Verifica e preparazione di un progetto per la simulazione

Il progetto da simulare deve essere verificato e adeguatamente preparato per ottenere risultati di simulazione corretti. Le relative aree del pannello Simulation Dashboard ti guideranno nella verifica e nella preparazione del progetto, per assicurarti che soddisfi i requisiti necessari per la simulazione.

Definire l'ambito della simulazione

Innanzitutto, occorre scegliere l'ambito della simulazione utilizzando l'impostazione Affect nella parte superiore del pannello Simulation Dashboard. Questa impostazione definisce per quali fogli del progetto attivo il simulatore circuitale genera un elenco dei circuiti:

• Document – solo per il foglio schematico attualmente aperto.
• Project – per tutti i fogli del progetto corrente.

Definisci quali fogli schematici includere nella simulazione.

Utilizzare una direttiva Compile Mask nei progetti simulabili

Poiché tutti gli elementi di un progetto coperti da una direttiva Compile Mask sono invisibili al compilatore del progetto, verranno omessi dal progetto. Questa funzionalità può essere molto utile quando la simulazione è inclusa nel flusso di progettazione.

Le sorgenti di tensione e di corrente sono elementi necessari per eseguire simulazioni circuitali, ma non devono essere presenti sul PCB finale. Con un minimo di pianificazione della struttura del circuito, è generalmente possibile raggruppare tutti i componenti specifici della simulazione in una sezione del progetto, che può quindi essere facilmente coperta da una direttiva Compile Mask.

Quando il circuito viene utilizzato per la simulazione, la direttiva Compile Mask viene disabilitata per rendere visibili i componenti specifici della simulazione. Una volta verificato il circuito e pronto per essere incluso nel progetto, la direttiva Compile Mask può essere riabilitata, in modo da escludere dal progetto i componenti specifici della simulazione. Se in futuro fosse necessario modificare nuovamente il progetto, sarà possibile eseguire rapidamente un'altra simulazione prima dell'approvazione finale disabilitando la direttiva Compile Mask, così da rendere nuovamente visibili i componenti specifici della simulazione.

Verificare il progetto per la simulazione

Innanzitutto, lo schema utilizzato nella simulazione deve far parte di un progetto PCB (*.PrjPcb). Se il foglio schematico è un documento libero, i controlli relativi alla simulazione non saranno disponibili: il comando Simulate » Run Simulation nei menu principali sarà inattivo, così come il pannello Simulation Dashboard. Nella parte superiore del pannello verrà visualizzato un avviso.

La simulazione non è disponibile per uno schema che non fa parte di un progetto.

Quando il documento schematico attivo fa parte di un progetto PCB, fai clic sul pulsante Start Verification nell'area Verification del pannello Simulation Dashboard per avviare la verifica del progetto in base all'ambito della simulazione scelto.

Fai clic su Start Verification per verificare il circuito per la simulazione.

Verrà avviata una serie di processi e controlli automatici, che includono la generazione della netlist SPICE del circuito (*.nsx), diversi controlli delle regole elettriche relativi alla simulazione e controlli di validità dei modelli di simulazione. Il controllo dei modelli rileva i componenti privi di modelli di simulazione e i modelli con errori di parsing o di mappatura dei pin.

Se non vengono rilevate violazioni, nell'area Verification del pannello Simulation Dashboard verrà visualizzata un'icona con un segno di spunta verde.

L'area Verification quando non vengono rilevate violazioni

Se vengono rilevate violazioni durante i controlli, nell'area Verification del pannello Simulation Dashboard verranno visualizzati gli avvisi e le icone corrispondenti. Le possibili violazioni sono descritte di seguito.

Le violazioni dei controlli delle regole elettriche (ERC) per la simulazione verranno elencate sotto l'intestazione Electrical Rule Check.

Le violazioni relative ai controlli sui modelli di simulazione dei componenti saranno elencate sotto l'intestazione Simulation Models. 

