7.2. Обзор систем моделирования рэу

Системы моделирования радиоэлектронных устройств (РЭУ) позволяют резко уменьшить объем экспериментальных исследований, для проведения которых требуется приобретение дорогостоящих измерительных приборов, радиодеталей, трудоемкая сборка и длительная настройка макетов.

Применение программ моделирования РЭУ позволяет всесторонне исследовать разрабатываемые устройства в различных режимах работы (например, в предельно допустимых режимах), что сложно выполнить экспериментальными методами. Результаты макетирования дают ограниченный объем информации о характеристиках разрабатываемой аппаратуры. Экспериментальные исследования отражают характеристики лишь конкретных единичных макетов. Они не позволяют оценить влияние статистического разброса параметров полупроводниковых и других элементов РЭУ, и поэтому трудно делать обобщающие выводы по результатам макетирования. Экспериментально сложно определить, какие последствия вызовет наихудшее сочетание параметров радиоэлементов и что произойдет при отказе отдельных радиоэлементов. Опытным путем не просто исследовать влияние дестабилизирующих факторов, например внешней температуры. Перечисленные проблемы, возникающие при экспериментальных исследованиях, легко преодолеваются путем моделирования работы РЭУ.

Моделирование широко используется при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Программы моделирования могут с успехом использоваться и в учебном процессе. Изучение радиоэлектронных устройств можно проводить при выполнении лабораторных работ по многим техническим дисциплинам. Это избавляет от необходимости делать значительные затраты на приобретение оборудования для лабораторных работ, исключает отказы оборудования из-за ошибочной коммутации, позволяет исследовать многие режимы работы устройств, которые недопустимы в реальных макетах.

На этапе разработки структурной (укрупненной) схемы применяются такие программы, как SysCalc, SystemView, SIMULINK, LabView, Hyper-Signal Block Diagram, Dynamo.

К примеру, программа SystemView представляет собой конструктор, с помощью которого из стандартных «кубиков» строится структурная схема. В каталоге библиотеки выбирают нужный модуль, который затем мышью переносят на схему.

Детальное исследование радиоэлектронных устройств на ЭВМ на уровне принципиальных схем можно провести с помощью множества специальных программ: PSpice (Design Center, DesignLab), OrCAD, TangoPRO, Electronics Workbench, MicroCAP, CircuitMaker, Aplac и др.

При проектировании устройств сверхвысокочастотного диапазона могут быть использованы программы Super Compact, Touchstone, Libra.

В данном обзоре мы в основном коснемся программ для моделирования принципиальных схем РЭУ.

Одной из первых удачных программ моделирования РЭУ была программа схемотехнического моделирования SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), разработанная в начале 70-х годов XX столетия в Калифорнийском университете для больших ЭВМ, а в конце 80-х годов эта программа была адаптирована (приспособлена) для ПЭВМ и получила название PSpice. Эта программа оказала сильное влияние на последующие подобные разработки.

В системе PSpice заложен таблично-топологический метод описания схемы: выделяются узлы и указывается, какие элементы включены между этими узлами. Затем программа автоматически составляет алгебраические и дифференциальные уравнения для описания работы моделируемого устройства.

Узлами называются участки электрической схемы, в которых соединяются два или более радиоэлемента.

Последние версии программы PSpice позволяют синтезировать схему из готовых графических элементов. Для этого системы комплектуются библиотеками стандартных элементов. Заметим, что разработку математических моделей радиоэлементов ведут фирмы-производители, которые в наибольшей степени заинтересованы в широком распространении своей продукции.

На базе программы PSpice были разработаны многие программы, например, Design Center и DesignLab.

DesignLab 8.0 – интегрированный программный комплекс корпорации MicroSim, предназначенный для сквозного проектирования аналоговых, цифровых и смешанных аналогово-цифровых устройств, синтеза устройств программируемой логики и аналоговых фильтров.

Компания OrCAD, основанная в 1985 г., выпускала программы для моделирования цифровых устройств и оформления чертежей радиосхем. В январе 1998г. она объединилась с компанией MicroSim, дополнив список своих продуктов системой аналогово-цифрового моделирования PSpice и системой сквозного проектирования DesignLab v.8.0. С января 1999 г. на рынок поставляется объединенный продукт этих двух фирм, названный OrCAD v.9.0.

Программа OrCAD v.9.0 предъявляет высокие требования к компьютеру: для ее работы требуется ОЗУ объемом 32 – 128 Мбайтов и свободное пространство на жестком диске 250 Мбайтов.

Наиболее легка в освоении программа Electronics Workbench (фирма Interactive Image Technologies). Она построена интуитивно понятно, и работа с этой программой напоминает экспериментальную деятельность радиоинженера. В программе имеются виртуальные приборы (вольтметры, амперметры, генераторы, осциллограф, измеритель амплитудно-частотной характеристики и т. п.).

В последнюю версию MultiSIM & Electronics Workbench v 6.02 добавлены измеритель мощности, анализатор спектра и анализатор сети. Программа имеет большую библиотеку аналоговых и цифровых радиодеталей. В библиотеке содержатся сведения о транзисторах, диодах, резисторах, конденсаторах, триггерах, счетчиках, индикаторах и т. п.

