L_17 (Конспекты лекций)

1Лекция 17МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВПлан1. Введение2. Общая характеристика программ схемотехнического моделирования3. Функциональные возможности моделирующих программ4. Модели электронных компонентов5. Выводы1. ВведениеКомпьютерное моделирование является в настоящее время важнейшейсоставной частью процесса проектирования электронных устройств.

Этообъясняется следующими причинами.1. Необходимостью сокращения сроков разработки новых электронныхустройств.2. Наличием эффективных алгоритмов и программ компьютерногомоделирования электрических цепей.3. Развитой теорией математического моделирования электронныхкомпонентов.Современные программы моделирования электронныхцепейпредставляютвиртуальныелаборатории,включающиеобширныебиблиотеки электронных компонентов.

Они дают возможность инженерупроверить, удовлетворяет ли спроектированное устройство требованиямтехнического задания, когда используются реальные компоненты схарактеристиками, отличающимися от идеальных. Многие программыпозволяют автоматизировать все стадии проектирования электронныхустройств, включая подготовку принципиальных схем, моделированиепроцессов в аналоговых и цифровых цепях, компоновку и трассировкупечатных плат, редактирование и расширение библиотек компонентов.2Программы схемотехнического моделирования широко используютсядля автоматизации проектировании интегральных схем, посколькуфизическое моделирование ИС связано с большими материальнымизатратами.2. Общая характеристика программ схемотехническогомоделированияСовременные программы моделирования электронныхцепей иустройств представляют виртуальные лаборатории, включающие обширныебиблиотеки электронных компонентов.

Они дают возможность инженерупроверить, удовлетворяет ли спроектированное устройство требованиямтехнического задания, когда используются реальные компоненты схарактеристиками, отличающимися от идеальных. Многие программыпозволяют автоматизировать все стадии проектирования электронныхустройств, включая подготовку принципиальных схем, моделированиеустановившихся и переходных процессов, редактирование и расширениебиблиотек компонентов.В настоящее время на рынке программного обеспечения,предназначенного для проектирования электронных цепей и устройств,можно насчитать несколько десятков специализированных пакетов.Перечислим некоторые из них.Программа Pspice.Программа является модификацией программы анализа электронныхцепей SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis).

Внастоящее время ее считают эталонной программой моделированияэлектронных цепей и устройств. Модели электронных компонентов вформатеSPICEиспользуютсябольшинствомдругихпрограммсхемотехнического моделирования.В первых версиях Pspice исходные данные о цепи готовились втекстовой форме в виде списка соединений (netlist). Результатымоделирования также представлялись в текстовой форме. Позднее появилсяграфический редактор Schematics, позволяющий создавать и редактироватьчертежи принципиальных схем.

Schematics является одновременноуправляющей оболочкой для запуска других модулей Pspice. Для3представления результатов расчетов в удобной форме служит графическийпостпроцессор Probe. Он выводит на экран графики результатовмоделирования и выполняет их математическую обработку.Программа Micro-CAP.Программа разработана фирмой Spectrum Software.

Программа имеетудобный графический редактор, позволяющий создавать и редактироватьпринципиальные схемы аналоговых и цифровых устройств. Основные видыанализа:• расчет статического режима по постоянному току;• расчет частотных характеристик линеаризованной цепи;• расчет реакции во временной области при произвольных входныхвоздействиях;• анализ шумов и параметрической чувствительности;• многовариантный анализ, включая статистический анализ методомМонте-Карло;Программа имеет обширную библиотеку моделей компонентов ведущихфирм США, Европы и Японии.Программа Multisim (фирма National Instruments).Первые версии программы, появившиеся в девяностые годы имелиназвание Electronics Workbench.Особенностьюпрограммыявляетсяналичиевиртуальныхизмерительных приборов, имитирующих реальные аналоги.

Программа легкоосваивается даже начинающими пользователями. Этим объясняется еепопулярность в учебных заведениях. Последняя версия программы EWB 6.02носит название Multisim. Подробное описание различных версий программыимеется в [Карлащук]. В то же время следует отметить, что лицензионныеверсии этой программы весьма дороги. Поэтому массовое легальноеиспользование ее в вузах вряд ли возможно.Программа Circuit Maker (фирма Protel International).Программа предназначена для моделирования аналоговых, цифровыхи смешанных аналого-цифровых устройств. Она имеет удобный графическийинтерфейс, позволяющий быстро подготовить электрические схемыаналоговых и цифровых устройств.

Результаты моделирования выводятся вграфической форме, в виде осциллограмм и графиков частотных4характеристик. Имеется студенческая версия программы, распространяемаябесплатно. Разрешено использование этой версии на домашних компьютерахстудентов.3. Функциональные возможности моделирующих программВ перечисленных программах схемотехнического моделированияпредусмотрены следующие виды анализа.1.

Анализ резистивных цепей постоянного тока (расчет узловыхнапряжений, токов и напряжений ветвей, расчет рабочей точки нелинейнойрезистивной цепи постоянного тока в режиме большого сигнала;2. Расчет частотных характеристик линейных цепей (режим малогосигнала);3.

