25. Структура та можливості програм моделювання електронних схем.

[СхМ – схемотехническое моделирование (?)]

Цель СхМ состоит обычно в определении формы и параметров сигналов тока и напряжения, возникающих в разных точках схе­мы. Для этого приходится решать ряд таких типовых задач СхМ, как расчет статического режима, переходных процессов, частот­ных характеристик. На основе решения этих задач можно далее вычислить параметры сигналов (фронт, длительность, задержку и др.), рассчитать спектр выходного сигнала, чувствительность схемы к изменению параметров ее элементов, решить задачи ста­тистического анализа схемы и оптимизации ее параметров.

Все эти задачи решаются с помощью программ схемотехнического моделирования.

В настоящее время имеется большое число таких программ как отечественного. так и зарубежного производства, например, СПАРС, ПАРУС, ПА–6, МАЭС–П, P–SPICE, MicroCAP, Saber и т.д. Все они имеют примерно одинаковые функциональные возможности и различаются в основном уровнем сервиса, составом библиотек моделей и их параметров, а также надежностью моделирования различных классов схем. Входные языки этих программ также близки, особенно в части описания схемы.

Общее представление о программах схемотехнического проектирования может составить программа МАЭС–П – типичный представитель этого класса программ.

Основные функции и особенности МАЭС–П:

• возможности ввода и вывода графического образа схемы;

• диалоговый ввод, контроль и коррекция исходных данных;

• многоуровневое описание схемы на проблемно–ориентированном языке;

• наличие обширной библиотеки моделей и параметров ЭРИ, в том числе аналоговых, цифро–аналоговых и цифровых микросхем;

• обеспечение возможности разработки и ввода в программу самим пользователем новых нелинейных функций, включая функции гистерезисных зависимостей, новых моделей и макромоделей компонентов схемы;

• наличие универсальной функции для построения аналоговых моделей цифровых ИМС;

• моделирование электронных схем в режиме постоянного тока;

• повышенная надежность моделирования во временной области схем со сложными переходными процессами, за счет использования различных вычислительных алгоритмов;

• расчет амплитудно–фазо–частотных характеристик линейных и линеаризованных программой электронных схем;

• анализ влияния на электрические режимы в схеме температуры и других параметров окружающей среды;

• расчет коэффициентов параметрической чувствительности;

• спектральный анализ;

• обеспечение возможности разработки и ввода в программу самим пользователем новых алгоритмов обработки результатов моделирования;

• постпроцессор обработки результатов расчета и вывод многоцветных графиков.

Основные технические характеристики:

• количество двухполюсников в эквивалентной схемы – 500;

• типы элементов: резисторы, дроссели, конденсаторы, катушки индуктивности, стабилитроны, биполярные и полевые транзисторы, источники напряжения и тока, интегральные микросхемы (операционные усилители, логические микросхемы, стабилизаторы напряжения, компараторы и коммутаторы сигналов, аналоговые перемножители) и т.д;

• в библиотеке моделей и параметров КП содержится свыше 100 моделей различных типов диодов и транзисторов и 70 макромоделей

указанных выше микросхем;

• время моделирования переходного процесса в усилителе, содержащем 100 p–n переходов – 6 минут;

• КП МАЭС–П функционирует на персональной ЭВМ типа РС АТ стандартной конфигурации в среде MS DOS;

• основной язык программирования – ФОРТРАН 77;

• объем КП МАЭС–П – около 60000 операторов;

• объем требуемой оперативной памяти – 350 Кбт.

ТЕХНИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

КП МАЕС-П функционирует на персональной ЭВМ типа PC AT стандартной конфигурации в среде MS DOS.

Основной язык программирования – ФОРТРАН 77.

Объем КП МАЕС-П – около 60000 операторов.

Объем необходимой оперативной памяти – 350 Кбайт.

ВХОДНОЙ ЯЗЫК МАЕС-П

Алфавит: только прописные (большие) русские и латинские буквы.

Единицы измерения: только русские прописные.

Элементы схемы, которые начинаются с букв E, J, C, L, R, G – элементарные двухполюсники (не имеют своей модели).

Элементы схемы, которые начинаются с любых других букв – приборы, которые описываются своими моделями.

