Програми схемотехнічного моделювання

Програма МАЕС-П

Метою схемотехнічного моделювання є визначення форми і параметрів сигналів струму, напруги, потужності в різних точках схеми. Для цього потрібно вирішувати ряд таких типових завдань моделювання, як розрахунок статичного ре­жиму, перехідних процесів, частотних характеристик. На основі розв'язання цих завдань можна далі обчислити параметри сиг­налів (фронт, тривалість, затримку і т.д.), розрахувати спектр вихідного сигналу, чутливість схеми до зміни параметрів її компонентів, вирішувати завдання статистичного аналізу схеми та оптимізації її параметрів.

Всі ці завдання вирішуються за допомогою програм схемо­технічного моделювання. Сьогодні існує велика кількість таких програм як вітчизняного, так і закордонного виробництва, наприклад, СПАРС, ПАРУС, ПА-6, МАЕС-П, PSPICE, MicroCAP, EWB, Saber та інші. Всі вони мають приблизно однакові функціональні можливості і відрізняються в основному рівнем сервісу, складом бібліотек моделей та їхніх параметрів, а також надійністю моделювання різних класів схем. Вхідні мови цих програм також близькі, особливо в частині опису схеми.

Загальне уявлення про програми схемотехнічного проекту­вання може дати вітчизняна програма МАЕС-П - типовий представник цього класу програм.

Основні функції та особливості МАЕС-П:

– наявність універсальної функції для побудови аналого­вих моделей цифрових ІМС;

– моделювання електронних схем в режимі постійного струму;

– підвищена надійність моделювання в часовій області схем зі складними перехідними процесами за рахунок викори­стання різноманітних обчислювальних алгоритмів;

– розрахунок амплітудно-фазочастотных характеристик лінійних і лінеаризованих програмою електронних схем;

– аналіз впливу на електричні режими в схемі температури та інших параметрів навколишнього середовища;

– розрахунок коефіцієнтів параметричної чутливості;

– спектральний аналіз;

– забезпечення можливості розробки та введення в про­граму самим користувачем нових алгоритмів обробки резуль­татів моделювання;

– постпроцесор обробки результатів розрахунку та виведення різнокольорових графіків.

Основні технічні характеристики:

– кількість двополюсників в еквівалентній схемі - 500;

– типи елементів: резистори, дроселі, конденсатори, ко­тушки індуктивності, стабілітрони, біполярні та польові транзи­стори, джерела напруги та струму, інтегральні мікросхеми (опе­раційні підсилювачі, логічні мікросхеми, стабілізатори напруги, компаратори та комутатори сигналів, аналогові перемножувачі) і т.д.;

– у бібліотеці моделей та параметрів міститься понад 100 моделей різних типів діодів та транзисторів та 70 макромоделей мікросхем;

– МАЕС-П функціонує на персональній ПК типу РС АТ стандартної конфігурації та вище в середовищі MS DOS;

– основна мова програмування - ФОРТРАН 77;

– обсяг МАЕС-П - біля 60000 операторів;

– обсяг необхідної оперативної пам'яті - 450 кБ.

Інформація для МАЕС-П описується на проблемно-орієнтованій мові і вводитися з клавіатури термінала за допомогою будь-якого текстового редактора ППК або за допомогою графічного редактори системи РСAD.

Робота програми організована по етапам, на початку яких відбувається перерозподіл оперативної пам'яті ПК. На кожному етапі у виділеній області оперативної пам'яті виконується ряд функціональних кроків. Функціональна схема програми МАЕС-П наведена на рис. 5.13.

Так, за допомогою транслятора опису схеми (ТОС) перетворюється, сортується й опрацьовується символьна інформація про схему. Відбувається формування еквівалентної схеми, що аналізується. Для цього в структуру електричної схеми, наведеної в опису, замість приладів вставляються еквівалентні схеми їх моделей, які беруться або з вхідних даних, або з бібліотеки моделей і параметрів (БМП). Здійснюється перерахунок усіх заданих параметрів з урахуванням заданої системи одиниць. Результатом роботи транслятора є масив чисел (1-й етап).

За допомогою транслятора управління завданнями (ТУЗ) здійснюється перетворення, сортування й опрацювання символьної інформації згідно з завданням на моделювання. Результатом роботи транслятора є масиви чисел (2-й етап).

На підставі перетвореної інформації про опис схеми за допомогою законів Кірхгофа і компонентних рівнянь формується

Рисунок 5.13- Функціональна схема МАЕС-П.

система рівнянь, або математична модель схеми (ММС) у розширеному однорідному координатному базисі з урахуванням розрідженості матриці схеми (3-й етап).

Виходячи з масивів чисел опису схеми, завдання на аналіз і результатів формування ММС, виконуються операції по підготовці до моделювання (4-й етап), які містять у собі такі дії:

· перерахунок параметрів елементів у залежності від заданого навколишнього середовища (температури);розрахунок незмінних при багаторазових обчисленнях частин нелінійних функцій;

· упорядкування і перенумерація, які зменшують число операцій при багаторазовому розв'язанні систем рівнянь;

· часткове розкладання матриці схеми на трикутні матриці.

У залежності від завдання на моделювання підключаються до роботи підпрограми процедур моделювання (5-й етап).

Аналіз статичного режиму (режим по постійному струму) дозволяє визначити значення вихідних змінних при впливі постійних

у часі джерел живлення і вхідних сигналів. Реалізовано два методи розв'язання рівнянь схеми: методи Hьютона і метод Hьютона з методом продовження по параметру. Перехід від одному методу до іншого відбувається автоматично. Передбачено також розрахунок статичних характеристик Хвих = f(Хвх), тобто залежності вихідних змінних від зміни вхідних джерел або джерела живлення.

Аналіз у часовій області (розрахунок перехідного процесу) дає можливість визначати залежності від часу вихідних змінних при впливі на пристрій, що моделюється, постійних і змінних за часом незалежних джерел. Вихідними змінними в усіх видах моделювання є напруги, струми і потужності елементів принципової електричної схеми.

Аналіз у частотній області призначений для побудови амплітудно-частотних і фазочастотних характеристик лінійних та лінеаризованих схем у режимі малого сигналу.

Визначення коефіцієнтів чутливості дозволяє оцінити ступінь впливу параметрів елементів схеми на вихідні змінні в статичному режимі, у часовій та частотній областях. Знайдені коефіцієнти чутливості – це часткові похідні вихідних змінних по параметрах елементів, що варіюються.

Під час моделювання здійснюється контроль за обчислювальним процесом з виводом відповідних повідомлень на екран дисплея. Користувач у залежності від ситуації може ввести необхідну керуючу дію, щоб або продовжити процес, або змінити його, або закінчити з виводом результатів на друк.

Результати моделювання в постпроцесорі опрацьовуються і виводяться або на дисплей для перегляду, або на принтер для документування (6-й етап).

Спектральний аналіз реалізований як один із видів опрацювання результатів моделювання в часовій області. Для розкладу графіків перехідного процесу в дискретний спектр використовується швидке перетворення Фур'є.

Вивід результатів моделювання та їх опрацювання здійснюється у вигляді графіків і таблиць як основного (час, частота), так і неосновного (струм, напруга, потужність) аргументів у вигляді, зручному для аналізу і документування.