Анализ схем электрических принципиальных в программной среде Proteus 8.1

№ 9’2015
PDF версия
Proteus объединяет две основные программы: ISIS — средство разработки и отладки в режиме реального времени электронных схем и ARES — средство разработки печатных плат. Помимо этого, ISIS позволяет моделировать электрические схемы и анализировать их работу. Для исследования и анализа данных эмуляции электрических цепей в ISIS имеются специальные инструменты, одним из которых является объект график, используемый для просмотра результатов эмуляции и получения замеров. В программе есть 14 видов анализа данных моделирования. В представленной статье рассмотрена настройка параметров, просмотр результатов и работа со следующими видами анализа: аналоговый анализ переходных процессов, анализ шумов. Подробно рассмотрена работа с такими объектами программы ISIS, как генераторы, пробники и графики. Предложены способы решения ошибок анализа данных моделирования.

Введение

Разработка любого цифрового устройства сопровождается физическим или математическим моделированием, а также анализом работы схемы прибора. Анализ разработанной схемы — дело очень сложное, кропотливое, требующее большого внимания. Физическое моделирование связано с большими материальными затратами, поскольку предполагается изготовление макетов и их трудоемкое исследование. Часто физическое моделирование просто невозможно из-за чрезвычайной сложности устройства, например при разработке больших и сверхбольших интегральных микросхем. В этом случае прибегают к математическому моделированию с помощью компьютерных программ.

Модельный эксперимент с использованием функций анализа является мощным средством предварительного исследования и анализа электронной схемы, помогающим проверить правильность расчета параметров элементов и характеристик. Электронная виртуальная лаборатория, в основе которой лежит использование программы ISIS, позволяет наглядно моделировать и анализировать линейные и нелинейные электрические цепи. При этом параметры компонентов цепи, режима работы, виды и параметры воздействий можно изменять в широком диапазоне значений.

В ISIS имеется множество средств анализа данных моделирования:

  • «Аналоговый анализ переходных процессов» используется для:
    • быстрого измерения усиления;
    • визуальной оценки искажений;
    • измерения тока от источника;
    • измерения тока, проходящего через отдельный компонент схемы;
    • проверки того, что схема работает ожидаемым образом.
  • «Цифровой анализ переходных процессов» использует событийно-ориентированную симуляцию, которая быстрее, чем аналоговая, и отличается от аналоговой тем, что процесс осуществляется только тогда, когда какой-нибудь элемент схемы меняет свое состояние.
  • «Анализ переходного процесса смешанного режима» применяется, когда в схеме используются аналоговые и цифровые компоненты. Для реализации этого вида анализа используется тип графика MIXED, который позволяет отображать цифровые и аналоговые кривые. Это единственный тип графика, отображающий оба вида сигналов одновременно.
  • «Частотный анализ» позволяет увидеть, как будет вести себя схема на разных частотах, и может использоваться, к примеру, для проверки того, работает ли схема фильтра ожидаемым образом или работает ли корректно схема усилителя в требуемой полосе частот. При этом в один момент времени рассматривается только одна частота.
  • «Анализ развертки на постоянном токе» позволяет увидеть, как изменения цепи скажутся на ее работе.
  • «Анализ развертки на переменном токе» используется для определения того, как значения отдельных компонентов схемы влияют на ее амплитудно-частотную характеристику (АЧХ). При этом на графике отображаются кривые АЧХ для разных значений переменной развертки.
  • «Анализ передаточной кривой на постоянном токе» используется для получения характеристических кривых полупровод-никовых устройств.
  • «Анализ шумов» — анализ спектра внутренних шумов, который заключается в создании шумовой модели схемы путем использования шумового вклада каждого резистора и полупроводникового устройства. При этом вычисляются два типа шумов — выходные и эквивалентные входные. Эффекты от вклада внешних электрических и магнитных полей не моделируются.
  • «Анализ искажений» — анализ нелинейных и интермодуляционных искажений определяет уровень гармонических искажений, получаемых в схеме при тестировании. Предназначен для анализа искажений сигнала, которые могут быть не очевидны при использовании анализа переходного процесса.
  • «Анализ Фурье». Проведение спектрального анализа Фурье — это метод анализа сложных периодических сигналов, применимый к любым несинусоидальным периодическим функциям, преобразуемым в синусоидальные или косинусоидальные формы и постоянную составляющую.
  • «Аудиоанализ» — выполняет анализ переходных процессов, а затем проигрывает результат (Windows .wav-файл) через звуковую карту компьютера. Полученные .wav-файлы могут быть экспортированы для использования в других приложениях.
  • «Интерактивный анализ» — выполняет интерактивную симуляцию и отображает результаты на графике.
  • «Рабочая точка на постоянном токе» — используется для вычисления рабочей точки. Это единственный вид анализа, для которого нет соответствующего графика.
  • «Цифровой анализ соответствия» — выполняет цифровую симуляцию, а затем сравнивает результаты с сохраненными результатами предыдущего запуска. Данный вид анализа может быть полезным для быстрой перепроверки в случае внесения изменений в схемный проект, который был уже признан рабочим. Это особенно важно при разработке схем с использованием микроконтроллеров, где весь проект может нуждаться в повторной проверке после внесенных изменений в код программы.

