Modelování a simulace elektronických systémů
Elektronické systémy Řídicí obvody, obvody pro úpravu signálu, polovodičové měniče, elektromotory Modelování a simulace Obvodových veličin
Chování systémů
OrCAD/PSPICE
MATLAB/SIMULINK
Modelování, analýza, simulace • Modelování je proces popisování reality omezenými prostředky, které máme k dispozici. Výsledkem je model originálního objektu. • Analýza je jednorázová činnost, kdy zkoumáním modelu se pokoušíme zjistit určitou vlastnost originálu. Příklad analýzy: Výpočet klidového stejnosměrného proudu odebraného z napájecího zdroje tranzistorového zesilovače.
• Simulace je činnost, kdy analýzou modelu se pokoušíme o získání co nejvěrnějšího obrazu chování originálu za přesně stanovených podmínek. Příklad simulace: Zkoumání vlivu kolísání teploty v mezích od 0°C do 100°C na výše uvedený proud.
Vznik standardu PSpice 1971 - student „University of California“, Berkeley, USA vytvořil program SPICE1 (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Program umožňoval analýzu dějů v obvodech, obsahujících zejména bipolární a unipolární tranzistory. Protože program byl v podstatě volně šiřitelný, stal se brzo standardním simulačním nástrojem pro elektrotechnické úlohy. 1975 - představena verze SPICE2 s podstatně zdokonalenými modely i numerickými algoritmy SPICE3 - přepis SPICE2 do jazyka „C“ pro chod na výkonných Unixových pracovních stanicích S růstem výkonnosti počítačů PC došlo k přepisování unixových programů na programy spustitelné na PC → PC + SPICE = PSPICE (1984 - DOS) Tak vznikl standard PSpice.
„SPICE-like“ a „SPICE-compatible“ •
„Spice-like“ znamená, že simulátor je schopen generovat podobné výsledky analýzy jako SPICE, avšak nemusí být schopen číst standardní vstupní soubory SPICE. MicroCap, TINA, SABER apod.
•
„Spice-compatible“ - simulační programy, které dokáží číst standardní vstupní soubory SPICE, provádět klasické SPICE analýzy, a generovat výsledky v standardním SPICE2G.6 tvaru. PSpice, HSpice, WINSpice, MicroCap od verze IV, Electronics Workbench, a další.
Typická struktura simulačního programu založeného na PSpice
Schéma, vstupní soubor, netlist, simulace
Základní typy analýz • Stejnosměrný pracovní bod (Bias Point) • Stejnosměrná analýza (DC Sweep) • Střídavá analýza (AC Sweep) • Analýza v časové oblasti (Transient)
+ doplňující analýzy
Analýza stejnosměrný pracovní bod (Bias Point) • Stejnosměrná přenosová funkce Výpočet stejnosměrného malosignálového přenosu, vstupního a výstupního odporu v obvodu linearizovaném v pracovním bodu.
• Citlivostní analýza Výpočet citlivosti stejnosměrného pracovního bodu na parametry rezistorů, nezávislých zdrojů, spínačů, diod a tranzistorů.
Stejnosměrná analýza (DC Sweep) Analýza DC pracovního bodu obvodu v závislosti na rozmítaném (krokovaném) parametru. Pro účely DC analýzy se ignorují setrvačné prvky - induktory se nahradí zkratem, kapacitory se neuvažují. Uplatní se všechny zdroje s nastaveným parametrem DC.
Střídavá analýza (AC Sweep) Analýza počítá ustálenou odezvu na malý harmonický signál obvodu linearizovaného v pracovním bodu. Rozmítanou veličinou je kmitočet.
Analýza je prováděna ve třech krocích: 1. Výpočet stejnosměrného pracovního bodu. 2. Linearizace obvodu v pracovním bodu. 3. Výpočet odezvy na harmonický signál pomocí operátorového počtu (jω).
Analýza v časové oblasti (Transient) Analýza obvodu v časové oblasti. Pro výpočet se uplatní časové specifikace zdrojů, které mají přednost před nastavením DC parametrů.
Může být rovněž provedena spektrální analýza (Fourier Analysis)
Doplňkové analýzy K základním analýzám mohou být aktivovány doplňkové, které využívají jejich výsledků. • Krokování parametru (Parametric Sweep) • Teplotní analýza (Temperature (Sweep)) • Statistická a toleranční analýza (Monte Carlo/Worst Case)
Statistická a toleranční analýza Monte Carlo/Worst Case Reálné součástky - rozptyl parametrů kolem nominální hodnoty. Analýza Monte Carlo vybírá parametry náhodně z tolerančního intervalu. Pro každý výběr se stanoví hledaná funkce obvodu. Tak je možné odhadnout, v jakém intervalu bude ležet sledovaná funkce.