Preparazione del progetto per la simulazione

Aggiunta e configurazione di una sorgente di simulazione

Per simulare un circuito, il progetto dello schema elettrico dovrebbe contenere almeno una sorgente di tensione o di corrente. In assenza di una sorgente, la simulazione può comunque essere eseguita e verrà visualizzato il messaggio di avviso Need to add source nell'area Preparation del pannello Simulation Dashboard. È possibile posizionare una sorgente di tensione o di corrente nello schema elettrico facendo clic sul controllo Add nell'area Simulation Sources del pannello Simulation Dashboard e selezionando il comando Voltage o Current dal menu, oppure utilizzando il comando Place Voltage o Place Current dal menu principale Simulate o dal menu dei comandi di simulazione nell'Active Bar.

Le sorgenti di simulazione devono essere aggiunte al circuito. È possibile farlo direttamente dal pannello Simulation Dashboard.

Una volta posizionata una sorgente, è possibile modificarne le proprietà nel pannello Properties. Note sulla configurazione delle proprietà di una sorgente:

• Stimulus Name è il nome assegnato al segnale. È possibile creare nuovi segnali per lo schema elettrico o rimuovere quelli non necessari. Selezionare un segnale dall'elenco disponibile utilizzando il menu a discesa della proprietà Stimulus Name. È possibile assegnare la stessa configurazione del nome del segnale a più sorgenti di segnale in un circuito elettrico.

  Quando si utilizza lo stesso stimolo per più sorgenti, tenere presente che queste condivideranno lo stesso insieme di parametri dello stimolo. Ciò significa che, modificando un parametro dello stimolo di una sorgente, la stessa modifica si rifletterà sulle altre sorgenti. Per evitare questo comportamento, è possibile creare un nuovo stimolo.
• Stimulus Type consente di selezionare il tipo di sorgente in base all'andamento del segnale nel tempo:
  • DC Source – una sorgente di segnale costante, indipendente dal tempo.
  • Exponential – una sorgente di segnale esponenziale con andamento temporale di tipo esponenziale.
  • Piecewise Linear – una sorgente di segnale dipendente dal tempo sotto forma di funzione lineare a tratti. Per ulteriori informazioni, consultare Configurazione di una sorgente lineare a tratti.
  • Pulse – una sorgente di segnale con andamento temporale sotto forma di impulso rettangolare.
  • Single Frequency FM – una sorgente di segnale con andamento temporale sotto forma di funzione modulata a frequenza singola.
  • Sinusoidal – una sorgente di segnale con andamento temporale sinusoidale.
  • File – una sorgente PWL basata su file CSV. Per ulteriori informazioni, consultare Utilizzo di un file CSV come sorgente.
• Nell'area Parameters del pannello Properties sono disponibili diversi parametri per la sorgente. L'insieme dei parametri dipende dal tipo di sorgente selezionato.
• L'area di anteprima mostra il segnale per un breve intervallo di tempo (due periodi a bassa frequenza per i segnali periodici) in base ai parametri specificati. Questo consente di tenere traccia delle modifiche apportate e di verificarne la correttezza.

Un esempio di proprietà configurate per una sorgente sinusoidale

Tutte le sorgenti posizionate negli schemi elettrici sono elencate nel pannello Simulation Dashboard. Da qui è possibile rimuovere le sorgenti aggiunte e anche attivarle o disattivarle. Una sorgente disattivata non viene inclusa nel calcolo ed è visualizzata con colori attenuati nello schema elettrico. Fare clic sul nome di una sorgente per individuarla sul foglio dello schema elettrico tramite cross-probing.

Esplorare e gestire le sorgenti di simulazione dal pannello Simulation Dashboard

Configurazione di una sorgente lineare a tratti

Spesso è necessario creare un segnale complesso lineare a tratti quando la forma d'onda viene specificata dall'utente. In questa situazione è possibile utilizzare sorgenti interpolate di tensione VPWL e di corrente IPWL. Quando si sceglie Piecewise Linear come Stymulus Type per la sorgente selezionata, utilizzare il campo del parametro Time-Value Pairs nell'area Parameters del pannello Properties per specificare i valori delle coordinate degli assi come sequenza numerica, come mostrato di seguito.

