protel4.pdf

12/99

Programy komputerowe

Protel Design Explorer 99 cz. 4

Tabela 1 – Przedrostki stosowane

w zapisie liczbowym

Po zmaganiach z rysowaniem sche-

matów oraz projektowaniem p³ytek przy-

sz³a kolej na modu³ symulacji. Zachêcam

do dok³adnego zapoznania siê z nim za-

równo doœwiadczonych elektroników, jak

i tych zupe³nie pocz¹tkuj¹cych. Dla

pierwszej grupy osób bêdzie on doskona-

³ym narzêdziem pozwalaj¹cym na spraw-

dzenie poprawnoœci pracy bardziej

skomplikowanych uk³adów i wykrycie

b³êdów jeszcze podczas tworzenia sche-

matu ideowego. Mo¿liwoœæ obserwacji

przebiegów w dowolnym miejscu uk³adu

pomo¿e pocz¹tkuj¹cym elektronikom

w zrozumieniu zasady dzia³ania zupe³nie

podstawowych uk³adów.

suj¹cego sposób jego dzia³ania. Mo¿liwe

s¹ do przeprowadzenia symulacje analo-

gowe, cyfrowe lub analogowo-cyfrowe.

Jeœli stworzyliœmy uk³ad z³o¿ony

z elementów biblioteki Sim.ddb , to do

przeprowadzenia symulacji pozostaj¹

nam ju¿ tylko trzy proste kroki:

1. Do³¹czamy do uk³adu odpowiednie

Ÿród³a sygna³ów (np. sinusoidalne);

2. Okreœlamy punkty obwodu w których

chcemy obserwowaæ przebiegi;

3. Konfigurujemy symulator

Przed rozpoczêciem symulacji bar-

dzo wa¿n¹ rzecz¹ jest opisanie ka¿dego

elementu niepowtarzaln¹ nazw¹ ( Desi-

gnator ). Zwykle dla uk³adów scalonych

stosuje siê nazwy U1, U2... , dla rezysto-

rów R1, R2... itd. Nie wykonanie tej

czynnoœci spowoduje, ¿e kilka elemen-

tów bêdzie posiada³o tak¹ sam¹ nazwê,

co doprowadzi do powstawania b³êdów

podczas symulacji. Automatyczne nume-

rowanie elementów mo¿emy wykonaæ

dziêki opcji Menu/Tools/Annotate ... .

Podczas definiowania wartoœci ró¿-

nych elementów spotkamy siê z koniecz-

noœci¹ wpisywania liczb bardzo du¿ych

lub bardzo ma³ych. Mo¿emy wykonaæ to

na kilka sposobów.

Przyk³adowo zapisy:

1000 , 1000.0 , 1000Hz , 1e3 , 1.0e3 ,

1KHz i 1K reprezentuj¹ t¹ sam¹ liczbê

równ¹ 1000.

Nale¿y pamiêtaæ aby zapisywaæ je

jednym ci¹giem znaków, nie wstawiaj¹c

pomiêdzy litery i cyfry znaków spacji.

Wszystkie mo¿liwe do zastosowania lite-

Symbol

Mno¿nik

10 12

10 9

Meg

10 6

10 3

mil

25,4 –6

10 –3

10 –6

10 –9

10 –12

10 –15

ry i odpowiadaj¹ce im mno¿niki zesta-

wiono w Tabeli 1.

Zdefiniowane Ÿród³a sygna³ów znaj-

duj¹ siê tak¿e w bibliotece Sim.ddb

w zbiorze Symulation Symbols.lib . Na-

tomiast najprostsze z nich, takie jak

Ÿród³a napiêæ sta³ych, sinusoidalnych

i prostok¹tnych mo¿emy znaleŸæ w Me-

nu/Simulate/Sources> . Posiadaj¹ one

zdefiniowane wszystkie parametry (nale-

¿y tylko wype³niæ pole Designator ) i do-

skonale nadaj¹ siê do przeprowadzenia

pierwszych prób z symulatorem.