Все виды анализа начинаются с вычисления рабочей точки, то есть начальных значений для всех узлов напряжения, ветвей тока и состояния переменных в момент времени, равный 0.

 

Анализ схем электрических принципиальных в ISIS

В ISIS для выполнения анализа необходимы такие объекты редактора, как график, генераторы и пробники. Для начала анализа следует выбрать нужный график из списка, расположенного на панели GRAPHS (рис. 1), нажав левой кнопкой мыши на строку с его названием. Это же действие можно выполнить при помощи команды контекстного меню Place/Graphs/. Например, для реализации аналогового анализа переходных процессов подойдет тип графика ANALOGUE. Виды анализа в ISIS и соответствующие им типы графиков представлены в таблице.

Панель GRAPHS редактора ISIS

Рис. 1. Панель GRAPHS редактора ISIS

Таблица. Виды анализа в ISIS и соответствующие им типы графиков

Вид анализа

Тип графика

Аналоговый анализ переходных процессов

ANALOGUE

Цифровой анализ переходных процессов

DIGITAL

Анализ переходного процесса смешанного режима

MIXED

Частотный анализ

FREQUENCY

Анализ развертки на постоянном токе

DC SWEEP

Анализ развертки на переменном токе

АC SWEEP

Анализ передаточной кривой на постоянном токе

TRANSFER

Анализ шумов

NOISE

Анализ искажений

DISTORTION

Анализ Фурье

FOURIER

Аудиоанализ

AUDIO

Интерактивный анализ

INTERACTIVE

Цифровой анализ соответствия

CONFORMANCE

Рабочая точка на постоянном токе

 —

По умолчанию панель GRAPHS расположена в левой части программы и содержит список имеющихся графиков. Открыть ее можно, нажав кнопку Graph Mode на левой панели инструментов редактора ISIS.

Далее в нужном месте рабочего поля программы необходимо с помощью мыши разместить выбранный график, который фактически является окном отображения результатов анализа. Для этого поместите указатель мыши в окне редактора в точке, где должен находиться верхний левый угол графика. Нажмите левую кнопку мыши и растяните прямоугольник до того размера, который нужен для отображения результатов анализа, а затем отпустите кнопку мыши.

График — это объект, который можно разместить в проекте. Его назначение — управлять частичной симуляцией и отображать результаты этой симуляции. Вид анализа, выполняемый симуляцией, определяется типом размещенного графика. симулируемая часть проекта и данные, отображенные на графике, определяются такими объектами, как пробники и генераторы, которые были добавлены на график.

Следует отметить, что в один проект схемы может быть добавлено несколько графиков, размер каждого из них можно изменять при помощи мыши. При необходимости в схемном проекте объект-график можно перемещать или редактировать.

Для выполнения анализа необходимы и такие объекты редактора ISIS, как генераторы и пробники. Генераторы используются для подачи тестовых сигналов в исследуемую схему. Выбрать нужный генератор можно на панели GENERATORS (рис. 2), открывающейся нажатием кнопки Generator Mode на левой панели инструментов редактора ISIS. Это же действие можно выполнить при помощи команды контекстного меню Place/Generator/. Пробники размещаются в тех точках схемы, за которыми мы хотим наблюдать. Выбрать нужный пробник можно на панели PROBES (рис. 3), открывающейся нажатием кнопки Probe Mode на левой панели инструментов редактора ISIS. Это же действие можно выполнить командой контекстного меню Place/Probe/.

Панель GENERATORS редактора ISIS

Рис. 2. Панель GENERATORS редактора ISIS

Панель PROBES редактора ISIS

Рис. 3. Панель PROBES редактора ISIS

Далее необходимо добавить пробники и генераторы на график, настроить параметры анализа и выполнить анализ при помощи команды контекстного меню Simulate Graph (предварительно нужно выделить при помощи левой кнопки мыши в проекте схемы нужный график).

Порядок действий при выполнении анализа схемы электрической принципиальной может быть представлен в виде следующих шагов:

  1. Размещение в рабочем поле проекта графика соответствующего типа.
  2. Размещение и подключение к исследуемой схеме генераторов для подачи тестовых сигналов.
  3. Размещение и подключение к исследуемой схеме пробников. Пробники подключаются к тем точкам схемы, за которыми мы хотим наблюдать.
  4. Добавление генераторов и пробников на график для отображения данных, которые они генерируют/фиксируют.
  5. Установка параметров анализа.
  6. Запуск анализа на выполнение при помощи команды контекстного меню Simulate Graph.