Анализ шумов;4. Анализ переходных процессов в нелинейных цепях при действиисигналов произвольной формы (режим большого сигнала);5. Анализ спектрального состава колебаний;6. Многовариантный анализ;7. Статистический анализ методом Монте-Карло;8. Анализ чувствительности.Рассмотрим особенности перечисленных режимов.Анализ резистивных цепей выполняется для определения рабочейточки нелинейной цепи, а также в режиме вариации параметров DC Sweep.При определении рабочей точки нелинейной цепи источники напряжений итоков полагаются постоянными. В этом режиме индуктивные элементызаменяются коротким замыканием, а емкостные – разрывом.Расчет рабочей точки ведется итеративным методом Ньютона-Рафсона.Накаждойитерациинелинейныекомпонентызаменяютсялинеаризованными схемами замещения, соответствующими режиму этогокомпонента.

Таким образом, анализ нелинейной цепи сводится кмногократному расчету линейных резистивных схем. Результаты анализапредставляются в табличной форме.5Расчет частотных характеристик проводится в два этапа. Сначалаопределяется рабочая точка нелинейной резистивной цепи (индуктивные иемкостные элементы исключаются). Затем нелинейные компонентызаменяются линеаризованными моделями с параметрами, соответствующимирабочей точке. После этого выполняется расчет частотных характеристик.Разумеется, в таком режиме искажения сигнала, обусловленныенелинейностью характеристик элементов, отсутствуют. Если в цепидействуют несколько синусоидальных источников, их частоты полагаютсяодинаковыми.Анализ шумов. В этом режиме пользователь имеет возможностьрассчитать спектральную плотность мощности шума выходной величины(напряжения или тока). Анализ шумов является составной частью анализачастотных характеристик.Расчет переходных процессов в нелинейных цепях при действиисигналов произвольной формы.

В этом режиме сначала проводится расчетрабочей точки нелинейной резистивной цепи. Затем методами численногоинтегрирования определяется реакция цепи во временной области. Дляинтегрирования используются методы трапеций, Гира второго порядка илинеявный метод Эйлера. По умолчанию используется метод трапеций.Максимальный шаг интегрирования выбирается пользователем илиустанавливается автоматически.Интегрирование начинается с момента t = 0 .

Каждый из источников,действующих в схеме, может иметь свою форму. Если источникисинусоидальные, их частоты могут быть разными. В режиме большогосигнала выходная реакция учитывает искажения, обусловленныенелинейностью характеристик элементов.Анализ спектрального состава колебаний выполняется с помощьюбыстрого преобразования Фурье. Для проведения анализа необходимо задатьчастоту первой гармоники, количество гармоник и список переменных,спектр которых должен быть рассчитан.Многовариантный анализ.

Помимо рассмотренных методов анализачастотных и временных характеристик Pspice дает проектировщику еще одинмощный инструмент исследования электронных схем – параметрическийанализ. В этом режиме пользователь имеет возможность проводить6многовариантный анализ частотных или временных характеристик.Результатом такого анализа являются семейства кривых, нагляднопоказывающие, как влияет изменение того или иного параметра нахарактеристики цепи.На каждом шаге вариации параметров могут выполняться различныевиды анализа. Варьироваться могут напряжения и токи источников,температура компонентов, параметры моделей, глобальные параметры.Статистический анализ.

Программа Pspice позволяет моделироватьхарактеристики электронных цепей с учетом статистического разбросапараметров компонентов. В ходе одного цикла статистического анализа цепьможет моделироваться несколько сотен раз. При этом каждый размоделирование осуществляется с новым набором параметров, задаваемыхслучайным образом. Отклонения значений элементов от номинальныхзадаются с помощью генератора случайных чисел.В программе Pspice имеются генераторы случайных чисел с двумязаконами распределения:UNIFORM – равномерное распределение на отрезке (-1, + 1);GAUSS – гауссовское распределение на отрезке (-1, + 1) с нулевымсредним и среднеквадратическим отклонением σ = 0.25 .По умолчанию выбирается равномерное распределение.Статистические испытания по методу Монте-Карло могут проводитьсяпри расчете режима по постоянному току, анализе переходных процессовили расчете частотных характеристик.

Проведение статистического анализапо методу Монте-Карло позволяет определить многие важныехарактеристики электронных цепей. Например, по величине отклонениячастотных характеристик можно судить о чувствительности цепи.При статистическомстатистическаяобработкаследующие виды обработки:• расчетноминальной;анализе предусматривается разнообразнаярезультатовмоделирования.Возможнымаксимальногоотклонениятекущейреализации• расчет максимального значения в каждой реализации;• расчет минимального значения в каждой реализации.от7Анализ чувствительности проводится методом наихудшего случая.Этот вид анализа предназначен для определения возможного значениязаданной частотной или временной характеристики, если заданы диапазоныразброса параметров схемы.