Анализ основных возможностей пакета программ схемотехнического моделирования

Мировым лидером в области автоматизации схемотехнического проектирования можно считать программу SPICE. Она была разработана в университете Беркли, США, в 1972 г. Различные версии этого алгоритма были в разное время заимствованы производителями программного обеспечения для использования в своих продуктах, и в настоящее время под этим названием известен ряд программ различных фирм. В силу применения единого вычислительного алгоритма программы различных производителей представляют собой по большому счету всего лишь графические оболочки, предоставляющие пользователю доступ к функциям программы SPICE, а также некоторые дополнительные возможности обработки полученных данных. Первая версия этой программы для персональных компьютеров PSpice создана в 1985 г. В типовой набор методов анализа входят статический, динамический и частотный виды анализа, смешанное логико-аналоговое моделирование, температурный и шумовой анализы, расчет на наихудший случай и статистический по методу Монте-Карло, спектральный анализ, максимизация быстродействия (оптимизируется до 8 параметров). В логической части реализовано событийное моделирование, выявляются риски сбоя, рассчитываются зависимые от нагрузки задержки. Программа характеризуется богатым набором математических моделей компонентов, включая модели магнитных элементов с учетом насыщения и гистерезиса, длинных линий с учетом задержек, отражений, потерь и перекрестных помех, взаимодействия аналоговой и цифровой частей и др. Библиотека открыта для включения моделей пользователя, имеются соответствующие инструментальные средства пополнения библиотеки.

CircuitMaker 2000 — простейшая система моделирования фирмы Microcode Engineering (ныне принадлежит компании Protel), в которой приняты модели компонентов стандарта SPICE.

Программа содержит обширную библиотеку моделей промышленных изделий электронных компонентов с возможностью оперативного просмотра их основных характеристик .

Программа позволяет достаточно оперативно подготавливать электрические схемы аналоговых, цифровых или смешанных аналого-цифровых устройств и проводить их моделирование с получением результатов в виде осциллограмм сигналов и графиков частотных характеристик; возможно получение точных отсчетов с помощью вертикальных и горизонтальных визирных линий; позволяет контролировать режим по постоянному току в выбранных точках схемы. Отличительной особенностью программы является наличие анимационных компонентов, призванных имитировать конечный результат работы схемы, а также наличие учебного пособия в демонстрационном режиме. Она интегрируется с программой разработки печатных плат TraxMaker.

Electronics Workbench 5 — разработка фирмы Interactive Image Technologies. Позволяет моделировать аналоговые, простые цифровые и аналого-цифровые схемы электронных устройств, устройств автоматики, электромеханических устройств, а также схем, состоящих из функциональных блоков с заданными передаточными функциями. Имеется обширная библиотека моделей аналоговых и цифровых устройств, включая модели интегральных схем и полевых транзисторов. Есть возможность создавать и редактировать принципиальную схему, подключать измерительные приборы и выполнить указанные ниже виды анализа, возможность подключения в схему измерительных приборов, по внешнему виду и характеристикам приближающихся к промышленным образцам, является одной из отличительных особенностей программы. В качестве контрольно-измерительных приборов можно использовать мультиметр, осциллограф, измеритель АЧХ и ФЧХ, логический анализатор, логический преобразователь, функциональный генератор. Программа позволяет имитировать отказы компонентов в виде разрыва, короткого замыкания, наличия переходного сопротивления.

Реализованы следующие виды анализа:

DC-анализ (режимы работы по постоянному току);

АС-анализ (АЧХ и ФЧХ);

анализ переходных процессов;

многовариантный анализ по постоянному току;

Фурье-анализ и анализ спектра внутренних шумов;

анализ нелинейных и интермодуляционных искажений;

анализ при вариации параметров схемы и температуры;

расчет нулей и полюсов передаточных функций;

расчет относительной чувствительности характеристик схемы к изменению параметров выбранного элемента;

расчет на наихудший случай;

статистический анализ методом Монте-Карло.

Пользователю программы дается возможность настройки параметров анализа:

— выбор метода численного интегрирования;

• -задание величин относительной и абсолютной погрешности вычислений;
• -задание минимальной проводимости ветвей; изменение величины шага и числа итерации при статистическом анализе.