[Возможно, остальное можно опустить]

Інформація для МАЕС-П описується на проблемно-орієнтованій мові і вводиться з клавіатури термінала за допомогою будь-якого текстового редактора ПЕОМ або за допомогою графічного редактора системи РСAD [З].

Робота програми організована по етапам, на початку яких відбувається перерозподіл оперативної пам’яті ЕОМ. На кожному етапі у виділеній області оперативної пам’яті виконується ряд функціональних кроків. Функціональна схема програми МАЕС-П наведена на рисунку 1.

Так, за допомогою транслятора опису схеми (ТОС) перетворюється, сортується й опрацьовується символьна інформація про схему. Відбувається формування еквівалентної схеми, що аналізується. Для цього в структуру електричної схеми, наведеної в опису, замість приладів вставляються еквівалентні схеми їх моделей, які беруться або з вхідних даних, або з бібліотеки моделей і параметрів (БМП). Здійснюється перерахунок усіх заданих параметрів з урахуванням заданої системи одиниць. Результатом роботи транслятора є масив чисел (1-й етап).

За допомогою транслятора керування завданнями (ТУЗ) здійснюється перетворення, сортування й опрацювання символьної інформації згідно з завданням на моделювання. Результатом роботи транслятора є масиви чисел (2-й етап).

На підставі перетвореної інформації про опис схеми за допомогою законів Кірхгофа і компонентних рівнянь формується система рівнянь, або математична модель схеми (ММС), в розширеному однорідному координатному базисі з урахуванням розрідженості матриці схеми (3-й етап).

Виходячи з масивів чисел опису схеми, завдання на аналіз і результатів формування ММС, виконуються операції по підготовці до моделювання (4-й етап), які містять у собі такі дії:

- перерахунок параметрів елементів у залежності від заданого навколишнього середовища (температури);

- розрахунок незмінних при багаторазових обчисленнях частин нелінійних функцій;

- упорядкування і перенумерація, які зменшують число операцій при багаторазовому розв’язанні систем рівнянь;

- часткове розкладання матриці схеми на трикутні матриці.

У залежності від завдання на моделювання підключаються до роботи підпрограми процедур моделювання (5-й етап).

Аналіз статичного режиму (режим по постійному струму) дозволяє визначити значення вихідних змінних при впливі постійних у часі джерел живлення і вхідних сигналів. Реалізовано два методи розв’зання рівнянь схеми: метод Hьютона і метод Hьютона з методом продовження по параметру [4]. Перехід від одного методу до іншого відбувається автоматично. Передбачено також розрахунок статичних характеристик Хвих = f(Хвх), тобто залежності вихідних змінних від зміни вхідних джерел або джерела живлення.

Аналіз у часовій області (розрахунок перехідного процесу) дає можливість визначати залежності від часу вихідних змінних при впливі на пристрій, що моделюється, постійних і змінних за часом незалежних джерел. Вихідними змінними в усіх видах моделювання є напруги, струми і потужності елементів принципової електричної схеми.

Аналіз у частотній області призначений для побудови амплітудно-частотних і фазочастотних характеристик лінійних та лінеаризованих схем у режимі малого сигналу.

Визначення коефіцієнтів чутливості дозволяє оцінити ступінь впливу змін параметрів елементів схеми на вихідні змінні у статичному режимі, у часовій та частотній областях. Знайдені коефіцієнти чутливості – це часткові похідні вихідних змінних по параметрах елементів, що варіюються.

Під час моделювання здійснюється контроль за обчислювальним процесом з виводом відповідних повідомлень на екран дисплея. Користувач у залежності від ситуації може ввести необхідну керуючу дію, щоб або продовжити процес, або змінити його, або закінчити з виводом результатів на друк.

Результати моделювання в постпроцесорі опрацьовуються і виводяться або на дисплей для перегляду, або на принтер для документування (6-й етап).

Спектральний аналіз реалізований як один із видів опрацювання результатів моделювання у часовій області. Для розкладу графіків перехідного процесу в дискретний спектр використовується швидке перетворення Фур’є.

Вивід результатів моделювання та їх опрацювання здійснюється у вигляді графіків і таблиць як основного (час, частота), так і неосновного (струм, напруга, потужність) аргументів у вигляді, зручному для аналізу і документування.