1 Установка вида анализа

Altium Designer позволяет управлять моделированием непосредственно из схемы. В следующих разделах примера мы будем проводить различные виды анализа выходного сигнала в созданной ранее схеме фильтра.

Для настройки и запуска процесса моделирования используется специальная панель Mixed Sim, которая «по умолчанию» скрыта. Чтобы вызвать эту панель необходимо нажать правую кнопку мыши в любом месте меню и в выпадающем меню установить галочку напротив Mixed Sim (рисунок 72).

Рисунок 72 – Добавление панели Mixed Sim

Появившуюся панель моделирования  разместите в удобном для Вас месте, например, на панели главного меню (рисунок 73).

Панель Mixed Sim имеет три кнопки, соответствующие трем командам:
1) Run Mixed Signal Simulation – запуск процесса моделирования (клавиша F9);
2) Setup Mixed-Signal Simulation – настройка моделирования или составление задания на моделирование;
3) Generate XSpice Netlist – формирование общей модели схемы, при этом происходит проверка схемы.

Проведем настройку моделирования:

1) Нажимаем на кнопку настройки моделирования. Выводится диалоговое окно General Setup панели Analyses Setup (рисунок 74). В этом окне задаются необходимые виды анализа и выбираются схемные переменные, т.е. напряжения в узлах схемы, токи в ее цепях, комплексные сопротивления, рассеиваемые мощности на элементах схемы, для их сохранения в файле результатов и графического отображения.

Рисунок 74 – Окно настройки моделирования.

2) Проводим выбор схемных переменных.
Данная операция производится на открытой вкладке General Setup (рисунок 74) в поле Collect Data For и его выпадающем меню (рисунок 75).

Рисунок 75 – Выбор режима сохранения данных

Возможные варианты выбора режима сохранения данных:

а) Node Voltage and Supply Current – потенциалы всех узлов и токи всех источников;
б) Node Voltage and Supply and Device Current - потенциалы всех узлов, токи всех источников и компонентов;
в) Node Voltage, Supply Current, Device Current and Power - потенциалы всех узлов, токи всех источников и компонентов, рассеиваемая во всех компонентах мощность;
г) Node Voltage, Supply Current and Subcircuit VARs – потенциалы всех узлов, токи всех источников в основной схеме и макромоделях;
д) Active Signals – выбранные сигналы, имена которых помещены на панели Active Signals (рисунок 74).

При моделировании достаточно больших схем рекомендуется выбирать режим сохранения данных Active Signals, т.к. только в этом случае можно обеспечить минимальный размер файла результатов моделирования.

3) Выбираем режим сохранения Node Voltage, Supply Current, Device Current and Power (рисунок 75).

4) В поле SimView Setup из выпадающего меню выбираем Show active signals (рисунок 76)

Рисунок 76 – Выбор сохраняемых в файле сигналов

В поле Active Signals приводится перечень сигналов, графики которых строятся по окончании моделирования.

Из одного поля в другое все сигналы переносятся нажатием клавиш ">>" и "<<". Выбранные правой кнопкой мыши сигналы переносятся нажатием кнопок ">" и "<".

Дополнительные обозначения в поле Available Signals [1]:

#branch – ток через источник напряжения;

[i] – ток через двухполюсный компонент;

[p] – рассеиваемая мощность;

[ib] – ток базы транзистора;

[ic] – ток коллектора транзистора;

[ie] – ток эмиттера транзистора.

Сигналы, находящиеся в поле Active Signals, будут автоматически отображаться в виде их осциллографического изображения при проведении моделирования.

5) В поле Available Signals производим двойное нажатие на сигналы с именами IN и OUT.
После проведения двойного нажатия на каждом из указанных сигналов последние переходят в поле Active Signals (рисунок 77).

Рисунок 77 – Перевод сигналов из поля Available Signals в поле Active Signals.

Все доступные виды анализа размещены на отдельном листе панели Analyses Setup в поле Analysis/Options и включают в себя:

а) Operation Point Analysis – расчет режима работы по постоянному току (расчет «рабочей точки») при линеаризации моделей нелинейных компонентов;
б) Transient/Fourier Analysis – анализ переходных процессов и спектральный анализ;
в) DC Sweep Analysis – расчет режима по постоянному току при вариации одного или двух источников постоянного напряжения или тока;
г) AC Small Signal Analysis – частотный анализ в режиме малых сигналов (для нелинейных схем выполняется в линеаризованном режиме в окрестности рабочей точки по постоянному току);
д) Noise Analysis – расчет спектральной плотности внутреннего шума;
е) Pole-Zero Analysis – расчет нулей и полюсов функции в режиме малых сигналов;
ж) Transfer Function analysis – расчет передаточной функции в режиме малых сигналов;
з) Temperature Sweep – режим изменения температуры;
и) Parameter Sweep – изменение параметров элементов;
к) Monte Carlo Analysis – статистический анализ по методу Монте-Карло.

Выбор требуемого вида анализа проводят путем установки в окошке колонки Enabled (рисунок 78) галочку "V".

Рисунок 78 – Доступные виды анализа

1.1 Установка анализа режима работы по постоянному току (Operation Point Analysis)

Расчет режима работы по постоянному току (Operation Point Analysis) может проводиться как самостоятельный вид анализа.

При выполнении анализа переходных процессов (Transient/Fourier Analysis) и частотного анализа (AC Small Signal Analysis) этот расчет проводится автоматически.

Во время этого вида расчета определяется режим работы по постоянному току (DC анализ) для всей схемы в целом, при этом эквивалентом для индуктивности является перемычка, а эквивалентом емкости – разрыв цепи. Для всех нелинейных элементов схемы определяются линеаризованные модели для малых сигналов, которые используются при проведении расчетов частотных характеристик схемы. Все источники переменного напряжения при этом не учитываются.
Для вывода результатов расчета Operation Point Analysis необходимо включить опцию – поставить галочку в окошке колонки Enabled (рисунок 79), установив, таким образом, необходимость проведения анализа режима работы по постоянному току при запуске режима моделирования схемы.

1.2 Установка анализа переходных процессов / Фурье анализа (Transient/Fourier Analysis)

Сигналы, получаемые в результате анализа переходных процессов (Transient/Fourier Analysis), являются результатом вычислений схемных переменных (напряжений и токов), как функций времени на заданном временном интервале.

Вне зависимости от использования опции Use Initial Conditions (см. ниже), определяющей начальные условия для определения постоянных составляющих в схеме перед моделированием переходных процессов, автоматически производится расчет рабочих точек Operation Point Analysis.

Задание на расчет переходных процессов устанавливается на вкладке Transient Analysis окна выбора режимов Analyses Setup (рисунок 80).

Рисунок 80 – Установка режима и параметров анализа переходных процессов

В поле Transient Analysis (левое окно на рисунке 80), опция которого должна быть включена, задаются общие параметры  расчета переходных процессов (правое окно Transint Analysis Setup на рисунке 80):

1) Start Time – начальное время отображения результатов моделирования (моделирование всегда начинается в момент времени t=0. Однако до момента Start Time его результаты не отображаются на экране, не сохраняются и не участвуют в спектральном анализе);
2) Stop Time – конечное время моделирования;
3) Step Time – начальный шаг по времени (в процессе моделирования величина текущего шага выбирается автоматически, не не более, чем Maximum Step);
4) Maximum Step – максимальный шаг по времени. По умолчанию он выбирается равным меньшей из величин Step Time и (Stop Time- Start Time)/50.

При необходимости автоматического выбора перечисленных выше параметров (кроме Use Initial Conditions), можно воспользоваться опцией Use Transient Defaults, включив ее. При этом ручное редактирование этих параметров становится недоступным (рисунок 81).

Рисунок 81 – Установка режима и параметров анализа переходных процессов по умолчанию.

Значения параметров, устанавливаемых по умолчанию, автоматически вычисляется в зависимости от предварительно установленных значений:

• Cycles Displayed – количество отображаемых периодов имеющегося в схеме источника сигнала с наименьшей частотой Fmin (наибольшим периодом Tmax);
• Points per Cycle – минимальное количество расчетных точек на одном периоде имеющегося в схеме источника сигнала с наивысшей частотой Fmax (наименьшим периодом Tmin).

После задания параметров Cycles Displayed и Points per Cycle необходимо нажать кнопку Set Defaults, т.е. установить при выбранных в данный момент значениях Cycles Displayed и Points per Cycle  значения остальных параметров для их автоматического вычисления и установки по умолчанию по следующим формулам:

• Start Time=0;
• Stop Time=(1/ Fmin) * Cycles Displayed= Tmax* Cycles Displayed;
• Step Time=(1/ Fmax) / Points per Cycle= Tmin / Points per Cycle;
• Maximum Step= Step Time.

Так, например, при установке: Cycles Displayed=5 и Points per Cycle=50 будут установлены следующие параметры по умолчанию:

• Start Time=0;
• Stop Time=1m * 5 = 5m;
• Step Time=0.5m / 50 = 0.01m = 10u;
• Maximum Step= 10u.

• Use Initial Conditions – использование начальных условий (при включении этой опции расчет режима по постоянному току пропускается, а начальные условия устанавливаются в схеме для каждого реактивного компонента, или для схемы в целом с помощью специальных компонентов IC.

В нашем примере мы имеем генератор синусоидального сигнала с частотой 50 кГц.

Чтобы наблюдать шесть полупериодов частоты генератора 50 кГц, установим время обзора Stop Time=60u (мкс).

Сейчас по умолчанию установлено значение 100u.

Для установки параметров:
1) удаляем галочку в опции Use Transient Defaults (рисунок 80);
2) вводим в опции Transient Stop Time значение 60u.
3) устанавливаем временной шаг процесса моделирования Transient Step Time=100n (нс), показывающий, что симулятор будет производить расчет в точках через каждые 100 нс.

После установок имеем вид панели Analyses Setup, изображенный на рисунке 82.

Рисунок 82 – Вид панели Analyses Setup после завершения установки параметров
моделирования переходных процессов Transient/Fourier Analysis.

В поле Spice Options режима Advanced Options можно изменить заданный по умолчанию метод численного интегрирования (Integration method) дифференциальных уравнений схемы.
По умолчанию задан метод трапеций (Trapezoidal).

Имеется возможность изменить его на метод Гира порядка от 2 до 6 (Gear2…6), предназначенный для анализа широкополосных устройств, имеющих значительно отличающиеся граничные частоты. Чем выше порядок метода, тем выше точность расчетов и больше длительность моделирования параметров системы.

Все остальные параметры этой вкладки (режима) определяют стандартные настройки алгоритмов моделирования. Изменять их нельзя, кроме обработки ошибок, возникающих при моделировании. Данные проблемы можно решать только опытным пользователям.

1.3 Установка режима спектрального анализа (Fourier Analysis)

Спектральный анализ (Fourier Analysis) проводится совместно с анализом переходных процессов. Расчет производится для последнего такта входных сигналов.

Для проведения спектрального анализа необходимо включить опцию Enable Fourier на вкладке Transient Analysis диалоговой панели Analyses Setup (рисунок 83).

Рисунок 83 – Установка параметров Fourier Analysis.

Установка параметров спектрального анализа производится на этой же вкладке:

• Fourier Fundamental Frequency – частота первой гармоники;
• Fourier Number of Harmonics – количество рассчитываемых гармоник, включая нулевую.
  

Значение частоты первой гармоники (Fundamental Frequency) выбирается исходя из основной частоты (периода) анализируемого сигнала. Так если период сигнала равен 2 мс, то частота первой гармоники выбирается равной 500 Гц.

Если частота первой гармоники выбрана меньше, чем основная частота сигнала, то при попытке запустить моделирование нажатием на панели «Run Analysis» будет выдано сообщение об ошибке (рисунок 84) [1].

Рисунок 84 – Ошибка при установке параметра Fundamental Frequency

Результаты спектрального анализа выводятся в виде спектра сигнала и в текстовом виде в файле *.SIM, где указываются номер (Harmonic), амплитуда (Magnitude) и фаза (Phase) для каждой отдельной гармоники, а также указывается значение коэффициента нелинейных искажений THD.

1.4 Установка частотного анализа в режиме малых сигналов (AC Small Signal Analysis)

Задание на частотный анализ (АС – анализ) устанавливается на вкладке AC Small Signal Analysis панели выбора режимов Analyses Setup. В полях AC Small Signal Analysis ( рисунок 85) задаются общие параметры для расчета частных характеристик:

• Start Frequency – начальная частота построения частотных характеристик (значение частоты должно быть больше нуля;
• Stop Frequency – конечная частота построения частотных характеристик;
• Test Points – количество расчетных точек, определяющее шаг изменения частоты.

Рисунок 85 – Установка параметров частотного анализа

В поле Sweep Type выбирается тип изменения частоты:

• Linear – линейный, при этом количество точек, заданное параметров Test Points, распространяется на весь диапазон изменения частоты;
• Decade – логарифмический декадами, при этом количество расчетных точек, заданное параметром Test Points, распространяется на декаду;
• Octave - логарифмический октавами, при этом количество расчетных точек, заданное параметром Test Points, распространяется на октаву.

Тип изменения частоты выбирается из списка, который выпадает при нажатии левой кнопкой мышки и установленном курсоре в поле Sweep Type (рисунок 86).

Рисунок 86 – Установка типа изменения частоты

Общее количество расчетных точек в диапазоне частот оценивается программой и указывается на строке Total Test Points.

Перед выполнением АС - анализа автоматически производится расчет режима по постоянному току и линеаризация всех нелинейных компонентов.

Источниками гармонического сигнала служат независимые источники напряжения или тока, в том числе и постоянного, символы которых должны иметь атрибуты амплитуды AC Magnitude со значением в вольтах и фазы AC Phase со значением в градусах. В схеме должен быть, по крайне мере, один такой источник.
Во время моделирования этот источник заменяется генератором синусоидального сигнала с параметрами, заданными в атрибутах AC Magnitude и AC Phase. Частота этого сигнала в процессе расчета меняется в заданных пределах.

Для получения амплитудно-частотной характеристик (АЧХ) относительно

0 дБ, т.е. коэффициента передачи по напряжению, нужно установить параметр источника входного сигнала AC Magnitude=1.

После моделирования схемы в режиме АС – анализа результаты выводятся на экран только в виде АЧХ для заданных схемных переменных.

Чтобы отображать на экране соответствующие им фазочастотные характеристики (ФЧХ), необходимо проделать ряд дополнительных операций для каждой схемной переменной. Это мы рассмотрим далее на конкретном примере анализа созданной нами схемы.

Для проведения АС - анализа сделаем установки, показанные на рисунке 87.

Рисунок 87 – Установки параметров АС режима для нашего примера