Новые возможности программы схемотехнического моделирования Micro-Cap

Данная статья знакомит читателя с некоторыми новыми возможностями программ Micro-Cap 8 (июль 2004 г.) и Micro-Cap 9 (январь 2007 г.).

Изучение схемотехнического моделирования электронных устройств рекомендуется начинать с освоения программы Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program) фирмы Spectrum Software (http://www.spectrum-soft.com). Программа Micro-Cap постоянно модернизируется и является старейшей программой схемотехнического моделирования. История этой программы начинается с июня 1980 года, когда созданная в феврале того же года компания Spectrum Software выпустила свой первый продукт — Logic Designer and Simulator, реализовавший графический ввод схем линейных и нелинейных аналоговых устройств, их моделирование и динамическое отображение графиков характеристик в процессе моделирования. В версии Micro-Cap 8 и Micro-Cap 9 по сравнению версией Micro-Cap 7 (сентябрь 2001 г.) [1] введено много нового.

Ввод и редактирование линий групповой связи (шин)

Режим ввода шин включается щелчком мыши по пиктограмме

или выбором команды Options > Mode/Bus, затем необходимо щелкнуть по схеме, после чего открывается диалоговое окно Bus (рис. 1), служащее для размещения шинного соединения.

Для подключения проводников к шинному соединению используется режим ввода проводников Options > Mode/Wire.

Поле Part позволяет вводить имя шинного соединения. Флажок рядом позволяет показывать или скрывать имя.

Поле Enter Pin Names служит для ввода названий выводов, определяя номер отдельных проводов/узлов для шинного соединения. Названия выводов могут быть внесены в следующих видах:

• A, B, C, D — четыре вывода шины с выводами, обозначенными A, B, C и D;
• A[1:4] — четыре вывода шины с выводами, обозначенными A1, A2, A3 и A4;
• C [1:4,8,9] — шесть выводов шины с выводами, обозначенными C1, C2, C3, C4, C8 и C9;
• 0:7 — восемь выводов шины с выводами, обозначенными 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7;
• [A, B] [1,2] — четыре вывода шины с выводами, обозначенными A1, A2, B1 и B2.

Раскрывающийся список Bus Node Placement определяет, где поместить название шинного соединения. Есть три опции: вверху (Top), в середине (Middle) и внизу (Bottom).

Раскрывающийся список Wire Node Alignment определяет, как провода выходят из соединения. Есть три опции:

• Straight (прямо) — провода появляются перпендикулярно к соединению.
• Up (вверх) — провода отклоняются в одном направлении.
• Down (вниз) — провода отклоняются в противоположном направлении.
• Клавиша Color служит для выбора цвета соединения.
• Флажок Pin Markers управляет отображением маркеров вывода. Флажок Pin Names управляет отображением названия вывода. Флажок Enabled разрешает/запрещает соединение.

Назначение допусков

В диалоговом окне статистического анализа Monte Carlo Options (рис. 2), открываемом по команде Monte Carlo > Options при помощи клавиши Tolerance (CTRL+ALT+T), открывается доступ к диалоговому окну Tolerance (допустимые отклонения).

Допустимые отклонения обычно определяются, когда создается модель. Современные модели полевых и биполярных транзисторов, однако, имеют много параметров, для которых зачастую трудно ввести все их допуски, даже если они известны. Это диалоговое окно открывается из диалогового окна Monte Carlo, а также при выборе Edit > Change > Tolerances, и позволяет назначать допуски на все или многие параметры сразу (рис. 3). Можно применить допуски LOT и DEV к любому компоненту, который входит в состав модели. Можно также сохранить установки Tolerance для более позднего использования в других моделях того же типа. Диалоговое окно имеет следующие поля:

• Types — список типов компонентов, найденных в схеме. Можно выбрать один или несколько типов для назначения допусков, хотя обычно выбирается только один тип.
• Models — перечисляет модели для выбранных типов компонентов. Можно выбрать одну или несколько моделей для назначения допусков.
• Parameters — перечисляет параметры для каждой выбранной модели.
• LOT — управляет опциями для допуска:
  • Add/Change — при нажатии кнопки Apply добавляет или изменяет допуск LOT выбранного параметра(ов) на значение в поле Tolerance.
  • Leave — оставляет допуски LOT неизменными.
  • Remove — удаляет допуск LOT для выбранного параметра(ов).
  • Lot# — позволяет вводить lot# для допуска LOT.
  • Distribution — позволяет выбирать тип распределения.
  • Tolerance — позволяет вводить допуск. Можно ввести абсолютное допустимое отклонение или допустимое отклонение в процентах.
• DEV — управляет опциями для допуска DEV. Опции — те же, что и для допуска LOT.
• Tolerance Sets — позволяет назначать имя устанавливаемым допустимым отклонениям, таким образом, они могут использоваться для других компонентов, имеющих модель того же типа. Для установки имени нажмите Save и введите имя, например, 60n_MOSFET или % Caps_5. Для применения установленных допусков к выбранным параметрам выберите имя установки из списка и нажмите Apply в рамке Tolerance Sets. Для удаления установленных допусков выберите имя установки, которое необходимо удалить, затем нажмите на кнопку Delete.

Расчет схемы по переменному току (Dynamic AC)

По команде Analysis > Dynamic AC производится расчет схемы по переменному току и его отображение на чертеже схемы (рис. 4).

В Dynamic AC программа выполняет AC analysis для списка значений частот и затем отображает переменные напряжения, токи и мощности на схеме.

Когда режим Dynamic AC запущен, диалоговое окно Dynamic AC Limits, показанное на рис. 5, дает возможность установить или изменить условия анализа.

Объем выводимой на схему информации определяется при нажатии пиктограмм:

• 

  — высвечивание всех текстовых надписей;

• 

  — высвечивание позиционных обозначений и номиналов компонентов;

• 

  — номера узлов;

• 

  — напряжения аналоговых узлов или логические состояния цифровых узлов;

• 

  — токи ветвей;

• 

  — мощности, рассеиваемые в ветвях;

• 

  — состояния p-n-переходов: LIN — линейный режим, ON — переход открыт, OFF — переход закрыт, SAT — находится в режиме насыщения;

• 

  — обозначение выводов компонентов.

В поле Frequency List задается список значений частот для моделирования. Режим Dynamic AC всегда использует установленный список дискретных частот, а не линейный или логарифмический частотный диапазон.

В поле Temperature устанавливается значение температуры, при которой выполняется анализ.

В поле Slider Percentage Step Size устанавливается процент изменения для каждого нажатия клавиши, увеличивающего (Up Arrow) или уменьшающего (Down Arrow) значение выбранного компонента.

В поле Complex Value Display выбирается отображение комплексного числа. Комплексная величина отображается с помощью двух чисел.

Поле First Value — позволяет выбрать, что отобразить в качестве первого числа:

• Magnitude — модуль комплексного числа;
• Magnitude in dB — модуль комплексного числа в децибелах;
• Real Part — действительную часть комплексного числа;
• None — ничего не отображает.

Поле Second Value позволяет выбрать, что отобразить в качестве второго числа:

• Phase in Degrees — фаза в градусах;
• Phase in Radians — фаза в радианах;
• Imaginary Part — мнимая часть;
• None — ничего не отображает.

В окошке Place Text помещается знак («галочка»), разрешающий поместить текст на схеме, показывая параметры режима Dynamic AC, включая частоту, температуру и используемый формат комплексного числа.

Кроме того, в диалоговом окне Dynamic AC Limits расположены следующие кнопки:

• Start — запуск анализа. Каждый щелчок по кнопке активизирует один анализ для одного значения частоты. Когда конец списка достигнут, анализ запускается на первой частоте в списке. После первого значения частоты название кнопки изменяется на Next;
• Previous — производит один анализ с предшествующим значением частоты;
• Stop — останавливает анализ на последней частоте, отключает кнопку Previous и восстанавливает название кнопки Next на Start;
• OK — выводит из диалогового окна, но режим Dynamic AC все еще действует. Редактирование схемы теперь создает динамические обновления к выбранным величинам на последней частоте;
• Cancel — выводит из диалогового окна и игнорирует любые изменения содержания диалогового окна. Режим Dynamic AC все еще действует. Редактирование схемы теперь создает динамические обновления к выбранным величинам AC на последней частоте;
• Help — обращается к справочной информации для диалогового окна.

Любое изменение схемы, такое как добавление или удаление элементов, наряду с использованием клавиш курсора для управления значением выбранных резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности и батарей, источников SPICE V и I, производит новый анализ на последней частоте.

Значения Dynamic AC (узловые напряжения и мощности) имеют заливку фона, для быстрого установления различий их с параметрами Dynamic DC, которые показываются без заливки фона.

Как и в режиме Dynamic DC, можно редактировать схему, удаляя элементы или редактируя значения параметра компонента и немедленно наблюдая действие на переменных напряжениях, токах и мощностях. Значения резистора, конденсатора, катушки индуктивности, а также напряжение батареи можно регулировать, используя клавиши управления курсором (клавиши со стрелками) и движковые регуляторы аналогично тому, как это делается в режиме Dynamic DC.

Анализ искажений (Distortion Analysis)

Анализ Distortion — разновидность анализа переходных процессов, который рассчитывается для одной частоты синусоидального сигнала входного источника и измеряет результирующее искажение в указанном выходном выражении, используя функцию IHD (Individual Harmonic Distortion — индивидуальное гармоническое искажение).

Если синусоидальный сигнал одной частоты прикладывается к входу схемы и если схема совершенно линейна, выходной сигнал будет синусоидальным с той же самой частотой.

Спектральное содержание входного и выходного сигнала будет то же самое, кроме, возможно, амплитуды и фазы. При этом искажений не будет.

Если схема нелинейная, на выходе будут наблюдаться, кроме сигнала с входной частотой, сигналы гармоник. Другими словами, произойдет искажение. Функция IHD показывает искажение на каждой гармонической частоте в процентах от уровня сигнала на основной частоте.

Все сделанное при исследовании искажений могло быть сделано и при анализе переходных процессов. Анализ искажений просто автоматизирует расчет и создает соответствующие графики — для отображения результатов искажений.

Для анализа искажений синусоидальный источник напряжения или тока должен быть подсоединен к входу схемы. Его частота и амплитуда устанавливаются в диалоговом окне Distortion Analysis Limits.

В качестве примера используем классическую схему усилителя UA709 (рис. 6). Для этого загрузим файл примера DIST1. CIR.

Анализ искажений осуществляется по команде Analysis > Distortion Analysis, при этом появляется диалоговое окно Distortion Analysis Limits (рис. 7).

В нем содержатся следующие поля:

• • Fundamental Frequency — основная частота (F0), используемая при анализе. Частота синусоидального источника, подключенного к входу схемы, должна иметь это же значение.
  • Input Source Name — имя источника, используемого в качестве входного. Он должен быть или Sine Source, или Voltage Source, или Current Source типа SIN. Для того чтобы выполнить анализ искажений, один из этих источников должен, во-первых, присутствовать на схеме, а во-вторых, быть соединен с входом схемы.
  • Input Source Amplitude — амплитуда входного синусоидального сигнала. Это может быть одиночное значение или список значений для многовариантного анализа. Форматы для многовариантного анализа:
    • • List: запятая разграничивает значения в списке. Пример: 100mv, 10mv, 1mv.
      • Linear: End (конечное значение), Start (начальное значение), Step (шаг). Пример: 1.0, 0.5, 0.1.
      • Log: End, Start, Multiplier (множитель). Пример: 1.0, 0.01, 10.

    Обратите внимание, что содержание Input Source Amplitude отображено в первой панели диалогового окна Stepping. Если необходимо изменить многовариантно другую переменную, используйте одну из других панелей. До 20 параметров могут изменяться многовариантно.