W celu zaprezentowania mo¿liwoœci

modu³u symulacji wybra³em jeden z go-

towych uk³adów przyk³adowych o na-

zwie Analog Amplifier i znajduj¹cy siê

w katalogu \Program Files\Design

Explorer 99\Examples\ . Jest to prosty

wzmacniacz m.cz. zbudowany w oparciu

o koœæ mA 741. Takie rozwi¹zanie ustrze-

¿e czytelnika od pope³niania b³êdu pod-

czas rysowania schematu i pozwoli sku-

piæ siê na samej symulacji. Schemat ide-

Rozpoczêcie pracy z symulatorem

Pierwsz¹ czynnoœci¹ potrzebn¹ do

wykonania symulacji jest stworzenie go-

towego schematu w module Schematic

Editor . Jednak aby symulacja by³a mo¿li-

wa do przeprowadzenia, modu³ Circut

Simulation potrzebuje pewnych dodat-

kowych informacji o ka¿dym elemencie

w zaprojektowanym obwodzie. S¹ to

miêdzy innymi symbol elementu i nazwa

biblioteki definiuj¹cej jego parametry

elektryczne. Informacje te przechowywa-

ne s¹ w specjalnych bibliotekach symbo-

lów elementów. Mo¿liwe do zasymulo-

wania elementy znajduj¹ siê w bibliotece

\Program Files\Design Explorer 99\Li-

brary\Sch\Sim.ddb . Ka¿dy z symboli ele-

mentów zawartych w tej bibliotece za-

wiera nazwê modelu symulacyjnego opi-

Rys. 1 Schemat ideowy symulowanego uk³adu

Rys. 2 Okienko g³ówne definiowania parametrów symulacji

Protel Design Explorer 99 cz.4

12/99

Rys. 3 Parametry symulacji Transient

Rys. 4 Wynik symulacji Transient

owy omawianego wzmacniacza widocz-

ny jest na rysunku 1.

Posiadaj¹c ju¿ w pe³ni gotowy sche-

mat ideowy mo¿emy przejœæ do zdefinio-

wania warunków symulacji uk³adu. Wy-

wo³uj¹c Menu/Simulate/Setup ... otwo-

rzymy okienko (rysunek 2) pozwalaj¹ce

na ustawienie wszystkich parametrów

pracy symulatora. W górnej czêœci okna

znajduj¹ siê zak³adki, których wywo³anie

pozwala nam na konfiguracje wybranych

sposobów symulacji. Symulacje , które

maj¹ zostaæ wykonane zaznaczamy

w sekcji Select Analyses to Run . Lista

wyboru Collect Data For okreœla jakiego

typu dane powinny zostaæ obliczone

podczas symulacji i zapisane do pliku

wynikowego. Nale¿y wybraæ odpowie-

dni¹ z nich. Pierwsze cztery pozwalaj¹ na

obliczanie danych dla wszystkich warto-

œci danego typu (pr¹dy, napiêcia etc.).

Ostatnia opcja ( Active Signals ) spowo-

duje, i¿ obliczenia bêd¹ wykonywane je-

dynie dla sygna³ów znajduj¹cych siê na

liœcie w okienku Active Signals . Rozwi¹-

zanie takie posiada zarówno wady jak

i zalety. Wad¹ jest koniecznoœæ ponowne-

go przeprowadzenia symulacji w przy-

padku koniecznoœci obejrzenia dodatko-

wych sygna³ów. Niew¹tpliw¹ zalet¹ na-

tomiast szybkoœæ wykonywania obliczeñ

oraz niewielki rozmiar pliku wynikowe-

go. Aktywne sygna³y ( Active Signals )

wybieramy z listy wszystkich sygna³ów

( Available Signals ). S³u¿¹ do tego wi-

doczne pomiêdzy oba oknami przyciski

pozwalaj¹ce na przemieszczanie z okna

do okna pojedynczego sygna³u („<” ,

„>”) lub wszystkich zaznaczonych

(„<<” , „>>”). Lista wyboru Sheets to

Netlist pozwala na wybranie zakresu pro-

wadzonej symulacji (ca³y projekt, poje-

dynczy schemat ...). Ostatnim elemen-

tem okienka jest grupa SimViewSetup .

Pozwalaj¹ one na zapamiêtanie ostatnie-

go ustawienia parametrów symulatora,

oraz wyœwietlanie jedynie przebiegów

znajduj¹cych siê w oknie Active Signals .

Symulacja uk³adu

Program pozwala na wykonanie kil-

ku ró¿nych symulacji uk³adu. Postaram

siê teraz opisaæ ka¿d¹ z nich. Przedstawiê

zatem sposoby konfiguracji oraz przyk³a-

dowe przebiegi otrzymane w wyniku wy-

konania symulacji uk³adu widocznego na

rysunku 1.

