Лекция 35. Компьютерное моделирование электронных сигналов

Основныезадачи и проблемы компьютерного моделирования.Развитие элект­роники и повышение сложности электронных устройств привели к необходимости повышения эффективности их проектирования. До недавнего времени при проек­тировании электронных устройств использовались в основном два способа: рас­чет и экспериментальное исследование. При этом расчет производился на матема­тических моделях (аналитических или графических), а экспериментальное исследо­вание — на макете реального устройства. По результатам экспериментального исследования делалось заключение о соответствии макета требованиям техниче­ского задания к характеристикам электронного устройства. При их расхождении обычно производилась доработка макета. При этом зачастую не учитывались многие факторы: разброс параметров элементов, влияние изменения климатиче­ских условий, возможные отказы элементов и др.

Поскольку большинство электронных элементов являются существенно нели­нейными, то проектирование электронных устройств практически полностью исключало применение простых аналитических расчетов. Это существенно затруд­няло задачи проектирования на этапе расчета и возлагало повышенные требова­ния к экспериментальным исследованиям макета. Высокая стоимость электронных элементов и их дефицитность, в конце концов, привели к тому, что разработчики электронной аппаратуры стали все чаще отказываться от экспериментальных исследований, для которых к тому же была нужна специальная дорогостоящая измерительная аппаратура.

В таких условиях большое значение приобрели методы математического мо­делирования электронных устройств на компьютере. Основными целями такого моделирования электронных устройств могут быть:

• предсказание поведения устройства при стандартных и нестандартных ситу­ациях (например, поведение электронного устройства при отказе одного или
нескольких элементов);

• изучение форм сигналов в различных местах электронного устройства при воздействии на него одного или нескольких сигналов (например, одновременное воздействие полезных сигналов и помех);

• обучение специалистов по разработке и проектированию электронных уст­ройств.

Компьютерное моделирование электронных устройств имеет ряд преиму­ществ перед экспериментальным исследованием:

• стоимость моделирования на компьютере значительно меньше стоимости
экспериментального макета;

• возможно моделирование поведения электронного устройства в критических
ситуациях (например, при повышении или понижении питающих напряже­ний, при пробое конденсаторов или полупроводниковых элементов и др.);

• оптимизация параметров отдельных элементов устройств по заранее выб­ранному критерию (например, получение максимального усиления при изме­нении напряжения питания или сопротивления нагрузки);

• возможность масштабирования реального времени протекания процесса;

• возможность широкого применения специальных программ и моделей электронных элементов;

• возможность идентификации параметров моделей.

Математические модели электронных элементов и устройств можно разде­лить на следующие группы:

• линейные и нелинейные,

• статические и динамические,

• с сосредоточенными и распределенными параметрами,

• аналоговые, цифровые (дискретные) и аналого-цифровые.

При исследовании и моделировании линейных элементов и устройств исполь­зуют системы линейных алгебраических или дифференциальных уравнений. При описании нелинейных моделей пользуются нелинейными алгебраическими или дифференциальными уравнениями.

Статические модели обычно используют при расчете и моделировании режи­мов по постоянному току или напряжению, а динамические модели находят применение при анализе переходных или частотных характеристик электронных устройств. В моделях с сосредоточенными параметрами используются обыкновен­ные дифференциальные уравнения, а в моделях с распределенными параметра­ми — уравнения в частных производных. Непрерывные .модели могут иметь неограниченное. множество значений токов и напряжений в заданном интервале их изменений, а дискретные модели могут находиться только в ограниченном (счетном) количестве состояний.

Кроме того, при моделировании электронных устройств пользуются моделя­ми отдельных элементов (микромоделями) и моделями отдельных узлов (макро­моделями), в состав которых входит ограниченное множество элементов, напри­мер, модели операционных усилителей, компараторов, схем выборки и хранения, АЦП и ЦАП.

При проектировании устройств, работающих на сверхвысоких частотах, в моделях учитываются распределенные параметры как самих элементов, так и их выводов. Кроме того, имеются специальные программы, в которых учитываются паразитные эффекты печатных плат: паразитные индуктивности и емкости.

Библиотека моделей электронных элементов непрерывно расширяется и cовершенствуется. Крупнейшие отечественные и зарубежные фирмы уделяют большое внимание разработке моделей новых элементов электроники: мощных полевых транзисторов с изолированным затвором, мощных биполярных транзис­торов с изолированным затвором (БТИЗ) и др.