Испытуемая схема «монтируется» на виртуальном столе, и затем делаются необходимые измерения. При этом настройка виртуальных измерительных приборов осуществляется практически так же, как и настройка реальных приборов. Создается полная иллюзия работы с конкретными действующими конструкциями.

Программа допускает вносить изменения в схему прямо в процессе моделирования (например, с помощью переменных резисторов или коммутируемых клавишами переключателей). Это существенно повышает наглядность моделирования. Изменение параметров измерительных приборов (например, осциллографа) дает возможность исследовать сигналы в разных масштабах непосредственно в процессе моделирования. Это наиболее существенное отличие данной системы (другие работают в пакетном режиме моделирования и не допускают изменения параметров устройства в процессе его моделирования).

«Собранную» схему легко редактировать. Элементы перемещаются на «резиновых нитях», т. е. провода при перемещении не обрываются, а изменяют свою конфигурацию.

Версии Electronics Workbench 4.0d и 5.0 легко инсталлируются на ЭВМ с любой конфигурацией и занимают мало места на жестком диске (соответственно 4,5 и 16 Мбайтов).

Сходными возможностями обладает программа CircuitMaker (фирма Microcode Engineering In.). Для исследования сигнала в каком-либо узле схемы туда нужно подключить пробник. Появляющиеся на экране временные диаграммы дают возможность провести анализ работы устройства.

Программа позволяет повернуть элемент на 90о, получить зеркальное отображение, осуществить пошаговое (по тактам) исследование цифровых схем, создавать собственные микросхемы пользователя (определять их внутреннее устройство) и затем использовать их как обычные стандартные микросхемы.

При моделировании цифровых устройств наглядность повышается благодаря использованию линий различного цвета. Цепи, на которых присутствует единица, отмечаются красным цветом, а цепи, по которым передается логический ноль, – синим цветом. Для индикации логических сигналов могут быть также использованы светодиоды, временные диаграммы (индикатор Scope) либо пробник. Элементы анимации наглядно зафиксируют наступление событий с помощью запускающейся ракеты или стартующих автомобилей.

Программа позволяет легко редактировать составленную схему, например, «выпрямлять» провода, которые имеют сложную конфигурацию.

С помощью CircuitMaker можно моделировать аналоговые, цифровые и смешанные (аналогово-цифровые) устройства. Заметим, что число радиоэлементов, допускающих смешанное моделирование, довольно ограниченное.

Для использования в учебном процессе в системе предусмотрен режим умышленного создания неисправностей.

Программа Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program) рекомендуется для выполнения исследовательских работ, не предусматривающих немедленной конструкторской реализации (т. е. разводки печатной платы и оформления конструкторской документации).

В программе Micro-Cap V имеется возможность построения трехмерных графиков. Эти графики можно вращать относительно трех осей. В программе расширены возможности многовариантного анализа. Программа допускает одновременное изменение до десяти параметров. При этом предусмотрена как одновременная модификация параметров, так и их варьирование с помощью вложенных циклов.

В версии Micro-Cap VR2.0 значительно расширена библиотека компонентов, которая включает примерно 10 тысяч радиоэлементов ведущих фирм Европы, США и Японии. Для редактирования чертежей электрических принципиальных схем имеется режим перемещения компонентов на «резиновых нитях».

В состав программы входит также программа расчета параметров моделей аналоговых элементов по результатам экспериментальных исследований (таким способом создаются новые модели). Чем больше использованных экспериментальных точек, тем точнее получится модель.

Система Micro-Cap 6.0.1 может показать одновременно токи во всех цепях и напряжения на всех узлах устройства. При исследовании устройств, работающих в ключевом режиме, система сообщает, какие ключи открыты, а какие закрыты. Программа может изменять по случайному закону мешающие и дестабилизирующие факторы (метод Монте-Карло), а по результатам такого моделирования – строить гистограмму статистического распределения. В системе предусмотрен режим исследования чувствительности выходного сигнала к изменению параметров любого элемента. Есть возможность определить входное и выходное сопротивление устройства. Предусмотрена возможность разработки активных и пассивных фильтров с заданными параметрами.

Для составления схемы достаточно прислонить элементы друг к другу, цепь формируется автоматически (без проводов, без выполнения дополнительных операций соединения).

Австралийская фирма Protel International разработала систему проектирования аналоговых, цифровых и аналогово-цифровых устройств Protel 98, обладающую примерно теми же функциональными возможностями, что и OrCAD 9.0.

Программа Aplac 7.0 предназначена для проектирования и моделирования РЭУ во временной и частотной областях. Другими словами, программа помогает изучить характер изменения электрических сигналов при изменении времени наблюдения, а также зависимости выходных сигналов от частоты входного сигнала.

В состав моделируемых устройств могут входить как цифровые, так и аналоговые устройства, в том числе устройства диапазона сверхвысоких частот.

Характерной особенностью программы Aplac является наличие большого числа библиотечных элементов, из которых составляются принципиальные схемы.