Настройка параметров анализа

Для каждого анализа разработчик может настраивать определенные параметры, переменные для анализа, установки моделирования. Возможность настройки опций анализа появляется после размещения соответствующего анализу графика в рабочем поле проекта. Для того чтобы открыть окно настроек, необходимо при помощи левой кнопки мыши выделить график, при помощи правой кнопки мыши вызвать контекстное меню и выбрать в нем пункт Edit Graph или Edit Properties. Для каждого вида анализа есть свой интерфейс окна настроек. Заданные параметры сохраняются вместе с файлом схемы, поэтому даже в том случае, если файл открыт на другом компьютере, будут использованы те же установки.

Использование измерительных пробников тока и напряжения

Как уже было отмечено, для выполнения анализа необходимы такие объекты редактора ISIS, как измерительные пробники. Рассмотрим более подробно работу с этими приборами.

При проектировании схемы электрической принципиальной для выполнения проверки постоянного (переменного) напряжения или тока на участке цепи в программе Proteus можно использовать измерительные пробники тока (CURRENT) и напряжения (VOLTAGE). Данные приборы могут быть размещены в рабочем проекте Proteus до запуска процесса симуляции схемы. Пробники напряжения можно использовать как для аналоговой, так и для цифровой симуляции, в то время как пробники тока — только для аналоговой симуляции.

Следует отметить, что процесс моделирования запускается при помощи кнопки Run the simulation, находящейся в левом нижнем углу окна программы. Для того чтобы временно приостановить процесс симуляции, используйте кнопку Pause the simulation, or start up at time 0 if stopped (кнопка находится в левом нижнем углу окна программы). Остановить моделирование можно при помощи кнопки Stop the simulation.

Для добавления измерительного пробника в рабочее поле программы необходимо нажать на строку с его названием на панели PROBES (по умолчанию данная панель расположена в левой части программы и содержит список имеющихся виртуальных пробников) и разместить его с помощью мыши в нужном месте на схеме. Панель PROBES можно открыть, нажав кнопку Probe Mode на левой панели инструментов редактора ISIS. Кстати, измерительные пробники не имеют собственной лицевой панели, как другие виртуальные приборы, а настройки их параметров выполняются в окне свойств до запуска симуляции схемы.

Для подключения измерительного пробника к схеме необходимо выбрать его название на панели PROBES, подвести курсор к месту размещения пробника и щелкнуть левой кнопкой мыши по проводнику. Результаты измерения (напряжение, ток) будут отображены после запуска симуляции схемы рядом с пиктограммой прибора. Нужно отметить, что для пробника тока важна ориентация его размещения. Направление измерения тока указано стрелкой, заключенной в кружок, на пиктограмме пробника тока. В каждой схеме может использоваться много пробников, в том числе и копии одного и того же прибора. Каждая копия настраивается и соединяется отдельно.

На рис. 4 представлен пример подключения нескольких пробников тока и напряжения к исследуемой схеме. Обратите внимание на названия пробников. Неподключенные пробники имеют по умолчанию название «?». Когда пробник присоединен к цепи, ему автоматически присваивается имя цепи, а если цепь не имеет имени, то в качестве названия пробник получает позиционное обозначение компонента или имя вывода, после которого он подключен. Также разработчик может самостоятельно присвоить пробнику имя.

Пример подключения нескольких пробников тока и напряжения к исследуемой схеме

Рис. 4. Пример подключения нескольких пробников тока и напряжения к исследуемой схеме

Для того чтобы настроить параметры пробника, необходимо выделить его в рабочем поле при помощи левой кнопки мыши, при помощи правой кнопки вызвать контекстное меню и указать в нем пункт Edit Properties. В результате выполненных действий будет открыто окно Edit Current Probe для токового пробника (рис. 5а) и окно Edit Voltage Probe для пробника напряжения (рис. 5б). Для токового пробника есть возможность установить имя пробника (поле Name) и название файла (поле Filename), в который будут записываться данные. Для пробника напряжения помимо этих двух параметров есть возможность задать значение сопротивления нагрузки (поле Load (Ohms)). Данные, записанные в файл, могут проигрываться с помощью генератора записи (TAPE).