Программные средства моделирования электронных устройств. При моделиро­вании электронных устройств используются три основных разновидности про­грамм:

• универсальные программы для математических расчетов, такие как
MathCAD, MathLAB и др.;

• универсальные программы для моделирования электронных устройств такие
. как Micro-CAPV, P-SPICE A/D, APLAC 7.0;

• специализированные программы, используемые при моделировании опреде­ленного класса схем, например, System View.

Наибольшее распространение получила универсальная программа схемотех­нического моделирования P-SPICE и ее версии 6, 7 и 8. Эта программа впервые была разработана корпорацией Micro Sim в 1984г. для IBM PC. Первая версия этой программы позволяла моделировать только аналоговые устройства. В про­цессе совершенствования этой программы уже в 1989- была создана четвертая версия, которая позволяла моделировать также аналого-цифровые устройства. В последующих версиях 6, 7 и 8 была расширена библиотека электронных компо­нентов, а также введены программы проектирования печатных плат и учета их паразитных параметров.

Программа Micro-CAPI (Microcomputer Circuit Analysis Program) была разра­ботана фирмой Spectrum Software в 1981 г. В результате совершенствования этой программы в 1997г. была создана программа Micro-CAP V-2 , которая включала большую картотеку компонентов (более 10 тыс. наименований), а также програм­му, вариации параметров элементов. По своим возможностям программа Micro-CAP V-2 совсем немного уступает программе P-SPICE. Сравнительные характеристики этих программ приведены в табл. 35.1. Имеются две разновид­ности этой программы: профессиональная и учебная (студенческая). Профессио­нальная программа имеет объем около 4 Мб и поставляется или на трех дискетах или на CD ROM. Учебная программа поставляется на одной дискете 1,4 Мб. Устанавливаются они обычным образом в среде Windows по команде SETUP с указанием имени диска, на который нужно записать программу. Учебную про­грамму Micro-CAPV можно получить по Internet обратившись на Web-страницу: http://www.spectrum-soft.com/demo,html.

Программа Micro-CAPV имеет следующие основные характеристики:

· большая библиотека элементов (более 10 тысяч), включающая многие аналоговые и цифровые интегральные микросхемы, биполярные и полевые транзисторы, различные диоды, трансформаторы и дроссели с ферромагнитными сердечниками, линии передачи сигналов, кварцевые резонаторы и датчики Холла и др., которые описаны в стандартной форме программы P-SPICE, благодаря чему обеспечивается их совмес­тимость;

· мощный графический редактор электрических схем с иерархической структурой;

Таблица 35.1 Основные характеристики программ схемотехнического моделирования

• возможность моделирования динамики электронных устройств по их функ­циональным схемам, включающим операции сложения, вычитания, перемно­жения и деления, интегрирования и дифференцирования и др.;

• возможность расчета параметров математических моделей элементов по спра­вочным или экспериментальным данным, включая графические зависимости;

• возможность оптимизации электронных схем путем вариации параметров
элементов;

• результаты моделирования могут быть представлены в виде графиков или
таблиц;

• имеются средства контроля ошибок и встроенные средства помощи.

В процессе работы с программой Micro-CAPV вначале создается принципи­альная схема электронного устройства, в которую включаются электронные эле­менты, их соединения, условные обозначения и параметры или типы. При этом допускается редактирование графических символов элементов и их условных обозначений. Так, например, возможно представление всех компонентов по ЕСКД.

После этого выполняется моделирование, которое включает один из типов анализов созданной схемы:

• расчет режимов по постоянному току (DG-Analysis);

• расчет частотных характеристик или анализ по переменному току (АС-
Analysis);

• расчет переходных характеристик (Transient Analysis).

При создании принципиальной схемы электронного устройства используются модели компонентов, имеющиеся в библиотеке программы. Все компоненты, ис­пользуемые при создании принципиальной электрической схемы, могут иметь математические модели двух типов:

• модели стандартных элементов, например, резисторов, конденсаторов, транзисторов и др., которые не могут быть изменены пользователем программы, но у которых можно изменять значения отдельных параметров;

• макромодели, составляемые пользователями по своему усмотрению из стан­дартных элементов.