  • Output Expression — выходное выражение, которое используется для измерения искажений. Обычно — это что-то простое, например V(OUT), но это может быть любое выражение, например, выражение для мощности, передаваемой в нагрузку, — PD(RLOAD).
  • Temperature — рабочая температура для моделирования.
  • Simulation Cycles — число периодов основной частоты, для которых моделирование будет выполняться. Моделирование должно продолжаться достаточно долго, для того чтобы закончились любые начальные переходные процессы. Для большинства схем Simulation Cycles составляет 3–5. Обратите внимание, что даже при том, что Micro-Cap выполняет моделирование для 3–5 периодов, она использует только последний полный период для расчетов FFT (БПФ). Например, если основная частота 10 кГц и выбрано значение 5 для этого поля, Micro-Cap выполнила бы моделирование для tmax = 5/F0 = 5/10K = 5*100uS = 500uS. Micro-Cap тогда использовала бы часть выражения выходного сигнала от конца 4-го периода (400uS) до конца 5-го периода (500uS) для расчетов FFT. Этот усеченный сигнал можно наблюдать на третьем графике (рис. 8), он обозначен Sampled Waveform (сигнал примера).

• Maximum Time Step — значение для определения максимального шага времени, используемого при анализе. Это значение обычно устанавливается между .01 и .001 Simulation Run Time (времени выполнения моделирования).

Щелкните F2 для запуска анализа. В результате будут построены три графика (рис. 8):

• HARM(V(OUT)) — график амплитуд гармоник от частоты для выходного напряжения V(OUT);
• IHD (HARM(V(OUT)), 10000) — график искажения IHD от частоты для выражения выходного напряжения V(OUT). Этот график показывает, что искажение выходного сигнала, обусловленное 2-й гармоникой, составляет около 16m% или 0,016%, и искажение, обусловленное 3-й гармоникой, меньше, чем 1m% или 0,001%;
• V(OUT) — график выходного напряжения V(OUT) от времени.

Обратите внимание, что есть дополнительный график THD (рис. 8), который установлен, но заблокирован. Для построения его задайте ему номер в столбце P.

Поскольку все реальные схемы имеют некоторую нелинейность, искажение чувствительно к уровню сигнала. Убедитесь, что использовали сигнал, уровень которого соответствует вашему устройству.

Редактор Model

Библиотеки Model, которые есть в Micro-Cap 9, представлены в текстовом и бинарном (двоичном) виде.

В текстовой форме они содержатся в файлах с расширением LIB и представляют закодированные модели устройств, такие как .MODEL, .MACRO и .SUBCKT. Текстовые файлы можно наблюдать и редактировать с помощью любого редактора текста, включая редактор текста Micro-Cap 9.

В бинарной форме библиотеки содержатся в файлах с расширением LBR и являются списком параметров модели для компонента. Эти двоичные файлы можно наблюдать и редактировать только с помощью редактора Model. Редактор Model (рис. 9) вызывается из меню File при открытии или создании двоичного файла библиотеки.

Редактор Model не нужно путать с программой MODEL, к которой получают доступ из меню Model. Программа MODEL создает оптимизированные параметры аналоговой модели на основе справочных данных. Программа MODEL может создать библиотеки моделей в текстовой или в двоичной форме.

Как только двоичные библиотеки созданы, редактор Model можно использовать для их рассмотрения и редактирования.

Редактор Model вызываем из меню File, загружая двоичный файл библиотеки (с расширением LBR).

Различные части редактора функционируют следующим образом:

• Поле Name служит для ввода имени компонента. Если компонент был импортирован из программы MODEL, это поле — копия ее поля Name.
• Поле Memo служит для ввода текста, который может использоваться для цели описания. Если компонент был импортирован из программы MODEL, это поле — копия ее поля Memo.
• Раскрывающийся список Type selector используется для выбора типа отображаемого устройства. Каждая библиотека может содержать смесь различных типов устройств. Выбор, например NPN, отображает все биполярные транзисторы NPN в файле.
• Type selector используется для выбора имени компонента для отображения и возможного редактирования. Обеспечивает окно для обзора определенных параметров моделей для отображаемого компонента. Как в других окнах, кнопку Maximize можно использовать для увеличения окна, чтобы наблюдать больше параметров моделей.
• Клавиша Add добавляет новый компонент к текущей библиотеке.
• Клавиша Delete удаляет отображенный компонент.
• Клавиша Pack служит для удаления всех дублированных и необозначенных компонентов, она переупорядочивает компоненты с помощью букв и цифр.
• Клавиша Copy служит для копирования компонента из отображаемой библиотеки.
• Клавиша Merge объединяет библиотеку с диска с текущей библиотекой в памяти. Объединенная библиотека отображается, но автоматически не сохраняется на диске.
• Клавиша Find позволяет определять имя параметра, затем прокрутить список параметров показываемого в настоящее время компонента — для отображения величины параметра. Отметим, что функция Find доступна для определения местонахождения компонентов по имени в текущем файле библиотеки или в одном из файлов библиотеки на диске. Просто нажмите на кнопку Find
  

  на панели инструментов.

Меню Model

Меню Model обеспечивает доступ к большинству функций программы Model. Список команд этого меню приведен в таблице 1.

Глобальные параметры

По команде Global Setting или при нажатии иконки

открывается диалоговое окно установки параметров моделирования, изображенное на рис. 10. Новые глобальные параметры, появившиеся в последних версиях Micro-Cap, приведены в таблице 2.

Новое окно загрузки схемы, текстового файла или библиотеки моделей

После вызова программы Micro-Cap 9 двойным щелчком на ее пиктограмме

на экране появится основное окно программы, сверху которого помещена строка системного меню, в которой размещены имена режимов File, Edit, Component, Windows, Options, Analysis, Design, Model и Help. Вначале курсором выбирается режим File. По команде New… предлагается сделать выбор (рис. 11):

• Schematic — создание нового чертежа схемы, который заносится в файл с расширением *.CIR;
• Macro (.mac) — создание текстовых файлов, которые описывают макромодели;
• General Tex t(.txt) — создание общих текстовых файлов;
• SPICE (.ckt) — создание нового текстового файла с описанием схемы в формате SPICE (расширение имени *.CKT);
• Text Library (.lib) — текстовые файлы, содержащие подсхему и операторы моделей для цифровой библиотеки, аналоговой библиотеки и библиотеки спектров;
• Binary Library (.lbr) — создание нового бинарного файла библиотек (расширение имени *.lbr). В этом файле помещаются модели некоторых аналоговых компонентов;
• Model File (.mdl) — создание бинарного файла, сохраняющего перечень технических характеристик или измеренных значений, из которых программа Model создает параметры модели для использования в Analog Library.

Кроме того, кратко отметим некоторые новые возможности, не получившие подробного описания в этой статье:

• • Добавлен транслятор файлов OBIS. OBIS (Input/output Buffer Information Specification) метод описания характеристик устройства на поведенческом уровне, пригодный для большинства цифровых компонентов. Большинство моделирующих устройств не может использовать файл IBIS непосредственно. Он должен быть оттранслирован в подходящий для использования образцовый язык. Обычно преобразование делается в совместимом со SPICE синтаксисе. Micro-Cap обеспечивает такие инструментальные средства. Она транслирует файлы IBIS в пригодную для использования модель SPICE, которая может использоваться для моделирования. Диалоговое окно транслятора (рис. 12) вызывается при выборе File > Translate > IBIS to SPICE File… .

• • Расширены возможности режима параметрической оптимизации, он может сейчас быть применен в режимах Dynamic DC и Dynamic AC.
  • Появилась возможность синтеза пассивных эллиптических фильтров.
  • Расширены библиотеки компонентов (некоторые новые компоненты приведены в табл. 3). Появилась библиотека SMPS для моделирования импульсных источников напряжения.

• Расширены возможности меню и диалоговых окон. Теперь можно наблюдать одно окно программы на одном мониторе, а второе окно — на другом мониторе.
• Предусмотрено шифрование файла (с целью защиты информации от несанкционированного просмотра или использования).