В конце 1998 г. программа Electronics Workbench 5.3 дополнена простейшей программой разработки печатных плат EWB Layout (Multiboard), причем интерфейс с другими известными САПР печатных плат не предусмотрен, и затем серией программ Multisim 2001, Ultiboard 2001, Ultiroute и Commsim 2001.

Первая из них позволяет осуществлять SPICE, VНDL, Verilog и смешанное моделирование, две другие программы выполняют размещение и трассировку соединений на платах, имеющих до 32 слоев.

Multisim 2001 поступает к заказчику с полной базой компонентов. Каждый из 16 000 компонентов включает имитационную модель, схематический символ, электрические параметры и макет для разводки. Для программы создан информационный ресурс Интернета с более чем 12-ю миллионами компонентов, дающий пользователям быстрый и простой доступ к центру конструирования (Design Center), наибольшой базы данных по электронным компонентам. Программа имеет модуль для редактирования, импорта или создания новых компонентов.

OrCAD 9.2 / 10- интегрированный программный комплекс для сквозного проектирования аналоговых, цифровых и смешанных аналого-цифровых устройств, синтеза устройств программируемой логики и аналоговых фильтров. Выпущен корпорацией Cadence Design Systems (бывшая DesignLab), в которую в 1999 г. влились прежние разработчики программы — компании MicroSim и OrCAD. Проектирование начинается с ввода принципиальной схемы, ее моделирования и оптимизации и заканчивается созданием управляющих файлов для программаторов, разработкой печатной платы и выводом управляющих файлов для фотоплоттеров и сверлильных станков. Основные модули системы:

OrCad Capture — управляющий модуль. При помощи этого модуля создаются принципиальные схемы проектов разного типа. При синтезе ПЛИС и моделировании цифровых устройств этот модуль работает с модулем OrCad Express. При моделировании аналоговых или аналого-цифровых устройств он работает с модулем PSPICE, при параметрической оптимизации — совместно с модулем PSPICE Optimizer, при разработке печатных плат — с модулем OrCad Layout;

OrCad Capture Cis (Component Information System) — модуль для создания принципиальных схем с поддержкой Internet. Зарегистрированный пользователь получает доступ к каталогу из 200 000 компонентов ведущих фирм-производителей;

OrCAD PSpise — модуль моделирования аналоговых и цифровых устройств. Позволяет рассчитывать режимы по постоянному току, чувствительность характеристик к вариации параметров компонентов, передаточные функции, частотные, фазовые и шумовые характеристики, переходные процессы, проводить спектральный анализ, статистические испытания по методу Монте-Карло, многовариантный анализ, параметрическую оптимизацию.

Protel DXP — интенсивно развивающаяся система сквозного проектирования аналоговых и цифровых электронных устройств фирмы Protel. Позволяет проводить все виды анализа из стандартного набора, предлагаемого любыми программами на базе ядра SPICE. По своим функциональным возможностям приближается к системе OrCAD. Позволяет выполнять проектирование аналоговых и аналого-цифровых устройств, в том числе задаваемых многостраничными принципиальными схемами иерархической структуры и схемами, содержащими самые современные ПЛИС, производить размещение (компоновку/трассировку) печатных плат с применением различных программ автотрассировки, проводить анализ целостности сигналов.

View Analog изначально был разработан компанией ViewLogic, а впоследствии вошел в состав пакета eProduct Designer компании Innoveda. Модуль имеет стандартный набор функций моделирования смешанных аналого-цифровых устройств на базе алгоритма SPICE, но он настолько тесно интегрируется с продуктами семейства Fusion, что позволяет моделировать поведение программируемой логической схемы, описанной на языках VHDL, Verilog, Abel, в окружении аналоговых компонентов.

Примером отечественных программ схемотехнического анализа могут служить версии программ ПА: версия ПА 7, в которой наряду с видами анализа, обычными для программ анализа электронных схем, реализовано моделирование механических, гидравлических, тепловых процессов, и последняя версия ПА 9, написанная на языке Java и ориентированная на использование в распределенных системах проектирования.

Micro-Cap разработка фирмы Spectrum Software.