Модели стандартных элементов бывают простыми и сложными. Простые модели характеризуются малым количеством параметров, которые можно ука­зывать на принципиальной схеме. Сложные модели характеризуются большим количеством параметров, которые имеются в библиотеке, но на схеме обычно не приводятся. К числу простых моделей относятся, например, модели резисторов, или конденсаторов. К числу сложных моделей относятся модели транзисторов, которые характеризуются большим числом параметров (например, биполярный транзистор описывается моделью, содержащей 52 параметра).

Кроме этого, модели элементов делятся на различные группы по свойствам самих элементов:

• модели пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, катушек индук­тивности, трансформаторов, линий передачи, диодов и др.);

• модели активных элементов (биполярных транзисторов, полевых транзисторов с управляющим p-n-переходов, полевых транзисторов с изолированным затвором, операционных усилителей и др.);

• независимые источники напряжения и тока с различной формой колебаний
(например, источники постоянного, импульсного или гармонического на­пряжения);

• зависимые (управляемые) источники напряжения и тока, которые могут
быть линейными и нелинейными (функциональными);

• модели ключей, управляемых напряжением или током.

В состав программы Micro CAPV входит также программа расчета параметров моделей аналоговых элементов по результатам экспериментальных исследований, заданным в табличной или графической форме. Чем больше количество точек в таблице или на графике, тем точнее будут определены параметры элементов.

Большое внимание в программе Micro CAP V уделено моделированию цифро­вых и смешанных аналого-цифровых устройств. Имеются модели логических элементов всех типов, триггеров, счетчиков импульсов, программируемых логи­ческих матриц, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. Так, например, предусмотрена возможность моделирования цифровых фильтров и фильтров на переключаемых конденсаторах. В последней версии программы Micro CAPV-2 значительно расширена библиотека компонентов, в которую входят больше 10 тысяч электронных компонентов ведущих фирм США, Европы и Азии.

Программа P-SPICE имеет некоторые дополнительные возможности, которые отсутствуют в программе Micro CAPV. В нее дополнительно включена програм­ма редактирования входных сигналов, имеется графический постпроцессор, вклю­чена программа параметрической оптимизации электронных устройств, а также программы по автоматической трассировке и редактированию печатных плат.

С помощью редактора входных сигналов создаются аналоговые и цифровые сигналы, которые можно просматривать в графическом виде на экране монитора и записывать в файл для подключения внешних воздействий к моделируемому устройству. Каждому - сигналу присваивается свое уникальное имя. Например, можно использовать различные виды модулированных сигналов: с амплитудной, частотной, фазовой и импульсной модуляцией. Можно также моделировать сиг­налы произвольной формы, в том числе кусочно-линейные, цифровые и др.

Программа параметрической оптимизации позволяет оптимизировать пара­метры некоторых элементов (конденсаторов, сопротивлений и др.) по выбран­ному критерию оптимизации. В качестве критерия оптимизации используется некоторая целевая функция, вид которой выбирается из меню.

Наиболее сложной программой, входящей в пакет P-SPICE, является про­грамма редактора печатных плат. В нее входят библиотеки типовых корпусов элементов (более 1500), данных по упаковке (более 32 тыс. компонентов), контак­тных площадок, диаметров отверстий и др. Эту программу можно использовать при проектировании однослойных и многослойных печатных плат. Кроме этого, имеется возможность моделировать электронные схемы с учетом паразитных эффектов, связанных с конструкцией печатной платы: индуктивностями ее проводников, паразитными емкостями и взаимными индуктивностями печатных проводников. В литературе эта задача носит название проверки целостности сиг­налов в высокочастотных схемах.

В заключение отметим, что кроме рассмотренных программ схемо-технического моделирования имеются программы, заменяющие измерительную установ­ку, на которой проводится исследование макета электронной схемы. К таким программам, например, относится программа Electronics Workbench 5, в которой на экране изображаются измерительные приборы (осциллографы, генераторы сигналов, и др.) с органами управления, максимально приближенные к действи­тельности. Эти программы называются интеллектуальными, так как в них можно даже не указывать задачи исследования. Модель строится так, что по набору приборов, включенных в измерительную схему, программа сама выполнит не­обходимые действия. Например, если в схему ввести двухканальный осциллограф и генератор прямоугольных импульсов, то программа будет без указаний про­изводить измерение переходных характеристик. Если же заменить генератор прямоугольных импульсов на генератор гармонических сигналов, то программа начнет выполнять исследование частотных характеристик.