Инструменты анализа схем электрических принципиальных в программной среде NI Multisim 12.0.
Часть 5

№ 5’2015
PDF версия
Внедрение в инженерную практику методов автоматизированного проектирования позволило перейти от традиционного макетирования разрабатываемой аппаратуры к ее моделированию с помощью компьютера. В Multisim имеется достаточно большое количество средств для схемотехнического проектирования электронных устройств, а также для исследования и анализа данных эмуляции электрических цепей. В представленной статье рассмотрена настройка параметров, просмотр результатов и работа со следующими видами анализа в программе Multisim: нулей и полюсов (Pole Zero Analysis), критических режимов (Worst Case Analysis), изменений на постоянном токе (DC Sweep Analysis), передаточной функции (Transfer Function Analysis), а также предложены способы решения ошибок симуляции и анализа схемы.

Все статьи цикла.

Введение

В связи с развитием современных компьютерных технологий существенно изменились подходы к решению проблем проектирования электронных устройств. Физическое проектирование устройства связано с большими материальными затратами, поскольку требуется изготовление макетов и их трудоемкое исследование при помощи приборов. При этом большинство ошибок допускается на ранних стадиях проектирования, когда спецификации принимаются в форме, не допускающей моделирования. Просчеты обнаруживаются на более поздних стадиях с помощью имитатора реализации в прототипе или уже в изготовленном оборудовании. Затраты на исправление большинства ошибок увеличиваются по мере работы над проектом вплоть до их окончательного выявления на этапе проверки, например при проектировании микросхемы, когда недостатки выявляются при испытании кремниевой пластины после ее получения от изготовителя. Это означает, во‑первых, чрезвычайно высокую стоимость исправления ошибок и возвращение к этапу проектирования, а во‑вторых, потерю многих месяцев на исправление ошибки, дополнительную проверку и отправление на завод для повторного изготовления. В результате изделие выходит на рынок с опозданием, а объемы продаж и прибыли сокращаются. Часто физическое моделирование просто невозможно из-за чрезвычайной сложности устройства. Тогда прибегают к математическому моделированию с использованием компьютерных программ.

Компьютерное моделирование схем электрических принципиальных обеспечивает раннее выявление ошибок, что очень важно, ведь каждая задержка в обнаружении и исправлении проектной ошибки увеличивает на порядок стоимость ее устранения. Также компьютерное моделирование является хорошим средством для обучения и подготовки специалистов.

Программные пакеты, предназначенные для исследования и проектирования электрических схем, позволяют качественно изменить и существенно расширить возможности инженера. Разработка любого цифрового устройства, помимо физического или математического моделирования, сопровождается анализом работы схемы прибора — процессом очень сложным, кропотливым, требующим большого внимания. Система схемотехнического моделирования Multisim представляет собой удобное и практичное средство, разрешающее моделировать электрические схемы и анализировать их работу. В процессе анализа исследуемой схемы в первую очередь считываются с окна редактора схем сведения обо всех компонентах схемы, номинальных значениях и соединениях элементов. Далее выполняется проверка правильности сборки схемы и введенных данных о компонентах, после чего данные о компонентах схемы заменяются их математическими моделями SPICE. При обнаружении критической ошибки эмуляция прерывается. В таком случае для решения возникшей проблемы разработчику необходимо проверить анализируемую схему и убедиться, что в ней нет разорванных соединений, все компоненты схемы правильно включены в цепь. Если проблема все же осталась, можно порекомендовать проверить правильность пользовательских значений параметров компонентов схемы, а также установок моделирования. Если же ошибок не было обнаружено, Multisim на основании введенных сведений о компонентах схемы выполнит автоматическое составление и решение численными методами системы линейных, нелинейных или дифференциальных уравнений. Результаты анализа отображаются в окне плоттера Grapher, сохраняются для использования в постпроцессоре, записываются в журнал аудита.

Постпроцессор и Grapher — программы пакета Multisim, отображающие результаты моделирования в графическом виде. Постпроцессор позволяет быстро создать график с нужными переменными. Для построения графика в Grapher при помощи функций постпроцессора в первую очередь необходимо создать новую страницу.