Utilizzare il parametro Time-Value Pairs per configurare una sorgente Piecewise Linear

Utilizzo di un file CSV come sorgente

Il simulatore di circuiti supporta anche l'utilizzo di un file CSV per specificare le coppie tempo-valore per le sorgenti interpolate di tensione VPWL e di corrente IPWL. Impostare Stimulus Type su File, quindi specificare il percorso e il nome del file nel parametro File (ad es., C:\Designs\Circuit Simulation\Analog Amplifier\PWL_Source.csv), come mostrato di seguito. È possibile specificare manualmente il percorso e il nome del file oppure fare doppio clic nel campo File, quindi cercare e selezionare il file desiderato.

Aggiunta e configurazione delle sonde

Le sonde vengono utilizzate per effettuare misurazioni in punti specifici del circuito. È possibile posizionare una sonda negli schemi elettrici facendo clic sul controllo Add nell'area Probes del pannello Simulation Dashboard e selezionando il tipo di sonda desiderato dal menu, oppure utilizzando i comandi del menu Simulate » Place Probe o il menu dei comandi di simulazione nell'Active Bar. Sono disponibili i seguenti tipi di sonde:

• Voltage – mostra la tensione riferita al nodo di riferimento di un circuito elettrico (solitamente un nodo GND). La sonda deve essere posizionata su un filo o sul punto di connessione elettrica di un pin di un componente.
• Current –  mostra la corrente che entra nel pin del componente. Un valore di corrente positivo indica che la corrente entra nel pin del componente, mentre un valore negativo indica che la corrente esce dal pin del componente. La sonda di corrente deve essere posizionata sul punto di connessione elettrica di un pin di un componente.
• Power – mostra il valore istantaneo della potenza sul pin del componente. Un valore di potenza positivo indica che il pin del componente assorbe potenza, mentre un valore negativo indica che il pin eroga potenza. La sonda di potenza deve essere posizionata sul punto di connessione elettrica di un pin di un componente.
• Voltage Difference – mostra la tensione tra i nodi selezionati. Una coppia di sonde, positiva (VD+) e negativa (VD-), viene posizionata in sequenza sui fili o sui punti di connessione elettrica dei pin dei componenti. La tensione è riferita alla sonda negativa.

Le sonde possono essere aggiunte direttamente dal pannello Simulation Dashboard.

Una volta posizionata una sonda, è possibile modificarne le proprietà nel pannello Properties. Per impostazione predefinita, alla sonda viene assegnato il nome della net o del componente su cui è posizionata.

Esempi di sonde posizionate. Si noti che la sonda di corrente è stata posizionata in un punto non appropriato (non su un pin di un componente), pertanto le è stato assegnato il nome Empty Probe.

Tutte le sonde posizionate negli schemi elettrici sono elencate nel pannello Simulation Dashboard. Da qui è possibile rimuovere le sonde aggiunte e anche attivarle o disattivarle. Una sonda disattivata non viene inclusa nel calcolo ed è visualizzata con colori attenuati nello schema elettrico. Fare clic sul nome di una sonda per individuarla sul foglio dello schema elettrico tramite cross-probing.

Esplorare e gestire le sonde dal pannello Simulation Dashboard

Modalità sonda interattiva

È possibile abilitare la modalità sonda interattiva attivando l'opzione Interactive Mode nell'area Preparation del pannello Simulation Dashboard per riportare immediatamente qualsiasi modifica alle sonde (aggiunta e rimozione di sonde, attivazione e disattivazione di sonde, spostamento di una sonda su una net diversa, modifica del colore di una sonda) nel documento .sdf contenente i risultati della simulazione.

L'opzione Interactive Mode nel pannello Simulation Dashboard

Aggiunta di modelli di simulazione al progetto

Per simulare correttamente un progetto, tutti i componenti del circuito devono essere pronti per la simulazione, ovvero ciascuno deve avere un modello di simulazione definito e collegato. Il simulatore di Altium Designer supporta i formati di modelli SPICE più diffusi, inclusi i formati PSpice e LTspice. È possibile utilizzare file di modello con le estensioni .mdl, .ckt, .lib e .cir.

Altium Designer include una libreria Simulation Generic Components predefinita che contiene numerosi modelli di simulazione per i componenti più comuni. Inoltre, è possibile trovare componenti pronti per la simulazione utilizzando il pannello Manufacturer Part Search di Altium Designer.