Najprostsz¹ analiz¹ uk³adu jest

Operating Point Analysis . Tego typu

symulacja wykonywana jest zawsze

przed symulacjami Transident lub AC

Small Signal i jest niezbêdna do zbada-

nia warunków pocz¹tkowych pracy

uk³adu oraz ustalenia niektórych auto-

matycznie definiowanych parametrów

symulacji. Pierwsz¹ u¿yteczn¹ analiz¹

jest Transient Analysis , czyli symulacja

przejœciowa uk³adu. Generuje ona prze-

Rys. 5 Parametry symulacji AC Small Signal

Rys. 6 Wynik symulacji AC Small Signal

12/99

Protel Design Explorer 99 cz.4

biegi jakie zwykle mo¿emy otrzymaæ na

ekranie oscyloskopu, czyli odpowiedz

pr¹dow¹ lub napiêciow¹ uk³adu

w funkcji czasu, która jest wynikiem po-

budzenia sygna³em wejœciowym. Anali-

za tego typu zawsze rozpoczyna siê od

czasu równego zero.

W przedziale czasu pomiêdzy zerem

a wartoœci¹ pola Start Time (rysunek 3)

symulacja tak¿e jest wykonywana, lecz

jej wyniki nie s¹ zapamiêtywane. Jest to

niezbêdne do okreœlenia w jakim stanie

znajdowa³ siê uk³ad w momencie rozpo-

czêcia obserwacji ( Start Time ).

W przedziale czasowym pomiêdzy Start

Time i Stop Time wykonywane s¹ obli-

czenia, które nastêpnie mo¿emy ogl¹d-

n¹æ w postaci wykresu. Parametr Step Ti-

me okreœla co jaki interwa³ czasowy po-

winny byæ wykonywane obliczenia. Im

jest on mniejszy, tym symulacja jest do-

k³adniejsza, lecz wymaga wiêcej czasu

i pamiêci. Jednak nie jest to zmienna sta-

tyczna. Symulator automatycznie j¹

zmienia w razie koniecznoœci (np. gdy

wystêpuj¹ szybko narastaj¹ce lub opada-

j¹ce zbocza sygna³u analiza uk³adu wyko-

nywana jest czêœciej). Wartoœæ parametru

Maximum Step okreœla jaki mo¿e byæ

maksymalny interwa³ czasu, który pro-

gram mo¿e ustaliæ automatycznie. Typo-

wo Czasy Step Time i Maximum Step s¹

takie same.

Program mo¿e automatycznie usta-

wiæ te czasy korzystaj¹c z parametrów

wpisanych w sekcji Default Parame-

ters . Definiujemy tam iloœæ cykli obser-

wowanego sygna³u, które chcemy

ogl¹dn¹æ ( Cycles Displayed ) oraz iloœæ

wykonywanych obliczeñ w ci¹gu jedne-

go cyklu.

Pole Use Initial Conditions pozwala

na rozpoczêcie symulacji z innymi para-

metrami pocz¹tkowymi elementów, ni¿

s¹ domyœlnie przyjête (np. domyœlnie na

pocz¹tku symulacji wszystkie kondensa-

tory s¹ roz³adowane). W naszym przy-

padku nie korzystamy z tej opcji. Symu-

lacjê widoczn¹ na rysunku 4 przeprowa-

dzono dla wartoœci domyœlnych, i wi-

doczne s¹ na nim przebiegi napiêcia na

wejœciu i wyjœciu uk³adu.

Kolejnym bardzo czêsto wykorzysty-

wanym typem symulacji jest AC Small Si-

gnal . Analiza tego typu generuje odpo-

wiedz czêstotliwoœciow¹ uk³adu. Symula-

cja wykonywana jest dla ma³ej amplitudy

sygna³u wejœciowego, a jej wynikiem jest

amplituda sygna³u wyjœciowego w funkcji

czasu. Mo¿emy dziêki niej okreœlaæ pa-

smo przenoszenia uk³adu. W celu prze-

prowadzenia symulacji tego typu, do wej-

œcia uk³adu musi zostaæ przy³¹czone co

najmniej jedno Ÿród³o przebiegu zmien-

nego. Analizowany przyk³ad spe³nia ten

wymóg (Ÿród³o napiêciowe Vin ). Ampli-

tuda przebiegu podawana jest w ustawie-

niach Ÿród³a jako parametr AC Part Field .

