Verifying & Preparing a Project for Simulation

Das zu simulierende Design sollte überprüft und ausreichend vorbereitet werden, damit Sie korrekte Simulationsergebnisse erhalten. Die relevanten Bereiche des Simulation Dashboard Bedienfelds führen Sie durch die Designprüfung und -vorbereitung, um sicherzustellen, dass das Design die für die Simulation erforderlichen Anforderungen erfüllt.

Steuern des Simulationsumfangs

Zunächst sollte der Umfang der Simulation über die Einstellung Affect oben im Simulation Dashboard Bedienfeld ausgewählt werden. Diese Einstellung legt fest, für welche Schaltplanseite(n) des aktiven Projekts der Schaltungssimulator eine Liste von Schaltungen erstellt:

• Document – nur für die aktuell geöffnete Schaltplanseite.
• Project – für alle Seiten des aktuellen Projekts.

Legen Sie fest, welche Schaltplanseiten in die Simulation einbezogen werden sollen.

Verwenden einer Compile Mask in simulierbaren Designs

Da alle Elemente eines Designs, die von einer Compile Mask directive abgedeckt werden, für den Design-Compiler unsichtbar sind, werden sie aus dem Design ausgeschlossen. Diese Funktion ist besonders nützlich, wenn die Simulation Teil des Designablaufs ist.

Spannungs- und Stromquellen sind notwendige Elemente bei der Durchführung von Schaltungssimulationen, haben jedoch auf der fertigen Leiterplatte keinen Platz. Mit etwas Planung der Schaltungsstruktur ist es in der Regel möglich, alle simulationsspezifischen Komponenten in einem Abschnitt des Designs zusammenzufassen – einem Abschnitt, der dann leicht mit einer Compile-Mask-Direktive abgedeckt werden kann.

Wenn die Schaltung für die Simulation verwendet wird, wird die Compile-Mask-Direktive deaktiviert, um die simulationsspezifischen Komponenten sichtbar zu machen. Sobald die Schaltung überprüft wurde und bereit ist, in das Design aufgenommen zu werden, kann die Compile-Mask-Direktive wieder aktiviert werden, sodass die simulationsspezifischen Komponenten aus dem Design ausgeschlossen werden. Falls das Design später erneut geändert werden muss, kann vor der Freigabe schnell ein weiterer Simulationsdurchlauf ausgeführt werden, indem die Compile-Mask-Direktive deaktiviert wird (um die simulationsspezifischen Komponenten wieder sichtbar zu machen).

Überprüfen des Designs für die Simulation

Zunächst muss der in der Simulation verwendete Schaltplan Teil eines PCB-Projekts sein (*.PrjPcb). Wenn die Schaltplanseite ein freies Dokument ist, stehen die simulationsbezogenen Steuerelemente nicht zur Verfügung: der Befehl Simulate » Run Simulation in den Hauptmenüs ist inaktiv, ebenso wie das Bedienfeld Simulation Dashboard. Oben im Bedienfeld wird eine Warnung angezeigt.

Simulation ist für einen Schaltplan, der nicht Teil eines Projekts ist, nicht verfügbar.

Wenn das aktive Schaltplandokument Teil eines PCB-Projekts ist, klicken Sie im Bereich Start Verification des Bedienfelds Verification auf die Schaltfläche Simulation Dashboard, um die Projektprüfung entsprechend dem gewählten Simulationsumfang zu starten.

Klicken Sie auf Start Verification, um Ihre Schaltung für die Simulation zu überprüfen.

Eine Reihe automatisierter Prozesse und Prüfungen wird ausgeführt, darunter die Erzeugung der SPICE-Netzliste der Schaltung (*.nsx), mehrere simulationsbezogene elektrische Regelprüfungen sowie Prüfungen der Gültigkeit von Simulationsmodellen. Die Modellprüfung erkennt Komponenten mit fehlenden Simulationsmodellen sowie Modelle mit Parsing- oder Pinzuordnungsfehlern.

Wenn keine Verstöße erkannt werden, wird im Bereich Verification des Bedienfelds Simulation Dashboard ein grünes Häkchensymbol angezeigt.

Der Bereich Verification, wenn keine Verstöße erkannt wurden

Wenn Prüfverstöße erkannt werden, werden die entsprechenden Warnungen und Symbole im Bereich Verification des Bedienfelds Simulation Dashboard angezeigt. Mögliche Verstöße werden unten beschrieben.

Verstöße gegen elektrische Regelprüfungen (ERC) für die Simulation werden unter der Überschrift Electrical Rule Check aufgeführt.

Verstöße im Zusammenhang mit Prüfungen von Komponentensimulationsmodellen werden unter der Überschrift Simulation Models aufgeführt. 

Vorbereiten des Designs für die Simulation

Hinzufügen und Konfigurieren einer Simulationsquelle

Um eine Schaltung zu simulieren, sollte das Schaltplandesign mindestens eine Spannungs- oder Stromquelle enthalten. Wenn keine Quelle vorhanden ist, kann die Simulation dennoch durchgeführt werden, und Sie werden durch die Meldung Need to add source im Bereich Preparation des Simulation Dashboard Panels darauf hingewiesen. Eine Spannungs- oder Stromquelle kann im Schaltplan platziert werden, indem Sie auf das Steuerelement Add im Bereich Simulation Sources des Simulation Dashboard Panels klicken und den Befehl Voltage oder Current aus dem Menü auswählen oder indem Sie den Befehl Place Voltage oder Place Current aus dem Hauptmenü Simulate oder dem Simulationsbefehlsmenü in der Active Bar verwenden.

Simulationsquellen sollten zur Schaltung hinzugefügt werden. Dies kann direkt im Simulation Dashboard Panel erfolgen.

Sobald eine Quelle platziert wurde, können ihre Eigenschaften im Properties Panel geändert werden. Hinweise zur Konfiguration der Eigenschaften einer Quelle:

• Stimulus Name ist der zugewiesene Name des Signals. Sie können neue Signale für den Schaltplan erstellen oder unnötige entfernen. Wählen Sie ein Signal aus der verfügbaren Liste über das Dropdown-Menü der Eigenschaften Stimulus Name aus. Sie können dieselbe Signalkonfiguration mehreren Signalquellen in einer elektrischen Schaltung zuweisen.

  Wenn derselbe Stimulus für mehrere Quellen verwendet wird, beachten Sie, dass diese Quellen denselben Satz an Stimulusparametern gemeinsam nutzen. Das bedeutet, dass eine Änderung eines Stimulusparameters einer Quelle exakt auch bei den anderen Quellen übernommen wird. Um dies zu vermeiden, können Sie einen neuen Stimulus erstellen.
• Stimulus Type ist eine Auswahl des Quellentyps als Signal-Zeit-Abhängigkeit:
  • DC Source – eine konstante Signalquelle ohne Zeitabhängigkeit.
  • Exponential – eine exponentielle Signalquelle mit einer zeitlichen Abhängigkeit in Form einer Exponentialfunktion.
  • Piecewise Linear – eine zeitabhängige Signalquelle in Form einer stückweise linearen Funktion. Weitere Informationen unter Konfigurieren einer stückweise linearen Quelle.
  • Pulse – eine Signalquelle mit einer zeitlichen Abhängigkeit in Form eines rechteckigen Pulses.
  • Single Frequency FM – eine Signalquelle mit einer zeitlichen Abhängigkeit in Form einer frequenzmodulierten Einzelfunktion.
  • Sinusoidal – eine Signalquelle mit einer zeitlichen Abhängigkeit in Form einer Sinusfunktion.
  • File – CSV-dateibasierte PWL-Quelle. Weitere Informationen unter Verwenden einer CSV-Datei als Quelle.
• Für die Quelle steht im Bereich Parameters des Properties Panels eine Reihe von Parametern zur Verfügung. Der Parametersatz hängt vom ausgewählten Quellentyp ab.
• Der Vorschaubereich zeigt das Signal für einen kurzen Zeitraum an (zwei Niederfrequenzperioden bei periodischen Signalformen), basierend auf den angegebenen Parametern. So können Sie die vorgenommenen Änderungen verfolgen und ihre Korrektheit überprüfen.