Остановимся немного подробнее на Grapher. Это программа пакета Multisim, представляющая результаты моделирования в графическом виде и использующаяся для отображения результатов разных видов анализа программы Multisim в виде графиков и таблиц. При этом на графиках данные отображаются в виде кривых по вертикальной и горизонтальной оси, в таблицах — текстовые данные в строках и колонках. В зависимости от количества запущенных видов анализа в окне Grapher может отображаться несколько вкладок с результатами анализа. Окно плоттера Grapher открывается автоматически после нажатия в окне анализа на кнопку «Моделировать» или же при помощи команды основного меню «Вид/Графопостроитель». Активная область диаграммы/графика, так же как и активная вкладка, помечается красной стрелкой. Впоследствии к помеченной вкладке или области можно применять операции копирования, вставки, удаления. В Grapher есть возможность управлять отображением кривых графиков на экране — показывать/скрывать кривые, выделять их при помощи маркеров. Под каждым графиком размещен ряд чекбоксов (расшифровка), каждому из них соответствует название переменной и цветная линия, которой отображается график функции этой переменной. Управление видимостью кривых на экране производится путем установки/снятия флажков в этих чекбоксах. Выделить кривую на графике можно, щелкнув левой кнопкой мыши по области названия ее переменной в поле расшифровки или же по самой кривой на графике. Причем кривая становится активной (выделяется при помощи маркеров), а ее название помечается красной стрелкой.

Панель инструментов Grapher предоставляет ряд функций, с помощью которых можно управлять отображением графиков на экране плоттера, а именно выполнять операции удаления и копирования вкладки или графика, вставки ранее скопированного листа графика или графика, отображения/скрытия сетки, ряда чекбоксов, курсоров для выбранного графика. Результаты проведения анализов схемы отображаются на отдельных вкладках плоттера Grapher. Для генерации данных для всех видов анализа в Multisim используется симуляция схемы.

 

Средства анализа данных моделирования

Модельный эксперимент с использованием функций анализа является мощным средством предварительного исследования и анализа электронной схемы, позволяющим проверить правильность расчета параметров элементов и характеристик.

В Multisim разработчик может настраивать для каждого анализа определенные параметры, значения переменных, установки моделирования. Возможность настройки опций анализа появляется после его запуска, в результате чего будет открыто окно настроек.

Для начала анализа необходимо выбрать нужную функцию из основного меню программы Multisim, запустив команду «Моделирование/Вид анализа», настроить параметры анализа и выполнить анализ нажатием кнопки «Моделировать».

Анализ изменения на постоянном токе (DC Sweep Analysis)

В DC Sweep Analysis реализуется многократная симуляция схемы с изменением DC-значений в определенном пользователем диапазоне. Настройки анализа позволяют задать начальное, конечное значение и приращение для DC-диапазона. Для расчета DC-отклика схемы используются только DC-значения источников напряжения и тока, все конденсаторы рассматриваются как обрыв цепи, все индуктивности — как закороченные. DC Sweep Analysis — вариация параметров используемых в анализируемой схеме источников питания при расчете режима по постоянному току. Параметры анализа изменения на DC устанавливаются на вкладке «Анализируемые параметры» (рис. 1) окна настроек параметров анализа, которое можно открыть при помощи команды основного меню программы Multisim «Моделирование/Вид анализа/Изменения на DC». Рассмотрим данную вкладку. На ней расположено два окна: «Источник 1» и «Источник 2», таким образом, значения параметров можно установить для одного или двух источников. Следует отметить, что окно «Источник 2» активизируется лишь в том случае, если в чекбоксе «Использовать источник 2» установлен флажок. Окна идентичны, каждое содержит следующие поля ввода:

Вкладка «Анализируемые параметры» окна «Изменения на DC»

Рис. 1. Вкладка «Анализируемые параметры» окна «Изменения на DC»

  • «Обозначение»— источник изменения;
  • «Начальное значение»— начальное значение DC-диапазона;
  • «Конечное значение»— конечное значение DC-диапазона;
  • «Приращение»— значение, на которое будет увеличиваться каждое следующее значение изменения.
  • Также в каждом из окон находится кнопка «Изменить фильтр». После ее нажатия открывается окно «Фильтр узлов» (рис. 2), в котором посредством установки флажков в следующих чекбоксах:
  • «Вкл внутренние узлы»— узлы внутри BJT-модели или SPICE-подсхемы;
  • «Вкл субмодули»— выходные переменные из любого подмодуля, содержащегося в схеме;
  • «Вкл открытые выводы»— все не присоединенные узлы схемы, можно задать отображение в поле «Обозначение» всех или некоторых источников.
Окно «Фильтр узлов»

Рис. 2. Окно «Фильтр узлов»

Рассмотрим вкладку «Переменные» окна «Изменения на DC» (рис. 3). Данная вкладка содержит два окна, в одном из них отображаются все возможные выходные переменные для текущей схемы (окно «Выходные переменные»), а в другом — переменные, которые будут использоваться в анализе (окно «Переменные для анализа»). Добавление переменных в анализ производится при помощи перемещения их названия из первого окна во второе, путем выбора переменной левой кнопкой мыши в окне «Выходные переменные» и последующего нажатия кнопки «Добавить». При необходимости переменную можно вернуть в исходное окно, для этого используйте кнопку «Удалить». После того как переменные добавлены в анализ, перейдем на вкладку «Установки моделирования» (рис. 4). В верхней части вкладки расположено поле «Установки SPICE», где, установив переключатель в нужную позицию, можно задать настройки параметров Multisim по умолчанию либо пользовательские. Более подробно настройка параметров вкладок «Переменные» и «Установки моделирования» рассмотрена в [4].

Вкладка «Переменные» окна «Изменения на DC»

Рис. 3. Вкладка «Переменные» окна «Изменения на DC»

Вкладка «Установки моделирования» окна «Изменения на DC»

Рис. 4. Вкладка «Установки моделирования» окна «Изменения на DC»

Для просмотра информации об анализе предназначена вкладка «Итоги», в которой представлен обзор всех установок анализа DC Sweep Analysis.

Для того чтобы запустить анализ с текущими установками, необходимо нажать кнопку «Моделировать», расположенную в нижней части окна «Изменения на DC».

Перед установкой параметров анализа нужно выбрать нужный узел и определить источники изменения. В ходе данного процесса выполняется последовательное построение соответствующих кривых. Если изменяется только один источник, построение кривой выходного узла производится в зависимости от значения источника. Если же изменяется два источника, то количество кривых равно количеству точек для второго источника. Каждая кривая представляет значение выходного узла в зависимости от значения первого источника, пока значение второго источника удерживается на каждом из значений его изменения.

В течение DC Sweep Analysis производится добавление значения поля «Приращение» к начальному значению и пересчет переменных схемы. После чего значение поля «Приращение» добавляется к вновь полученному значению, и процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто конечное значение.

Рассмотрим процесс анализа DC Sweep Analysis на конкретном примере (рис. 5). Для этого определим на вкладке «Анализируемые параметры» окна «Изменения на DC» следующие настройки параметров анализа:

Анализируемая в DC Sweep Analysis схема

Рис. 5. Анализируемая в DC Sweep Analysis схема

  • в окне «Источник 1» в поле «Обозначение» из выпадающего списка выберем первый источник изменения — VPULSE1, укажем начальное — 0 V, конечное — 3,3 V значения и приращение — 0,001 V в соответствующих полях;
  • в окне «Источник 2» в поле «Обозначение» выберем из выпадающего списка второй источник изменения — VDD, укажем начальное — 0 V, конечное — 5 V значения и приращение — 0,5 V в соответствующих полях.

На вкладке «Переменные» в поле «Переменные для анализа» добавим следующую переменную для анализа — I(VDD).

После того как все параметры настроены, нажмем кнопку «Моделировать» в окне DC Sweep Analysis. В результате системой будут построены графики параметров (рис. 6), они отобразятся в окне плоттера Grapher.

Результаты DC Sweep Analysis (окно плоттера Grapher)

Рис. 6. Результаты DC Sweep Analysis (окно плоттера Grapher)

Для проведения измерений в окне плоттера Grapher можно использовать курсоры, которые активизируются при помощи одноименной кнопки панели инструментов Grapher. В итоге на активном графике появятся два вертикальных курсора, а также откроется окно «Курсор» (рис. 7), содержащее следующие данные:

Окно «Курсор»

Рис. 7. Окно «Курсор»

  • x1, y1 — координаты левого курсора;
  • x2, y2 — координаты правого курсора;
  • dx — разность между проверяемыми точками по оси Х;
  • dy — разность между проверяемыми точками по оси Y;
  • min x, min y — x и y минимумы внутри области измерений графика;
  • max x, max y — x и y максимумы внутри области измерений графика.

Перемещение курсоров в области графика производится посредством их передвижения левой кнопкой мыши или же путем установки курсора в точное место графика, координаты которого можно задать. Курсоры автоматически связаны с числовыми данными, отображающимися в окне «Курсор» синхронно с перемещением курсоров на графике.

Рассмотрим пример, когда изменяется только один источник. Для этого определим на вкладке «Анализируемые параметры» окна «Изменения на DC» следующие настройки параметров анализа (рис. 8):

Настройки параметров DC Sweep Analysis на вкладке «Анализируемые параметры» окна «Изменения на DC» в случае, когда задано изменение только одного источника

Рис. 8. Настройки параметров DC Sweep Analysis на вкладке «Анализируемые параметры» окна «Изменения на DC» в случае, когда задано изменение только одного источника

  • в окне «Источник 1» в поле «Обозначение» из выпадающего списка выберем источник изменения — VPULSE1, укажем начальное — 0 V, конечное — 9 V значения и приращение — 0,1 V в соответствующих полях;
  • снимем флажок в чекбоксе «Использовать источник 2».

На вкладке «Переменные» в поле «Пере-менные для анализа» добавим следующую переменную для анализа — V(out).

После того как все параметры настроены, нажмем кнопку «Моделировать» в окне DC Sweep Analysis. В результате системой будет построен график параметров, который отобразится в окне плоттера Grapher. Анализируемая схема и полученный результат представлены на рис. 9.

