Схемотехническое моделирование. 
Проектирование печатных плат электронных устройств в САПР P-CAD

Общие сведения о процессе моделирования в P-CAD 2004

P-CAD 2004 использует модуль моделирования (Simulator) системы Altium Designer 2004 (Protel 2004). При моделировании аналоговых устройств используются алгоритмы SPICE 3f5. При моделировании цифровых устройств используется алгоритм XSPICE с описанием моделей цифровых элементов на языке Digital SimCode.

Принципиальная схема моделируемого устройства создается с помощью схемного редактора P-CAD Schematic. При выборе режима моделирования в P-CAD Schematic, данные о принципиальной схеме автоматически передаются в вид списка соединений в управляющую оболочку системы Designer для составления задания на моделирование, собственно моделирования и просмотра его результатов. Основной проблемой при моделировании является разработка моделей радиоэлементов, особенно отечественных, т. к. точность построения модели определяет адекватность моделирования.

При помощи мощного пакета Mixed-Signal Circuit Simulator можно выполнить множество схемотехнических моделирований проектов в P-CAD Shematic.

Меню моделирования состоит из двух команд: Run (Запуск) и Setup (Установки), которые позволяют управлять моделированием непосредственно в проекте после того, как были установлены критерии анализа.

Чтобы выполнять моделирование, все части, содержавшиеся в пределах проекта, должны быть моделируемы, то есть иметь модели моделирования, связанные с ними. Проект, содержащий немоделируемые части не будет моделироваться. Вместо этого будет произведена ошибочная регистрация, показывающая все ошибки, которые не позволяют моделированию проекта быть выполненным. Чтобы проверять имеет ли компонент модель моделирования, связанную с ним, используйте Library Index Spreadsheet.

Если выбрана команда Simulate > Run (Моделирование > Запуск), процесс моделирования выполнится сразу. Если была выбрана команда Simulate > Setup (Моделирование > Установки), то появится окно Analyses Setup (Установки анализа), которое позволит установить критерии исследований (рисунок 20).

Рисунок 20 — Установка параметров моделирования Критерии, которые могут быть установлены:

• — Operating Point Analysis — расчет режима работы по постоянному току (расчет «рабочей точки») при линеаризации моделей нелинейных компонентов;
• — Transient/Fourier Analysis — анализ переходных процессов и спектральный анализ
• — DC Sweep Analysis — расчет режима по постоянному току при вариации одного или двух источников постоянного напряжения или тока;
• — AC Small Signal Analysis — частотный анализ в режиме малых сигналов (для нелинейных схем выполняется в линеаризованном режиме в окрестности рабочей точки по постоянному току);
• — Noise, Pole-Zero Analysis — расчет спектральной плотности внутреннего шума;
• — Transfer Function Analysis — расчет передаточных функций в режиме малых сигналов
• — Temperature Sweep Analysis — режим изменения температуры
• — Parameter Sweep and Monte Carlo Analysis — изменение параметров элементов и статистический анализ по методу Монте Карло.

Моделирование электрической принципиальной схемы электронного устройства, созданной в схемном редакторе PCAD Schematic, может быть проведено после ряда подготовительных операций:

• 1) Из схемы исключаются компоненты, не имеющие математических моделей (разъемы, элементы коммутации и т. п.).
• 2) Из схемы рекомендуется исключить функциональные узлы, непосредственно не влияющие на результаты моделирования, или такие функциональные узлы, которые можно заменить на источники сигналов и постоянных напряжений и токов (например, генераторы тактовых частот, источники и стабилизаторы напряжений питания и т. п.). Исключение таких функциональных узлов может существенно уменьшить время моделирования схемы.
• 3) При необходимости добавляются цепи внешней коммутации схемы (элементы, подключаемые к разъемам при проведении проверок схемы и т. п.).
• 4) В схему необходимо добавить источники питания и источники, формирующие входные сигналы, а также задать необходимые параметры этих источников.
• 5) Цепи «земля» должно быть присвоено стандартное имя GND.
• 6) Цепям питания цифровых микросхем должны быть присвоены стандартные имена (обычно VCC, VDD), которые должны соответствовать именам выводов питания в компонентах микросхем.
• 7) В свойствах пассивных компонентов схемы (резисторов, конденсаторов и т. п.) на вкладке «Symbol» корректируются или задаются номинальные значения параметров этих компонентов (параметр «Value»). Для всех пассивных компонентов схемы номинальные значения их параметров должны быть заданы. Все активные компоненты схемы должны иметь атрибуты моделирования, принадлежащие категории атрибутов «Simulation».
• 8) Необходимо обеспечить наличие файлов математических моделей всех используемых в схеме компонентов, в атрибутах которых имеются ссылки на такие файлы. Файлы моделей должны размещаться в директориях, указанных в атрибутах «SimFile» этих компонентов.
• 9) Цепям, которые входят в те узлы, сигналы в которых необходимо визуально оценить после моделирования, рекомендуется присвоить уникальные имена, для удобства ссылки на них.

После подготовки схемы для моделирования рекомендуется провести ее предварительную проверку, выбрав команду «Utils > Generate Netlist» редактора PCAD и сгенерировав список соединений в формате XSpice. Если при подготовке схемы были допущены ошибки, то при генерации списка соединений список этих ошибок выводится на экран и помещается в файл .ERR. Такой проверкой отслеживаются ошибки типа «для компонента не найден файл модели», «в схеме нет цепи с именем GND» и т. п.

Для задания в моделируемой схеме напряжений питания, токов и входных сигналов, как постоянных, так и меняющихся во времени, применяются специальные компоненты, описывающие источники постоянных и переменных напряжений и токов. Эти компоненты находятся в стандартных библиотеках, поставляемых с P-CAD. Источники напряжений и токов простой стандартной формы (постоянного, периодического импульсного, синусоидальной формы), а также источники напряжений и токов произвольной формы (задаваемой кусочнолинейной аппроксимацией), находятся в библиотеке Simulation Source.lib.

Моделирование принципиальных электрических схем в P-CAD сложной формы, таких, как пачки импульсов, синусоидальные сигналы переменной частоты, последовательности прямоугольных импульсов с переменным периодом, сигналы треугольной и пилообразной формы и т. п., используются специальные компоненты, и комбинации из этих компонентов и источников сигналов простой формы.

Все источники напряжений и токов имеют позиционное обозначение «Ref Des» U. Параметры источников сигналов задаются с помощью атрибутов путем корректировки их параметров в свойствах компонентов. Наборы атрибутов определяются встроенными в систему моделями этих компонентов, поэтому добавлять и удалять любые атрибуты в компонентах источников сигналов запрещено (к сожалению, P-CAD позволяет это делать). Недопустимо также изменять имена параметров атрибутов.

Когда процесс моделирования в проекте запускается впервые, неустановленные параметры настройки исследований в окне Analyses Setup будут использоваться по умолчанию. После моделирования проект будет сохранён в файле с расширением.PrjPcb. Когда производятся какие-то изменения в окне Analyses Setup, они сохраняются в проектном файле (когда сохранены) и впоследствии обращаются при моделировании к изменённому проекту.

Spice netlist созданный из схемного документа не содержит никакой информации. Когда процесс моделирования запущен, определённые настройки исследований объединяются с schematic-generated netlist для внесения изменений в Spice netlist (DesignName_tmp.nsx). Именно этот netlist file передаётся в симулятор.

Когда процесс моделирования запущен, simulation data file будет генерироваться (DesignName_tmp.sdf) и открываться в активном окне Design Explorer. Результат моделирования будет выведен в окне Waveform Analysis как ряд закладок (рисунок 21).

Рисунок 21 — Результат моделирования Если файл проекта Design Explorer (DE) не существует, то он создаётся (в том же самом справочнике как .sch и .nsx файлы). Если он существует, то netlist file снова генерируется, а данные заменяются.

Панель проектов показывает каждый открытый проект и его учредительные файлы. Сгенерированный netlist появляется на панели под подпапкой the Mixed Sim Netlist Files. Измененный netlist (объединение netlist и устанановленной исследуемой информации) появляется в подпапке Generated Mixed Sim Netlist Files. Результат моделирования хранится в файле с расширением .sdf и появляется в подпапке Generated SimView Data Files.

Путь для произведенных файлов (DesignName_tmp.nsx и DesignName_tmp.sdf) установлен в Options tab (Options for Project dialog). По умолчанию устанавливается путь, указанный в программе, но при необходимости он может быть заменён.

Перед выполнением моделирования необходимо выбрать, какие исследования будут выполнены, сигналы, для которых будут собраны данные и какие переменные waveforms будут автоматически показаны, когда моделирование закончится. Все эти опции определены в окне Analysis Setup. Каждый тип анализа выводится на его собственной странице окна.

Только одним моделированием можно управлять в любой момент. Если моделирование запущено в DE, и попытаться управлять моделированием от схемного решения P-CAD для того же самого или другого проекта, то будет выдано сообщение, в котором сообщается, что клиент занят, необходимо повторить попытку еще раз позже.

Возможно также произвести netlist из схемного проекта, используя команду Utils > Generate Netlist. Тогда свободно можно открыть netlist в DE и управлять моделированием на более поздней стадии.

Возможно редактировать netlist файл непосредственно в DE, используя редактор Text Editor. Это особенно важно, если необходимо сделать замену, не возвращаясь к схемному решению (например, чтобы изменить значение резистора). Netlist, используемый модулятором — всегда *_tmp.nsx один. Если редактировать его непосредственно, то это будет использоваться немедленно. Если редактировать оригинал (произведенный схемным решением) netlist, то *_tmp.nsx будет восстановлен, переписывая тот, который в настоящее время существует. Если производить изменения произведенный схемным решением .nsx файл, необходимо сохранить его под другим именем, иначе он будет переписан в следующий раз, когда netlist будет произведен из схематического документа.

Настройки, которые должны быть определены для каждого элемента моделируемой части, указываются в окне Part Properties на закладке Attributes (рисунок 22).

Рисунок 22 — Окно настроек атрибутов моделируемого элемента Эти настройки включают в себя:

SimType — в готовом к моделированию компоненте первый атрибут моделирования, который описывается на закладке Attributes окна Properties.

Поле Value этого атрибута должно содержать следующую информацию: тип устройства, которое должно моделироваться, и префикс его позиционного обозначения согласно стандарту SPICE.

Синтаксис: ().

Тип устройства и префикс позиционного обозначения должны соответствовать стандартному SPICE — соглашению.

SimModel — в готовом к моделированию компоненте второй признак моделирования, который описывается на закладке Attributes окна Properties.