Обзор программ компьютерного моделирования и проектирования устройств телекоммуникаций

В последние годы стали доступны ряд программ машинного анализа, приняты стандарты в области машинного проектирования. Приведем краткую характеристику программ схемотехнического моделирования [1].

Electronics Workbench 5 (http://www.interactiv.com)

Эта система, называемая также виртуальной лабораторией, наглядна, проста в использовании и не требует дополнительной подготовки по ее освоению [2]. Интуитивность и простота интерфейса делают программу доступной любому, кто знаком с основами использования Windows.

Имею­щиеся в программе библиотеки включают в себя большой набор широко рас­пространенных электронных компонентов. Предусмотрена возможность подключения и создания новых библиотек компонентов.

Параметры компонентов можно изменять в широком диапазоне значений. Простые компоненты описываются набором параметров, значения которых можно изменять непосредственно с клавиатуры, активные элементы – моделью, представляющей собой совокупность параметров и описывающей конкретный элемент или его идеальное представление. Модель выбирается из списка биб­лиотек компонентов, параметры модели также могут быть изменены пользова­телем.

Широкий набор приборов позволяет производить измерения различных величин, задавать входные воздействия, строить графики. Все приборы изо­бражаются в виде, максимально приближенному к реальному, поэтому рабо­тать с ними просто и удобно.

Результаты моделирования можно вывести на принтер или импортиро­вать в текстовый или графический редактор для их дальнейшей обработки.

Возможность изменения цвета проводников позволяет сделать схему более удобной для восприятия. Можно отображать различными цветами и графики, что очень удобно при одновременном исследовании нескольких зависимостей.

Все операции производятся при помощи мыши или клавиатуры. Управ­ление только с клавиатуры невозможно.

Путем настройки приборов можно:

- изменять шкалы приборов в зависимости от диапазона измерений,

- задавать режим работы прибора,

- задавать вид входных воздействий на схему (постоянные и гармониче­ские токи и напряжения, треугольные и прямоугольные импульсы).

Графические возможности программы позволяют:

- одновременно наблюдать несколько кривых на графике,

- отображать кривые на графиках различными цветами,

- измерять координаты точек на графике, импортировать данные в гра­фический редактор, что позволяет произвести необходимые преобра­зования рисунка и вывод его на принтер.

Electronics Workbench позволяет использовать результаты, полученные в программе PSpice, а также передавать результаты из Electronics Work­bench в эту программу. Можно вставить схему или ее фрагмент в текстовый редактор и напечатать в нем пояснения или замечания по работе схемы.

Вместе с тем, программа имеет ряд ограничений:

1. Невозможность многовариантного анализа, что не позволяет получить семейство характеристик при изменении одного или нескольких параметров компонентов.

2. В используемой версии программы не предусмотрен многовариантный анализ при изменении температуры.

3. Применяемые в программе измерительные приборы могут одновременно выводить ограниченное количество графиков, причем осциллограф может построить графики напряжений только в двух точках схемы, а Боде-плоттер (Bode Plotter) производит построение АЧХ и ФЧХ только для одной (выбранной) точки схемы. Более того, программа не позволяет автоматизировать построение зависимостей от токов, напряжений и других параметров схемы. Эти зависимости могут быть построены вручную по методикам, применяемым для экспериментальных измерений на макетах.

ALPAC (http://www.alpac.com)

Программа предназначена для проектирования и моделирования электрических схем и систем во временной и частотной областях [5]. В их состав могут входить как цифровые, так и аналоговые компоненты, в том числе устройства СВЧ. Выполняются следующие виды расчета: режим по постоянному току, частотные характеристики, спектральная плотность и коэффициент шума, чувствительность и параметрическая оптимизация, переходные процессы, спектры сигналов, анализ периодических режимов, статистический анализ по методу Монте-Карло. Программа имеет наиболее полный набор библиотек компонентов, превосходящий библиотеки других систем, позволяет производить расчеты устройств СВЧ.

ORCAD 9.2 (http://www.orcad.com)

Интегрированный программный комплекс корпорации Cadence Design System (бывшая DesignLab) для сквозного проектирования аналоговых, цифровых и смешанных аналого-цифровых устройств, синтеза устройств программируемой логики и аналоговых фильтров. Система DesignLab является развитием системы предыдущего поколения DesignCenter [3]. Во всех этих программах используется широко известная программа моделирования PSpice.

DesignLab является программой сквозного проектирования, включающая проектирование печатных плат и проверку учета паразитных эффектов, присущих реальным конструкциям.

PROTEL DXP (http://www.protel.com)

Интенсивно развивающаяся система сквозного проектирования аналоговых и цифровых электронных устройств фирмы Protel.

SYSTEM VIEW 5.0 (http://www.elanix)

Программа System View представляет собой конструктор, с помощью которого из стандартных «кубиков» строится функциональная схема исследуемой электронной системы. Из каталога библиотек выбирается нужный функциональный модуль, который переносится на схему, а затем производится синтез его параметров или задание их значений вручную. После соединения всех функциональных модулей и подключения измерительных устройств задаются системные параметры и выполняется моделирование. Рассчитываются преобразования Фурье графиков, корреляционные и взаимно корреляционные функции, выполняются арифметические и тригонометрические операции, статистическая обработка данных и многое другое.

MICROWAVE OFFICE 2002 (http://www.mwoffice.com)

Позволяет моделировать схемы СВЧ-устройства, заданные в виде как принципиальных, так и функциональных схем.

MICRO-CAP 9 (http://www.spectrum-soft.com)

Первыйвариант Micro-Cap появился в 1981 г. и быстро завоевал популярность в нашей стране, потому что не предъявлял высоких требований к компьютерам. В нем был реализован простейший текстовый редактор линейных цепей и программа их моделирования. В 2001 г. фирма Spectrum Software выпустила программу схемотехнического моделирования электронных цепей Micro-Cap 7 [1]. За двадцать лет существования и развития система претерпела кардинальные изменения.

В полном пакете Micro-Cap 9 имеется студенческая или демонстрационная версия,которая распространяется бесплатно и предназначена для моделирования простейших схем, содержащих не более 250 компонентов, что вполне достаточно для студентов и проверки несложных проектов. Кроме того, в ней отсут­ствует программа составления математических моделей компонентов по экспериментальным данным MODEL, не доступна команда составления списка соединений схемы для их передачи в системы разработки печатных плат, ограничены возможности средств синтеза аналоговых фильтров, построения трехмерных графиков и ряда др. В профессиональ­ной версии Micro-Cap7 максимальный объем схемы увеличен до 10 000 узлов. Моделирование в студенческой вер­сии выполняется несколько медленнее, чем в профессиональной.

5 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОГРАММЕ

СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

MICRO-CAP 9

5.1 Общие сведения о программе

Программа Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program) впервые появилась в 1981 году как результат разработки фирмы Spectrum Software и быстро завоевала популярность, потому что не предъявляла высоких требований к компьютерам. С тех пор программа непрерывно совершенствовалась, приобретая новый интерфейс и улучшенные возможности анализа схем и визуализации результатов. На сегодняшний день последней разработкой программы является Micro-Cap 9. Приведем перечень основных характеристик Micro-Cap 9:

· полная совместимость с пакетом PSpice как по принятым моделям компонентов, так и по текстовому описанию схемы;

· огромная библиотека компонентов;

· программа позволяет моделировать не только аналоговые, но и цифровые и аналого-цифровые электронные устройства;

· при многовариантном анализе допускается одновременно варьировать до 20 переменных и строить графики зависимостей харак­теристик схемы от варьируемых параметров, включая температуру;

· введен режим построения 3-мерных графиков;

· создана подпрограмма синтеза аналоговых пассивных и активных фильтров;

· большой набор макросов позволяет проводить анализ устройств, заданных в виде функциональных схем;

· обеспечена визуализация непосред­ственно на схеме значений узловых потенциалов, токов ветвей и рассе­иваемой мощности; введен анализ чувствительности и передаточных функций по постоянному току;

· статис­тический анализ по методу Монте-Карло;

· введен режим анимации при анализе устройств;

· великолепные возможности документирования получаемых результатов;

· исчерпывающая встроенная помощь.

Перечисленные особенности отражают далеко не все достоинства программы Micro-Cap 9, которые можно почувствовать лишь при ее использовании для разработки и проектировании электронных устройств.

Программа Micro-Cap 9 очень удобна для первоначального освоения схемотехнического моделирования электронных схем, в частности, при обучении студентов соответствующих специальностей. Для Micro-Cap 9 имеется студенческая версия программы, которая распространяется бесплатно и которая предназначена для моделирования простейших схем. Однако ее возможностей вполне достаточно для студентов младших курсов и проведения анализа несложных схем.

В настоящем учебном пособии рассматриваются основные этапы создания и анализа электронных схем на базе программы Micro-Cap 9, поскольку она обладает одним из самых простых и легко осваиваемых пользовательских интерфейсов с одной стороны, и огромными возможностями при проектировании, оптимизации и документировании с другой.