2.2. Программы моделирования электронных устройств на уровне принципиальных схем

PSpice (MicroSim, Cadence). Первая программа схемотехнического моделирования SPICE (Simulation

Program with Integrated Circuit Emphasis) была разработана в начале 1970-х годов в Калифорнийском университете (г. Беркли). Она оказалась настолько удачной, что с тех пор интенсивно развивается и де-факто стала эталонной программой моделирования чисто аналоговых устройств.

PSpice (Personal Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) – программа моделирования аналоговых и цифровых устройств (рис. 8), описанных на языке Spice, которая предназначена для ПК (первая буква «P» в названии). Выпущена компанией MicroSim в январе 1984 г. и используется при автоматизации проектирования электронных устройств. Позже к ней добавили программу для просмотра и анализа осциллограмм Probe.

Окно программы Simulink

Окно программы PSpice

В 1990 г. компанией Microsim на основе общего вычислительного ядра PSpice был создан программный пакет Design Center в среде Windows. Он позволял реализовать не только текстовый, но и графический ввод электрических принципиальных схем, а также проектирование не только аналоговых, но и аналого-цифровых (компараторы, АЦП, ЦАП) и чисто цифровых устройств (вентили, триггеры, счетчики, запоминающие устройства и т.п.). Последующие версии Design Center 6.0, 6.1 и 6.2 (1994 – 1996 гг.) были дополнены программами для проектирования программируемых логических матриц и разработки топологии печатных плат. Начиная с 1996 г., корпорация Microsim стала разрабатывать новое поколение САПР для схемотехнического моделирования под названием Design Lab 8.0 (1997 г.).

Наконец, в начале 1998 г. произошло объединение корпораций Microsim и OrCAD, которое стимулировало развитие их ведущих проектов Design Lab и OrCAD. Новая фирма получила название OrCAD, а в марте 2000 г. она выпустила «объединенный» продукт – версию OrCAD 9.2, в которую вошла программа PSpice. По состоянию на декабрь 2014 г. владельцем САПР OrCAD является фирма Cadence Design Systems.

В настоящее время PSpice удовлетворяет множеству требований и интегрирован в систему автоматизированного проектирования Cadence OrCAD/Allegro. Современные версии программы содержат много улучшений, которых не было изначально, например, автоматическая оптимизация схем, шифрование, редактор моделей, поддержка параметрических моделей, несколько внутренних алгоритмов решения дифференциальных уравнений, перезапуск с контрольных точек и т.д. В программу входят: PSpice Analog Digital – пакет аналого-цифрового моделирования, PSpice Аdvanced Аnalysis – пакет параметрической оптимизации, PSpice SLPS option – интерфейс связи с пакетом MATLAB.

В PSpice можно проводить несколько типов анализа схем. Наиболее важные из них:

· анализ нелинейных цепей постоянного тока (Nonlinear DC analysis);

· анализ переходных процессов (Nonlinear transient) – вычисляет напряжение и ток как функции времени;

· анализ Фурье в нелинейных цепях (Fourier analysis) – дает частотный спектр сигналов в любой точке схемы;

· анализ линейных цепей переменного тока (Linear AC Analysis) – вычисляет выходную функцию как функцию частоты;

· анализ внутренних шумов (Noise analysis);

· параметрический анализ (Parametric analysis);

· анализ по методу Монте-Карло (Monte Carlo Analysis).

Последняя (по состоянию на декабрь 2014 г.) версия PSpice поставляется в пакете Cadence
Orcad/Allegro 16.6.

Electronics Workbench (Interactive Image Technologies), MultiSim (National Instruments). Одна из самых

известных программ схематического моделирования цифровых, аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств Electronics Workbench была создана в 1989 г. (рис. 9).

Рабочее окно программы Electronics Workbench

Первые версии состояли из двух независимых частей – для моделирования цифровых и аналоговых устройств. В 1996 г. обе они были объединены. Продукт создала компания Electronics Workbench Group (Interactive Image Technologies) – один из первопроходцев компьютерной разработки устройств электроники. Сегодня Interactive Image Technologies – это дочерняя компания, права на которую полностью принадлежат National Instruments Corporation.

Electronics Workbench показал достаточно высокую гибкость и точность вычислений, найдя широкое применение более чем в 50 странах мира, как на предприятиях, так и в вузах. Программа имеет простой интерфейс и идеально подходит для начального обучения электронике. Библиотеки предлагают огромный набор моделей радиоэлектронных устройств от самых известных иностранных производителей с широким диапазоном значений параметров. Кроме этого, есть возможность создания собственных компонентов. Активные элементы могут быть показаны как идеальными, так и реальными моделями. Всевозможные приборы (мультиметры, осциллографы, вольтметры, амперметры, частотные графопостроители, динамики, светодиоды, лампы, логические анализаторы, сегментные индикаторы) позволяют измерять любые величины, строить графики. Electronics Workbench может провести анализ цепи по постоянному и переменному току, исследовать переходные процессы (рис. 10) при любом внешнем воздействии с помощью генераторов сигналов разной формы. Для более детального анализа программа может работать с программами PSpice и
Micro-Cap. Electronics Workbench позволяет экспортировать результаты работ в САПР Orcad, Protel, Tango, Eagle и Layo1.

Результаты работы программы Electronics Workbench

Electronics Workbench состоит из трех основных модулей: Multisim, Ultiboard, Ultiroute.

Multisim обеспечивает ввод электрических принципиальных схем, моделирование смешанных аналого-цифровых устройств с помощью алгоритмов SPICE, текстовое описание цифровых устройств на языках высокого уровня VHDL и Verilog, их моделирование и синтез ПЛИС (Multisim V6 VHDL).

Ultiboard и Ultiroute являются графическими редакторами печатных плат: Ultiboard – с простейшим алгоритмом автотрассировки соединений (рис. 11), Ultiroute – с автоматическим размещением компонентов и трассировки печатных плат с расширенными возможностями.

MultiSim – средство разработки и моделирования электронных устройств – позволяет создать схему (рис. 12), используя обширную библиотеку компонентов, и эмулировать поведение интегральной схемы с помощью стандартного промышленного симулятора Spice. Начиная с версии 10.1, в Multisim интегрирован MCU Module, позволяющий добавить в Spice-эмулированную интегральную схему микроконтроллер и программировать его на языке С или Ассемблере. Модуль позволяет эмулировать работу интегральной схемы с микроконтроллером и различными дополнительными устройствами: постоянной и оперативной памятью, клавиатурой, а также графическими и буквенно-цифровыми жидкокристаллическими дисплеями.

На декабрь 2014 г. сегодняшний день актуальна версия MultiSim 13.X.

Результаты работы программы Ultiboard

Рабочее окно программы MultiSim

Micro-CAP (Spectrum Software). Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program) – профессиональ-

ная программа аналогового, цифрового и смешанного моделирования и анализа цепей электронных устройств средней степени сложности.

Программа была написана в 1982 г. фирмой Spectrum Software, с тех пор она постоянно расширяется и совершенствуется. Фирма, в свою очередь, была основана Энди Томпсоном в феврале 1980 г., изначально позиционируясь на написании программ для Apple. Она расположена в одном из городов Кремниевой долины – Саннивейле (штат Калифорния, США).

Интуитивно понятный интерфейс, нетребовательность к вычислительным ресурсам ПК и большой спектр возможностей сделали популярной Micro-Cap среди специалистов и студентов. Алгоритм работы включает в себя создание электрической цепи в графическом редакторе (рис. 13), задание параметров анализа и анализ полученных данных. Программа самостоятельно составляет уравнения цепи и проводит моментальный расчёт. Любое изменение схемы или параметров элементов приводит к автоматическому обновлению результатов.

Рабочее окно программы Micro-Cap

Графический редактор опирается на библиотеки электронных компонентов, которые можно пополнять на основе экспериментальных или справочных данных с помощью встроенного модуля Shape Editor. Все номиналы и параметры элементов могут быть как неизменными, так и зависящими от температуры, времени, частоты, состояния схемы, параметров других компонентов.

Анимированные детали (светодиоды, реле, семисегментные индикаторы и некоторые другие элементы) изменяют состояние в соответствии с поступающими на них сигналами. Моделирование включает в себя целый набор различных анализов (рис. 14): переходных процессов, передаточных характеристик по постоянному току, малосигнальных частотных характеристик, чувствительностей по постоянному току, нелинейных искажений, метода Монте-Карло и многих других. Опытные пользователи могут создавать свои макромодели, которые облегчают имитационное моделирование без потерь информации. Допускается одновременно использовать различные стандарты элементов схемы. Полная поддержка Spice -моделей позволяет применять проекты из других программ (DesignLab, OrCAD, P-CAD). Из недостатков можно отметить лишь необходимость установки дополнительных элементов, так как объем библиотек Micro-Cap (даже в полной версии) явно недостаточен.

Программа-дизайнер Micro-Cap Active Filter Designer (рис. 15) предлагает возможность автоматического расчета активных и пассивных фильтров Баттерворта, Чебышева, Бесселя, эллиптических: низких частот, высоких частот, полосовых, режекторных. Созданный фильтр можно вставить в проект. Designer также предлагает пользователю выбор операционных усилителей для использования в активных фильтрах.
Он может создавать фильтры либо для точного значения, либо для стандартных значений импеданса.

Рабочее окно результатов работы программы Micro-Cap

Рабочее окно программы-дизайнера Micro-Cap Active filter designer

Стоимость Micro-Cap составляет несколько тысяч долларов, однако на сайте разработчика можно скачать свободно распространяемую Evaluation Version, которая обладает многими возможностями полнофункциональной версии. Основные отличия – не более 50 элементов в схеме, урезанная библиотека компонентов, ограничения на построение ряда графиков и медленная скорость работы.

Последней на декабрь 2014 г. является версия Micro-Cap 11 (2013).