Окно настройки параметров:

Рис. 5. Окно настройки параметров:
а) токового пробника;
б) пробника напряжения

Использование генераторов

Генераторы используются для подачи тестовых сигналов в исследуемую схему. В ISIS доступны следующие типы генераторов:

  • DC — источник постоянного напряжения;
  • Sine — генератор синусоидального напряжения с возможностью настройки параметров амплитуды, частоты и фазы. Производит непрерывный синусоидальный сигнал одной частоты;
  • Pulse — аналоговый импульсный генератор с возможностью настройки параметров амплитуды, периода, времени нарастающего и спадающего фронтов. Производит повторяющиеся прямоугольные, пилообразные, треугольные, а также единичные импульсы;
  • Exp — экспоненциальный импульсный генератор;
  • SFFM — частотно-модулированный одночастотный генератор, производит сигнал, определяемый частотной модуляцией одного синусоидального сигнала другим;
  • Pwlin — генератор кусочно-линейных сигналов, используется для создания импульсов и сигналов произвольной формы;
  • File — производит сигнал, который задается серией временных точек и значений данных, содержащихся в ASCII-файле. Данные в этом файле представляются в виде пар «время» — «напряжение»;
  • Audio — данный генератор используется для проведения испытания схемы с помощью заранее подготовленного .wav (звукового) файла;
  • Steady State — установившийся логический уровень;
  • Single Edge — единичный переход от низкого к высокому или от высокого к низкому уровням;
  • Single Pulse — источник единичного цифрового тактового импульса;
  • Clock — источник цифрового тактового сигнала (последовательности импульсов, разделенных паузами);
  • Pattern — источник произвольной последовательности логических уровней;
  • Easy HDL — управление генератором производится при помощи скрипта.

Выбрать нужный генератор можно на панели GENERATORS, открыв ее нажатием кнопки Generator Mode на левой панели инструментов редактора ISIS. Для того чтобы добавить генератор в рабочее поле программы, необходимо нажать на строку с его названием на панели GENERATORS (по умолчанию данная панель расположена в левой части программы и содержит список имеющихся виртуальных генераторов) и разместить его с помощью мыши в необходимом месте на схеме. Данные приборы могут быть размещены в рабочем проекте Proteus до запуска процесса симуляции схемы.

Необходимо отметить, что генераторы не имеют собственной лицевой панели, как другие виртуальные приборы. Выполнение настроек их параметров производится в окне свойств до запуска симуляции схемы.

Для подключения генератора к схеме нужно выбрать его название на панели GENERATORS, подвести курсор к месту размещения генератора и щелкнуть левой кнопкой мыши по проводнику. В каждой схеме может использоваться несколько генераторов, в том числе и копии одного и того же прибора. Каждая копия прибора настраивается и соединяется отдельно.

На рис. 6 показаны Sine-, Pulse- и Clock-генераторы и полученные с их выходов сигналы, которые отображаются в виде трех кривых на экране графического дисплея осциллографа. Работа с виртуальным осциллографом была подробно рассмотрена в [2].

Sine-, Pulse- и Clock-генераторы и полученные с их выходов сигналы, отображающиеся в виде трех кривых на экране графического дисплея виртуального осциллографа

Рис. 6. Sine-, Pulse- и Clock-генераторы и полученные с их выходов сигналы, отображающиеся в виде трех кривых на экране графического дисплея виртуального осциллографа

Неподключенные генераторы имеют по умолчанию название «?». Когда прибор присоединен к цепи, ему автоматически присваивается имя цепи, а если цепь не имеет имени, то прибор получает в качестве названия позиционное обозначение компонента или имя вывода того компонента, который первый подключен к цепи. Также разработчик может самостоятельно присвоить имя генератору.

Для того чтобы настроить параметры генератора, необходимо выделить его в рабочем поле при помощи левой кнопки мыши, при помощи правой кнопки вызвать контекстное меню и выбрать в нем пункт Edit Properties. В результате выполненных действий будет открыто диалоговое окно Generator Properties. Рассмотрим данное окно более подробно. В его левой части размещены следующие поля:

  • Generator Name — имя генератора;
  • Analogue Types — генераторы аналогового типа;
  • Digital Types — генераторы цифрового типа;
  • Current Source — посредством установки флажка в данном чекбоксе можно превратить генератор в источник тока (чекбокс недоступен для генераторов цифрового типа);
  • Isolate Before — путем установки флажка в данном чекбоксе можно имитировать обрыв цепи, к которой подключен генератор. При этом цепь, отходящая от генератора, изолируется от цепи, находящейся за генератором;
  • Manual Edits — установка флажка в данном чекбоксе меняет способ ввода и отображение параметров генератора (рис. 7). При этом параметры генератора отображаются в виде текстового списка, а вводятся вручную с клавиатуры.
Отображение параметров генератора в виде текстового списка в окне Generator Properties

Рис. 7. Отображение параметров генератора в виде текстового списка в окне Generator Properties

Интерфейс правой части окна Generator Properties меняется согласно с выбранным типом генератора и может содержать как набор полей выбора параметров (рис. 8а), так и поле ввода скрипта (рис. 8б) — для Easy HDL-генератора.

Диалоговое окно Generator Properties, интерфейс в виде:

Рис. 8. Диалоговое окно Generator Properties, интерфейс в виде:
а) набора полей выбора параметров;
б) поля ввода скрипта (для Easy HDL-генератора)

Добавление генераторов и пробников на график

Для отображения на графике данных, которые генерируют/фиксируют генераторы и пробники, необходимо добавить на него эти объекты. При этом график должен быть размещен в рабочем поле проекта. Каждый график может отображать несколько кривых. Каждая кривая отображает данные, ассоциированные с одним генератором или пробником. Для аналоговых и смешанных типов графиков есть возможность отобразить в виде отдельной кривой данные, полученные в результате выполнения математической функции. По умолчанию названия кривых соответствуют названиям объектов, данные которых они отображают. При необходимости названия кривых можно изменить. Для добавления генераторов/пробников на график необходимо при помощи левой кнопки мыши выделить пиктограмму объекта на схеме и перетащить ее мышью на график. В результате на графике отобразится название добавленного генератора/пробника. Также для добавления генераторов/пробников на график можно воспользоваться командой Add Traces. Для того чтобы вызвать эту команду, нужно при помощи левой кнопки мыши выделить график (в нашем примере это график ANALOGUE), на который предполагается добавить объекты, при помощи правой кнопки мыши вызвать контекстное меню и выбрать в нем пункт Add Traces. В результате будет открыто диалоговое окно Add Transient Trace, которое содержит следующие поля ввода:

  • Name — имя новой кривой;
  • Probe P1 — Probe P4 — выбор генераторов/пробников для отображения данных;
  • Expression — в качестве переменной для отображения данных может быть использовано выражение;
  • Trace Type — тип кривой: Analog (аналоговая), Digital (цифровая), Phasor (фазовый вектор), Noise (шум);
  • Axis — ось Y: Left (левая), Right (правая), Reference (опорная).

После того как все параметры в окне Add Transient Trace настроены, нажмите кнопку ОК. В результате выбранные генераторы/пробники будут добавлены в окно графика. Для каждого вида анализа название диалогового окна добавления генераторов/пробников на график отличается. На рис. 9 показано диалоговое окно Add Transient Trace и новая кривая в окне графика ANALOGUE, отображающая данные, ассоциированные с добавленным генератором.

Диалоговое окно Add Transient Trace и новая кривая в окне графика ANALOGUE, отображающая данные, ассоциированные с добавленным генератором

Рис. 9. Диалоговое окно Add Transient Trace и новая кривая в окне графика ANALOGUE, отображающая данные, ассоциированные с добавленным генератором

Просмотр результатов анализа

Основным инструментом просмотра результатов анализа в ISIS является объект-график, который позволяет представить результаты анализа в графическом виде. Для генерации данных для всех видов анализа используется симуляция схемы. Для каждого вида анализа задаются свои настройки. Данные отображаются в виде графиков, на которых представляется одна или несколько зависимостей вдоль вертикальной или горизонтальной оси.

 

Средства анализа данных моделирования

Аналоговый анализ переходных процессов

Переходные процессы в электрических цепях возникают вследствие коммутации или динамического изменения воздействия на электрическую цепь. Характер переходного процесса определяется порядком цепи, то есть порядком дифференциального уравнения, описывающего процесс в цепи, и видом корней характеристического уравнения (видом полюсов операторного изображения исследуемой величины).

В каждый момент времени каждый компонент в схеме представляется как комбинация источников тока и/или резисторов. Это представление затем описывается системой совместных уравнений, использующих законы Ома и Кирхгофа, а уравнения решаются Гауссовым методом исключения. Для каждого момента времени, для которого решаются уравнения, значения источников тока и резисторов задаются законами, встроенными в модели компонентов, и процесс повторяется, пока не будет получен стабильный набор результирующих значений.

Аналоговый анализ переходных процессов можно использовать для быстрого измерения усиления, визуальной оценки искажений, измерения тока от источника, измерения тока, проходящего через отдельный компонент схемы, проверки того, что схема работает ожидаемым образом.

Для выполнения аналогового анализа переходных процессов в ISIS применяется график ANALOGUE. При этом ось Х будет осью времени, а ось Y отображает напряжение или ток.

При подготовке к анализу нужно:

  • добавить в схему генераторы, которые будут необходимы для получения входных сигналов;
  • поместить на схему пробники и подключить их к тем точкам, за которыми мы хотим наблюдать;
  • добавить график ANALOGUE;
  • для отображения данных, которые генерируют/фиксируют генераторы и пробники, необходимо добавить эти объекты на размещенный в рабочем поле проекта график;
  • настроить параметры графика.

Запуск анализа на выполнение производится при помощи команды контекстного меню Simulate Graph (при этом объект график должен быть выделен).