MicroCAP — это универсальный пакет программ схемотехнического анализа, предназначенный для решения широкого круга задач. Характерной особенностью этого пакета, впрочем, как и всех программ семейства, является наличие удобного и дружественного графического интерфейса, что делает его особенно привлекательным для непрофессиональной студенческой аудитории. Несмотря на достаточно скромные требования к программно-аппаратным средствам ПК, его возможности достаточно велики. С его помощью можно анализировать не только аналоговые, но и цифровые устройства. Возможно также и смешанное моделирования аналого-цифровых электронных устройств, реализуемое в полной мере опытным пользователем пакета, способным в нестандартной ситуации создавать собственные макромодели, облегчающие имитационное моделирование без потери существенной информации о поведении системы.

От младших представителей своего семейства MicroCAP-8 отличается более совершенными моделями электронных компонентов разных уровней (LEVEL) сложности, а также наличием модели магнитного сердечника. Это приближает его по возможностям схемотехнического моделирования к интегрированным пакетам DESIGNLAB, ORCAD, PCAD2002 — профессиональным средствам анализа и проектирования электронных устройств, требующим больших компьютерных ресурсов и достаточно сложных в использовании.

Пакеты программ схемотехнического моделирования и проектирования семейства Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program — «Программа анализа схем на микрокомпьютерах») фирмы Spectrum Software относятся к наиболее популярным системам автоматизированного проектирования (САПР) электронных устройств. Последние версии Micro-Cap (далее МС), обладая большими сервисными возможностями, позволяют выполнять графический ввод и редактирование проектируемой схемы, проводить анализ характеристик аналоговых, цифровых и смешаных аналого-цифровых устройств. С помощью МС можно осуществить анализ электрических схем по постоянному току, рассчитать переходные процессы и частотные характеристики проектируемых схем, провести оптимизацию параметров схемы. Программы МС имеют средства синтеза пассивных и активных аналоговых фильтров, средства моделирования функциональных схем аналоговых и цифровых устройств, обладают возможностями построения 3-мерных графиков результатов моделирования и многое другое.

Основные возможности программы Micro-Cap 9:

• 1. Возможности графического редактора схем:
• 1) построение принципиальных и функциональных электрических схем при помощи встроенного графического редактора с использованием библиотеки условных графических обозначений (УГО) электронных компонентов, а также создание собственных УГО с помощью встроенного редактора УГО Shape Editor;
• 2) номиналы элементов и параметры моделей компонентов могут быть как постоянными, так и выражаться с помощью математических функций через параметры других элементов, состояния схемы (напряжения в узлах или токи через элементы), а также зависеть от температуры, времени и частоты;
• 3) использование для повышения наглядности анимированных элементов (светодиоды, семисегментные индикаторы, измерители уровня, реле, переключатели и др.), которые изменяют свое состояние непосредственно в режиме анализа схемы в соответствии с поступающими на них управляющими сигналами или действиями пользователя;
• 4) нанесение текстовых надписей на поле принципиальной схемы, добавление к принципиальной схеме рамки и штампа с основными сведениями о схеме, построение различных геометрических фигур, используемых для выделения законченных функциональных блоков;
• 5) размещение на поле принципиальной схемы (или в специальном текстовом окне) текстовых директив управления моделированием, задания параметров моделей, задания глобальных параметров моделирования;
• 6) возможность отображение номеров узлов принципиальной схемы, присваиваемых графическим редактором при вводе схемы;
• 7) возможность выбора показываемых атрибутов компонента электронной схемы: номинального значения, наименования выводов, позиционного обозначения, параметров и имени макромодели, пользовательских атрибутов и пр.;
• 8) возможность показа концов выводов компонентов для выявления отсутствия соединения между ними;
• 9) использование координатной сетки с различным шагом, показ которой можно включать/отключать;
• 10) возможность использования «растягивающихся проводов», не нарушающих электрические соединения при перемещении компонентов принципиальной схемы;
• 11) возможность поиска компонента на принципиальной схеме по заданному признаку, расстановка меток (флагов) на принципиальной схеме большого размера для быстрой навигации по схеме, масштабирование изображения принципиальной схемы на экране (увеличение, уменьшение);
• 12) возможность изменения цветовых и шрифтовых параметров отображения элементов схем отдельно по элементам или перед началом ввода для всей принципиальной схемы.

Моделирование:

• 1. Transient Analysis — анализ переходных процессов в схемах при подаче напряжения питания и (или) воздействия (воздействий) произвольной формы с построением графиков переменных состояния схемы и их функций: зависящих от времени; зависящих друг от друга; разложенных в ряд Фурье по гармоническим составляющим;
• 2. AC Analysis — анализ малосигнальных частотных характеристик схемы (линеаризованной в окрестности режима по постоянному току при воздействии на нее одного или нескольких источников гармонического сигнала с постоянной амплитудой и меняющейся частотой. При этом возможен вывод следующих графиков: зависимости комплексных значений переменных состояния (амплитуда, фаза, групповая задержка) от частоты в линейном, логарифмическом масштабах; зависимости составляющих комплексных величин переменных состояния друг от друга (например, построение годографа); зависимости спектральных плотностей напряжений шума, приведенных к указанным входному и выходному узлам, от частоты;
• 3. DC Analysis — анализ передаточных характеристик по постоянному току. Возможно проведение анализа при изменении двух входных переменных, что позволяет строить на графике семейства характеристик устройства (например, семейство выходных характеристик биполярного транзистора);
• 4. Dynamic DC Analysis — динамический анализ схемы по постоянному току с отображением на схеме (по выбору) напряжений, токов, мощностей, состояний полупроводниковых приборов при «ручном» изменении величин источников ЭДС, тока, сопротивлений резисторов;
• 5. Dynamic AC Analysis — динамический малосигнальный анализ схемы по переменному току (линеаризованной в окрестности рабочей точки по постоянному току) с показом на схеме величин комплексных переменных состояния схемы при различных частотах (задаваемых списком) при «ручном» изменении величин пассивных компонентов (резисторы, индуктивности, конденсаторы);
• 6. Sensitivity Analysis — расчет чувствительностей в режиме по постоянному току. В этом режиме рассчитываются чувствительности одной или нескольких выходных переменных к изменению одного или нескольких входных параметров (частные производные по входным параметрам). В качестве входных изменяемых параметров для этого вида анализа могут выступать все параметры моделей, величины пассивных компонентов, символьные параметры;
• 7. Transfer Function Analysis — расчет малосигнальных передаточных функций в режиме по постоянному току. Рассчитывается отношение измеренного изменения заданного пользователем выходного выражения к вызвавшему это изменение малому возмущению заданного пользователем входного источника постоянного напряжения (тока). При этом автоматически рассчитываются входное (относительно клемм входного источника) и выходное (относительно узлов выходного напряжения) сопротивления схемы на постоянном токе;
• 8. Distortion Analysis — расчет нелинейных искажений усилительных схем с использованием математического аппарата спектрального Фурье-анализа. Фактически в этом режиме запускается анализ переходных процессов при гармоническом воздействии на входе схемы и используются функции спектрального анализа для выходной переменной для расчета нелинейных искажений;
• 9. Probe Analysis — использование графического постпроцессора PROBE, позволяющего получать различные характеристики моделируемой схемы без перезапуска того или иного вида анализа.
• 10. Stepping — многовариантный анализ, при котором могут изменяться номиналы простых компонентов, величины параметров моделей компонентов, значения символьных переменных с линейным и логарифмическим шагом с возможностью выбора одновременного изменения до 20 параметров или организации до 20 вложенных циклов. Имеется возможность автоматической подписи на выходных графиках каждого варианта анализа. При использовании многовариантного анализа актуально 3D-моделирование, вызываемое из меню применяемого вида анализа. При этом по оси Z откладывается значение варьируемого параметра и в пространстве строится поверхность, на которой лежат все кривые многовариантного анализа;
• 11. Performance Window — возможность построения графиков зависимости определенного ряда характеристик функций схемы (функции Performance), таких как длительность нарастания/спада импульса, глобальный или локальный максимумы/минимумы, значение функций в заданных точках, ширина импульса по заданному уровню, период или частота колебаний и т. п. (всего имеется 23 функции Performance), от значения варьируемого параметра компонента или модели при многовариантном анализе;
• 12. Optimize — параметрическая оптимизация схемы путем подбора номиналов или параметров модели указанных компонентов для достижения заданных значений функций Performance;
• 13. Monte-Carlo — многовариантный анализ Монте-Карло при статистическом разбросе параметров компонентов с возможностью вывода гистограмм распределения характеристик заданной функции по интервалам значений; автоматизированный проектирование схемотехнический моделирование