Xác minh & Chuẩn bị một Dự án để Mô phỏng

Thiết kế cần mô phỏng phải được kiểm tra và chuẩn bị đầy đủ để bạn có thể nhận được kết quả mô phỏng chính xác. Các vùng liên quan trên panel Simulation Dashboard sẽ hướng dẫn bạn kiểm tra và chuẩn bị thiết kế để bảo đảm thiết kế đáp ứng các yêu cầu cần thiết cho mô phỏng.

Kiểm soát phạm vi mô phỏng

Trước hết, cần chọn phạm vi mô phỏng bằng thiết lập Affect ở phía trên panel Simulation Dashboard. Thiết lập này xác định bộ mô phỏng mạch sẽ lập danh sách các mạch cho (những) sheet nào của project đang hoạt động:

• Document – chỉ cho sheet schematic hiện đang mở.
• Project – cho tất cả các sheet của project hiện tại.

Xác định những sheet schematic nào sẽ được đưa vào mô phỏng.

Sử dụng Compile Mask trong các thiết kế có thể mô phỏng

Vì mọi phần tử của thiết kế được bao phủ bởi chỉ thị Compile Mask đều không hiển thị với trình biên dịch thiết kế, nên chúng sẽ bị loại khỏi thiết kế. Tính năng này đặc biệt hữu ích khi mô phỏng được đưa vào quy trình thiết kế.

Nguồn điện áp và nguồn dòng là những phần tử cần thiết khi chạy mô phỏng mạch, nhưng chúng không có chỗ trên PCB hoàn chỉnh. Chỉ cần lập kế hoạch một chút cho cấu trúc mạch, thông thường có thể gom tất cả các linh kiện chỉ phục vụ mô phỏng vào một khu vực của thiết kế – khu vực này sau đó có thể dễ dàng được bao bởi chỉ thị Compile Mask.

Khi mạch được dùng để mô phỏng, chỉ thị Compile Mask sẽ bị vô hiệu hóa để hiển thị các linh kiện dành riêng cho mô phỏng. Khi mạch đã được kiểm chứng và sẵn sàng đưa vào thiết kế, có thể bật lại chỉ thị Compile Mask để các linh kiện dành riêng cho mô phỏng bị loại khỏi thiết kế. Nếu sau này thiết kế cần thay đổi lần nữa, có thể nhanh chóng thực hiện một lượt mô phỏng khác trước khi sign-off bằng cách vô hiệu hóa chỉ thị Compile Mask (để lại hiển thị các linh kiện dành riêng cho mô phỏng).

Kiểm tra thiết kế cho mô phỏng

Trước hết, schematic dùng trong mô phỏng phải là một phần của project PCB (*.PrjPcb). Nếu sheet schematic là một tài liệu độc lập, các điều khiển liên quan đến mô phỏng sẽ không khả dụng: lệnh Simulate » Run Simulation trên menu chính sẽ không hoạt động, cũng như panel Simulation Dashboard. Một cảnh báo sẽ được hiển thị ở đầu panel.

Mô phỏng không khả dụng cho schematic không thuộc một project nào.

Khi tài liệu schematic đang hoạt động là một phần của project PCB, hãy nhấp nút Start Verification trong vùng Verification của panel Simulation Dashboard để bắt đầu kiểm tra project theo phạm vi mô phỏng đã chọn.

Nhấp Start Verification để kiểm tra mạch của bạn cho mô phỏng.

Một loạt quy trình và kiểm tra tự động sẽ được gọi, bao gồm tạo SPICE Netlist của mạch (*.nsx), một số kiểm tra quy tắc điện liên quan đến mô phỏng, và kiểm tra tính hợp lệ của mô hình mô phỏng. Việc kiểm tra mô hình sẽ phát hiện các linh kiện thiếu mô hình mô phỏng, cũng như các mô hình có lỗi phân tích cú pháp hoặc lỗi ánh xạ chân.

Khi không phát hiện vi phạm nào, biểu tượng dấu kiểm màu xanh lá sẽ được hiển thị trong vùng Verification của panel Simulation Dashboard .

Vùng Verification khi không phát hiện vi phạm nào

Nếu phát hiện bất kỳ vi phạm kiểm tra nào, các cảnh báo và biểu tượng tương ứng sẽ được hiển thị trong vùng Verification của panel Simulation Dashboard . Các vi phạm có thể xảy ra được mô tả bên dưới.

Các vi phạm của kiểm tra quy tắc điện mô phỏng (ERC) sẽ được liệt kê dưới tiêu đề Electrical Rule Check.

Các vi phạm liên quan đến kiểm tra mô hình mô phỏng của linh kiện sẽ được liệt kê dưới tiêu đề Simulation Models . 

Chuẩn bị Thiết kế để Mô phỏng

Thêm và Cấu hình Nguồn Mô phỏng

Để mô phỏng một mạch, thiết kế sơ đồ nguyên lý nên chứa ít nhất một nguồn điện áp hoặc nguồn dòng. Nếu không có nguồn, việc mô phỏng vẫn có thể được thực hiện và bạn sẽ nhận được cảnh báo bằng thông báo Need to add source trong vùng Preparation của bảng Simulation Dashboard. Có thể đặt một nguồn điện áp hoặc nguồn dòng trong sơ đồ nguyên lý bằng cách nhấp vào điều khiển Add trong vùng Simulation Sources của bảng Simulation Dashboard và chọn lệnh Voltage hoặc Current từ menu, hoặc bằng cách sử dụng lệnh Place Voltage hoặc Place Current từ menu chính Simulate hoặc menu lệnh mô phỏng trong Active Bar.

Nên thêm các nguồn mô phỏng vào mạch. Việc này có thể được thực hiện ngay từ bảng Simulation Dashboard.

Sau khi một nguồn đã được đặt, các thuộc tính của nó có thể được thay đổi trong bảng Properties. Một số lưu ý về việc cấu hình các thuộc tính của nguồn:

• Stimulus Name là tên tín hiệu được gán. Bạn có thể tạo tín hiệu mới cho sơ đồ nguyên lý hoặc xóa những tín hiệu không cần thiết. Chọn một tín hiệu từ danh sách có sẵn bằng menu thả xuống thuộc tính Stimulus Name. Bạn có thể gán cùng một cấu hình tên tín hiệu cho nhiều nguồn tín hiệu trong một mạch điện.

  Khi dùng cùng một stimulus cho nhiều nguồn, lưu ý rằng các nguồn này sẽ dùng chung cùng một tập tham số stimulus. Điều đó có nghĩa là khi thay đổi một tham số stimulus của một nguồn, thay đổi đó cũng sẽ được phản ánh chính xác ở các nguồn khác. Để tránh điều này, bạn có thể tạo một stimulus mới.
• Stimulus Type là lựa chọn kiểu nguồn theo quan hệ phụ thuộc tín hiệu-thời gian:
  • DC Source – nguồn tín hiệu hằng số không phụ thuộc thời gian.
  • Exponential – một nguồn tín hiệu hàm mũ có quan hệ phụ thuộc theo thời gian dưới dạng số mũ.
  • Piecewise Linear – một nguồn tín hiệu phụ thuộc thời gian dưới dạng hàm tuyến tính từng đoạn. Tìm hiểu thêm về Cấu hình Nguồn Tuyến tính Từng đoạn.
  • Pulse – một nguồn tín hiệu có quan hệ phụ thuộc theo thời gian dưới dạng xung chữ nhật.
  • Single Frequency FM – một nguồn tín hiệu có quan hệ phụ thuộc theo thời gian dưới dạng hàm điều chế tần số đơn.
  • Sinusoidal – một nguồn tín hiệu có quan hệ phụ thuộc theo thời gian dưới dạng hàm sin.
  • File – nguồn PWL dựa trên tệp CSV. Tìm hiểu thêm về Sử dụng Tệp CSV làm Nguồn.
• Một số tham số của nguồn có sẵn trong vùng Parameters của bảng Properties. Tập tham số phụ thuộc vào kiểu nguồn đã chọn.
• Vùng xem trước hiển thị tín hiệu trong một khoảng thời gian ngắn (hai chu kỳ tần số thấp đối với các tín hiệu dạng tuần hoàn) dựa trên các tham số đã chỉ định. Điều này cho phép bạn theo dõi các thay đổi đã thực hiện và xác minh tính đúng đắn của chúng.

Ví dụ về các thuộc tính đã được cấu hình cho một nguồn hình sin

Tất cả các nguồn được đặt trong sơ đồ nguyên lý đều được liệt kê trong bảng Simulation Dashboard. Tại đây, bạn có thể xóa các nguồn đã thêm và cũng có thể kích hoạt/vô hiệu hóa chúng. Một nguồn bị vô hiệu hóa sẽ không tham gia vào phép tính và được hiển thị với màu nhạt trên sơ đồ nguyên lý. Nhấp vào tên nguồn để cross-probe tới nguồn này trên trang sơ đồ nguyên lý.

Khám phá và quản lý các nguồn mô phỏng từ bảng Simulation Dashboard

Cấu hình Nguồn Tuyến tính Từng đoạn

Thường cần tạo một tín hiệu tuyến tính từng đoạn phức tạp khi dạng sóng do người dùng xác định. Trong trường hợp này, có thể sử dụng các nguồn điện áp và dòng VPWL và IPWL nội suy. Khi Piecewise Linear được chọn làm Stymulus Type cho nguồn đã chọn, hãy sử dụng trường tham số Time-Value Pairs trong vùng Parameters của bảng Properties để chỉ định các giá trị tọa độ của các trục dưới dạng một chuỗi số, như minh họa bên dưới.

Sử dụng tham số Time-Value Pairs để cấu hình một nguồn Piecewise Linear

Sử dụng Tệp CSV làm Nguồn

Trình mô phỏng mạch cũng hỗ trợ sử dụng tệp CSV để chỉ định các cặp giá trị thời gian-giá trị cho các nguồn điện áp và dòng VPWL và IPWL nội suy. Đặt Stimulus Type thành File, sau đó chỉ định đường dẫn+tên tệp trong tham số File (ví dụ: C:\Designs\Circuit Simulation\Analog Amplifier\PWL_Source.csv), như minh họa bên dưới. Bạn có thể nhập đường dẫn+tên tệp thủ công hoặc nhấp đúp vào trường File, rồi duyệt tới và chọn tệp cần thiết.

Thêm và Cấu hình Đầu dò

Đầu dò được sử dụng để thực hiện các phép đo tại những vị trí cụ thể của mạch. Có thể đặt một đầu dò trong sơ đồ nguyên lý bằng cách nhấp vào điều khiển Add trong vùng Probes của bảng Simulation Dashboard và chọn kiểu đầu dò cần thiết từ menu, hoặc bằng cách sử dụng các lệnh của menu Simulate » Place Probe hoặc menu lệnh mô phỏng trong Active Bar. Các loại đầu dò sau đây hiện có:

• Voltage – hiển thị điện áp tham chiếu đến nút cơ sở của mạch điện (thường là nút GND). Đầu dò phải được đặt trên dây hoặc điểm hotspot điện của chân linh kiện.
• Current –  hiển thị dòng điện đi vào chân linh kiện. Giá trị dòng dương cho biết dòng đang đi vào chân linh kiện, trong khi giá trị dòng âm cho biết dòng đang đi ra khỏi chân linh kiện. Đầu dò dòng phải được đặt trên điểm hotspot điện của chân linh kiện.
• Power – hiển thị giá trị công suất tức thời tại chân linh kiện. Giá trị công suất dương cho biết chân linh kiện đang hoạt động như một tải tiêu thụ công suất, trong khi giá trị công suất âm cho biết chân đang hoạt động như một nguồn cấp công suất. Đầu dò công suất phải được đặt trên điểm hotspot điện của chân linh kiện.
• Voltage Difference – hiển thị điện áp giữa các nút được chọn. Một cặp đầu dò – dương (VD+) và âm (VD-) – được đặt lần lượt trên dây hoặc các điểm hotspot điện của chân linh kiện. Điện áp được tham chiếu theo đầu dò âm.

Có thể thêm đầu dò ngay từ bảng Simulation Dashboard.

Sau khi một đầu dò đã được đặt, các thuộc tính của nó có thể được thay đổi trong bảng Properties. Theo mặc định, nó sẽ được đặt tên theo net hoặc linh kiện nơi đầu dò này được đặt.

Ví dụ về các đầu dò đã được đặt. Lưu ý rằng đầu dò dòng đã được đặt ở vị trí không phù hợp (không nằm trên chân linh kiện), nên tên Empty Probe đã được gán cho nó.

Tất cả các đầu dò được đặt trong sơ đồ nguyên lý đều được liệt kê trong bảng Simulation Dashboard. Tại đây, bạn có thể xóa các đầu dò đã thêm và cũng có thể kích hoạt/vô hiệu hóa chúng. Một đầu dò bị vô hiệu hóa sẽ không tham gia vào phép tính và được hiển thị với màu nhạt trên sơ đồ nguyên lý. Nhấp vào tên đầu dò để cross-probe tới đầu dò này trên trang sơ đồ nguyên lý.

Khám phá và quản lý các đầu dò từ bảng Simulation Dashboard

Chế độ Đầu dò Tương tác

Bạn có thể bật chế độ dò tương tác bằng cách bật tùy chọn Interactive Mode trong vùng Preparation của bảng Simulation Dashboard để phản ánh ngay lập tức mọi thay đổi của các đầu dò (thêm và xóa đầu dò, bật và tắt đầu dò, chuyển đầu dò sang một net khác, thay đổi màu đầu dò) trong tài liệu .sdf chứa kết quả mô phỏng.

Tùy chọn Interactive Mode trong bảng Simulation Dashboard

Thêm Mô Hình Mô Phỏng Vào Thiết Kế

Để mô phỏng thiết kế thành công, tất cả linh kiện trong mạch phải sẵn sàng cho mô phỏng, nghĩa là mỗi linh kiện phải có một mô hình mô phỏng được liên kết với nó. Bộ mô phỏng của Altium Designer hỗ trợ các định dạng mô hình SPICE phổ biến, bao gồm PSpice và LTspice. Có thể sử dụng các tệp mô hình có phần mở rộng .mdl, .ckt, .lib và .cir .

Altium Designer đi kèm thư viện Simulation Generic Components mặc định, chứa một số mô hình mô phỏng cho các linh kiện phổ biến nhất. Ngoài ra, bạn cũng có thể tìm các linh kiện sẵn sàng cho mô phỏng bằng bảng Manufacturer Part Search của Altium Designer.

Với số lượng linh kiện rất lớn sẵn có cho các nhà thiết kế trong thực tế, sẽ thường có lúc (các) linh kiện cần dùng trong một mạch phải được tạo trong các thư viện do người dùng thêm vào. Bên cạnh việc định nghĩa ký hiệu của linh kiện, cũng cần phải lấy được mô hình mô phỏng cho linh kiện đó rồi liên kết nó lại, để linh kiện trở nên sẵn sàng cho mô phỏng.

Có thể lấy mô hình mô phỏng từ nhiều nguồn và theo nhiều cách khác nhau. Sau đây là danh sách chưa đầy đủ về các nơi hoặc phương pháp có thể dùng để lấy mô hình cần thiết cho thiết bị mục tiêu mà bạn muốn sử dụng trong thiết kế của mình:

• Manufacturer – một nơi phổ biến để tìm mô hình là trên trang web của nhà sản xuất thiết bị mà bạn muốn sử dụng. Thông thường sẽ có liên kết đến mô hình khả dụng từ trang dành cho thiết bị cụ thể đó.
• Altium Designer's SPICE Model Wizard – sử dụng trình hướng dẫn này để tạo và tự động liên kết mô hình thiết bị SPICE3f5 với một linh kiện thư viện hiện có hoặc mới. Nếu liên kết với một linh kiện mới, linh kiện đó sẽ được trình hướng dẫn tự động tạo. Các loại mô hình thiết bị sau được hỗ trợ: Semiconductor Capacitor, Semiconductor Resistor, Current-Controlled Switch, Voltage-Controlled Switch, JFET, Lossy Transmission Line, Uniform Distributed RC Transmission Line, Diode và BJT. Để biết thêm thông tin về cách dùng Spice Model Wizard của Altium Designer để tạo mô hình mô phỏng, xem Creating a Simulation Model.
• Third-Party Modeling Tools – nhiều gói phần mềm mô phỏng có sẵn các tính năng để mô hình hóa thiết bị. Thông thường tính năng này có dạng trình hướng dẫn tạo mô hình.
• Dedicated Modeling Companies – bạn có thể lấy mô hình cần thiết từ một công ty bên thứ ba chuyên tạo mô hình mô phỏng dựa trên một đặc tả cho trước.
• By Hand – bạn cũng có thể tự tạo mô hình cần thiết từ đầu. Việc này thường đòi hỏi hiểu biết tốt về ngôn ngữ dùng để viết định nghĩa mô hình, ví dụ khi tạo một subcircuit. Khi tạo một tệp MDL đơn giản, bạn sẽ cần hiểu rõ các tham số khả dụng cho thiết bị đó và các tham số được hỗ trợ.

Mô hình (hoặc macro model) được gán cho linh kiện hoặc khi định nghĩa linh kiện trong trình biên tập tương ứng, hoặc sau khi ký hiệu sơ đồ nguyên lý của linh kiện được đặt lên trang schematic.

Các tùy chọn khả dụng để đặt các linh kiện có mô hình mô phỏng trong Altium Designer được mô tả trong các phần bên dưới.

Đặt Linh Kiện từ Thư Viện Simulation Generic Components

Thư viện Simulation Generic Components được cài đặt sẵn cùng Altium Designer theo mặc định. Các linh kiện từ thư viện này có thể được đặt vào schematic của bạn như các linh kiện thông thường. Truy cập thư viện từ bảng Components panel bằng cách chọn mục Simulation Generic Components hoặc bằng cách chọn lệnh Simulate » Place Simulation Generic Component từ menu chính của trình biên tập Schematic.

Truy cập thư viện Simulation Generic Components từ bảng Components

Đặt Một Linh Kiện Có Gắn Kèm Mô Hình Mô Phỏng

Nếu một linh kiện trong Workspace library của bạn hoặc một available file-based or database library có gắn kèm mô hình mô phỏng, hãy đặt linh kiện này từ bảng Components panel.

Lấy Linh Kiện Sẵn Sàng Cho Mô Phỏng từ Bảng Manufacturer Part Search

Bảng Manufacturing Part Search panel cho phép bạn truy cập các linh kiện của nhà sản xuất, nhiều linh kiện trong số đó có mô hình mô phỏng. Bạn có thể lọc để chỉ liệt kê các linh kiện có mô hình mô phỏng bằng cách chọn tùy chọn Yes cho tham số Has Simulation trong khung Filters của bảng. Các linh kiện có mô hình sẽ được liệt kê với biểu tượng  bên cạnh mục tương ứng của chúng.

Trong bảng Manufacturer Part Search, bạn có thể lọc danh sách để chỉ hiển thị các linh kiện có mô hình mô phỏng.

Một linh kiện được chọn trong danh sách của bảng Manufacturer Part Search có thể được lưu vào Workspace của bạn (khuyến nghị), tải xuống dưới dạng thư viện tích hợp, hoặc đặt trực tiếp vào thiết kế của bạn.

Đặt Một Linh Kiện Khi Bạn Chỉ Có Mô Hình Mô Phỏng

Nếu bạn có một mô hình mô phỏng dưới dạng tệp mô hình trên ổ cứng hoặc đã tải lên Workspace được kết nối của bạn, bạn có thể đặt trực tiếp mô hình này từ bảng Components thay vì phải gắn mô hình mô phỏng đó vào một linh kiện trước.

• Để sử dụng tệp mô hình trên ổ cứng theo cách này, hãy làm cho nó khả dụng dưới dạng thư viện dựa trên tệp rồi chọn mục tương ứng với tệp này trong bảng.

  
  Một tệp mô hình mô phỏng có thể được làm cho khả dụng dưới dạng thư viện dựa trên tệp. Ví dụ về một tệp mô hình được thêm vào danh sách các thư viện đã cài đặt được hiển thị tại đây.

• Khi tùy chọn Show in Components Panel được bật trong trang Simulation – General của hộp thoại Preferences, danh mục SPICE Libraries sẽ có sẵn trong bảng Components . Các thư viện chứa trong thư mục Model Path được chỉ định trên trang Simulation – General của hộp thoại Preferences sẽ được liệt kê trong danh mục này. Cấu trúc danh mục phản ánh cấu trúc của thư mục đã chỉ định. Theo mặc định, thư mục SPICE Models được chỉ định trong trường này nằm trong thư mục Library cài đặt mặc định của tiện ích mở rộng Mixed Simulation (\ProgramData\Altium\Altium Designer <GUID>\Extensions\Mixed Simulation\Library) và bao gồm một thư mục chứa các mô hình SPICE của Analog Devices.

  

• Để sử dụng Workspace simulation models theo cách này, hãy chọn Models từ menu nút  trong bảng Components, rồi chọn Simulations trong danh mục All của thư viện Workspace của bạn trong bảng.

  
  Duyệt các mô hình mô phỏng trong Workspace đã kết nối của bạn từ bảng Components bằng cách bật tùy chọn Models trong bảng.

Khi bạn đặt trực tiếp một mô hình mô phỏng, Altium Designer sẽ phân tích mô hình và xác định ký hiệu phù hợp trong thư viện Simulation Generic Components. Các linh kiện rời rạc sẽ có ký hiệu phù hợp với loại linh kiện đó, còn các linh kiện được mô hình hóa bằng một mạch con sẽ có ký hiệu hình chữ nhật đơn giản.

Bảng dưới đây liệt kê các loại mô hình được hỗ trợ và ký hiệu linh kiện trong thư viện Simulation Generic Components sẽ được đặt.

Tự động gán mô hình mô phỏng

Nếu phát hiện một hoặc nhiều linh kiện thiếu mô hình mô phỏng trong quá trình xác minh thiết kế, các cảnh báo Components without Models sẽ được hiển thị trong bảng Simulation Dashboard, từ đó bạn có tùy chọn tự động gán mô hình mô phỏng cho các linh kiện này.

Hỗ trợ cho thiết bị số PSpice

Altium Designer cũng hỗ trợ tất cả các phần tử số nguyên thủy của PSpice, kích thích số (bộ tạo kích thích số và kích thích dựa trên tệp), thiết bị đầu vào số và thiết bị đầu ra số.

Hỗ trợ phần tử thụ động biến thiên

Altium Designer hỗ trợ điện trở, tụ điện và cuộn cảm biến thiên. Giá trị của một linh kiện thụ động có thể được đặt dưới dạng biến. Sử dụng biểu thức trong dấu ngoặc nhọn làm giá trị của tham số Value để xác định điện trở đối với điện trở, điện dung đối với tụ điện hoặc điện cảm đối với cuộn cảm. Có thể sử dụng những nội dung sau trong biểu thức:

• Các hằng số tích hợp sẵn (pi, e, v.v.)
• Tham số toàn cục
• x do người dùng định nghĩa cho điện áp trên tụ điện hoặc dòng điện qua cuộn cảm
• temp cho nhiệt độ phân tích
• time trong phân tích quá độ
• hertz trong phân tích quét AC
• Điện áp nút
• Dòng điện nguồn áp
• Dòng điện cuộn cảm
• Dòng điện của phần tử thụ động biến thiên

Sử dụng chuỗi 'q =' hoặc 'flux =' theo sau bởi một biểu thức trong dấu ngoặc nhọn làm giá trị của tham số Value để xác định điện tích của tụ điện hoặc từ thông của cuộn cảm.

Các ví dụ về biểu thức trong giá trị của các phần tử thụ động và kết quả phân tích quá độ cho các mạch tương ứng được minh họa bên dưới.

Gán tên net

Việc gán tên net không bắt buộc đối với mô phỏng mạch, nhưng được khuyến nghị để thuận tiện. Việc gán tên net giúp việc chọn các điểm để hiển thị đặc tính rõ ràng hơn, đặc biệt khi làm việc với các sơ đồ nguyên lý phức tạp. Khi Cấu hình & Chạy mô phỏng trong Simulation Dashboard, có thể chọn các điểm mong muốn cho một số loại phép tính để hiển thị các đặc tính trên đồ thị trong các phần Output Expression nếu bạn đã xác định các điểm đó bằng nhãn net.