Analýza Worst Case hledá takové rozložení hodnot parametrů součástek v rámci tolerančních intervalů, které znamená nejhorší možnou hodnotu sledované veličiny.
Procesy při základních typech analýz
Základ většiny analýz stejnosměrný pracovní bod - DC Bias Point 1.
vyřazení všech akumulačních prvků z obvodu
2.
vyřazení všech střídavých signálových zdrojů z činnosti
Model nesetrvačného nelineárního obvodu bez signálového buzení, který je popsán soustavou nelineárních algebraických rovnic. Řešení numerickou iterační metodou (Newtonova-Raphsonova iterační metoda)
Hledání kořene nelineární rovnice Newtonovou metodou
Počáteční podmínky simulace (první odhad řešení) mohou ovlivnit, který z existujících pracovních bodů bude nalezen.
Programový balík OrCAD
Capture
• • • •
editor schématu editor schematických značek knihovny součástek CIS nadstavba
PSpice A/D
• • •
analogové a číslicové simulace model editor stimulus editor
Layout (PCB Designer)
• •
práce s knihovnami pouzder návrh plošných spojů
SPECCTRA, Allegro
•
interaktivní routing, autorouting
GerbTool, IntelliCAD
• •
zpracování výrobních dat mechanický editor
Začátek práce v OrCAD Capture - založení nového projektu Spustíme OrCAD Capture vybereme nový projekt
pojmenujeme nový projekt a cestu, kde bude uložen, OK
nezakládat projekt na bázi již existujícího projektu, OK
Okno schématického editoru
project manager zoom zobrazování U, I, P prac. bodu měřicí sondy (markers) spouštění simulace založení (editace) simulačního profilu zrychlené vkládání součástek aktivní simulační profil součástka (P) vodič (W) jméno uzlu (N) uzemnění (G) Vkládání objektů na plochu: hierarchický blok text (T)
Vkládání součástek Place Part Vybraná součástka
Přidání knihovny Obsah aktivní knihovny
Odstranění knihovny Hledání součástky
Aktivní knihovna Vybrané knihovny Součástka má model pro PSpice
Součástka má pouzdro pro PCB
Editace parametrů součástky
filtr
záměna řádků za sloupce (dvojklik)
V4 FREQ = 1000 VAMPL = 10 VOFF = 2
Zadávání hodnot
Na velikosti (písmen) nezáleží 2200 … 2k2 … 2.2k … 2.2K
100n … 100N ... 0.1u
Pozor! Nezaměňovat mili a mega ! 10M = 10m = 0.01
10meg = 10 000 000 = 0.01G
Mezi číslem a příponou nesmí být mezera!
33k - správně
Označení fyzikální jednotky není povinné
100n … 100nF
33 k - špatně
Zadávání hodnoty mat. výrazem ve složených závorkách {R5*2+1000}
{PARAM}
{LOG(V1)}
Propojování součástek • • • •
Vodičem (Wire) Pomocí návěští (Net Alias) Pomocí napájecích svorek (Power, Ground) Propojení pomocí sběrnic (Bus)
Zásady pro kreslení schémat Všechny zdroje (napájecí i budicí) i ostatní součástky se musí definovat ve schématu jakoby se jednalo o skutečné zapojení pro měření v laboratoři. PSpice požaduje, aby každý uzel měl definovanou stejnosměrnou cestu k referenčnímu uzlu 0. Z toho vyplývá, že alespoň jeden uzel obvodu musí být referenční, definovaný značkou (důležité je jméno “0“). 0
Volně ponechaný vývod součástky způsobí obvykle chybu. Častou příčinou chyb je několik součástek umístěných nad sebou tak, že se překrývají. Hodnota prvků R, C, L nesmí být nulová ! Významné uzly obvodu (vstup, výstupy,...) bychom měli pojmenovat. V postprocesoru pak máme k dispozici napětí uzlu jako proměnnou v(jméno uzlu). Chybová hlášení je možno najít v okně Session Log, nebo ve výstupním souboru Output File.
Project manager Diskový soubor s názvem projektu Schéma obsahující jednu stránku
Seznam použitých schématických značek
Výstupní soubory Netlist Simulační profily Aktivní nastavení analýzy
OrCAD Capture Session Log
Project Manager Schematic Page
