Analiza projektu przy użyciu symulacji obwodu

1. Wybierz polecenie File » New » Project z menu głównego.

2. Otworzy się okno dialogowe Create Project:

   1. Na liście Locations wybierz pozycję odpowiadającą Twojemu obszarowi roboczemu (lub pozycję Local Projects, jeśli nie korzystasz z obszaru roboczego).
   2. Na liście Project Type wybierz pozycję <Empty> w kategorii PCB.
   3. Wpisz Filter w polu Project Name.
   4. Ustaw pozostałe opcje po prawej stronie okna dialogowego zgodnie z potrzebami (np. folder zapisu) i kliknij przycisk Create.

   Zostanie utworzony nowy projekt, a odpowiadająca mu pozycja pojawi się w panelu Projects.

   

3. Kliknij prawym przyciskiem myszy pozycję projektu w panelu Projects i wybierz polecenie Add New to Project » Schematic z menu kontekstowego.

   

4. Pojawi się pusty arkusz nowego dokumentu schematu. Zapisz go na dysku, klikając prawym przyciskiem myszy jego pozycję w panelu Projects i wybierając polecenie Save As z menu kontekstowego. Otworzy się okno dialogowe Save As, gotowe do zapisania dokumentu w tej samej lokalizacji co plik projektu. Wpisz Filter w polu File name i kliknij Save (nie trzeba wpisywać rozszerzenia, ponieważ zostanie ono dodane automatycznie).
5. Dodanie nowego dokumentu do projektu spowodowało zmianę pliku projektu. Kliknij prawym przyciskiem myszy pozycję projektu w panelu Projects, a następnie wybierz Save, aby zapisać zmiany w projekcie.

Poniżej przedstawiono obwód filtra, który będzie symulowany. W tej sekcji wyszukamy wymagane elementy, skonfigurujemy ich właściwości, a następnie wykonamy połączenia na schemacie.

Schemat obwodu filtra

Umieszczanie elementów przygotowanych do symulacji

1. Elementy do schematu będą pochodzić z biblioteki Simulation Generic Components, domyślnie dostarczanej z instalacją Altium Designer:

   1. Otwórz panel Components, klikając przycisk Panels w prawym dolnym rogu obszaru projektowania i wybierając Components z wyświetlonego menu.

      

   2. Wybierz bibliotekę Simulation Generic Components z listy rozwijanej u góry panelu (jeśli panel jest w trybie kompaktowym) lub z obszaru Categories, dostępnego po kliknięciu przycisku  w lewym górnym rogu panelu (jeśli panel jest w trybie normalnym). W panelu pojawi się lista elementów dostępnych w bibliotece.

      

2. Umieść wzmacniacz operacyjny:

   1. Na liście komponentów znajdź komponent OpAmp with power terminals, kliknij jego wpis prawym przyciskiem myszy i wybierz polecenie Place z menu głównego. Komponent pojawi się przy kursorze w obszarze projektowym, ale jeszcze go nie umieszczaj.

      

      Aby szybko znaleźć potrzebny komponent, możesz użyć pola Search w panelu Component.
   2. Gdy wzmacniacz operacyjny jest przy kursorze, naciśnij klawisz Tab, aby otworzyć panel Properties, w którym możesz edytować jego właściwości przed umieszczeniem komponentu na schemacie.

   3. W sekcji General panelu Properties zmień Designator na U1.

      

   4. Kliknij przycisk pauzy () w obszarze projektowym, aby wrócić do umieszczania komponentów.
   5. Kliknij w obszarze projektowym, aby umieścić egzemplarz wzmacniacza operacyjnego.
   6. Tryb umieszczania komponentów pozostanie aktywny, umożliwiając umieszczanie kolejnych egzemplarzy komponentu. Ponieważ w tym obwodzie potrzebny jest tylko jeden egzemplarz wzmacniacza operacyjnego, kliknij prawym przyciskiem myszy, aby wyjść z trybu umieszczania komponentów.

3. Umieść rezystory:

   1. W panelu Components znajdź komponent Resistor, kliknij jego wpis prawym przyciskiem myszy i wybierz polecenie Place z menu głównego.
   2. Gdy rezystor jest przy kursorze, naciśnij klawisz Tab.
   3. W otwartym panelu Properties zmień właściwości komponentu w następujący sposób:
      • W sekcji General zmień Designator na R1.
      • W sekcji Parameters zmień Value parametru Value na 100K.

      

   4. Kliknij przycisk pauzy () w obszarze projektowym, aby wrócić do umieszczania komponentów.

   5. Kliknij w obszarze projektowym, aby umieścić egzemplarz rezystora.

      

   6. Przesuń kursor i kliknij w obszarze projektowym, aby umieścić kolejny egzemplarz rezystora o tej samej wartości. Oznaczenie nowego egzemplarza zostanie automatycznie zwiększone (R2).

      

   7. Kliknij prawym przyciskiem myszy, aby wyjść z trybu umieszczania komponentów.

4. Umieść kondensatory:

   1. W panelu Components znajdź komponent Capacitor, kliknij jego wpis prawym przyciskiem myszy i wybierz polecenie Place z menu głównego.
   2. Gdy kondensator jest przy kursorze, naciśnij klawisz Tab.
   3. W otwartym panelu Properties zmień właściwości komponentu w następujący sposób:
      • W sekcji General zmień Designator na C1.
      • W sekcji Parameters zmień Value parametru Value na 112p.

      

   4. Kliknij przycisk pauzy () w obszarze projektowym, aby wrócić do umieszczania komponentów.

   5. Kliknij w obszarze projektowym, aby umieścić egzemplarz kondensatora.

      

   6. Gdy kondensator nadal jest przy kursorze, gotowy do umieszczenia kolejnego egzemplarza, naciśnij klawisz Tab.
   7. W sekcji Parameters panelu Properties zmień Value parametru Value na 56p.
   8. Kliknij przycisk pauzy () w obszarze projektowym, aby wrócić do umieszczania komponentów.
   9. Naciskaj Spacebar, aby obracać komponent co 90°, aż uzyskasz właściwą orientację.

   10. Przesuń kursor i kliknij w obszarze projektowym, aby umieścić kolejny egzemplarz kondensatora. Oznaczenie nowego egzemplarza zostanie automatycznie zwiększone (C2).

       

   11. Kliknij prawym przyciskiem myszy, aby wyjść z trybu umieszczania komponentów.

Dodawanie źródeł napięcia

Do zasilania obwodu podczas symulacji potrzebne są źródła napięcia.

1. Umieść źródło napięcia VDD:

   1. Wybierz polecenie Simulate » Place Sources » Voltage Source z menu głównego.
   2. Gdy źródło napięcia jest przy kursorze, naciśnij klawisz Tab.
   3. W otwartym panelu Properties zmień właściwości źródła w następujący sposób:
      • W sekcji General zmień Designator na VDD i wybierz DC Source jako Stimulus Type źródła.

      • W sekcji Parameters zmień wartości parametrów w następujący sposób:

        DC Magnitude = 5
AC Magnitude = 0
AC Phase = 0

      

   4. Kliknij przycisk pauzy () w obszarze projektowym, aby wrócić do umieszczania źródeł napięcia.

   5. Kliknij w obszarze projektowym, aby umieścić egzemplarz źródła napięcia.

      

2. Umieść źródło napięcia VSS:

   1. Gdy źródło napięcia nadal jest przy kursorze, gotowe do umieszczenia kolejnego egzemplarza, naciśnij klawisz Tab.
   2. W otwartym panelu Properties zmień właściwości źródła w następujący sposób:
      • W sekcji General zmień Designator na VSS i wybierz DC Source jako Stimulus Type źródła.

      • W sekcji Parameters zmień wartości parametrów w następujący sposób:

        DC Magnitude = -5
AC Magnitude = 0
AC Phase = 0

      

   3. Kliknij przycisk pauzy () w obszarze projektowym, aby wrócić do umieszczania źródeł napięcia.

   4. Przesuń kursor i kliknij w obszarze projektowym, aby umieścić kolejny egzemplarz źródła napięcia.

      

3. Umieść źródło napięcia sinusoidalnego:

   1. Gdy źródło napięcia nadal jest przy kursorze, gotowe do umieszczenia kolejnego egzemplarza, naciśnij klawisz Tab.
   2. W otwartym panelu Properties zmień właściwości źródła w następujący sposób:
      • W sekcji General panelu Properties zmień Designator na VIN i wybierz Sinusoidal jako Stimulus Type źródła.

      • W sekcji Parameters panelu Properties zmień wartości parametrów w następujący sposób:

        DC Magnitude = 0
AC Magnitude = 1
AC Phase = 0
Offset = 0
Amplitude = 5
Frequency = 50K
Delay = 0
Dampling Factor = 0
Phase = 0

      

   3. Kliknij przycisk pauzy () w obszarze projektowania, aby wrócić do umieszczania źródła napięcia.

   4. Przesuń kursor i kliknij w obszarze projektowania, aby umieścić kolejną instancję źródła napięcia.

      

   5. Kliknij prawym przyciskiem myszy, aby wyjść z trybu umieszczania komponentów.

Łączenie obwodu przewodami

Łączenie przewodami to proces tworzenia połączeń między poszczególnymi komponentami obwodu. W tej sekcji obwód zostanie połączony zgodnie z poniższą ilustracją.

1. Wybierz polecenie Place » Wire z menu głównego.
2. Ustaw kursor nad punktem aktywnym wyprowadzenia „+” wzmacniacza operacyjnego — w miejscu kursora pojawi się czerwony znacznik połączenia (czerwony krzyżyk). Oznacza to, że kursor znajduje się nad prawidłowym punktem połączenia elektrycznego komponentu.
3. Kliknij, aby ustalić punkt początkowy przewodu.
4. Ustaw kursor nad punktem aktywnym najbliższego wyprowadzenia R2, aż kursor zmieni się w czerwony znacznik połączenia.
5. Kliknij, aby połączyć przewód z wyprowadzeniem. Przewód zostanie odłączony od kursora.
6. Połącz przewodami pozostałą część obwodu, jak pokazano na poniższym filmie.
7. Po umieszczeniu wszystkich przewodów kliknij prawym przyciskiem myszy, aby wyjść z trybu umieszczania.

Dodawanie portów zasilania

1. Umieść porty zasilania GND:

   1. Wybierz polecenie Place » Power Port z menu głównego.
   2. Gdy port zasilania jest przyczepiony do kursora, naciśnij klawisz Tab.

   3. W sekcji Properties panelu Properties ustaw Name = GND i Style = Power Ground.

      

   4. Kliknij przycisk pauzy () w obszarze projektowania, aby wrócić do umieszczania portów zasilania.

   5. Umieść trzy porty zasilania, po jednym na każdym z wyprowadzeń „-” źródeł napięcia, jak pokazano na poniższej ilustracji.

      W razie potrzeby obróć port zasilania przyczepiony do kursora, naciskając Spacebar.

      

2. Umieść porty zasilania VDD:

   1. Gdy port zasilania jest przyczepiony do kursora, naciśnij klawisz Tab i ustaw Name = VDD oraz Style = Bar w panelu Properties.
   2. Kliknij przycisk pauzy () w obszarze projektowania, aby wrócić do umieszczania portów zasilania.

   3. Umieść dwa porty zasilania, jak pokazano na poniższej ilustracji.

      

3. Umieść porty zasilania VSS:

   1. Gdy port zasilania jest przyczepiony do kursora, naciśnij klawisz Tab i ustaw Name = VSS oraz Style = Bar w panelu Properties.
   2. Kliknij przycisk pauzy () w obszarze projektowania, aby wrócić do umieszczania portów zasilania.

   3. Umieść trzy porty zasilania, jak pokazano na poniższej ilustracji.

      

   4. Kliknij prawym przyciskiem myszy, aby wyjść z trybu umieszczania.

Dodawanie etykiet sieci

1. Umieść etykietę sieci wejściowej:

   1. Wybierz polecenie Place » Net Label z menu głównego.

   2. Gdy port zasilania jest przyczepiony do kursora, naciśnij klawisz Tab i ustaw Net Name = IN.

      

   3. Kliknij przycisk pauzy () w obszarze projektowania, aby wrócić do umieszczania etykiet sieci.

   4. Kliknij, aby umieścić etykietę sieci na przewodzie między VIN a R1. Pamiętaj, że lewy dolny narożnik etykiety sieci jest jej punktem aktywnym — ten punkt musi dotykać przewodu.

      

2. Umieść etykietę sieci wyjściowej:

   1. Gdy port zasilania jest przyczepiony do kursora, naciśnij klawisz Tab i ustaw Net Name = OUT.

   2. Kliknij, aby umieścić etykietę sieci na przewodzie wychodzącym z wyprowadzenia wyjściowego wzmacniacza operacyjnego.

      

   3. Kliknij prawym przyciskiem myszy, aby wyjść z trybu umieszczania.
3. Zapisz dokument schematu, klikając prawym przyciskiem myszy jego pozycję w panelu Projects i wybierając Save z menu kontekstowego.

Altium Designer umożliwia uruchamianie symulacji obwodów bezpośrednio ze schematu. Symulacje konfiguruje się i uruchamia z poziomu panelu Simulation Dashboard.

1. Otwórz panel Simulation Dashboard, klikając przycisk Panels w prawym dolnym rogu obszaru projektowania i wybierając Simulation Dashboard z wyświetlonego menu.

2. Rozwiń sekcję Verification panelu i kliknij przycisk Start Verification. Przy obu pozycjach, Electrical Rule Check i Simulation Models, w tej sekcji powinny pojawić się zielone znaczniki wyboru.

   

3. Jeśli zostaną wykryte jakiekolwiek naruszenia, znajdź i usuń ich przyczyny, aby kontynuować.

4. Rozwiń sekcję Preparation panelu i upewnij się, że wszystkie trzy źródła napięcia dodane do schematu są widoczne na liście Simulation Sources i włączone.

   

Konfigurowanie analizy stanów przejściowych

Analiza stanów przejściowych generuje wyniki podobne do tych, które zwykle widać na oscyloskopie, obliczając zmienne wyjściowe (napięcie, prąd lub moc) w funkcji czasu w przedziale określonym przez użytkownika.

1. Rozwiń sekcję Analysis Setup & Run panelu Simulation Dashboard oraz znajdującą się w niej sekcję Transient.

   

2. Upewnij się, że opcja Interval jest zaznaczona (), i wprowadź następujące wartości:
   • From = 0
   • To = 60u
   • Step = 100n

   

3. Dodaj nowe wyrażenie dla sygnału wejściowego. To wyrażenie zostanie przedstawione jako przebieg w dokumencie wyników symulacji:

   1. Kliknij element Add pod nagłówkiem Output Expressions, aby dodać pole nowego wyrażenia, które zostanie przedstawione jako przebieg w dokumencie wyników symulacji.

      

   2. Kliknij  po prawej stronie dodanego pola, aby otworzyć okno dialogowe Add Output Expression, w którym można skonfigurować wyrażenie wyjściowe.

      

   3. W oknie dialogowym Add Output Expression wybierz Node Voltages z listy rozwijanej w sekcji Waveform i kliknij pozycję v(IN) na liście poniżej. Wyrażenie v(IN) zostanie dodane do pola Expression Y w tym oknie dialogowym.

   4. Kliknij Create w oknie dialogowym Add Output Expression. Wyrażenie pojawi się w panelu Simulation Dashboard.

      

4. Dodaj wyrażenie wyjściowe dla sygnału wyjściowego:

   1. Kliknij element sterujący Add w panelu Simulation Dashboard, aby dodać pole dla kolejnego wyrażenia wyjściowego, a następnie przycisk  po prawej stronie dodanego pola.
   2. W oknie dialogowym Add Output Expression wybierz Node Voltages z listy rozwijanej w sekcji Waveform i kliknij pozycję v(OUT) na liście poniżej.

   3. Wybierz New Plot z listy rozwijanej Plot Number, aby narysować przebieg dla tego wyrażenia na osobnym wykresie w dokumencie wyników symulacji. Po dokonaniu wyboru na liście rozwijanej będzie widoczna pozycja 2.

      

   4. Kliknij Create w oknie dialogowym Add Output Expression, aby dodać wyrażenie do panelu Simulation Dashboard.

5. Na tym etapie analiza stanów przejściowych jest skonfigurowana. Jej opcje w panelu Simulation Dashboard powinny wyglądać tak, jak pokazano poniżej.

   

Konfigurowanie analizy częstotliwościowej AC

Analiza częstotliwościowa AC generuje wyniki przedstawiające odpowiedź częstotliwościową obwodu, obliczając małosygnałowe zmienne wyjściowe AC w funkcji częstotliwości. Pożądanym wynikiem małosygnałowej analizy AC jest zwykle transmitancja, np. wzmocnienie napięciowe.

1. W panelu Simulation Dashboard rozwiń sekcję AC Sweep w obrębie zwijanej sekcji Analysis Setup & Run .
2. Wybierz Decade jako Type przemiatania i wprowadź następujące wartości:
   • Start Frequency = 100m
   • End Frequency = 1meg
   • Points/Dec = 100

   

3. Dodaj wyrażenie wyjściowe dla amplitudy sygnału wejściowego wyrażonej w decybelach:

   1. Kliknij element sterujący Add pod nagłówkiem Output Expressions, aby dodać pole dla nowego wyrażenia, a następnie przycisk  po prawej stronie dodanego pola.
   2. W oknie dialogowym Add Output Expression wybierz Node Voltages z listy rozwijanej w sekcji Waveform i kliknij pozycję v(IN) na liście poniżej.
   3. Wybierz Magnitude (dB) z listy rozwijanej Complex Functions w oknie dialogowym Add Output Expression i kliknij Create.

   

4. Dodaj wyrażenie wyjściowe dla amplitudy sygnału wyjściowego wyrażonej w decybelach:

   1. Kliknij element sterujący Add pod nagłówkiem Output Expressions, aby dodać pole dla nowego wyrażenia, a następnie przycisk  po prawej stronie dodanego pola.
   2. W oknie dialogowym Add Output Expression wybierz Node Voltages z listy rozwijanej w sekcji Waveform i kliknij pozycję v(OUT) na liście poniżej.
   3. Wybierz Magnitude (dB) z listy rozwijanej Complex Functions w oknie dialogowym Add Output Expression i kliknij Create.

5. Dodaj wyrażenie wyjściowe dla fazy sygnału wejściowego wyrażonej w stopniach:

   1. Kliknij element sterujący Add w panelu Simulation Dashboard, aby dodać pole dla kolejnego wyrażenia wyjściowego, a następnie przycisk  po prawej stronie dodanego pola.
   2. W oknie dialogowym Add Output Expression wybierz Node Voltages z listy rozwijanej w sekcji Waveform i kliknij pozycję v(IN) na liście poniżej.
   3. Wybierz Phase (Deg) z listy rozwijanej Complex Functions w oknie dialogowym Add Output Expression.
   4. Wybierz New Plot z listy rozwijanej Plot Number, a następnie kliknij Create w oknie dialogowym Add Output Expression.

   

6. Dodaj wyrażenie wyjściowe dla fazy sygnału wyjściowego wyrażonej w stopniach:

   1. Kliknij element sterujący Add w panelu Simulation Dashboard, aby dodać pole dla kolejnego wyrażenia wyjściowego, a następnie przycisk  po prawej stronie dodanego pola.
   2. W oknie dialogowym Add Output Expression wybierz Node Voltages z listy rozwijanej w sekcji Waveform i kliknij pozycję v(OUT) na liście poniżej.
   3. Wybierz Phase (Deg) z listy rozwijanej Complex Functions w oknie dialogowym Add Output Expression.

7. Na tym etapie analiza częstotliwościowa AC jest skonfigurowana. Jej opcje w panelu Simulation Dashboard powinny wyglądać tak, jak pokazano poniżej.

   

8. Plik konfiguracji symulacji (project_sim_config.simcfg) pojawi się w folderze Settings\Simulation Documents w strukturze projektu w panelu Projects. Zapisz dokument, klikając jego pozycję prawym przyciskiem myszy w panelu Projects i wybierając polecenie Save As z menu kontekstowego.

   

   Otworzy się okno dialogowe Save As, gotowe do zapisania dokumentu w folderze projektu na dysku twardym. Kliknij Save, aby zapisać dokument w tej domyślnej lokalizacji pod domyślną nazwą.

9. Zapisz plik projektu, klikając jego pozycję prawym przyciskiem myszy w panelu Projects i wybierając polecenie Save z menu kontekstowego.

1. Kliknij przycisk Run po prawej stronie nagłówka sekcji Transient w panelu Simulation Dashboard, aby wykonać analizę stanów przejściowych.

   

2. Po pomyślnym zakończeniu symulacji w panelu Messages pojawi się odpowiedni komunikat. Panel można zamknąć.

3. Nowy dokument wyników symulacji o nazwie Filter.sdf otworzy się automatycznie w edytorze SimData jako karta dokumentu. Zawiera on jeden diagram Transient Analysis (oznaczony kartą u dołu dokumentu) z dwoma wykresami, z których każdy zawiera pojedynczy przebieg — odpowiednio v(IN) i v(OUT).

   

4. Przejdź do dokumentu schematu, klikając jego kartę u góry obszaru projektowania.

5. Kliknij przycisk Run po prawej stronie nagłówka obszaru Analiza częstotliwościowa AC w panelu Simulation Dashboard, aby przeprowadzić analizę częstotliwościową AC.

   

6. Zamknij panel Messages.

7. Otworzy się dokument wyników symulacji zawierający jeden wykres AC Analysis. Wykres obejmuje dwa podwykresy, z których każdy zawiera dwa przebiegi.

   

8. Wyznacz punkt 3 dB za pomocą kursorów pomiarowych:

   1. Kliknij prawym przyciskiem myszy przebieg dB(v(OUT)) i wybierz Cursor A.

   2. Ustaw kursor A w obszarze dolnoprzepustowym, przeciągając znacznik (dokładne położenie nie jest istotne, o ile znajduje się on w obszarze dolnoprzepustowym).

      

   3. Ponownie kliknij prawym przyciskiem myszy przebieg dB(v(OUT)) i wybierz Cursor B.
   4. Panel Sim Data pomoże ustawić kursor (jeśli panel nie jest widoczny, kliknij przycisk Panels w prawym dolnym rogu obszaru projektowania i wybierz Sim Data z wyświetlonego menu, aby go otworzyć).
   5. Obserwując wartość B-A Measurement w obszarze Measurement Cursors panelu Sim Data, kliknij i przeciągnij kursor B tak, aby wartość Y (wzmocnienie) wynosiła -3.

   6. Widać, że wynik X dla Wave Name B wynosi około 20k, co oznacza, że punkt 3 dB układu filtra przypada na 20 kHz.

      

   7. Aby usunąć kursory, kliknij prawym przyciskiem myszy znacznik każdego kursora i wybierz Cursor Off.
   8. Aby wyłączyć filtrowanie w dokumencie, kliknij przycisk Clear w prawym dolnym rogu obszaru projektowania.

9. Dokument wyników symulacji (Filter.sdf) pojawi się w folderze Generated\Simulation Documents w strukturze projektu w panelu Projects. Zapisz dokument, klikając prawym przyciskiem myszy jego pozycję w panelu Projects i wybierając polecenie Save As z menu kontekstowego.

   

   Otworzy się okno dialogowe Save As, gotowe do zapisania dokumentu w podfolderze Simulation folderu projektu na dysku twardym. Kliknij Save, aby zapisać dokument w tej domyślnej lokalizacji pod domyślną nazwą.

10. Przełącz się na dokument schematu, klikając jego kartę u góry obszaru projektowania.

11. W panelu Simulation Dashboard rozwiń zwijany obszar Results . Obszar ten będzie zawierał listę przeprowadzonych symulacji (w tym przykładzie Transient Analysis i AC Analysis).

    

12. Aby wyświetlić wyniki przeprowadzonej wcześniej analizy stanów przejściowych, kliknij przycisk  po prawej stronie pozycji Transient Analysis i wybierz Show Results.

    

    Otworzy się dokument wyników symulacji z wynikami analizy stanów przejściowych.

13. Zapisz zmodyfikowane dokumenty projektu oraz sam projekt, klikając prawym przyciskiem myszy ich pozycje w panelu Projects i wybierając polecenie Save z menu kontekstowego.
14. Jeśli projekt został utworzony w połączonym obszarze roboczym Workspace, kliknij prawym przyciskiem myszy pozycję projektu w panelu Projects i wybierz polecenie Save to Server z menu kontekstowego, a następnie kliknij OK w otwartym oknie dialogowym Save to Server.