Анализируемая в DC Sweep Analysis схема и полученный результат в случае, когда задано изменение только одного источника

Рис. 9. Анализируемая в DC Sweep Analysis схема и полученный результат в случае, когда задано изменение только одного источника

Разместим курсор 2 в левой крайней точке графика, а курсор 1 в правой крайней точке. Полученные характеристики преобразования DC будут отображены в окне «Курсор» (рис. 10).

Характеристики преобразования DC в окне «Курсор»

Рис. 10. Характеристики преобразования DC в окне «Курсор»

Анализ передаточной функции (Transfer Function Analysis)

Transfer Function Analysis выполняет расчет передаточной функции DC при малом сигнале между входным источником и двумя выходными узлами (для напряжения) или выходной переменной (для тока) в схеме, а также вычисление входного и выходного сопротивления. При этом любые нелинейные модели вначале линеаризуются, основываясь на DC рабочей точке, а затем выполняется малосигнальный анализ. Выходная переменная может быть узловым напряжением, в таком случае вход должен быть зависимым источником, определенным в схеме. Результаты анализа в Multisim отображаются в виде таблицы, где показано отношение выходного и входного сигналов, входное сопротивление в узле входного источника и выходное сопротивление через напряжение выходного узла.

Запуск анализа передаточной функции осуществляется командой основного меню «Моделирование/Вид анализа/Передаточная функция». В результате откроется окно «Анализ передаточных функций» (рис. 11). Необходимо отметить, что в данном окне отсутствует вкладка «Переменные». Настройка параметров анализа производится на вкладке «Анализируемые параметры». На вкладке находятся следующие поля:

Окно «Анализ передаточных функций»

Рис. 11. Окно «Анализ передаточных функций»

  • «Входной источник»— источник напряжения или тока;
  • «Выходной узел/источник»— указываются узел схемы, для которого необходимо получить результаты, и опорный узел или выходной источник.

В поле «Выходной узел/источник» есть два переключателя: «Напряжение» и «Ток». При установке переключателя в позицию «Напряжение» становятся активными следующие поля:

  • «Выходной узел»;
  • «Опорный узел».

При установке переключателя в позицию «Ток» активизируется поле «Выходной источник». Значения этих полей устанавливаются путем выбора из выпадающего списка, в котором по умолчанию отображаются только узлы, являющиеся частью текущей страницы схемы. Однако при проведении анализа следует учитывать и те случаи, когда схема содержит иерархические блоки и подсхемы, которые в свою очередь также включают компоненты электрической схемы. Для того чтобы в выпадающих списках отобразились узлы, содержащиеся внутри подсхем и иерархических блоков, надо воспользоваться кнопками «Изменить фильтр». Необходимо отметить, что на вкладке «Анализируемые параметры» находится несколько таких кнопок и для выбора определенного узла применяется соответствующая ему кнопка. В результате нажатия на одну из кнопок «Изменить фильтр» будет открыто окно «Фильтр узлов», в котором путем установки флажка в чекбоксах можно задать отображение в списке меню:

  • внутренних узлов иерархических блоков и подсхем — чекбокс «Вкл внутренние узлы»;
  • всех неприсоединенных узлов схемы — чекбокс «Вкл открытые выводы»;
  • компонентов внутри полупроводниковых устройств, определяемых SPICE-моделью этого устройства, — чекбокс «Вкл субмодули».

Перед выполнением анализа необходимо определить в схеме выходной и опорный узел и входной источник. Анализируемая схема и результаты Transfer Function Analysis представлены на рис. 12.

Анализируемая схема и результаты Transfer Function Analysis

Рис. 12. Анализируемая схема и результаты Transfer Function Analysis

Анализ критических режимов (Worst Case Analysis)

Worst Case Analysis выполняет исследование критических комбинаций параметров компонентов, действующих на схему. Multisim осуществляет этот анализ в сочетании с DC- или AC-анализом. На первом этапе анализа производится симуляция с номинальными значениями, затем для определения чувствительности выходного напряжения или тока к параметрам компонентов проводится анализ чувствительности АС или DC. На заключительном этапе анализа критических режимов реализуется симуляция со значениями параметров компонента, которые дают критические значения на выходе.

В Multisim запуск анализа Worst Case Analysis происходит при помощи команды основного меню «Моделирование/Вид анализа/Критических режимов». В результате открывается окно «Анализ критических режимов».

В данном окне, помимо уже рассмотренных ранее в [4] стандартных вкладок, находится вкладка «Параметры анализа» (рис. 13). Обратим внимание на данную вкладку. В ее верхней части расположено поле «Параметры анализа», в котором задаются следующие параметры анализа критических режимов:

Вкладка «Параметры анализа» окна «Анализ критических режимов»

Рис. 13. Вкладка «Параметры анализа» окна «Анализ критических режимов»

  • «Вид анализа»;
  • «Выходная переменная»;
  • «Функция выделения»;
  • «Направление»;
  • «Порог» — название данного поля может меняться в зависимости от выбранной функции выделения. В том случае, когда разработчик выбрал в поле «Функция выделения» значение «Частота», поле будет иметь название «Частота». Название «Порог»— если выбраны значения «Фронт_сигнала» или «Спад_сигнала». При выборе в поле «Функция выделения» значений «Мин» или «Макс» поле будет недоступно для ввода значений.

Вид анализа задается выбором из выпадающего списка одного из двух значений: «Рабочая точка DC», «Анализ АС». Если выбрана «Рабочая точка DC», анализ критических режимов генерирует таблицу возможных выходных напряжений для схемы, от заданных номинальных значений до критических значений. Список компонентов и их критических значений появляется в табличной форме. Если выбран «Анализ АС», анализ критических режимов генерирует раздельные графики. Список компонентов и их критических значений появляется в табличной форме.

В поле «Параметры анализа» находится кнопка «Изменить фильтр». После ее нажатия открывается окно «Фильтр узлов», в котором посредством установки флажков в следующих чекбоксах:

  • «Вкл внутренние узлы»— узлы внутри BJT-модели или SPICE-подсхемы;
  • «Вкл субмодули»— выходные переменные из любого подмодуля, содержащегося в схеме;
  • «Вкл открытые выводы»— все не присоединенные узлы схемы, можно задать отображение в поле «Выходная переменная» всех или некоторых переменных. Установка флажка в чекбоксе «Выражение» преобразует меню выбора поля «Выходная переменная» в поле ввода, в результате чего значение в данное поле может быть введено с клавиатуры. Необходимо отметить, что в это поле в таком случае может быть введена как одна переменная, так и выражение, которое представляет собой набор переменных и функций (например, abs(V(1)V(2))). Флажок в чекбоксе «Все кривые на одном графике» (поле «Результат») устанавливается, когда нет необходимости отображения каждой кривой на отдельном графике.

При подготовке к такому виду анализа критических режимов, как «Анализ АС», необходимо настроить параметры частоты. Для этого на вкладке «Параметры анализа» выберем в поле «Вид анализа» пункт «Анализ АС» и нажмем на кнопку «Редактировать», в результате будет открыто окно «Анализ АС» (рис. 14), в котором задаются следующие параметры:

Окно «Анализ АС»

Рис. 14. Окно «Анализ АС»

  • «Начальная (FSTART)»— начальная частота;
  • «Конечная (FSTOP)»— конечная частота;
  • «Характеристика изменения»— тип изменения: декадный, октавный, линейный;
  • «Количество точек»— количество точек, в которых производится расчет частотных характеристик в процессе анализа;
  • «Вертикальная шкала»— вертикальная шкала: логарифмическая, линейная, затухания (дБ), октавная (данный параметр управляет масштабом по оси Y на выходном графике).

Для того чтобы скопировать установки текущего AC Analysis, следует нажать кнопку «Возврат к основным значениям АС». Вернуться к значениям по умолчанию можно при помощи кнопки «По умолчанию». После того как все настройки произведены, необходимо нажать кнопку ОК.

Вкладка «Допуски» окна «Анализ критических режимов»

Рис. 15. Вкладка «Допуски» окна «Анализ критических режимов»

Рассмотрим вкладку «Допуски» окна «Анализ критических режимов» (рис. 15). На вкладке в виде таблицы отображен перечень используемых допусков и ряд кнопок, позволяющих добавлять, удалять, редактировать, загружать допуски RLC-компонентов из схемы. Для того чтобы добавить допуск в перечень, надо нажать кнопку «Добавить», в результате откроется окно «Допуск» (рис. 16), где можно задать:

  • «Тип устройства»;
  • «Наименование»;
  • «Параметр» (доступные параметры для устройства/модели);
  • «Текущее значение»;
  • «Вид» (вид допуска: абсолютная величина, проценты);
  • «Значение».
Окно «Допуск»

Рис. 16. Окно «Допуск»

В верхней части окна «Допуск» расположено поле «Выбрать», в котором путем выбора из выпадающего списка устанавливается одно из значений: «Параметры устройства», «Параметры модели». В поле «Описание» выводится описание выбранного устройства/модели.

После нажатия на кнопку ОК допуск будет добавлен в перечень допусков вкладки «Допуски». Запуск анализа производится после настройки всех параметров в окне «Анализ критических режимов» нажатием кнопки «Моделировать», расположенной в нижней части окна.

Результаты анализа критических режимов (вид анализа: «Анализ АС»)

Рис. 17. Результаты анализа критических режимов (вид анализа: «Анализ АС»):
а) графики функций;
б) описание прохода

Результаты анализа критических режимов (вид анализа: «Анализ АС») представлены на рис. 17. Анализируемая схема показана на рис. 18. Результаты анализа критических режимов (вид анализа: «Рабочая точка DC») представлены на рис. 19.

Анализируемая в Worst Case Analysis схема (вид анализа: «Анализ АС»)

Рис. 18. Анализируемая в Worst Case Analysis схема (вид анализа: «Анализ АС»)

Результаты анализа критических режимов (вид анализа: «Рабочая точка DC»)

Рис. 19. Результаты анализа критических режимов (вид анализа: «Рабочая точка DC»)

В таблице «Анализ критических режимов» показана рабочая точка по постоянному току в узле V1 для номинального и критического случаев. В таблице «Описание прохода» отображены значения резисторов, требуемые для сохранения наибольшего отклонения от номинального значения. Анализируемая схема дана на рис. 20.

Анализируемая в Worst Case Analysis схема (вид анализа: «Рабочая точка DC»)

Рис. 20. Анализируемая в Worst Case Analysis схема (вид анализа: «Рабочая точка DC»)

Анализ нулей и полюсов (Pole Zero Analysis)

Pole Zero Analysis выполняет расчет карты нулей и полюсов передаточной характеристики анализируемой схемы для определения ее стабильности. Поведение аналоговой схемы в частотной области выражается формулой передаточной функции, в которой числитель содержит нули, а знаменатель полюса. Нули функции — это те частоты, на которых передача становится нулевой, тогда как полюса функции — это естественные режимы в сети, определяемые естественными частотами. Другими словами, полюс — это любое число, приводящее знаменатель в формуле передаточной функции к нулю. Нули — любое число, приводящее числитель в формуле передаточной функции к нулю. И полюсы, и нули могут содержать реальные, комплексные и мнимые числа. Графически нули и полюса изображают как точки на комплексной плоскости. Нуль или полюс вычисляют как пару реального и мнимого чисел. Количество полюсов с ненулевыми мнимыми координатами всегда парное. Определение полюсов и нулей из формулы передаточной функции позволяет разработчику предсказывать поведение схемы, при этом важно понимать, каким образом эти числа соотносятся со стабильностью схемы.

В Multisim Pole Zero Analysis рассчитывает полюса и нули в малосигнальной АС передаточной функции, в результате чего будут получены реальные и мнимые координаты полюсов и нулей.

Перед выполнением анализа нулей и полюсов необходимо определить в схеме входные (положительные или отрицательные точки, являющиеся входами передаточной функции) и выходные узлы (положительные или отрицательные точки, являющиеся выходами передаточной функции). «Землю» можно использовать как для положительных, так и для отрицательных узлов.

Запуск анализа Pole Zero Analysis производится командой основного меню «Модели-рование/Вид анализа/Нулей и полюсов». В результате будет открыто окно «Анализ нулей и полюсов». Рассмотрим вкладку «Анализируемые параметры» этого окна (рис. 21). В ее верхней части расположено поле «Тип анализа», в котором с помощью переключателя можно выбрать одно из следующих значений:

  • «Усиление (Uвых/Uвх;
  • «Анализ полного сопротивления (Uвых/Iвх;
  • «Входное сопротивление»;
  • «Выходное сопротивление».
Вкладка «Анализируемые параметры» окна «Анализ нулей и полюсов»

Рис. 21. Вкладка «Анализируемые параметры» окна «Анализ нулей и полюсов»

В поле «Узлы» расположено четыре выпадающих списка:

  • «Вход (+)»;
  • «Вход (–)»;
  • «Выход (+)»;
  • «Выход (–)».

Из них выбирают входные и выходные узлы. Напротив каждого списка находится кнопка «Изменить фильтр». После ее нажатия открывается окно «Фильтр узлов», в котором посредством установки флажков в следующих чекбоксах:

  • «Вкл внутренние узлы»— узлы внутри BJT-модели или SPICE-подсхемы;
  • «Вкл субмодули»— выходные переменные из любого подмодуля, содержащегося в схеме;
  • «Вкл открытые выводы»— все не присоединенные узлы схемы, можно задать отображение в списке всех или некоторых узлов.

В поле «Выполняемый анализ» из выпадающего списка выбирают анализ, который будет выполнен в текущем сеансе моделирования:

  • «Анализ нулей и полюсов»— поиск нулей и полюсов передаточной функции;
  • «Анализ полюсов»— поиск полюсов передаточной функции;
  • «Анализ нулей»— поиск нулей передаточной функции.

После настройки всех параметров в окне «Анализ нулей и полюсов» можно произвести запуск анализа. Для этого необходимо нажать кнопку «Моделировать», расположенную в нижней части окна. Анализируемая схема и результаты анализа показаны на рис. 22. Результатом анализа Pole Zero Analysis являются представленные в табличном виде реальные и мнимые координаты полюсов и нулей в зависимости от выбранного выполняемого анализа. Располагая такими данными, можно сделать вывод об устойчивости работы исследуемой схемы.

Анализируемая схема и результаты Pole Zero Analysis

Рис. 22. Анализируемая схема и результаты Pole Zero Analysis

В нашем случае, как видно на рис. 22, анализ определил существование четырех полюсов. Два из них имеют положительные мнимые координаты, а это является признаком неустойчивости анализируемого устройства, что соответствует действительности, поскольку устройство представляет собой генератор. Анализ дает точные результаты для цепей, содержащих пассивные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы, индуктивности. Схемы, включающие активные компоненты — транзисторы или операционные усилители, не всегда отображают ожидаемые результаты.

 

Решение проблемы ошибок симуляции

Общие сведения о процессе симуляции в Multisim

Симуляция — это математический метод моделирования поведения схемы, позволяющий определить ее свойства без физической сборки или использования реальных приборов. Числовой расчет математического представления схемы выполняет симулятор, а каждый компонент представлен математической моделью. Математические модели соединяют схему в окне редактора с математическим представлением для симуляции. Точность моделей компонентов — одно из ключевых условий, определяющих уровень совпадения результатов, полученных как при симуляции, так и при физической реализации схемы. Математическое представление схемы — это система совместных нелинейных дифференциальных уравнений. Основная задача симулятора — численное решение таких уравнений. Симуляторы, основанные на SPICE, преобразуют нелинейные дифференциальные уравнения в систему линейных алгебраических уравнений. Далее они линеаризуются и решаются с помощью различных методов.

Хотя для пользователя процесс симуляции в Multisim выглядит просто, технология, поддерживающая не только скорость и точность симуляции, но и простоту применения, достаточно сложна. Multisim объединяет ядро системы симуляции SPICE3F5 и XSPICE с расширениями, разработанными специально для оптимизации процесса цифровой и смешанной симуляции. SPICE3F5 и XSPICE — промышленно принятые общедоступные стандарты. SPICE3F5 — самая последняя редакция ядра SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), созданная в Калифорнийском университете в Беркли. XSPICE — набор уникальных расширений SPICE, который включает событийно-ориентированный смешанный режим симуляции и подсистему моделирования, расширяемую конечными пользователями. В событийно-ориентированной симуляции процесс осуществляется только тогда, когда какой-нибудь элемент схемы меняет свое состояние. При этом только дискретные логические уровни принимают в нем участие, что позволяет представить функционирование компонентов на более высоком уровне. Событийно-ориентированная симуляция на несколько порядков быстрее, чем аналоговая симуляция этой же схемы.

При симуляции или анализе выполняется проверка согласованности схемы для определения ее соответствия правилам симуляции. Возникшие при этом ошибки фиксируются в журнале. После запуска анализа или моделирования схемы симулятор выполняет ее расчет и генерацию данных, которые будут отображены в виде числовых значений или графической информации на панелях виртуальных приборов или в плоттере Grapher.

Контроль скорости симуляции

Есть много параметров, влияющих на скорость симуляции и сходимость. Их настройка производится в окне «Установки интерактивного моделирования», которое можно открыть при помощи команды «Моделирование/Установки интерактивного моделирования» основного меню Multisim (рис. 23). Основные установки показаны на закладке «Умолчания для анализа переходных процессов». Самая важная установка для контроля скорости симуляции — это «Длительность шага (TMАХ)», или максимальное время шага, которое симулятору разрешено принимать. Для достижения результата симулятор может на свое усмотрение использовать время шагов меньше, но не должен делать шаг больше, чем задано в поле «Длительность шага (TMАХ)». Чем меньше данное значение, тем точнее будут результаты симуляции. Однако тогда симуляция займет больше времени. В большинстве случаев симуляция работает медленнее, чем в реальности. Если результаты симуляции получаются быстрее, чем в реальном времени, они искусственно занижаются до реального времени и процессор освобождается для выполнения других заданий.

Окно «Установки интерактивного моделирования»

Рис. 23. Окно «Установки интерактивного моделирования»

Если в поле «Использовать максимальный шаг по времени (ТМАХ)» выбран пункт «Создавать автоматически», то длительность временных шагов будет устанавливаться автоматически в соответствии с наивысшей частотой источника AC power в схеме или наименьшим разрешением прибора.

Ошибки анализа данных моделирования

При моделировании или анализе схемы электрической принципиальной в Multisim может возникнуть ситуация, когда симулятор не в состоянии закончить работу. Попытайтесь изменить точность и ограничение на количество итераций для анализа в окне «Выбор параметров анализа», а также проверьте схему на наличие ошибок. Для решения проблемы необходимо убедиться в том, что в схеме нет разорванных соединений, все компоненты правильно включены в цепь, контакты микросхем правильно соединены, параметры всех компонентов схемы настроены верно, а схема имеет заземление.

Бывает, что причиной ошибок, в результате которых симулятор не может закончить свою работу, становится использование «плохих» моделей компонентов. Остерегайтесь применения моделей сторонних производителей, поскольку такие модели могут включать элементы и синтаксические конструкции, не поддерживающие стандарт SPICE.

В том случае, если проблема все же осталась, можно порекомендовать проверить правильность установленных значений параметра GMIN (минимальная проводимость) в окне «Выбор параметров анализа». Данный параметр стремится к нулю. Следует учитывать, что увеличение значения параметра GMIN способно негативно сказываться на точности симуляции. По умолчанию значение данного параметра 1E‑12, значения больше 1E‑9 дадут довольно бессмысленные результаты. В любом случае, если вначале схема не сходится, SPICE попробует выполнить продвижение GMIN. Это означает, что большее значение GMIN будет использоваться для нахождения начального решения, а затем производиться постепенное возвращение к его оригинальному значению, чтобы сохранить точность. Когда GMIN стремится к нулю, вырабатывается окончательное решение для цепи и получается корректный ответ. Алгоритм GMIN преобразует одношаговое решение простой нелинейной итерации в многошаговое решение, применяющее тот же алгоритм, но с меньшим шагом. Значение минимальной проводимости задается на вкладке «Общие» в поле «Минимальная электропроводность [GMIN]» окна «Выбор параметров анализа». Количество шагов алгоритма задается на вкладке «DC» в поле «Количество шагов Gmin [GMINSTEPS]».

Если симуляция схемы все же не может быть выполнена, проверьте правильность установленных значений параметров ABSTOL, RELTOL, TRTOL. Значения параметров ABSTOL и RELTOL управляют точностью, которая требуется для симуляции, и их можно увеличить относительно установленных значений по умолчанию. Однако чем больше вы делаете допуск, тем менее точные получаете результаты. Значение TRTOL можно уменьшить относительно установленного значения по умолчанию. Это заставит SPICE использовать меньшие временные шаги, что снизит вероятность «потерять» сходящееся решение, но может увеличить время симуляции. Уменьшение значения TRTOL оправдано лишь тогда, когда процесс симуляции прерывается во время анализа переходного процесса. Также можно применить уменьшение значения TRTOL, в случае если полученные в результате анализа кривые выглядят «изрезанными» или содержат математический шум. Значения параметров ABSTOL и RELTOL можно настроить в окне «Выбор параметров анализа» на вкладке «Общие» в поле «Абсолютная погрешность [ABSTOL]» и «Относительная погрешность [RELTOL]» соответственно. Значение TRTOL задается на вкладке «Переходные» в поле «Фактор округления ошибки [TRTOL]».

Вкладка «Установки моделирования» окна «Анализ нулей и полюсов»

Рис. 24. Вкладка «Установки моделирования» окна «Анализ нулей и полюсов»

Для того чтобы открыть окно «Выбор параметров анализа», необходимо в окне анализа перейти на вкладку «Установки моделирования» (рис. 24). В верхней части вкладки расположено поле «Установки SPICE», где посредством установки переключателя в нужную позицию можно задать настройки параметров Multisim по умолчанию либо пользовательские. В том случае, если в поле выбран пункт «Пользовательские», становится активной кнопка «Выбрать», нажав на ее, можно открыть окно «Выбор параметров анализа» (рис. 25). Функции всех параметров данного окна были рассмотрены в [4]. Пользовательский выбор параметров анализа позволяет задавать собственную технику симуляции и обзора результатов. Однако к ручной установке параметров анализа следует подходить очень внимательно, так как от выбранных установок зависит эффективность симуляции схемы. Выбор параметров анализа производится установкой флажка в чекбоксе в нужной строке, при этом становится активным поле значений, куда можно вносить изменения с клавиатуры. По окончании внесения изменений в окне «Выбор параметров анализа» нажмите кнопку ОК. При необходимости можно вернуться к значениям по умолчанию, для чего нужно нажать кнопку «Вернуться к рекомендованным».

Окно «Выбор параметров анализа»

Рис. 25. Окно «Выбор параметров анализа»

Литература
  1. NI Circuit Design Suite — Getting Started with NI Circuit Design Suite. National Instruments, January 2012.
  2. NI Multisim. Fundamentals. National Instruments, January 2012.
  3. Multisim User Guide. National Instruments Corporation, 2007.
  4. Колесникова Т. Инструменты анализа схем электрических принципиальных в программной среде NI Multisim 12.0. Часть 2 // Компоненты и технологии. 2015. № 2.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *