Проверка и подготовка проекта к моделированию

Чтобы получить корректные результаты моделирования, необходимо проверить проект и должным образом подготовить его. Соответствующие области панели Simulation Dashboard помогут проверить и подготовить проект, чтобы убедиться, что он отвечает требованиям, необходимым для моделирования.

Выбор области моделирования

Прежде всего необходимо выбрать область моделирования с помощью настройки Affect в верхней части панели Simulation Dashboard. Эта настройка определяет, для каких листов активного проекта симулятор формирует список цепей:

• Document — только для текущего открытого листа схемы.
• Project — для всех листов текущего проекта.

Укажите, какие листы схемы необходимо включить в моделирование.

Использование Compile Mask в проектах для моделирования

Поскольку все элементы проекта, охваченные директивой Compile Mask, невидимы для компилятора проекта, они исключаются из проекта. Эта возможность особенно полезна, когда моделирование является частью процесса проектирования.

Источники напряжения и тока необходимы для моделирования схем, но на готовой печатной плате им не место. Если заранее продумать структуру схемы, обычно удается сгруппировать все компоненты, используемые только для моделирования, в одной области проекта, которую затем можно легко охватить директивой Compile Mask.

При использовании схемы для моделирования директиву Compile Mask отключают, чтобы сделать доступными компоненты, предназначенные только для моделирования. После проверки схемы, когда она готова к включению в проект, директиву Compile Mask можно снова включить, чтобы исключить эти компоненты из проекта. Если в дальнейшем потребуется изменить проект, перед его окончательным утверждением можно быстро выполнить повторное моделирование, отключив директиву Compile Mask, чтобы вновь сделать доступными компоненты для моделирования.

Проверка проекта перед моделированием

Прежде всего схема, используемая для моделирования, должна входить в состав проекта печатной платы (*.PrjPcb). Если лист схемы является отдельным документом, элементы управления моделированием будут недоступны: команда Simulate » Run Simulation в главном меню и панель Simulation Dashboard будут неактивны. В верхней части панели появится предупреждение.

Моделирование недоступно для схемы, не входящей в состав проекта.

Если активный документ схемы входит в состав проекта печатной платы, нажмите кнопку Start Verification в области Verification панели Simulation Dashboard, чтобы запустить проверку проекта в соответствии с выбранной областью моделирования.

Нажмите Start Verification, чтобы проверить схему перед моделированием.

Будет запущен ряд автоматических процессов и проверок, включая создание списка соединений SPICE для схемы (*.nsx), проверку электрических правил, связанных с моделированием, и проверку корректности моделей для моделирования. Проверка моделей выявляет компоненты без моделей для моделирования, а также модели с ошибками синтаксического анализа или сопоставления выводов.

Если нарушений не обнаружено, в области Verification панели Simulation Dashboard появится зеленый значок галочки.

Область Verification при отсутствии обнаруженных нарушений

Если при проверке обнаружены нарушения, в области Verification панели Simulation Dashboard появятся соответствующие предупреждения и значки. Возможные нарушения описаны ниже.

Нарушения электрических правил моделирования (ERC) будут перечислены под заголовком Electrical Rule Check.

Нарушения, связанные с проверками моделей компонентов для моделирования, будут перечислены под заголовком Simulation Models. 

Подготовка проекта к моделированию

Добавление и настройка источника сигнала для моделирования

Для моделирования цепи схема должна содержать хотя бы один источник напряжения или тока. Если источник отсутствует, моделирование все равно можно выполнить, но в области Preparation панели Simulation Dashboard появится предупреждающее сообщение Need to add source. Источник напряжения или тока можно разместить на схеме, нажав элемент управления Add в области Simulation Sources панели Simulation Dashboard и выбрав в меню команду Voltage или Current. Также можно использовать команду Place Voltage или Place Current из главного меню Simulate либо из меню команд моделирования на панели Active Bar.

В схему необходимо добавить источники сигналов для моделирования. Это можно сделать непосредственно на панели Simulation Dashboard.

После размещения источника его свойства можно изменить на панели Properties. Примечания по настройке свойств источника:

• Stimulus Name — назначенное имя сигнала. Вы можете создавать новые сигналы для схемы или удалять ненужные. Выберите сигнал из доступного списка с помощью раскрывающегося меню свойства Stimulus Name. Одну и ту же конфигурацию именованного сигнала можно назначить нескольким источникам сигналов в электрической цепи.

  При использовании одного и того же сигнала возбуждения для нескольких источников учитывайте, что эти источники будут использовать общий набор параметров сигнала. Это означает, что изменение параметра сигнала у одного источника приведет к такому же изменению у остальных источников. Чтобы избежать этого, можно создать новый сигнал возбуждения.
• Stimulus Type — выбор типа источника, определяющего зависимость сигнала от времени:
  • DC Source – источник постоянного сигнала, не зависящего от времени.
  • Exponential – источник экспоненциального сигнала, зависимость которого от времени имеет вид экспоненты.
  • Piecewise Linear – источник сигнала, зависимость которого от времени задается кусочно-линейной функцией. Подробнее см. в разделе Настройка кусочно-линейного источника.
  • Pulse – источник сигнала, зависимость которого от времени имеет форму прямоугольного импульса.
  • Single Frequency FM – источник сигнала, зависимость которого от времени имеет вид функции с однотональной частотной модуляцией.
  • Sinusoidal – источник сигнала, зависимость которого от времени имеет вид синусоидальной функции.
  • File – кусочно-линейный источник на основе CSV-файла. Подробнее см. в разделе Использование CSV-файла в качестве источника.
• Параметры источника доступны в области Parameters панели Properties. Набор параметров зависит от выбранного типа источника.
• В области предварительного просмотра отображается сигнал за короткий промежуток времени (два периода низкочастотного сигнала для периодических сигналов) с учетом заданных параметров. Это позволяет отслеживать внесенные изменения и проверять их правильность.

Пример настройки свойств синусоидального источника

Все источники, размещенные на схемах, перечислены на панели Simulation Dashboard. Здесь можно удалять добавленные источники, а также включать и отключать их. Отключенный источник не участвует в расчете и отображается на схеме бледными цветами. Нажмите на имя источника, чтобы перейти к нему на листе схемы.

Просмотр источников моделирования и управление ими на панели Simulation Dashboard

Настройка кусочно-линейного источника

Часто требуется создать сложный кусочно-линейный сигнал, форма которого задается пользователем. В этом случае можно использовать интерполируемые источники напряжения VPWL и тока IPWL. Если для параметра Stymulus Type выбранного источника задано значение Piecewise Linear, укажите значения координат по осям в виде числовой последовательности в поле параметра Time-Value Pairs в области Parameters панели Properties, как показано ниже.

Используйте параметр Time-Value Pairs для настройки источника Piecewise Linear

Использование CSV-файла в качестве источника

Симулятор схем также поддерживает использование CSV-файла для задания пар «время — значение» для интерполируемых источников напряжения VPWL и тока IPWL. Задайте для параметра Stimulus Type значение File, затем укажите путь и имя файла в параметре File (например, C:\Designs\Circuit Simulation\Analog Amplifier\PWL_Source.csv), как показано ниже. Путь и имя файла можно указать вручную или дважды щелкнуть поле File, а затем найти и выбрать нужный файл.

Добавление и настройка пробников

Пробники используются для измерений в определенных точках схемы. Чтобы разместить пробник на схеме, нажмите Add в области Probes панели Simulation Dashboard и выберите нужный тип пробника в меню. Также можно воспользоваться командами меню Simulate » Place Probe или меню команд моделирования на панели Active Bar. Доступны следующие типы пробников:

• Voltage — показывает напряжение относительно опорного узла электрической схемы (обычно узла GND). Пробник необходимо разместить на проводе или в точке электрического подключения вывода компонента.
• Current — показывает ток, втекающий в вывод компонента. Положительное значение тока означает, что ток втекает в вывод компонента, а отрицательное — что ток вытекает из вывода компонента. Пробник тока необходимо разместить в точке электрического подключения вывода компонента.
• Power — показывает мгновенное значение мощности на выводе компонента. Положительное значение мощности означает, что вывод компонента работает как потребитель энергии, а отрицательное — как источник энергии. Пробник мощности необходимо разместить в точке электрического подключения вывода компонента.
• Voltage Difference — показывает напряжение между выбранными узлами. Пара пробников — положительный (VD+) и отрицательный (VD-) — последовательно размещается на проводах или в точках электрического подключения выводов компонентов. Напряжение измеряется относительно отрицательного пробника.

Пробники можно добавлять непосредственно с панели Simulation Dashboard.

После размещения пробника его свойства можно изменить на панели Properties. По умолчанию ему присваивается имя цепи или компонента, на котором он размещен.

Примеры размещенных пробников. Обратите внимание: пробник тока размещен в неподходящем месте (не на выводе компонента), поэтому ему присвоено имя Empty Probe.

Все пробники, размещенные на схемах, перечислены на панели Simulation Dashboard. Здесь можно удалять добавленные пробники, а также включать и отключать их. Отключенный пробник не участвует в расчете и отображается на схеме бледными цветами. Нажмите на имя пробника, чтобы перейти к нему на листе схемы.

Просмотр пробников и управление ими на панели Simulation Dashboard

Интерактивный режим пробников

Чтобы включить интерактивный режим пробников, установите флажок Interactive Mode в области Preparation панели Simulation Dashboard. При этом любые изменения пробников (добавление и удаление, включение и отключение, перемещение пробника на другую цепь, изменение его цвета) будут немедленно отражаться в документе .sdf с результатами моделирования.

Параметр Interactive Mode на панели Simulation Dashboard

Добавление моделей для моделирования в проект

Для успешного моделирования проекта все компоненты схемы должны быть готовы к моделированию, то есть для каждого из них должна быть задана связанная модель. Симулятор Altium Designer поддерживает популярные форматы моделей SPICE, включая PSpice и LTspice. Можно использовать файлы моделей с расширениями .mdl, .ckt, .lib и .cir.

В комплект Altium Designer входит стандартная библиотека Simulation Generic Components, содержащая ряд моделей для моделирования наиболее популярных компонентов. Кроме того, компоненты, готовые к моделированию, можно найти с помощью панели Manufacturer Part Search в Altium Designer.

При огромном разнообразии компонентов, доступных разработчикам, нередко возникает необходимость создать требуемые для схемы компоненты в библиотеках, добавленных пользователем. Помимо определения условного графического обозначения компонента, необходимо получить и привязать к нему модель, чтобы компонент был готов к моделированию.

Модель для моделирования можно получить из самых разных источников. Ниже приведен неполный список источников и способов получения модели нужного устройства, которое вы планируете использовать в проекте:

• Manufacturer — одним из наиболее распространенных источников моделей является сайт производителя нужного устройства. Как правило, ссылка на доступную модель находится на странице конкретного устройства.
• Altium Designer's SPICE Model Wizard — используйте этот мастер для создания модели устройства SPICE3f5 и ее автоматической привязки к существующему или новому библиотечному компоненту. При привязке к новому компоненту мастер создаст его автоматически. Поддерживаются следующие типы моделей устройств: полупроводниковый конденсатор, полупроводниковый резистор, ключ, управляемый током, ключ, управляемый напряжением, полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (JFET), линия передачи с потерями, однородная линия передачи с распределенными RC-параметрами, диод и биполярный транзистор (BJT). Подробнее об использовании мастера Spice Model Wizard в Altium Designer для создания модели см. в разделе Создание модели для моделирования.
• Third-Party Modeling Tools — различные программные пакеты для моделирования содержат средства создания моделей устройств. Обычно они представлены в виде мастера создания моделей.
• Dedicated Modeling Companies — необходимую модель можно заказать у сторонней компании, которая создает модели по заданной спецификации.
• By Hand — нужную модель можно создать самостоятельно с нуля. Обычно для этого необходимо хорошо знать язык, на котором описывается модель, например при создании подсхемы. При создании простого файла MDL необходимо хорошо знать параметры, доступные для данного устройства и поддерживаемые им.

Модель (или макромодель) назначается компоненту либо при его определении в соответствующем редакторе, либо после размещения его условного графического обозначения на листе схемы.

Доступные в Altium Designer способы размещения компонентов с моделями описаны в разделах ниже.

Размещение компонента из библиотеки Simulation Generic Components

Библиотека Simulation Generic Components устанавливается вместе с Altium Designer по умолчанию. Компоненты из этой библиотеки можно размещать на схеме как обычные компоненты. Чтобы открыть библиотеку, выберите запись Simulation Generic Components на панели Components или команду Simulate » Place Simulation Generic Component в главном меню редактора схем.

Открытие библиотеки Simulation Generic Components на панели Components

Размещение компонента с привязанной моделью

Если к компоненту в вашей библиотеке рабочего пространства или в доступной файловой библиотеке либо библиотеке базы данных привязана модель, разместите этот компонент с панели Components.

Поиск компонента, готового к моделированию, на панели Manufacturer Part Search

Панель Manufacturing Part Search предоставляет доступ к компонентам производителей, для многих из которых доступны модели. Список можно отфильтровать, оставив только компоненты с моделями: для этого выберите значение Yes параметра Has Simulation в области Filters панели. Компоненты с моделями отмечены значком  рядом с соответствующими записями.