Data la vastissima gamma di componenti a disposizione dei progettisti, spesso sarà necessario creare i componenti richiesti per un circuito in librerie aggiunte dall'utente. Oltre a definire il simbolo del componente, occorre procurarsi un modello di simulazione e collegarlo al componente, in modo da renderlo pronto per la simulazione.

Un modello di simulazione può essere ottenuto da numerose fonti diverse. Di seguito è riportato un elenco non esaustivo di possibili fonti o metodi per ottenere il modello necessario per un dispositivo che si desidera utilizzare nel progetto:

• Manufacturer – una fonte comunemente utilizzata per cercare un modello è il sito del produttore del dispositivo che si desidera utilizzare. In genere, la pagina dedicata al dispositivo specifico contiene un collegamento agli eventuali modelli disponibili.
• Altium Designer's SPICE Model Wizard – questa procedura guidata consente di creare un modello di dispositivo SPICE3f5 e collegarlo automaticamente a un componente di libreria nuovo o esistente. Se il collegamento riguarda un nuovo componente, questo verrà creato automaticamente dalla procedura guidata. Sono supportati i seguenti tipi di modelli di dispositivo: condensatore a semiconduttore, resistore a semiconduttore, interruttore controllato in corrente, interruttore controllato in tensione, JFET, linea di trasmissione con perdite, linea di trasmissione RC a parametri distribuiti uniformi, diodo e BJT. Per ulteriori informazioni sull'utilizzo della procedura guidata Spice Model Wizard di Altium Designer per creare un modello di simulazione, consultare Creazione di un modello di simulazione.
• Third-Party Modeling Tools – diversi pacchetti software di simulazione includono funzionalità per la modellazione di un dispositivo, generalmente sotto forma di una procedura guidata.
• Dedicated Modeling Companies – è possibile procurarsi il modello richiesto presso un'azienda di terze parti che crea modelli di simulazione sulla base di specifiche fornite.
• By Hand – è possibile creare autonomamente il modello richiesto da zero. In genere, ciò richiede una buona conoscenza del linguaggio in cui viene scritta la definizione del modello, ad esempio quando si crea un sottocircuito. Per creare un semplice file MDL, è necessaria una buona conoscenza dei parametri disponibili e supportati dal dispositivo.

Il modello (o macromodello) viene assegnato al componente durante la definizione del componente nell'editor corrispondente oppure dopo aver posizionato il simbolo schematico del componente sul foglio dello schema.

Le opzioni disponibili per il posizionamento di componenti con modelli di simulazione in Altium Designer sono descritte nelle sezioni seguenti.

Posizionamento di un componente dalla libreria Simulation Generic Components

La libreria Simulation Generic Components viene installata per impostazione predefinita con Altium Designer. I componenti di questa libreria possono essere posizionati nello schema come normali componenti. Accedere alla libreria dal pannello Components selezionando la voce Simulation Generic Components oppure selezionando il comando Simulate » Place Simulation Generic Component dai menu principali dell'editor degli schemi.

Accedere alla libreria Simulation Generic Components dal pannello Components

Posizionamento di un componente con un modello di simulazione associato

Se a un componente nella libreria del Workspace o in una libreria disponibile basata su file o database è associato un modello di simulazione, posizionare il componente dal pannello Components.

Ricerca di un componente pronto per la simulazione dal pannello Manufacturer Part Search

Il pannello Manufacturing Part Search consente di accedere ai componenti dei produttori, molti dei quali dispongono di modelli di simulazione. È possibile filtrare i componenti per elencare solo quelli con modelli di simulazione selezionando l'opzione Yes per il parametro Has Simulation nel riquadro Filters del pannello. I componenti che dispongono di modelli sono contrassegnati dall'icona  accanto alle rispettive voci.

Nel pannello Manufacturer Part Search, è possibile filtrare l'elenco per mostrare solo i componenti che dispongono di modelli di simulazione.

Un componente selezionato nell'elenco del pannello Manufacturer Part Search può essere salvato nel Workspace (opzione consigliata), scaricato come libreria integrata oppure posizionato direttamente nel progetto.

Posizionamento di un componente quando si dispone solo del modello di simulazione

Se si dispone di un modello di simulazione sotto forma di file sul disco rigido o caricato nel Workspace connesso, è possibile posizionare questo modello direttamente dal pannello Components, anziché associarlo prima a un componente.

• Per utilizzare in questo modo un file di modello presente sul disco rigido, renderlo disponibile come libreria basata su file, quindi selezionare la voce relativa a questo file nel pannello.

  
  Un file di modello di simulazione può essere reso disponibile come libreria basata su file. Qui è mostrato un esempio di file di modello aggiunto all'elenco delle librerie installate.

• Quando l'opzione Show in Components Panel è abilitata nella pagina Simulation – General della finestra di dialogo Preferences, la categoria SPICE Libraries è disponibile nel pannello Components. Le librerie contenute nella cartella Model Path specificata nella pagina Simulation – General della finestra di dialogo Preferences saranno elencate in questa categoria. La struttura della categoria rispecchia la struttura della cartella specificata. La cartella SPICE Models specificata per impostazione predefinita in questo campo si trova nella cartella Library di installazione predefinita dell'estensione Mixed Simulation (\ProgramData\Altium\Altium Designer <GUID>\Extensions\Mixed Simulation\Library) e include una cartella di modelli SPICE di Analog Devices.

  

• Per utilizzare in questo modo i modelli di simulazione del Workspace, selezionare Models dal menu del pulsante  nel pannello Components, quindi selezionare Simulations all'interno della categoria All della libreria del Workspace nel pannello.

  
  Esplorare i modelli di simulazione nel Workspace connesso dal pannello Components abilitando l'opzione Models nel pannello.

Quando si posiziona direttamente un modello di simulazione, Altium Designer analizza il modello e individua un simbolo adatto nella libreria Simulation Generic Components. Ai componenti discreti viene assegnato un simbolo adatto al tipo di componente, mentre ai componenti modellati mediante un sottocircuito viene assegnato un semplice simbolo rettangolare.

La tabella seguente elenca i tipi di modello supportati e il simbolo del componente della libreria Simulation Generic Components che viene posizionato.

Assegnazione automatica dei modelli di simulazione

Se durante la verifica del progetto vengono rilevati uno o più componenti privi di modelli di simulazione, nel pannello Simulation Dashboard verranno visualizzati gli avvisi Componenti senza modelli, dai quali è possibile assegnare automaticamente i modelli di simulazione a questi componenti.

Supporto per i dispositivi digitali PSpice

Altium Designer supporta anche tutte le primitive digitali PSpice, gli stimoli digitali (generatore di stimoli digitali e stimoli basati su file) e i dispositivi di ingresso e uscita digitali.

Supporto per i componenti passivi variabili

Altium Designer supporta resistori, condensatori e induttori variabili. Il valore di un componente passivo può essere impostato come variabile. Utilizzare un'espressione tra parentesi graffe come valore del parametro Value per definire la resistenza di un resistore, la capacità di un condensatore o l'induttanza di un induttore. Nelle espressioni è possibile utilizzare:

• Costanti integrate (pi, e, ecc.)
• Parametri globali
• x definiti dall'utente per la tensione ai capi del condensatore o la corrente che attraversa l'induttore
• temp per la temperatura di analisi
• time in un'analisi del transitorio
• hertz in un'analisi con sweep in CA
• Tensioni dei nodi
• Correnti delle sorgenti di tensione
• Correnti degli induttori
• Correnti dei componenti passivi variabili

Utilizzare la stringa 'q =' o 'flux =' seguita da un'espressione tra parentesi graffe come valore del parametro Value per definire la carica di un condensatore o il flusso di un induttore.

Di seguito sono riportati esempi di espressioni nei valori dei componenti passivi e i risultati dell'analisi del transitorio per i circuiti corrispondenti.

Assegnazione dei nomi delle net

L'assegnazione di nomi alle net non è necessaria per la simulazione del circuito, ma è consigliata per comodità. Assegnare un nome a una net rende più chiara la selezione dei punti di cui visualizzare le caratteristiche, soprattutto quando si lavora con schemi complessi. Durante la configurazione e l'esecuzione di una simulazione nel Simulation Dashboard, per alcuni tipi di calcolo è possibile selezionare i punti desiderati per visualizzarne le caratteristiche nei grafici delle sezioni Output Expression, se tali punti sono stati identificati con un'etichetta di net.