максимальный объем схемы увеличен до 10 тыс. узлов, но ее стоимость гораздо выше. Моделирование в студенческой версии выполняется в несколько раз медленнее, чем в профессиональной. Кроме того, встроенные в студенческую версию текстовые редакторы обрабатывают файлы объемом не более 30 ООО байт и к ней прикладываются сокращенные библиотеки математических моделей компонентов и их символов, которые можно самостоятельно расширять. Эту версии можно бесплатно получить по Internet, обратившись на сайт http: www.spectrunri-soft.conri (дистрибутив демоверсии занимает 3,9 Мб).

Micro-Cap 7 выпускается для платформ IBM, NEC и Macintosh. Версии для IBM PC требуют:

• процессор не хуже Pentiunri II;

• ОЗУ объемом не менее 64 Мб;

• Microsoft или совместимая с ней двухкнопочная мышь;

• операционная система Windows 95/98/МЕ или Windows 2000/NT 4/ХР.

Программа Micro-Cap 7 очень удобна для первоначального освоения схемотехнического моделирования электронных схем. Наибольшее распространение она может получить при обучении студентов. Однако однозначно выбрать одну единственную программу

для применения в различных условиях невозможно. Поэтому приведем краткую характеристику других аналогичных программ, располагая их в алфавитном порядке.

ALPAC {http: www.aplac.com) - предназначена для проектирования и моделирования электрических схем и систем во временной и частотной областях [7]. В их состав могут входить как цифровые, так и аналоговые компоненты, в том числе устройства диапазона СВЧ. Выполняются следующие виды расчетов: режим по постоянному току, частотные характеристики, спектральная плотность и коэффициент шума, чувствительность и параметрическая оптимизация, переходные процессы, спектры сигналов, анализ периодических режимов, статистический анализ по методу Монте-Карло. В основном этот набор довольно стандартен. Однако аналогичные расчеты проводятся, с помощью нескольких разных программ, а здесь они доступны в одной. Другая важная особенность APLAC -наличие большого набора библиотек элементов принципиальных схем и отдельных блоков, применяемых в аналоговых и цифровых системах связи. По своему функциональному составу эти библиотеки превосходят библиотеки других систем. Кроме того, в состав APLAC входит подпрограмма расчета трехмерных электромагнитных полей микрополосковых конструкций и других устройств диапазона СВЧ. Последнее, на что следует обратить внимание, это возможность ввода результатов измерений и вывода управляющих сигналов с помощью интерфейсных плат стандарта IEEE-488 (GPIB, HP-IB), как в системе LabView.

CircuitMaker 2000 {http: www.altium.com, htp: www. circuit-maker.com) - простейшая система моделирования фирмы Microcode (ныне принадлежит компании Protel), в которой приняты модели компонентов стандарта SPICE [1].

OrCAD 9.2 {http: www.orcad.com) - интегрированный программный комплекс корпорации Cadence Design Systenris (бывш. DesignLab) для сквозного проектирования аналоговых, цифровых и смешанных аналого-цифровых устройств, синтеза устройств программируемой логики и аналоговых фильтров [8]. Прекратил свое развитие после слияния в начале 1999 г. с компаний MicroSinri и OrCAD, которая, в свою очередь, поглощена корпорацией Cadence Design Systems. Проектирование начинается с ввода принципиальной схемы, ее моделирования и оптимизации и заканчивается созданием управляющих файлов в формате JEDEC для программаторов, разработкой печатной платы и выводом управляющих файлов для фотоплоттеров и сверлильных станков. Система DesignLab является развитием системы предыдущего поколения Design Center. Во всех этих системах используется широко известная программа моделирования PSpice. Если пакет Design Center обеспе-