Ein Beispiel für konfigurierte Eigenschaften einer sinusförmigen Quelle

Alle im Schaltplan platzierten Quellen werden im Simulation Dashboard Panel aufgeführt. Von hier aus können Sie die hinzugefügten Quellen entfernen und sie auch aktivieren/deaktivieren. Eine deaktivierte Quelle wird nicht in die Berechnung einbezogen und im Schaltplan in blassen Farben dargestellt. Klicken Sie auf einen Quellennamen, um per Cross-Probing zu dieser Quelle im Schaltplanblatt zu springen.

Erkunden und verwalten Sie die Simulationsquellen im Simulation Dashboard Panel

Konfigurieren einer stückweise linearen Quelle

Es ist häufig erforderlich, ein komplexes stückweise lineares Signal zu erstellen, wenn die Wellenform vom Benutzer vorgegeben wird. In diesem Fall können interpolierte VPWL- und IPWL-Spannungs- und Stromquellen verwendet werden. Wenn Piecewise Linear als Stymulus Type für die ausgewählte Quelle gewählt ist, verwenden Sie das Parameterfeld Time-Value Pairs im Bereich Parameters des Properties Panels, um die Koordinatenwerte der Achsen als Zahlenfolge anzugeben, wie unten gezeigt.

Verwenden Sie den Parameter Time-Value Pairs, um eine Piecewise Linear Quelle zu konfigurieren

Verwenden einer CSV-Datei als Quelle

Der Schaltungssimulator unterstützt auch die Verwendung einer CSV-Datei, um die Zeit-Wert-Paare für die interpolierten VPWL- und IPWL-Spannungs- und Stromquellen anzugeben. Setzen Sie Stimulus Type auf File und geben Sie dann Pfad+Dateiname im Parameter File an (z. B. C:\Designs\Circuit Simulation\Analog Amplifier\PWL_Source.csv), wie unten gezeigt. Sie können Pfad+Dateiname manuell angeben oder im Feld File doppelklicken und dann zur gewünschten Datei navigieren und sie auswählen.

Hinzufügen und Konfigurieren von Tastköpfen

Tastköpfe werden verwendet, um Messungen an bestimmten Stellen der Schaltung vorzunehmen. Ein Tastkopf kann im Schaltplan platziert werden, indem Sie auf das Steuerelement Add im Bereich Probes des Simulation Dashboard Panels klicken und den erforderlichen Tastkopftyp aus dem Menü auswählen oder indem Sie die Befehle des Menüs Simulate » Place Probe oder des Simulationsbefehlsmenüs in der Active Bar verwenden. Die folgenden Tastkopftypen sind verfügbar:

• Voltage – zeigt die Spannung bezogen auf den Basisknoten einer elektrischen Schaltung an (normalerweise ein GND-Knoten). Der Tastkopf muss auf einer Leitung oder dem elektrischen Hotspot eines Komponentenpins platziert werden.
• Current –  zeigt den Strom an, der in den Komponentenpin fließt. Ein positiver Stromwert zeigt an, dass Strom in den Komponentenpin hineinfließt, während ein negativer Stromwert anzeigt, dass Strom aus dem Komponentenpin herausfließt. Der Stromtastkopf muss auf dem elektrischen Hotspot eines Komponentenpins platziert werden.
• Power – zeigt den momentanen Leistungswert am Komponentenpin an. Ein positiver Leistungswert zeigt an, dass der Komponentenpin als Leistungsaufnahme arbeitet, während ein negativer Leistungswert anzeigt, dass der Pin als Leistungsquelle arbeitet. Der Leistungstastkopf muss auf dem elektrischen Hotspot eines Komponentenpins platziert werden.
• Voltage Difference – zeigt die Spannung zwischen ausgewählten Knoten an. Ein Tastkopfpaar – positiv (VD+) und negativ (VD-) – wird nacheinander auf Leitungen oder den elektrischen Hotspots von Komponentenpins platziert. Die Spannung bezieht sich auf den negativen Tastkopf.

Tastköpfe können direkt im Simulation Dashboard Panel hinzugefügt werden.

Sobald ein Tastkopf platziert wurde, können seine Eigenschaften im Properties Panel geändert werden. Standardmäßig wird er nach dem Netz oder der Komponente benannt, auf dem bzw. der dieser Tastkopf platziert ist.

Beispiele für platzierte Tastköpfe. Beachten Sie, dass der Stromtastkopf an einer ungeeigneten Stelle platziert wurde (nicht an einem Komponentenpin), daher wurde ihm der Name Empty Probe zugewiesen.

Alle im Schaltplan platzierten Tastköpfe werden im Simulation Dashboard Panel aufgeführt. Von hier aus können Sie die hinzugefügten Tastköpfe entfernen und sie auch aktivieren/deaktivieren. Ein deaktivierter Tastkopf wird nicht in die Berechnung einbezogen und im Schaltplan in blassen Farben dargestellt. Klicken Sie auf einen Tastkopfnamen, um per Cross-Probing zu diesem Tastkopf im Schaltplanblatt zu springen.

Erkunden und verwalten Sie die Tastköpfe im Simulation Dashboard Panel

Interaktiver Tastkopfmodus

Sie können den interaktiven Probe-Modus aktivieren, indem Sie die Option Interactive Mode im Bereich Preparation des Fensters Simulation Dashboard aktivieren, damit alle Änderungen an Probes (Hinzufügen und Entfernen von Probes, Aktivieren und Deaktivieren von Probes, Verschieben einer Probe in ein anderes Netz, Ändern der Probe-Farbe) sofort im Dokument .sdf mit den Simulationsergebnissen übernommen werden.

Die Option Interactive Mode im Fenster Simulation Dashboard

Simulationsmodelle zum Design hinzufügen

Um ein Design erfolgreich zu simulieren, müssen alle Komponenten in der Schaltung simulationsbereit sein, das heißt, für jede muss ein verknüpftes Simulationsmodell definiert sein. Der Simulator von Altium Designer unterstützt gängige SPICE-Modellformate, einschließlich PSpice- und LTspice-Formaten. Modelldateien mit den Erweiterungen .mdl, .ckt, .lib und .cir können verwendet werden.

Altium Designer wird mit einer standardmäßigen Bibliothek Simulation Generic Components geliefert, die eine Reihe von Simulationsmodellen für die gängigsten Komponenten enthält. Außerdem können Sie simulationsbereite Komponenten über das Fenster Manufacturer Part Search von Altium Designer finden.

Bei der großen Anzahl an Komponenten, die Designern in der Praxis zur Verfügung stehen, wird es häufig vorkommen, dass die für eine Schaltung benötigte(n) Komponente(n) in vom Benutzer hinzugefügten Bibliotheken erstellt werden müssen. Neben der Definition des Symbols der Komponente muss auch ein Simulationsmodell für diese Komponente beschafft und anschließend verknüpft werden, damit die Komponente simulationsbereit ist.

Ein Simulationsmodell kann aus vielen unterschiedlichen Quellen bezogen werden. Nachfolgend finden Sie eine nicht vollständige Liste möglicher Orte oder Methoden, um das benötigte Modell für ein Zielbauteil zu erhalten, das Sie in Ihrem Design verwenden möchten:

• Manufacturer – ein beliebter Ort zur Suche nach einem Modell ist die Website des Herstellers des Bauteils, das Sie verwenden möchten. In der Regel gibt es auf der Seite zum jeweiligen Bauteil einen Link zu einem verfügbaren Modell.
• Altium Designer's SPICE Model Wizard – verwenden Sie diesen Assistenten, um ein SPICE3f5-Bauteilmodell zu erstellen und automatisch mit einer vorhandenen oder neuen Bibliothekskomponente zu verknüpfen. Bei der Verknüpfung mit einer neuen Komponente wird diese vom Assistenten automatisch erstellt. Die folgenden Bauteilmodelltypen werden unterstützt: Halbleiterkondensator, Halbleiterwiderstand, stromgesteuerter Schalter, spannungsgesteuerter Schalter, JFET, verlustbehaftete Übertragungsleitung, gleichmäßig verteilte RC-Übertragungsleitung, Diode und BJT. Weitere Informationen zur Verwendung des Spice Model Wizard von Altium Designer zum Erstellen eines Simulationsmodells finden Sie unter Creating a Simulation Model.
• Third-Party Modeling Tools – verschiedene Simulationssoftwarepakete enthalten Funktionen zur Modellierung eines Bauteils. Dies erfolgt typischerweise in Form eines Modellassistenten.
• Dedicated Modeling Companies – möglicherweise können Sie das benötigte Modell von einem Drittanbieter beziehen, der Simulationsmodelle auf Basis einer vorgegebenen Spezifikation erstellt.
• By Hand – das benötigte Modell kann auch selbst von Grund auf erstellt werden. Dies erfordert in der Regel gute Kenntnisse der Sprache, in der die Modelldefinition geschrieben wird, beispielsweise beim Erstellen einer Subschaltung. Beim Erstellen einer einfachen MDL-Datei benötigen Sie gute Kenntnisse der für dieses Bauteil verfügbaren und unterstützten Parameter.

Das Modell (oder Makromodell) wird der Komponente entweder bei der Definition der Komponente im entsprechenden Editor oder nachdem das Schaltplansymbol der Komponente auf dem Schaltplanblatt platziert wurde, zugewiesen.

Die verfügbaren Optionen zum Platzieren von Komponenten mit Simulationsmodellen in Altium Designer werden in den folgenden Abschnitten beschrieben.

Platzieren einer Komponente aus der Bibliothek Simulation Generic Components

Die Bibliothek Simulation Generic Components wird standardmäßig mit Altium Designer installiert. Komponenten aus dieser Bibliothek können wie normale Komponenten in Ihren Schaltplan eingefügt werden. Greifen Sie über das Fenster Components auf die Bibliothek zu, indem Sie den Eintrag Simulation Generic Components auswählen oder den Befehl Simulate » Place Simulation Generic Component in den Hauptmenüs des Schaltplaneditors wählen.

Greifen Sie über das Fenster Components auf die Bibliothek Simulation Generic Components zu

Platzieren einer Komponente mit angehängtem Simulationsmodell

Wenn eine Komponente in Ihrer Workspace library oder einer verfügbaren dateibasierten oder Datenbankbibliothek ein angehängtes Simulationsmodell hat, platzieren Sie diese Komponente über das Fenster Components.

Eine simulationsbereite Komponente über das Fenster Manufacturing Part Search beziehen

Das Fenster Manufacturing Part Search bietet Ihnen Zugriff auf Herstellerteile, von denen viele Simulationsmodelle besitzen. Sie können die Teileliste so filtern, dass nur Teile mit Simulationsmodellen angezeigt werden, indem Sie im Bereich Filters des Fensters für den Parameter Has Simulation die Option Yes auswählen. Teile mit Modellen werden mit dem Symbol neben ihren Einträgen aufgeführt.

Im Fenster Manufacturer Part Search können Sie die Liste so filtern, dass nur Teile mit Simulationsmodellen angezeigt werden.

Ein in der Liste des Fensters Manufacturer Part Search ausgewähltes Teil kann in Ihrem Workspace gespeichert (empfohlen), als integrierte Bibliothek heruntergeladen oder direkt in Ihrem Design platziert werden.

Platzieren einer Komponente, wenn Sie nur das Simulationsmodell haben

Wenn Sie ein Simulationsmodell in Form einer Modelldatei auf Ihrer Festplatte oder hochgeladen in Ihrem verbundenen Workspace haben, können Sie dieses Modell direkt über das Fenster Components platzieren, anstatt dieses Simulationsmodell zuerst an eine Komponente anzuhängen.

• Um eine Modelldatei auf Ihrer Festplatte auf diese Weise zu verwenden, stellen Sie sie bereit als dateibasierte Bibliothek und wählen dann den Eintrag für diese Datei im Fenster aus.

  
  Eine Simulationsmodelldatei kann als dateibasierte Bibliothek bereitgestellt werden. Hier ist ein Beispiel für eine Modelldatei gezeigt, die zur Liste der installierten Bibliotheken hinzugefügt wurde.

• Wenn die Option Show in Components Panel auf der Seite Simulation – General page des Dialogs Preferences aktiviert ist, ist die Kategorie SPICE Libraries im Bereich Components verfügbar. Die Bibliotheken im Ordner Model Path, der auf der Seite Simulation – General des Dialogs Preferences angegeben ist, werden in dieser Kategorie aufgelistet. Die Kategoriestruktur entspricht dabei der Struktur des angegebenen Ordners. Der Ordner SPICE Models, der standardmäßig in diesem Feld angegeben ist, befindet sich im Standard-Installationsordner Library der Mixed Simulation-Erweiterung (\ProgramData\Altium\Altium Designer <GUID>\Extensions\Mixed Simulation\Library) und enthält einen Ordner mit SPICE-Modellen von Analog Devices.

  

• Um Workspace simulation models auf diese Weise zu verwenden, wählen Sie Models im Menü der Schaltfläche  im Bereich Components und wählen Sie dann Simulations innerhalb der Kategorie All Ihrer Workspace-Bibliothek im Bereich aus.

  
  Durchsuchen Sie die Simulationsmodelle in Ihrer verbundenen Workspace im Bereich Components, indem Sie dort die Option Models aktivieren.

Wenn Sie ein Simulationsmodell direkt platzieren, analysiert Altium Designer das Modell und sucht in der Bibliothek Simulation Generic Components nach einem geeigneten Symbol. Diskrete Komponenten erhalten ein Symbol, das zu diesem Komponententyp passt, und Komponenten, die durch eine Subschaltung modelliert werden, erhalten ein einfaches rechteckiges Symbol.

Die folgende Tabelle listet die unterstützten Modellarten und das platzierte Komponentensymbol aus der Bibliothek Simulation Generic Components auf.

Automatische Zuweisung von Simulationsmodellen

Wenn während der design verification eine oder mehrere Komponenten ohne Simulationsmodelle erkannt werden, werden die Warnungen Components without Models im Bereich Simulation Dashboard angezeigt. Dort haben Sie die Möglichkeit, diesen Komponenten automatisch Simulationsmodelle zuzuweisen.

Unterstützung für PSpice Digital Devices

Altium Designer unterstützt außerdem alle digitalen PSpice-Primitiven, digitale Stimuli (digitaler Stimulusgenerator und dateibasierter Stimulus) sowie digitale Eingabe- und Ausgabegeräte.

Unterstützung für variable passive Bauelemente

Altium Designer unterstützt variable Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten. Der Wert eines passiven Bauelements kann als Variable festgelegt werden. Verwenden Sie einen Ausdruck in geschweiften Klammern als Wert des Parameters Value, um den Widerstand eines Widerstands, die Kapazität eines Kondensators oder die Induktivität einer Induktivität zu definieren. In Ausdrücken kann Folgendes verwendet werden:

• Integrierte Konstanten (pi, e usw.)
• Benutzerdefinierte global parameters
• x für die Spannung über dem Kondensator oder den Strom durch die Induktivität
• temp für die Analysetemperatur
• time in einer transient analysis
• hertz in einer AC sweep analysis
• Knotenspannungen
• Ströme von Spannungsquellen
• Induktivitätsströme
• Ströme variabler passiver Bauelemente

Verwenden Sie die Zeichenfolge 'q =' oder 'flux =' gefolgt von einem Ausdruck in geschweiften Klammern als Wert des Parameters Value, um die Ladung eines Kondensators oder den Fluss einer Induktivität zu definieren.

Beispiele für Ausdrücke in den Werten passiver Bauelemente und die Ergebnisse der Transientenanalyse für die entsprechenden Schaltungen sind unten dargestellt.

Zuweisung von Netzbezeichnungen

Das Zuweisen von Netzbezeichnungen ist für die Schaltungssimulation nicht erforderlich, wird jedoch aus Gründen der Benutzerfreundlichkeit empfohlen. Durch das Zuweisen einer Netzbezeichnung wird die Auswahl von Punkten zur Anzeige von Kennwerten klarer, insbesondere bei der Arbeit mit komplexen Schaltplänen. Wenn Sie Configuring & Running a Simulation im Simulation Dashboard durchführen, können Sie für einige Berechnungsarten die gewünschten Punkte auswählen, um die Kennwerte in den Abschnitten Output Expression in den Diagrammen anzuzeigen, sofern Sie diese Punkte mit einer net label gekennzeichnet haben.