Задачи и методы проектирования аналоговых устройств

ВОПРОС №1

КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

УСТРОЙСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АНАЛОГОВЫХ

ЛЕКЦИЯ №22

В настоящее время невозможно представить появление какого-либо устройства без его предварительного моделирования с использованием компьютерных технологий. Это касается и создания электронных устройств. Существует целый ряд компьютерных программ схемотехнического моделирования, которые существенно упрощают процесс планирования, разработки, моделирования и пуска в массовое производство любого устройства. Как разобраться в достаточно большом количестве предлагаемых программных продуктов, используемых как в профессиональной деятельности, так и в обучении?

В данной лекции будут рассмотрены основные компьютерные программы схемотехнического моделирования, их особенности, различия и функциональные возможности, сделана попытка экскурса в историю появления и развития указанных программных продуктов.

Типовые программы схемотехнического моделирования

Летом 1995года фирма Spectrum Software выпустила версию 1.0 программы схемотехнического моделирования электронных цепей последнего пятого поколения Micro-Cap V для Windows, в 1997году выпущена версия 2.0. Первый вариант Micro-Cap появился в 1981году и быстро завоевал популярность в нашей стране, потому что не предъявлял высоких требований к компьютерам. Возможно проследить краткий исторический путь этой программы.

Circuit Designer (август 1981). Текстовый редактор описания простых линейных цепей и программы моделирования.

Micro-Cap I (сентябрь 1982г. Реализация графического ввода схем линейных и нелинейных аналоговых устройств и их моделирование. Динамическое отображение графиков характеристик в процессе моделирования.

Micro-Cap II (ноябрь 1984). Широко известная версия Micro-Cap II 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 Бейсике, но тем не менее Micro-Cap II обеспечивает достаточную точность моделирования (в рамках принятых упрощений моделей полупроводниковых приборов). Поддерживаются мониторы с высоким разрешением, сопроцессоры и вывод на плоттеры. Реализованы версии на платформах IBM PC и Macintosh.

Micro-Cap III (декабрь 1988). Программа следующего поколения Micro-Cap III переписана на языке Си, имеет великолепную управляющую оболочку, удобный графический редактор, но точность моделирования не выдерживает критики:

– погрешность расчета амплитудно-частотных характеристик изменяется от десятых долей децибела для простых схем до единиц децибел для сложных;

– групповое время запаздывания вообще не рассчитывается правильно;

– метод статистических испытаний дает непрогнозируемые результаты;

– при анализе воздействия импульсных сигналов переходные процессы приобретаю сильно осциллирующий характер, связанный с потерей устойчивости вычислительных алгоритмов.

Однако следует иметь в виду, что эти критические суждения основаны на тестировании одного экземпляра программы Micro-Cap III версии 2.01 и не носят абсолютного характера. Во всяком случае, результаты моделирования полученные с помощью Micro-Cap III, следует подвергать доскональным проверкам.

Micro-Cap IV (февраль 1992). В Micro-Cap IV используются надежные вычислительные алгоритмы SPICE 2G.6. Все ошибки, замеченные в Micro-Cap III, исправлены, 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.

Для Micro-Cap IV имеется студенческая версия, которая предназначена для моделирования простейших схем, содержащих не более 50 узлов, что вполне достаточно для студентов младших курсов и проверки несложных проектов в исследовательских лабораториях. Кроме того, в ней отсутствует программа составления математических моделей компонентов по экспериментальным данным MODEL. В профессиональной версии Micro-Cap IV допустимый объем схемы увеличен до 10 тысяч узлов, но ее стоимость гораздо выше.

Из других достоинств Micro-Cap IV следует отметить исчерпывающую встроенную помощь и возможность задания функциональных зависимостей параметров схемы (как функции времени, токов ветвей и узловых потенциалов). Причем эти возможности даже несколько шире, чем в последней версии DesignLab 8.0 (в ней нельзя сделать параметры пассивных компонентов зависящими от токов или напряжений других ветвей схемы, в этих целях приходится применять управляемые источники токов и напряжений).

Micro-Cap V версия 1.0 (август 1995). Программа Micro-Cap V претерпела радикальные изменения. Во-первых, она перведена 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. Для моделирования аналоговых компонентов оставлен алгоритм SPICE 2G.6, а для моделирования цифровых компонентов разработан собственный алгоритм.

Micro-Cap V версия 1.0 (август 1997). Основные изменения связаны с развитием многовариантного анализа. Допускается одновременно варьировать до 10 переменными и строить графики зависимостей характеристик схем о варьируемых параметрах, например, построить графики зависимости резонансной частоты и коэффициента усиления от сопротивления нагрузки усилителя. Введен режим построения 3-мерных графиков. Значительно расширена библиотека компонентов, включающая модели более 10 тысяч электрорадиоэлементов ведущих фирм.

По своим функциональным возможностям Micro-Cap V находится между профессиональной программой моделирования аналого-цифровых устройств PSpice A/D, входящей в состав пакета DesignLab 8.0, и более дешевым базовым вариантом с ограниченными возможностями PSpice A/D Basics +, что видно из таблицы 22.1. Основное отличие от DesignLab – 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 другим, выполненным в другом стиле, что затрудняет ее освоение начинающими пользователями.

Таблица 20.1