Ustawienie wartoœci 1 pozwoli na obser-

wacjê wzmocnienia w odniesieniu do po-

ziomu 0 dB. ród³o to na czas symulacji

zastêpowane jest poprzez generator prze-

biegu sinusoidalnego o czêstotliwoœci

zmieniaj¹cej siê od Start Frequency do

Stop Frequency z krokiem okreœlonym

przez parametry Test Pionts oraz Sweep

Type . Parametry wykonania symulacji

ustawiamy w zak³adce AC Small Signal

okienka Analyses Setup . Widoczne jest

ono na rysunku 5. Opcje Sweep Type de-

finiuj¹ iloœæ punktów testowych w nastê-

puj¹cy sposób:

Linear – Wartoœæ Test Points okreœla ca³-

kowit¹ iloœæ punktów testowych dla ca³ej

symulacji;

Decade – Wartoœæ Test Points okreœla

iloœæ punktów testowych na ka¿d¹ deka-

dê zmiennoœci czêstotliwoœci sygna³u

wejœciowego;

Octave – Wartoœæ Test Points okreœla

iloœæ punktów testowych na ka¿d¹ okta-

wê zmiennoœci czêstotliwoœci sygna³u

wejœciowego.

Iloœæ rzeczywiœcie obliczanych punk-

tów podczas ca³ej symulacji wyœwietlana

jest jako wartoœæ zmiennej Total Test

Points .

Wynik przyk³adowej symulacji tego

typu przedstawia rysunek 6. Przedsta-

wiony wykres celowo odbiega od przyjê-

tej normy dla tego typu charakterystyk.

Mianowicie skala czêstotliwoœci jest linio-

wa zamiast logarytmiczna, natomiast

wzmocnienie sygna³u nie zosta³o przed-

stawione w dB. Jest to bowiem domyœlny

sposób rysowania wykresów. Sposób

zmiany tych ustawieñ zostanie opisany

podczas prezentacji obs³ugi okienka pre-

zentacji wyników symulacji.

Symulacja DC Sweep wykonuje ca³¹

seriê symulacji typu Operating Point , za

ka¿dym razem modyfikuj¹c napiêcia

w zadanych Ÿród³ach. Pozwala to na uzy-

skanie charakterystyki przejœciowej uk³a-

du dla pr¹du sta³ego. Jak wynika z rysun-

ku 7 mo¿liwa jest symulacja dla dwóch

napiêæ wejœciowych. Zdefiniowanie

pierwszego z nich jest konieczne, nato-

miast drugiego opcjonalne. W liœcie wy-

boru znajduj¹ siê nazwy wszystkich do-

stêpnych w uk³adzie Ÿróde³ ( Source Na-

me ). Parametry Start Value oraz Stop

Value okreœlaj¹ pocz¹tkowe i koñcowe

Rys. 7 Parametry symulacji DC Sweep

Rys. 8 Wynik symulacji DC Sweep

Protel Design Explorer 99 cz.4

12/99

Rys. 9 Parametry symulacji Monte Carlo

Rys. 10 Wynik symulacji Monte Carlo

wartoœci dla wybranego Ÿród³a, nato-

miast pole Step Value definiuje wielkoœæ

kroku zmiany wartoœci Ÿród³a.

Widoczny na rysunku 8 wynik sy-

mulacji przeprowadzony zosta³ przy

zmiennych wartoœciach napiêæ Vin (na-

piêcie wejœciowe) oraz V1 (dodatnie na-

piêcie zasilaj¹ce). Napiêcie Vin zmienia-

³o siê od –2 V do 2 V z krokiem 20 mV,

natomiast V1 od 10 V do 15 V z krokiem

1 V. Dziêki temu otrzymaliœmy szeœæ cha-

rakterystyk. Na osi X widoczny jest za-

kres zmiennoœæ wartoœæ napiêcia Vin ,

natomiast na osi Y zakres zmiennoœci na-

piêcia wyjœciowego. Z otrzymanej cha-

rakterystyki wynika, ¿e wzmocnienie dla

napiêcia sta³ego wynosi 10 (dla

V1 =+12 V). Dla zakresu napiêæ ujem-

nych sygna³u wejœciowego otrzymujemy

dodatni sygna³ na wyjœciu (wzmacniacz

odwraca fazê sygna³u). Natomiast ma-

ksymalna dodatnia wartoœæ napiêcia na

wyjœciu uk³adu zale¿y od wartoœci napiê-

cia zasilaj¹cego V1 .

Analiza Monte Carlo wykonuje kilka

niezale¿nych symulacji uk³adu, przy

czym dla ka¿dej z nich stosuje losowo

wybrane (w zakresie okreœlonej toleran-

cji) wartoœci elementów. Analiza tego ty-

pu nie mo¿e byæ wykonana samodziel-

nie, lecz tylko w kooperacji z symulacja-

mi typu AC , DC lub Transient . Taka sy-

mulacja zapisuje dane jedynie dla sygna-

³ów okreœlonych w liœcie Active Signals

okienka Setup Analyses . Wykorzystuje-

my j¹ w celu okreœlenia wp³ywu wartoœci

tolerancji rzeczywistych elementów na

warunki pracy uk³adu. Pozwoli na okre-

œlenie które z elementów powinny cha-

rakteryzowaæ siê ma³¹ wartoœci¹ toleran-

cji, a których nawet znaczne odstêpstwo

od wartoœci nominalnej wprowadza je-

dynie niewielk¹ zmianê w pracy uk³adu.