Рассмотрим подробнее процесс настройки параметров графика. Для этого выделим его при помощи левой кнопки мыши, при помощи правой кнопки мыши вызовем контекстное меню и выберем в нем пункт Edit Properties, в результате чего будет открыто окно Edit Transient Graph (рис. 10). Окно содержит следующие поля ввода:

Окно Edit Transient Graph

Рис. 10. Окно Edit Transient Graph

  • Graph title — заголовок графика;
  • Start time — время начала симуляции;
  • Stop time — время окончания симуляции;
  • Left Axis Label — название левой оси;
  • Right Axis Label — название правой оси;
  • User defined properties — определенные пользователем свойства;
  • Options — основные свойства для запуска симуляции. Параметры в данном поле задаются установкой флажков в следующих чекбоксах:
    • Initial DC solution — вычисление начальной рабочей точки. В том случае, когда флажок в данном чекбоксе не установлен, все узловые напряжения будут нулевыми в нулевой момент времени, за исключением цепей с уже заданными начальными условиями. При этом разработчику предоставляется возможность самостоятельно задать начальные условия для отдельных компонентов в поле User defined properties;
    • Log netlist(s) — запись в журнал симуляции.

Также в поле Options находится кнопка SPICE Options. С ее помощью открывается окно настройки параметров симуляции (рис. 11). Более подробно о настройке этих параметров было рассказано в [3].

Окно настройки параметров симуляции Simulator Options, вкладка Tolerances

Рис. 11. Окно настройки параметров симуляции Simulator Options, вкладка Tolerances

В результате аналогового анализа переходных процессов вычисляется напряжение в зависимости от времени. Анализируемая схема и полученные результаты (окно графика) представлены на рис. 12. В нашем примере в качестве тестового сигнала использован источник напряжения синусоидальной формы (генератор Sine). Данный прибор производит непрерывный синусоидальный сигнал с частотой 1 кГц и амплитудой 1 В. Окно настроек генератора Sine представлено на рис. 13. Также в схему добавлен пробник напряжения.

Анализируемая схема и результаты аналогового анализа переходных процессов (источник тестового сигнала — генератор Sine)

Рис. 12. Анализируемая схема и результаты аналогового анализа переходных процессов (источник тестового сигнала — генератор Sine)

Окно Sine Generator Properties

Рис. 13. Окно Sine Generator Properties

Изменим источник тестового сигнала и добавим в схему генератор Easy HDL (скрипт управления генератором представлен на рис. 14). Анализируемая схема и полученные результаты анализа демонстрирует рис. 15. Красная кривая — это тестовый сигнал, полученный с генератора, зеленая — сигнал, полученный на выходе схемы.

Окно Easy HDL Generator Properties и скрипт управления генератором Easy HDL

Рис. 14. Окно Easy HDL Generator Properties и скрипт управления генератором Easy HDL

Анализируемая схема и результаты аналогового анализа переходных процессов (источник тестового сигнала — генератор Easy HDL)

Рис. 15. Анализируемая схема и результаты аналогового анализа переходных процессов (источник тестового сигнала — генератор Easy HDL)

График, размещенный на схеме, минимизирован, но его можно открыть в полноэкранном режиме. Для этого необходимо выделить график при помощи левой кнопки мыши, при помощи правой кнопки мыши вызвать контекстное меню и выбрать в нем пункт Maximize (Show Window). В результате в проект будет добавлена новая вкладка ANALOGUE ANALYSIS, на которой выбранный график отображен в полноэкранном режиме (рис. 16). В это время на схеме график не будет отображаться (рис. 17). Для того чтобы минимизировать график, необходимо закрыть вкладку ANALOGUE ANALYSIS.

Полноэкранный режим просмотра графика

Рис. 16. Полноэкранный режим просмотра графика

Схема в момент максимизации графика

Рис. 17. Схема в момент максимизации графика

Может случиться так, что после запуска аналогового анализа переходных процессов, вследствие возникновения проблем, анализ будет аварийно завершен. Для решения проблемы необходимо проверить анализируемую схему и убедиться в том, что в ней нет разорванных соединений, все компоненты схемы правильно включены в цепь. В том случае, если проблема все же осталась, можно порекомендовать установить пользовательские значения следующих параметров в окне Simulator Options (данное окно открывается посредством нажатия на кнопку SPICE Options в окне настройки параметров графика):

Relative error tolerance: [RELTOL] (вкладка Tolerances) — увеличить значение относительного допуска ошибки до 0,01, это уменьшает требуемые итерации для выполнения сходимости, в результате чего симуляция завершается намного быстрее;

Upper transient iteration limit: [ITL4] (вкладка Iteration) — увеличить значение данного параметра до 1000, это позволит аналоговому анализу переходных процессов проделать больше итераций для каждого временного шага до получения результата. Однако необходимо учитывать, что увеличение значения данного параметра может замедлить симуляцию;

Integration method: [METHOD] (вкладка Iteration) — изменить метод интеграции для аналогового анализа переходных процессов. Необходимо отметить, что использование метода TRAPEZOIDAL ускоряет симуляцию схемы и увеличивает числовую точность, однако иногда может привести к получению непредвиденных результатов. Трапецеидальное интегрирование менее стабильно. Метод GEAR обычно дает более точные результаты для заданного количества временных шагов.

Анализ шумов

Анализ шумов в ISIS — это анализ спектра внутренних шумов, который заключается в создании шумовой модели схемы путем использования шумового вклада каждого резистора и полупроводникового устройства.

Шумы — это чисто случайные сигналы, мгновенное значение которых или фазу невозможно предсказать во времени. Шумы уменьшают качество полезного сигнала. Они могут генерироваться внутри операционного усилителя или связанными с ним пассивными элементами или попадать в схему из внешних источников. Обычно доминируют шумы из внешних источников. Когда все источники входных сигналов отключены, а выход нагружен на соответствующую нагрузку, уровень шумов, называемый уровнем собственных шумов, определяет минимальный сигнал, при котором можно использовать схему. Целью разработчика является создание такой схемы, в которой обрабатываемые сигналы находятся выше уровня собственных шумов, но ниже уровня, при котором они ограничиваются схемой. Разработка малошумящих схем требует поиска определенного баланса между внутренними и внешними источниками шума.

ISIS создает шумовую модель схемы, используя шумовые модели каждого резистора и полупроводникового устройства. Программа рассчитывает шумовой вклад каждого компонента и распространяет его к выходу схемы во всем частотном диапазоне, заданном в диалоговом окне анализа.

Анализ шумов рассчитывает шумовой вклад от каждого резистора и полупроводникового устройства для заданного выходного узла. Каждый резистор и полупроводниковое устройство рассматривается как генератор шума. Каждый вклад генератора шума рассчитывается и приводится подходящей функцией преобразования к выходу схемы.

Анализ шумов в ISIS имеет следующие особенности:

  • время симуляции прямо пропорционально количеству пробников напряжения и генераторов в схеме, поскольку учитывается каждый из них;
  • пробники тока не учитываются при анализе шумов, а следовательно, игнорируются;
  • симулятор вычисляет выходные шумы и эквивалентные входные шумы, их расчет возможен относительно уровня входного сигнала или входных шумов, поскольку представляет уровень шумов на входе, которые потребуют создания действительных шумов на выходе, взятых с усилением схемы на отдельных частотах.

Для выполнения анализа шумов в ISIS используется график NOISE. Размещение пробника на левой оси отображает выходной шум, а приведенный к входу шум можно отобразить, если перетащить пробник на правую сторону графика.

При подготовке к анализу нужно:

  • добавить в схему генератор;
  • поместить на схему пробники напряжения и подключить их к выходу схемы или интересующим точкам;
  • добавить график NOISE;
  • добавить пробники на размещенный в рабочем поле проекта график;
  • настроить параметры графика.

Запуск анализа на выполнение производится при помощи команды контекстного меню Simulate Graph (при этом объект график должен быть выделен).

Рассмотрим подробнее процесс настройки параметров графика. Для этого выделим его при помощи левой кнопки мыши, при помощи правой кнопки мыши вызовем контекстное меню и выберем в нем пункт Edit Properties, в результате будет открыто окно Edit Noise Graph (рис. 18). Окно содержит следующие поля ввода:

  • Graph title — заголовок графика;
  • Reference — опорный генератор;
  • Start frequency — начальная частота;
  • Stop frequency — конечная частота;
  • Interval — характеристика изменения. Задается посредством выбора из выпадающего списка типа изменения, который определяет распределение вычисляемых точек в диапазоне частот: DECADES (декадный), LINEAR (линейный), OCTAVES (октавный);
  • № Steps/Interval — количество точек, в которых производится расчет частотных характеристик в процессе анализа (при увеличении количества точек будут получены наиболее точные результаты, однако может снизиться скорость симуляции схемы);
  • User defined properties — определенные пользователем свойства;
  • Options — основные свойства для запуска симуляции. Установка флажка в чекбоксе Y Scale in dBs этого поля позволяет задать отображение результатов на графике в дБ.
Диалоговое окно Edit Noise Graph

Рис. 18. Диалоговое окно Edit Noise Graph

Анализируемая схема и полученные результаты представлены на рис. 19. Зеленая кривая на графике отображает выходной шум, а красная — шум, приведенный к входу.

Анализируемая схема и результаты анализа шумов

Рис. 19. Анализируемая схема и результаты анализа шумов

В нашем примере в качестве тестового сигнала был использован источник напряжения синусоидальной формы (генератор Sine). Также в схему был добавлен пробник напряжения, которому присвоено название OUTPUT. Список источников шума схемы можно просмотреть в журнале симуляции, который открывается при помощи комбинации клавиш Ctrl+V. Информация представлена на отдельной вкладке SIMULATION LOG редактора ISIS (рис. 20). Как видно из рис. 20, большинство элементов, производящих шум фактически внутри операционного усилителя, имеют префикс U1_. Также источниками шума являются резисторы RF2, RB1, R3.

Фрагмент списка источников шума схемы в журнале симуляции

Рис. 20. Фрагмент списка источников шума схемы в журнале симуляции

 

Общие ошибки анализа данных моделирования

Наиболее часто встречающимися ошибками, которые могут возникнуть при запуске всех видов анализа, являются следующие ошибки: временного шага (timestep error) и сингулярная матрица (singular matrix).

При возникновении ошибки временного шага можно порекомендовать изменить установки по умолчанию значений следующих параметров в окне Simulator Options (данное окно открывается посредством нажатия на кнопку SPICE Options в окне настройки параметров соответствующего анализу графика):

  • Relative error tolerance: [RELTOL] (вкладка Tolerances) — увеличить относительный допуск ошибки (рис. 11);
  • Shunt Resistance (Ohms): [RSHUNT] (вкладка Tolerances) — уменьшить сопротивление шунта;
  • Integration method: [METHOD] (вкладка Iteration) — изменить метод интеграции (рис. 21а).
Окно настройки параметров симуляции Simulator Options

Рис. 21. Окно настройки параметров симуляции Simulator Options:
а) вкладка Iteration;
б) вкладка Transient

Для устранения ошибки singular matrix необходимо проверить анализируемую схему и убедиться в том, что в схеме нет разорванных соединений. Также можно порекомендовать в окне Simulator Options на вкладке Tolerances уменьшить порог диагонального элемента (параметр Minimum acceptable pivot value: [PIVTOL]) до величины меньшей, чем указано в сообщении об ошибке, и увеличить значение параметра Minimum acceptable ratio of pivot: [PIVREL]. Следует отметить, что данный параметр может принимать значение в диапазоне между 1 и 0.

При моделировании или анализе схемы электрической принципиальной в ISIS иногда возникает ситуация, когда симулятор не может закончить работу. В таком случае попытайтесь изменить точность и ограничение на количество итераций для анализа в окне Simulator Options, а также проверьте схему на наличие в ней ошибок. Для решения проблемы необходимо убедиться в том, что в схеме нет разорванных соединений, все компоненты схемы правильно включены в цепь, контакты микросхем правильно соединены, параметры всех компонентов схемы настроены верно, схема имеет заземление.

Причиной ошибок, в результате которых симулятор не способен закончить свою работу, может быть применение «плохих» моделей компонентов. Остерегайтесь использования 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 Simulator Options. Данный параметр не может принимать нулевое значение. Необходимо 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, симулятор попробует выполнить продвижение GMIN. Это означает, что большее значение GMIN будет использоваться для нахождения начального решения, а затем будет производиться постепенное возвращение к его оригинальному значению, чтобы сохранить точность. Когда GMIN уменьшается до нуля, вырабатывается окончательное решение для цепи и получается корректный ответ. Алгоритм GMIN преобразует одношаговое решение простой нелинейной итерации в многошаговое решение, использующее тот же алгоритм, но с меньшим шагом. Значение минимальной проводимости задается на вкладке Tolerances в поле Minimum conductance (Siemens): [GMIN] окна Simulator Options. Количество шагов алгоритма задается на вкладке Iteration в поле Number of GMIN steps: [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 симулятор использовать меньшие временные шаги, что уменьшит вероятность «потерять» сходящееся решение, однако может увеличить время симуляции. Уменьшение значения TRTOL оправдано только тогда, когда процесс симуляции прерывается во время аналогового анализа переходных процессов. Также можно применить уменьшение значения TRTOL в случае, когда полученные в результате анализа кривые выглядят «изрезанными» или содержат математический шум. Значения параметров ABSTOL и RELTOL можно настроить в окне Simulator Options на вкладке Tolerances в поле Absolute current error tolerance (Amps): [ABSTOL] и Relative error tolerance: [RELTOL] соответственно. Значение TRTOL задается на вкладке Transient (рис. 21б) в поле Truncation error over-estimation factor: [TRTOL].

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 путем ввода нужных значений в соответствующие поля с клавиатуры. По окончании внесения изменений в окне Simulator Options нажмите кнопку ОК. При необходимости можно установить значения по умолчанию, для чего нужно нажать на кнопку Load, предварительно выбрав в меню из выпадающего списка пункт Default Setting.

Литература
  1. ISIS Help. Labcenter Electronics, 2014.
  2. Филатов М. Проведение измерений при помощи виртуальных приборов в программной среде Proteus 8.1 // Компоненты и технологии. 2015. № 4.
  3. Филатов М. Автоматизированное проектирование электронных устройств при помощи специализированного пакета Proteus 8.1 // Компоненты и технологии. 2015. № 3.
  4. Intelligent Schematic Input System. Руководство пользователя. Labcenter Electronics, 2010.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *