Инструменты анализа схем электрических принципиальных в программной среде NI Multisim 12.0.
Часть 6
Введение
Компьютерное моделирование имеет ряд преимуществ перед экспериментальным исследованием:
- стоимость моделирования на компьютере значительно ниже стоимости экспериментального исследования;
- при моделировании на компьютере возможно масштабирование реального времени протекания процесса и т. д.
Особое место среди программ схемотехнического моделирования занимают программы, заменяющие измерительную установку, на которой проводится исследование макета электронной схемы. Такой программой является Multisim. В ней на экране отображаются измерительные приборы с органами управления, максимально приближенными к действительности. Эти программы называются интеллектуальными, поскольку в них можно даже не указывать задачи исследования. Модель строится так, что по набору приборов, включенных в измерительную схему, программа сама выполнит необходимые действия.
В Multisim основным инструментом просмотра результатов анализа является плоттер Grapher. Данные отображаются в виде графиков (рис. 1а) или таблиц (рис. 1б). На графике представляется одна или несколько зависимостей вдоль вертикальной или горизонтальной оси. В таблице отображены строки и колонки текстовых данных. Окно плоттера разделено на несколько закладок, число которых зависит от количества выбранных функций анализа. У каждой закладки имеются две возможные активные зоны, указанные красной стрелкой на левом поле: напротив названия закладки или активного графика (таблицы). Некоторые команды, например копирования/вставки/удаления, влияют только на активную область. Настройки плоттера позволяют изменять такие параметры, как масштаб, диапазон выводимых значений, стили линий осей и др. Предусмотрена возможность экспорта полученных результатов моделирования в форматы NI LabView, MS Exсel или MathCad. Результаты моделирования можно вывести на принтер или импортировать в текстовый или графический редактор для их дальнейшей обработки, что дает возможность значительно повысить качественный уровень проведения лабораторных и практических исследований. Окно плоттера Grapher открывается автоматически после нажатия в окне анализа на кнопку «Моделировать» или же при помощи команды основного меню «Вид/Графопостроитель».
Сохранить результаты анализа в Grapher можно при помощи команды основного меню «Файл/Сохранить как» в файлы следующих типов:
- Graph file (*.gra) — файлы Multisim Grapher;
- Текстовые файлы (*.txt) — стандартные текстовые файлы;
- Text-Based Measurement file (*.lvm) — файлы LabVIEW;
- Binary measurement file (*.tdm) — файлы, используемые для обмена данными между программами National Instruments;
- DLM file for MathScript (*.dlm) — файлы MathScript;
- CSV files (*.csv) — файл табличных данных.
В свою очередь в Grapher при помощи команды основного меню «Файл/Открыть» можно открыть файлы следующих типов:
- Graph file (*.gra) — файлы Multisim Grapher;
- Data file (*.dat) — файлы, созданные при симуляции Agilent Simulated Oscilloscope;
- Scope data (*.scp) — файлы, созданные при использовании осциллографа Multisim;
- Bode data (*.bod) — файлы, созданные при использовании плоттера Боде Multisim.
Средства анализа данных моделирования
Для генерации данных для всех видов анализа в Multisim используется симуляция схемы. В Multisim для каждого анализа разработчик может настраивать 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 посредством запуска команды «Моделирование/Вид анализа», настроить параметры анализа и выполнить анализ нажатием кнопки «Моделировать».
Анализ Монте-Карло (Monte Carlo Analysis)
Анализ Монте-Карло позволяет исследовать влияние изменения параметров компонентов схемы на работу схемы. Во время анализа Монте-Карло могут выполняться анализ переходных процессов, DC- и AC-анализы и изменение параметров компонентов согласно типу распределения и допуску параметра, заданных пользователем. При этом первая симуляции выполняется с номинальными значениями. Для остальных симуляций случайным образом выполняется приращение номинального значения (уменьшение или увеличение), которое зависит от выбранного закона распределения случайных величин:
Равномерное — такое распределение, при котором вероятность обнаружения одинакова для всех значений;
Гауссово — распределение на отрезке от 0 до 1 по оси Y, с нулевым средним значением по оси Х и среднеквадратичным отклонением 0,25.
В Multisim запуск анализа Монте-Карло выполняется при помощи команды основного меню программы «Моделирование/Вид анализа/Монте-Карло». В результате чего будет открыто окно «Статистический анализ», в котором находятся следующие вкладки:
- «Допуски»;
- «Параметры анализа»;
- «Установки моделирования»;
- «Итоги».
На вкладке «Допуски» (рис. 2) в виде таблицы отображается перечень используемых допусков и ряд кнопок, при помощи которых можно добавлять, удалять, редактировать, загружать допуски RLC-компонентов из схемы. Для того чтобы добавить допуск в перечень допусков, необходимо нажать на кнопку «Добавить», в результате чего будет открыто окно «Допуск» (рис. 3). В данном окне можно задать:
- «Тип устройства»;
- «Наименование»;
- «Параметр» (доступные параметры для устройства/модели);
- «Текущее значение»;
- «Вид» (вид допуска: абсолютная величина, проценты);
- «Значение»;
- «Распределение»— закон распределения: равномерное или Гауссово.
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 используемых допусков вкладки «Допуски».
Рассмотрим вкладку «Параметры анализа» (рис. 4). В ее верхней части расположено одноименное поле, в котором задаются следующие параметры анализа Монте-Карло:
- «Вид анализа»;
- «Количество проходов»;
- «Выходная переменная»;
- «Функция выделения».
«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», когда выбраны значения «Фронт_сигнала» или «Спад_сигнала». В случае выбора в поле «Функция выделения» значений «Мин» или «Макс» поле будет недоступно для ввода значений.
Вид анализа задается путем выбора из выпадающего списка одного из трех значений: «Рабочая точка DC», «Анализ АС», «Анализ переходных процессов».
В поле «Параметры анализа» находится кнопка «Изменить фильтр», при помощи которой открывается окно «Фильтр узлов» (рис. 5). В этом окне посредством установки флажков в следующих чекбоксах:
- «Вкл внутренние узлы»— внутренние узлы иерархических блоков и подсхем;
- «Вкл субмодули»— компоненты внутри полупроводниковых устройств, определяемых SPICE-моделью этого устройства;
- «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 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(5))). Кнопка «Изменить фильтр» при этом будет заменена кнопкой «Редактировать выражение» (рис. 6).
После нажатия на эту кнопку открывается окно «Анализируемое выражение» (рис. 7), которое предоставляет инструменты для упрощения процесса составления нового выражения или редактирования уже имеющегося. В окне расположены поля «Переменные» и «Функции», в одном из которых отображаются все возможные выходные переменные для текущей схемы, а в другом — доступные для использования функции. Для фильтрации списка выходных переменных и функций можно использовать меню выбора, а также кнопку «Изменить фильтр». Меню выбора позволяет фильтровать переменные по следующим типам:
-
- «Статические пробники»;
- «Напряжение и ток»;
- «Напряжение»;
- «Ток»;
- «Цифровые сигналы»;
- «Устройство/Параметры модели».
А также установить отображение сразу всех функций в списке или же выбрать определенный тип:
-
-
- «Реляционный»;
- «Логический»;
- «Алгебраический»;
- «Экспоненциальный»;
- «Тригонометрический»;
- «Векторный»;
- «Комплексный»;
- «Постоянный».
-
По умолчанию отображаются все выходные переменные и функции. При помощи кнопки «Изменить фильтр» можно путем установки флажка в чекбоксах в окне «Фильтр узлов» задать отображение: внутренних узлов, открытых выводов, выходных переменных из любого подмодуля, содержащегося в схеме.
Для того чтобы составить выражение, необходимо скопировать в него переменные и функции. Добавление переменных производится путем их выбора при помощи левой кнопки мыши в поле «Переменные» и нажатия на кнопку «Копировать переменную в выражение», добавление функций — путем выбора в поле «Функции» и нажатия на кнопку «Копировать функцию в выражение». Составленное выражение появится в поле «Выражение». Очистить данное поле можно при помощи кнопки «Очистить». Нажмите кнопку ОК для завершения добавления выражения и закрытия окна «Анализируемое выражение». Необходимо отметить, что в окне «Анализируемое выражение» есть возможность добавлять в выражение доступные в поле «Последние выражения» составленные ранее выражения. Для этого необходимо выбрать из списка нужное выражение при помощи левой кнопки мыши и нажать на кнопку «Копировать в выражение». После закрытия окна «Анализируемое выражение» составленное выражение будет добавлено в поле «Выходная переменная» и при необходимости может быть отредактировано. Для чего следует нажать на кнопку «Редактировать выражение», в результате снова будет запущено окно «Анализируемое выражение». Редактирование выражения производится в поле «Выражение». После выполнения необходимых изменений нажмите на кнопку ОК.
Флажок в чекбоксе «Все кривые на одном графике» (вкладка «Параметры анализа») устанавливается в том случае, когда нет необходимости отображения каждой кривой на отдельном графике.
При подготовке к такому виду анализа Монте-Карло, как « Анализ АС», требуется настроить параметры частоты. Для этого на вкладке «Параметры анализа» выберем в поле «Вид анализа» пункт «Анализ АС» и нажмем на кнопку «Редактировать», в результате чего будет открыто окно «Анализ АС» (рис. 8), в котором задаются следующие параметры:
- «Начальная (FSTART)»— начальная частота;
- «Конечная (FSTOP)»— конечная частота;
- «Хар-ка изменения»— тип изменения: декадная, октавная, линейная;
- «Кол-во 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, необходимо нажать на кнопку «Возврат к основным значениям АС». Вернуться к значениям по умолчанию можно при помощи кнопки «По умолчанию». После того как все настройки произведены, нужно нажать на кнопку ОК.
При подготовке к такому виду анализа Монте-Карло, как «Анализ переходных процессов», следует настроить его параметры. Для этого на вкладке «Параметры анализа» выберем в поле «Вид анализа» пункт «Анализ переходных процессов» и нажмем на кнопку «Редактировать», в результате чего будет открыто окно «Анализ переходных процессов» (рис. 9). Рассмотрим это окно более подробно. В его верхней части расположено поле «Начальные условия», в котором из выпадающего списка можно выбрать следующие значения:
- «Автоматическое определение начальных условий» — система начинает анализ, используя в качестве начальных значений рабочую точку по постоянному току. При аварийном завершении анализа Multisim попытается использовать нулевые начальные условия. Если и в этот раз не удастся выполнить анализ, то система будет использовать определенные разработчиком начальные условия;
- «Установить равным нулю»— анализ переходного процесса начинается с нулевых начальных условий;
- «Определенные пользователем»— система будет использовать определенные разработчиком начальные условия;
- «Рассчитать рабочую точку на DC»— система рассчитывает рабочую точку по постоянному току схемы, после чего использует полученный результат в качестве начальных условий для анализа переходного процесса.
В поле «Параметры» устанавливается начальное время переходного процесса (параметр «Начало (TSTART)») и его конечное время (параметр «Окончание (TSTOP)») в секундах. Значение параметра «Начало (TSTART)» должно быть больше или равно нулю, но меньше значения параметра «Окончание (TSTOP)». Отрицательные значения начального и конечного времени переходного процесса не допускаются. Посредством установки флажка в чекбоксе «Использовать максимальный шаг по времени (TMAX)» и последующей установки переключателя в одну из позиций:
- «Минимальное кол-во шагов»;
- «Длительность макс. шага (TMAX)»;
- «Создавать автоматически», — можно задать минимум временных шагов путем ввода с клавиатуры нужного количества расчетных точек между начальным и конечным временем переходного процесса, максимальное время шага в секундах, которое может поддерживать анализ, генерацию временных шагов автоматически.
В нижней части окна «Анализ переходных процессов» находится поле «Дополнительно», в котором путем установки флажка в чекбоксах:
- «Установить начальный шаг (TSTЕP)»;
- «Оценивать макс. шаг на основе перечня соединений (TMAX)», — можно задать значение временного шага в секундах (данное значение должно быть меньшим, чем значение максимального временного шага, установленное в поле «Длительность макс. шага (TMAX)»), необходимость оценки максимального шага на основе перечня соединений. В том случае если заданы параметры начального (TSTЕP) и максимального временного шага (TMAX), размер временных шагов, получаемый в процессе анализа, будет начинаться с начального значения шага и увеличиваться до значения заданного максимального временного шага.
Для того чтобы вернуться к значениям по умолчанию, нажмите на кнопку «По умолчанию» в верхнем правом углу окна «Анализ переходных процессов». После того как все настройки произведены, необходимо нажать на кнопку ОК для возврата в окно «Статистический анализ».
Рассмотрим вкладку «Установки моделирования» этого окна (рис. 10). В верхней части вкладки расположено поле «Установки SPICE», в котором, установив переключатель 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», посредством нажатия на которую открывается окно «Выбор параметров анализа» (рис. 11). Данное окно содержит пять вкладок:
- «Общие»;
- «DC»;
- «Переходные»;
- «Устройство»;
- «Расширенные», — на которых можно произвести настройку параметров (более подробно о настройке параметров в окне «Выбор параметров анализа» было рассмотрено в [4]).
Выбор параметров анализа производится путем установки флажка в чекбоксе в нужной строке, при этом становится активным поле значений, в которое можно вносить изменения с клавиатуры. По окончании внесения изменений в окне «Выбор параметров анализа» нажмите на кнопку ОК. При необходимости можно установить значения по умолчанию, для чего нужно нажать на кнопку «Вернуться к рекомендованным».
Продолжим рассмотрение вкладки «Установки моделирования». В ее нижней части расположено поле «Дополнительно». Установка флажка в чекбоксе «Выполнить проверку последовательности перед запуском» позволит произвести проверку схемы на уместность применения выбранного анализа к данной схеме. Разрешение данного параметра дает указание Multisim автоматически определять такие несовместимости, как открытые конденсаторы, пустые файлы схемы, отсутствие заземления схемы. В поле «Заголовок» отображается заголовок анализа (в нашем случае это Монте-Карло), при необходимости его можно изменить путем ввода с клавиатуры нового значения.
Для просмотра информации об анализе предназначена вкладка «Итоги» (рис. 12). Данная вкладка предоставляет обзор всех установок анализа Монте-Карло.
Для того чтобы запустить анализ с текущими установками, следует нажать кнопку «Моделировать», которая находится в нижней части окна «Статистический анализ».
Анализируемая схема и результаты анализа Монте-Карло (окно плоттера Grapher) представлены на рис. 13. Для проведения измерений в области полученного графика можно воспользоваться курсорами, нажав кнопку «Курсоры» на панели инструментов Grapher. В результате на активном графике появятся два вертикальных курсора, а также откроется окно «Курсор» (рис. 14), в котором синхронно с перемещением курсоров на графике будут отображаться числовые данные.
Пакетный анализ (Batched Analyses)
В Multisim есть возможность собрать в пакет разные анализы или несколько вариантов одного и того же анализа с различными настройками, чтобы в дальнейшем последовательно выполнять их при помощи одной команды. Такой вид анализа называется пакетным. Запуск пакетного анализа производится командой «Моделирование/Вид анализа/Пакетный» основного меню программы Multisim. В результате откроется диалоговое окно «Пакетный анализ» (рис. 15). Рассмотрим данное окно более подробно. В нем расположено два списка, в одном из которых отображаются все доступные виды анализа (список «Доступный вид анализа»), а в другом — виды анализов, добавленные в пакет (список «К исполнению»). Добавление анализов в пакет производится при помощи перемещения их названия из первого списка во второй, путем выбора строки с нужным названием левой кнопкой мыши в списке «Доступный вид анализа» и последующего нажатия кнопки «Добавить». При необходимости анализ можно удалить из списка «К исполнению», для этого используйте кнопку «Удалить анализ». Очистить окно списка «К исполнению» можно кнопкой «Удалить все анализы». В списке «К исполнению» отображаются не только анализы, которые будут выполняться в пакете, но и информация о добавленных в данный список анализах, просмотреть которую можно, нажав значок «+», расположенный рядом с анализом.
В процессе добавления анализа в список «К исполнению» будет открыто окно параметров выбранного анализа (рис. 16), после настройки которых надо нажать кнопку «Добавить в список», чтобы завершить процесс. В результате название анализа появится в списке «К исполнению». При этом в настройки параметров добавленного анализа можно вносить изменения. Для этого в списке «К исполнению» выделяют название анализа левой кнопкой мыши, а затем нажимают кнопку «Редактировать анализ», в результате будет снова открыто окно настроек параметров анализа. Стоит отметить, что в пакет можно добавить копии одного и того же анализа с разными установками. Для запуска только одного анализа из пакета следует выбрать его при помощи левой кнопки мыши в списке «К исполнению» и нажать на кнопку «Запустить выбранные». Запуск всего пакета анализов выполняется кнопкой «Запустить все». Тогда откроется окно плоттера Grapher с результатами выполнения добавленных в пакет анализов (в нашем случае это анализ переходных процессов, критических режимов и рабочая точка DC), которые будут представлены на разных вкладках (рис. 17). Анализируемая в Batched Analyses схема показана на рис. 18.
Анализ ширины проводников (Trace Width Analysis)
Анализ ширины проводников определяет минимальную ширину трассы, необходимую для поддержания RMS тока в проводниках схемы. В Multisim запуск анализа ширины проводников выполняется при помощи команды основного меню программы «Моделирование/Вид анализа/Ширины проводников». В результате будет открыто окно «Анализ ширины проводников», в котором находятся следующие вкладки:
- «Анализ ширины проводников»;
- «Параметры анализа»;
- «Установки моделирования»;
- «Итоги».
На вкладке «Анализ ширины проводников» (рис. 19а) настраиваются следующие параметры:
- «Максимальная внешняя температура»;
- «Плотность покрытия»— толщина медного проводника печатной платы в Oz/ft2 (Oz/ft2 — единицы измерения толщины медного покрытия платы, 1 Oz/ft2 равен 0,035 мм);
- «Установить ширину проводников, используя результаты этого анализа»;
- «Единицы»— единицы измерения.
Рассмотрим вкладку «Параметры анализа» (рис. 19б). В ее верхней части расположено поле «Начальные условия», в котором из выпадающего списка можно выбрать следующие значения:
- «Автоматическое определение начальных условий»— система начинает анализ, применяя в качестве начальных значений рабочую точку по постоянному току. При аварийном завершении анализа Multisim попытается использовать нулевые начальные условия. Если и в этот раз не удастся выполнить анализ, то система будет использовать определенные разработчиком начальные условия;
- «Установить равным нулю»— анализ начинается с нулевых начальных условий;
- «Определенные пользователем»— система будет использовать определенные разработчиком начальные условия;
- «Рассчитать рабочую точку на DC»— система рассчитывает рабочую точку по постоянному току схемы, после чего использует полученный результат в качестве начальных условий для анализа.
В поле «Параметры» устанавливается начальное время (параметр «Начало (TSTART)») и конечное время (параметр «Окончание (TSTOP)») в секундах. Значение параметра «Начало (TSTART)» должно быть больше или равно нулю, но меньше значения параметра «Окончание (TSTOP)». Отрицательные значения начального и конечного времени не допускаются. Посредством установки флажка в чекбоксе «Использовать максимальный шаг по времени (TMAX)» и последующей установки переключателя в одну из позиций:
- «Минимальное кол-во шагов»;
- «Длительность макс. шага (TMAX)»;
- «Создавать автоматически», —
можно задать минимум временных шагов, введя с клавиатуры нужное количество расчетных точек между начальным и конечным временем, максимальное время шага в секундах, которое может поддерживать анализ, генерацию временных шагов автоматически.
Увеличение значения параметра «Мини-мальное кол-во шагов» до 100 и более увеличивает точность полученного результата. Использование больших значений (более 1000) приводит к большей точности, однако замедляет симуляцию и увеличивает время выполнения анализа.
В нижней части вкладки «Параметры анализа» находится поле «Дополнительно», в котором путем установки флажка в чекбоксах:
- «Установить начальный шаг (TSTЕP)»;
- «Оценивать макс шаг на основе перечня соединений (TMAX)», — можно задать значение временного шага в секундах (данное значение должно быть меньшим, чем значение максимального временного шага, установленное в поле «Длительность макс. шага (TMAX)»), необходимость оценки максимального шага на основе перечня соединений. В том случае, если заданы параметры начального (TSTЕP) и максимального временного шага (TMAX), размер временных шагов, получаемый в процессе анализа, будет начинаться с начального значения шага и увеличиваться до значения заданного максимального временного шага.
Вернуться к значениям по умолчанию можно, нажав кнопку «По умолчанию» в верхнем правом углу вкладки «Параметры анализа». Вкладка «Итоги» (рис. 19в) предоставляет обзор всех установок анализа. Опции и установки, доступные для настройки на вкладке «Установки моделирования», для большинства анализов аналогичны и уже были рассмотрены в предыдущей статье [4], поэтому в настоящей статье при рассмотрении функций анализа подробное описание этой вкладки опущено.
Для того чтобы запустить анализ с текущими установками, необходимо нажать на кнопку «Моделировать», которая находится в нижней части окна «Анализ ширины проводников». В результате выполнения анализа будет получена таблица результатов (рис. 20). Анализируемая схема представлена на рис. 21. Результаты анализа показали, что минимальная ширина трассы, необходимая для поддержания RMS тока в проводниках печатной платы, к примеру, для компонента d4 (диод) равна 0,446 мм, для компонента с4 (конденсатор) — 0,302 мм.
Заключение
Анализ разработанной схемы — дело очень сложное, кропотливое, требующее большого внимания. Система схемотехнического моделирования Multisim представляет собой удобное и практичное средство, позволяющее моделировать электрические схемы и анализировать их работу. В Multisim входит множество средств анализа данных моделирования (рис. 22). Для начала анализа необходимо выбрать нужную функцию из основного меню программы Multisim посредством запуска команды «Моделирование/Вид анализа», настроить параметры анализа и выполнить анализ нажатием кнопки «Моделировать». Основным инструментом просмотра результатов моделирования является плоттер Grapher. Данные отображаются в виде графиков или таблиц. Результаты моделирования можно вывести на принтер или импортировать в текстовый или графический редактор для их дальнейшей обработки, что дает возможность значительно повысить качественный уровень проведения лабораторных и практических исследований.
- NI Circuit Design Suite — Getting Started with NI Circuit Design Suite. National Instruments, January 2012.
- NI Multisim. Fundamentals. National Instruments, January 2012.
- Multisim User Guide. National Instruments Corporation, 2007.
- Колесникова Т. Инструменты анализа схем электрических принципиальных в программной среде NI Multisim 12.0. Часть 2 // Компоненты и технологии. 2015. № 2.