Dziêki temu bêdzie mo¿liwe zastosowa-

nie lepszych, a wiêc dro¿szych elemen-

tów jedynie w pewnych newralgicznych

punktach uk³adu. Okienko odpowiedzial-

ne za konfiguracje symulacji przedstawia

rysunek 9. Pole Simulation Runs okreœla

ile jednostkowych symulacji powinno zo-

staæ przeprowadzonych. Parametr Simu-

lation Seed jest pewn¹ liczb¹ wykorzy-

stywan¹ w procesie generacji liczb loso-

wych. Domyœlnie ustawiona jest na –1.

W przypadku , kiedy chcemy wygenero-

waæ inn¹ seriê zmiennych losowych nale-

¿y zmodyfikowaæ t¹ wartoœæ. W wiêkszo-

œci przypadków nie jest to konieczne.

Grupa opcji Default Distribution

pozwala na wybranie rozk³adu wed-

³ug którego losowane bêd¹ wartoœci

elementów.

Uniform distribution – jest to rozk³ad

w którym wylosowanie jakiejkolwiek licz-

by z zadanego przedzia³u jest tak samo

prawdopodobne. Przyk³adowo dla rezy-

stora o wartoœci 1 kW i tolerancji 10%

jednakowo prawdopodobne bêdzie wy-

losowanie dowolnej wartoœci z zakresu

900 W do 1100 W.

Gaussian distribution – ten typ rozk³adu

generuje zmienne losowe, których praw-

dopodobieñstwo wyst¹pienia jest wiêk-

sze w pobli¿u wartoœci nominalnej.

W naszym przypadku wyst¹pienie warto-

œci bliskiej 1000 W bêdzie bardzo du-

¿e, natomiast wartoœci 900 W lub

1100 W znikome.

Worst Case distribution – jest to rozk³ad

podobny do rozk³adu uniform, z t¹ ró¿ni-

c¹, ¿e pod uwagê brane s¹ tylko wartoœci

krytyczne. Dla rezystora 1k W ±10% bê-

d¹ to wiêc 900 W oraz 1100 W. Dla ka¿-

dej wykonywanej symulacji bêdzie jed-

nakowo prawdopodobne wylosowanie

wartoœci 900 lub 1100.

Mo¿emy okreœliæ wartoœci domyœl-

nych tolerancji dla szeœciu grup elemen-

tów: rezystorów, kondensatorów, induk-

torów, Ÿróde³ napiêcia sta³ego, wartoœci

beta tranzystorów oraz czasu propagacji

elementów cyfrowych. Ka¿d¹ z nich

wpisujemy w grupie Monte Carlo De-

fault Tolerances . Wartoœæ ka¿dego ele-

mentu jest niezale¿nie losowana (w za-

kresie tolerancji) dla ka¿dego elementu.

Przyk³adowo jeœli w uk³adzie znajduj¹

siê dwa rezystory o wartoœci nominalnej

1000 W, to podczas symulacji ich war-

toœæ mo¿e zostaæ losowo okreœlo-

na np. na 953 W dla jednego z nich

i 1022 W dla drugiego.

W przypadku kiedy chcemy u¿yæ

specjalnych wartoœci tolerancji dla wy-

branego przez nas elementu powinniœmy

skorzystaæ z przycisku Add... znajduj¹ce-

go siê w grupie Specific Device Toleran-

ces . W takim przypadku dla wybranych

elementów losowanie wartoœci bêdzie

przeprowadzane z ich specyficznymi pa-

rametrami, takimi jak tolerancja i stoso-

wany rozk³ad.

W analizowanym przyk³adzie 10%

tolerancja nie wp³ywa w bardzo du¿y

sposób na jego warunki pracy. Dlatego

te¿ dla dobrego uwidocznienia wp³ywu

tolerancji elementów wprowadzono jej

du¿e wartoœci. Widoczna na rysunku 10

symulacja Monte Carlo przeprowadzona

zosta³a we wspó³pracy z symulacj¹ typu

Transient .

à Jaros³aw Piotrkowiak

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: