добре дошла подправка
Московски държавен институт по електроника и математика (Технически университет)
ПОДПРАВКА - ПЪРВО ВЪВЕДЕНИЕ
Тумковски С.Р. Spice сървър - първо запознанство: Урок - М .: Московски държавен институт по електроника и математика, 2001. - 42с. аз ще.
Сървърът Spice се разглежда въз основа на системата Spice, разработена в края на годините в университета в Бъркли (Калифорния), която се превърна в стандарт за търговски системи за симулация на вериги за персонален компютър, който се разработва и вече работи.
Предназначен за студенти, обучаващи се в направление 654300 - "Проектиране и технология на електронни средства" в изучаването на дисциплината "Информационни технологии за проектиране на електронни средства". Може да бъде полезно за инженери и студенти при решаване на практически проблеми на електронното проектиране.
Подготовка на изходни данни.
Независими източници на напрежение и ток.
Диоди и транзистори.
Линии на забавяне без загуби.
Характеристики на изчисляването на радио вериги.
Отчитане на влиянието на температурата.
Решение на проблема с EMC.
Доскоро изчислителните методи бяха използвани много малко за изчисления в процеса на проектиране на електронни схеми. Един опитен инженер би могъл да синтезира прости схеми с минимални изчисления. Той създаде схемата на електронната схема, направи измервания, направи промени и в резултат получи окончателната версия на веригата.
Напоследък ситуацията се промени значително. Персоналните компютри станаха достъпни, така че малките предприятия и дори отделните потребители могат да си позволят да ги имат. Несъмнено в това отношение изчислителните методи ще имат все повече и повечезначение. Разглеждайки този проблем от различен ъгъл, можем да кажем, че технологичният прогрес направи възможно проектирането на големи функционални блокове, съдържащи хиляди взаимосвързани транзистори в една верига. Очевидно е, че разработването на такива схеми е невъзможно с експериментално отстраняване на грешки на макет. В допълнение към напредъка в развитието на компютрите, всички аспекти на моделирането и проектирането на вериги са силно повлияни от четири основни нововъведения в числените методи: операции с редки матрици, линейни многоетапни методи за решаване на системи от алгебрични и диференциални уравнения, методът на присъединения модел за изчисляване на чувствителността и използването на нелинейно програмиране при оптимизационни проблеми.
Наскоро станаха достъпни голям брой системи за симулация на вериги, използващи една или повече от тези иновации. Повечето от тях са доста скъпи и практически недостъпни за масовия потребител в България, а студентските версии са или много ограничени, или изискват значителни компютърни ресурси.
Една от системите, които ви позволяват ефективно да решавате проблеми със симулация на вериги, е системата Spice (програма за симулация с акцент върху интегрирана схема), разработена в катедрата по електротехника и компютърни науки, Калифорнийски университет, Бъркли.
Тази система е проектирана да симулира нелинейни електрически вериги в статичен режим (DC), времеви (преходни) и честотни области (AC). Симулираната верига може да съдържа резистори, кондензатори, индуктори, независими източници на напрежение и ток, пет вида зависими източници, дълги линии, превключватели и пет вида полупроводникови устройства: диоди, биполярни транзистори (BJT), транзистори с полеви ефекти(JFET), транзистори (MESFET) и (MOSFET).
Широкото използване на системата Spice обаче е възпрепятствано от факта, че тя е създадена за операционната система UNIX и няма графичен интерфейс, който е познат на потребителя на Windows.
От друга страна, интернет индустрията се развива много бързо у нас. Достъпът до световните информационни ресурси стана практически безплатен. Според експерти броят на интернет потребителите в България към края на 2001 г. ще надхвърли 8 милиона души.
Следствие от тази ситуация беше разработването на клиент-сървър версия на системата Spice, наречена "Spice Server". Притежавайки по-малко графични възможности в сравнение с локалните версии на системи за моделиране на схеми, той все пак позволява решаването на основните проблеми, които възникват при разработването на електронни схеми. В същото време Spice Server е много по-лесен за използване, тъй като е фокусиран върху стандартния, който е познат на огромен брой потребители. Може да се използва както от начинаещи, така и от професионалисти.
За да работите със сървъра ( http://spice.distudy.ru ) на локален компютър, имате нужда само от браузър, който ви позволява да стартирате Java аплети.
Това ръководство е само първо запознаване със системата Spice и не обхваща всички аспекти на използването на тази система за решаване на инженерни проблеми в процеса на проектиране, но примерите за моделиране на електронни схеми с помощта на системата Spice, дадени в него, илюстрират основните й възможности при решаване на инженерни проблеми. Читателят може да се запознае с този документ и да се свърже със сървъра на Spice (http://spice.mitme.ru), за да изпълни самостоятелно дадените примери.
За да даде на читателя някаква представа замоделиране и проектиране на вериги, ще дадем пример. Това е само с илюстративна цел [8].
Да предположим, че трябва да проектираме регулатор на напрежение, който отговаря на характеристиките:
• Входно напрежение - 18 V.
• Изходно напрежение - 12 V.
• Ток на натоварване - 1 A.
• Време за установяване на изходното напрежение - 10 ms.
Следващата ни задача е да изберем структурата на веригата и елементната база на регулатора на напрежението. Това може да стане по различни начини [5, 10, 11], включително използването на специални програми за синтез. Да приемем, че се справихме с тази задача и сме доволни от схемата, показана на фиг. 1.
Фиг. 1. Стабилизатор на напрежението на електрическата верига
След това трябва да проведем симулация на получената електрическа верига.
Задачата на симулацията на веригата обикновено се състои в определяне на формата и параметрите на сигналите за ток и напрежение, които се появяват в различни точки на симулираната верига, което в крайна сметка ви позволява да създадете електрическа верига, която отговаря на зададените изходни характеристики и електрически режими на работа на радио елементи.
Моделирането на веригата е разделено на етапи, чието изпълнение е насочено към решаване на формулирания проблем.
1. Разделяне на електрическата верига на функционални единици. Проектирането на вериги, като правило, се извършва в съответствие с принципа, следователно е логично да се изгради моделиране на вериги по същия начин. В този случай електрическата верига на всяка функционална единица се допълва от източници на входни сигнали и съпротивление на натоварване. Тук трябва да се помни, че този подход към
моделирането автоматично води до предположението за еднопосочно разпространениеелектрически сигнали във веригата.
В практически смисъл това означава, че функционалните възли на веригата не влияят на работата един на друг.
В нашия случай изпълнението на този етап се свежда до допълване на електрическата верига на стабилизатора на напрежението с източник на входен сигнал E = 18V, съпротивление на натоварване Rн = 12 Ohm и замяна на променливия резистор R5 с неговия модел, състоящ се от два резистора.
2. Подготовка на изходни данни за изчисление. Подготовката на изходните данни за изчисление се извършва в съответствие с документацията за системата за симулация на веригата.
По правило първоначалните данни за изчислението са разделени на два раздела:
• описателна информация за елементите и техните връзки в електрическата верига;
• задача за изчисление, включваща вида на изчислението и описание на неговите параметри.
Основните видове изчисления са:
• изчисление в статичен режим (DC), т.е. определяне на напрежения, токове, мощности в момента на установяване на всички преходни процеси във веригата;
• изчисляване на преходни процеси (Transient), т.е. определяне на напрежения, токове, мощности като функции на времето в диапазона от t=0 до t=Tcon;
• изчисляване на честотни характеристики (АС), т.е. дефиниция на честотна характеристика, фазова характеристика, LAFC в диапазона от f=Fbegin до f=Fcon. В този случай веригата се моделира в режим на малък сигнал.
Важна роля в изпълнението на този етап играе правилната формулировка на изчислителния проблем, който отразява компромис между желанието на разработчика и възможностите на системата за симулация на веригата.
Нека формулираме формулировката на проблема за изчисляване на стабилизатора на напрежението. Първоначалните данни за моделиране на стабилизатора на напрежението са
електрическа верига (фиг. 1.). В резултат на симулацията е необходимо да се получат колекторните напрежения и токове имощност на транзистори Т1 и Т2 в статичен режим при минимални, максимални и номинални стойности на входното напрежение, както и графики на преходни процеси:
• изходно напрежение на стабилизатора при включено захранване;
• колекторни токове и мощности на транзистори Т1 и Т2 при включване. Интересът към изчисляването на тези характеристики е свързан с два фактора. V
в заданието се регламентира времето за установяване на изходното напрежение при включен стабилизатор. Тази характеристика трябва да бъде не повече от 18 ms.
и е необходимо да се провери дали режимите на работа на транзисторите Т1 и Т2 отговарят на разрешените спецификации.
3. Изчисляване на електрическите характеристики на функционалната единица. Този етап се извършва изцяло от компютър, контролиран от оператора.
Изпълнението на този етап се основава на математически топологичен модел на електрическа верига, формиран на базата на модели на елементи и техните схеми на свързване. На базата на топологичния модел на възела се изгражда неговият аналитичен модел, който представлява система от уравнения. Има два основни метода за преход от топологичния модел на веригата към нейния аналитичен модел - това е методът на променливите на състоянието и методът на възловите потенциали. Основните предимства и недостатъци на тези методи са разгледани подробно в литературата. Заявяваме само, че в повечето от използваните днес подсистеми за симулация на вериги, включително системата Spice, се използва методът на възловите потенциали и неговите модификации.
По време на този етап е възможно да получите съобщения за грешка, които са разделени на две големи групи: синтактични грешки и логически грешки.
Синтактични - включват грешки, които са се появили нарушения на правилата на езикаописания на схемата или задачата за изчисление. Логически - включват грешки, които са се появили нарушения на логиката на описанието на електрическата верига, например неправилно номериране на възлите на електрическата верига.
В резултат на този етап потребителят получава изчислените стойности на характеристиките под формата на таблици и графики.
Резултатите от изчислението на стабилизатора на напрежението са показани по-долу.