Electronics NTB – vědeckotechnický časopis – Electronics NTB – program SimOne. Moderní prostředky simulace obvodů

Programy pro simulaci obvodů se staly nepostradatelnými pomocníky pro elektronické inženýry. Většina komerčních programů je založena na algoritmech SPICE, klasickém simulátoru elektronických obvodů, který se stal de facto průmyslovým standardem pro modelování a ověřování elektronických obvodů.
Simulační program obvodů SimOne od společnosti EREMEX využívá jak klasické algoritmy SPICE, tak i další.
přesné a rychlé moderní metody výpočtu elektrických obvodů.

Program SPICE (Simulační program s důrazem na integrované obvody) byl vyvinut v elektronické výzkumné laboratoři Kalifornské univerzity v Berkeley v 70. letech minulého století. Tento a podobné programy se vyznačují nejvyšší přesností a spolehlivostí v modelování obvodů. Modelovací algoritmy SPICE se osvědčily již téměř 20 let a umožňují výpočet analogových, digitálních a digitálně-analogových elektrických obvodů.
Společnost „EREMEX“ v současné době připravuje vydání beta verze programu pro návrh a modelování elektronických obvodů SimOne. Tento program je schopen provádět všechny hlavní typy obvodové analýzy, které jsou vlastní modelování SPICE, a na rozdíl od svých analogů umožňuje analýzu stability obvodu (Stability Analysis).
V režimu analýzy přechodových jevů je uživateli nabídnuta Rosenbrockova metoda pro integraci rovnic obvodu.
čtvrtého řádu. Tato metoda je nejlepší metodou pro výpočet velkých obvodů. S velkým počtem rovnic bude rychlost získání řešení v kroku výpočtu a přesnost tohoto řešení výrazně vyšší než u metod SPICE.

Při výpočtech s využitím tradičních SPICE modelovacích metod pro ozubené kolo, lichoběžníky a Eulerovu funkci se používá kódový maticový procesor – softwarová implementace sady algoritmů, které zohledňují vlastnosti matic v sérii podobných výpočtů. Tato technologie se také používá ve frekvenční analýze (AC analýza) k řešení soustav algebraických rovnic s komplexními čísly. Použití kódového maticového procesoru výrazně zvyšuje rychlost výpočtů.
Analýza stability obvodu v blízkosti pracovního bodu se provádí na základě Michajlovova kritéria. Na základě výsledků analýzy se sestrojí Michajlovův hodograf a vyvodí se závěr o stabilitě obvodu. Vývojář tak má možnost určit vhodnost obvodu již ve fázi výběru pracovního bodu.
Řada výpočtů – teplotní a vícerozměrná analýza, výpočet a konstrukce stejnosměrných přenosových funkcí a frekvenční analýza – se provádí s využitím architektury vícejádrového procesoru. Spuštění jakéhokoli typu výpočtu nenarušuje další práci s obvodem a paralelní modelování.
Pro vytvoření schématu zapojení simulovaného zařízení se používá editor obvodů SimOne. Řeší všechny hlavní úkoly spojené se zadáváním a úpravou schémat zapojení:
umístění prvků schématu elektrického zapojení;
pokládání řetězů;
úprava parametrů elementů;
změna polohy prvků na diagramu (posun, otáčení) při zachování integrity obvodů;
vyhledávání podle schématu – podle názvů prvků a obvodů nebo podle jejich parametrů;
automatické rozšiřování prvků a spojení při vkládání nových prvků nebo úseků řetězce do obsazeného prostoru;
vytváření a opětovné použití hierarchických bloků – subobvodů;
nastavení parametrů simulace, spuštění simulace atd.
Pro zobrazení výsledků simulace se používá modul grafické vizualizace, který umožňuje zpracování vypočítaných dat – vykreslení požadovaných funkcí (proudy, napětí, výkony a jejich funkce), vykreslení parametrických grafů, získání měření a jejich vizualizaci. Výsledky měření lze exportovat do Excelu, Maple a Matlabu.
Níže uvedeme příklady práce s
SimOne.

Vytvořte schéma
Chcete-li vytvořit nový soubor schématu, vyberte v nabídce „Soubor“ příkaz „Vytvořit“ – „Schéma“.
Pomocí položek nabídky „Přidat“ – „Prvek“ se do schématu přidají prvky (obr. 1). Poté je nutné prvky propojit vodiči pomocí příkazu nabídky „Přidat“ – „Připojení“.
Parametry modelů prvků se nastavují v odpovídajícím dialogovém okně, které se vyvolá dvojitým kliknutím na požadovaný prvek (obr. 2).
Signály pro nezávislé zdroje napětí a proudu se vytvářejí pomocí speciálního editoru signálů (obr. 3) a v budoucnu existují nezávisle. Uživatel má možnost rychle změnit signál na zdroji, který potřebuje.
Jakmile je obvod napsán a parametry prvků a signálů nastaveny, můžete začít s modelováním. Při vytváření simulace není nutné ihned specifikovat její název a umístění na disku. To lze provést libovolně, protože uživatel má možnost spustit testovací simulaci a v případě potřeby po obdržení výsledků uložit její výsledky a parametry.

Analýza stability obvodu
Pro analýzu stability byste měli zvolit
v nabídce „Simulace“ – „Analýza stability“.
V zobrazeném dialogovém okně (obr. 4) je třeba nastavit parametr „Vytvořit Michajlovův hodograf“ a kliknout na tlačítko „Start“.
Program nejprve vypočítá pracovní bod obvodu, linearizuje obvod v tomto bodě a poté provede kontrolu stability obvodu v blízkosti pracovního bodu na základě Michajlovovy metody. Na základě výsledků analýzy program vyvodí závěr o stabilitě obvodu a v informačním okně vykreslí graf Michajlovova hodografu s předem zadaným rozsahem a počtem výpočtových bodů. Graf je vykreslen v normalizované logaritmické stupnici.
Simulovaný obvod předselektoru decimetrových vln, znázorněný na obr. 2–4, je stabilní, pokud je odpor rezistoru R4 menší než 1,1 kOhm (obr. 5, 6).
Řád studovaného obvodu (počet vlastních frekvencí) je 18, tj. je relativně malý. V takových případech může uživatel snadno vyhodnotit stabilitu obvodu samostatně pomocí grafu. U velkých obvodů je takové vizuální posouzení obtížné. Například řád logaritmického zesilovače obsahujícího více než 50 tranzistorů s arsenide-galliem řízeným polem (obr. 7) je 132. Pro přehlednost a snadnost použití je obvod zesilovače rozdělen na dílčí obvody K1…K7 (obr. 8). Výsledky studie stability tohoto obvodu jsou znázorněny na obr. 9.
Časová analýza obvodu
Dialogové okno simulace v režimu časové analýzy se spouští příkazem nabídky „Simulace“ – „Časová analýza“ (obr. 10).
V okně nastavení parametrů simulace se nastaví interval výpočtu, maximální integrační krok a vyberou se proměnné, které se mají vypočítat. Proměnné lze zadat jako textové výrazy nebo jednoduše kliknutím na prvky a vodiče a specifikovat typ požadované proměnné (proud, napětí, výkon) v rozbalovacích dialogových oknech.
V záložce „Nastavení“ (obr. 11) dialogového okna simulace můžete vybrat metodu integrace a nastavit standardní nastavení SPICE, jako například RELTOL, ABSTOL, ITL1 atd. Používají je jak algoritmy SPICE, tak i originální algoritmy.
Na kartě „Časová analýza“ vyberte „Vypočítat provozní bod“ a zaškrtněte políčko vedle „Kontrola stability v provozním bodě“. Po spuštění program nejprve vypočítá provozní bod obvodu, poté zkontroluje jeho stabilitu a poté přejde k samotné časové simulaci. Stavový řádek a grafy funkcí sestavených během simulace uživateli zobrazují procento provedených výpočtů. Informační panel ve spodní části okna programu informuje uživatele o provedených operacích a aktuálním stavu výpočtu (obr. 12).
Analýza časování velkých obvodů může trvat velmi dlouho. SimOne používá vícejádrové procesory a umožňuje uživateli pokračovat v práci s obvodem bez přerušení nebo zastavení výpočtu proudu. Můžete například spustit výpočet časování s různými parametry obvodu nebo spustit simulaci frekvence.
* * *
Simulační program obvodů SimOne tak umožňuje plnohodnotnou SPICE simulaci elektronických obvodů s využitím moderních simulačních algoritmů spolu s klasickými. Program efektivně využívá zdroje moderních počítačů, podporuje vícejádrové procesory a umožňuje využít výkon grafického akcelerátoru k provádění výpočtů.
SimOne je v současné době samostatný modelovací balíček, ale integrace s TopoR CAD je plánována v blízké budoucnosti. ⦁