На панели Manufacturer Part Search можно отфильтровать список, чтобы отображались только компоненты с моделями.

Компонент, выбранный в списке панели Manufacturer Part Search, можно сохранить в рабочем пространстве (рекомендуется), скачать в виде интегрированной библиотеки или разместить непосредственно в проекте.

Размещение компонента при наличии только модели для моделирования

Если у вас есть модель для моделирования в виде файла на жестком диске или загруженная в подключенное рабочее пространство, вы можете разместить эту модель непосредственно из панели Components, не прикрепляя ее предварительно к компоненту.

• Чтобы использовать таким образом файл модели на жестком диске, сделайте его доступным в качестве файловой библиотеки, а затем выберите запись этого файла на панели.

  
  Файл модели для моделирования можно сделать доступным в качестве файловой библиотеки. Здесь показан пример файла модели, добавленного в список установленных библиотек.

• Если на странице Simulation – General диалогового окна Preferences включен параметр Show in Components Panel, на панели Components становится доступна категория SPICE Libraries. В этой категории будут перечислены библиотеки, содержащиеся в папке Model Path, указанной на странице Simulation – General диалогового окна Preferences. Структура категории повторяет структуру указанной папки. Папка SPICE Models, указанная в этом поле по умолчанию, находится в папке Library установки расширения Mixed Simulation по умолчанию (\ProgramData\Altium\Altium Designer <GUID>\Extensions\Mixed Simulation\Library) и содержит папку с моделями SPICE от Analog Devices.

  

• Чтобы использовать таким образом модели для моделирования из рабочего пространства, выберите Models в меню кнопки  на панели Components, а затем выберите Simulations в категории All библиотеки вашего рабочего пространства на панели.

  
  Просматривайте модели для моделирования в подключенном рабочем пространстве на панели Components, включив на ней параметр Models.

При непосредственном размещении модели для моделирования Altium Designer анализирует ее и находит подходящее условное графическое обозначение в библиотеке Simulation Generic Components. Для дискретных компонентов используется обозначение, соответствующее типу компонента, а для компонентов, моделируемых подсхемой, — простое прямоугольное обозначение.

В таблице ниже перечислены поддерживаемые типы моделей и обозначения компонентов из библиотеки Simulation Generic Components, которые размещаются для них.

Автоматическое назначение моделей для моделирования

Если при проверке проекта обнаружены один или несколько компонентов без моделей для моделирования, на панели Simulation Dashboard появятся предупреждения Компоненты без моделей. На этой панели можно автоматически назначить модели для моделирования таким компонентам.

Поддержка цифровых устройств PSpice

Altium Designer также поддерживает все цифровые примитивы PSpice, цифровые воздействия (генератор цифровых воздействий и воздействия из файла), устройства цифрового ввода и вывода.

Поддержка пассивных компонентов с переменными параметрами

Altium Designer поддерживает резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности с переменными параметрами. Номинал пассивного компонента можно задать как переменную величину. Чтобы задать сопротивление резистора, емкость конденсатора или индуктивность катушки, используйте выражение в фигурных скобках в качестве значения параметра Value. В выражениях можно использовать:

• Встроенные константы (pi, e и т. д.)
• Пользовательские глобальные параметры
• x для напряжения на конденсаторе или тока через катушку индуктивности
• temp для температуры анализа
• time при анализе переходных процессов
• hertz при частотном анализе
• Узловые напряжения
• Токи через источники напряжения
• Токи через катушки индуктивности
• Токи через пассивные компоненты с переменными параметрами

Чтобы задать заряд конденсатора или магнитный поток катушки индуктивности, используйте строку «q =» или «flux =», за которой следует выражение в фигурных скобках, в качестве значения параметра Value.

Ниже приведены примеры выражений для значений параметров пассивных компонентов и результаты анализа переходных процессов для соответствующих схем.

Назначение имен цепей

Присваивать цепям имена для моделирования схемы необязательно, но рекомендуется для удобства. Имена цепей упрощают выбор точек для отображения характеристик, особенно при работе со сложными схемами. При настройке и запуске моделирования в Simulation Dashboard для некоторых типов расчётов можно выбрать нужные точки для отображения характеристик на графиках в разделах Output Expression, если эти точки обозначены с помощью метки цепи.