إحدى الميزات المفيدة المتضمنة في PADS Professional هي أداة نمذجة الإشارات المختلطة التناظرية المدمجة (AMS) ، والتي تسمح لك بمحاكاة تصميمات الدوائر الخاصة بك باستخدام طرازي SPICE و VHDL-AMS. تتيح القدرة على استخدام كلا الإصدارين من النماذج التحقق الأكثر مرونة ودقيقة من أنظمة الميكاترونيك المعقدة. من خلال إجراء عمليات المحاكاة قبل بدء مرحلة التخطيط أو التوجيه أو الإنتاج ، يمكنك التأكد من أن حلول الدوائر الخاصة بك تعمل كما تريد ، مما يلغي المشاكل المرتبطة بأدائها. في إطار هذه المقالة ، سنقوم بتصميم ونمذجة دائرة المولدات باستخدام طرازي SPICE و VHDL-AMS. ثم سنبحث في كيفية استخدام وظائف AMS المتكاملة لتصميم الدوائر الحالية.
كل الأكثر إثارة للاهتمام تحت خفض.
إنشاء مخطط
في PADS Designer ، صممت دائرة مذبذب مكتملة جزئيًا. أول شيء أحتاج إليه هو إضافة عناصر الدائرة المفقودة ونماذج المحاكاة المرتبطة بها. للبحث عن الرموز ووضعها ، أستخدم أداة "
Search / Place Symbols " الموجودة على شريط أدوات نمذجة AMS في PADS Designer. المكون الأول الذي سأضعه على الدائرة هو مضخم التشغيل LM741 ، والذي يمثله الرمز القياسي المكون من 7 أسنان الموجود في القسم الفرعي Spice Macromodel (الشكل 1).
الشكل 1: إضافة رمز op-amp إلى دائرة مذبذب مكتملة جزئيًا (قابلة للنقر)بطريقة مماثلة ، سنضع رمز المقاوم المفقود مع نموذج VHDL-AMS المرفق من المكتبة. بعد أن وضعنا رمز المقاوم ، انقر بزر الماوس الأيمن على الرمز وحدد "
تحرير خصائص النموذج ". في نافذة
"خصائص النموذج" التي تظهر
، يمكنني تحرير جميع الخصائص الضرورية للنموذج ، بما في ذلك تحديد رقم جزء معين وتعيين المعلمات العددية المطلوبة. في حالتنا ، أقوم بتعيين قيمة المقاوم المحسوبة مسبقًا المكون 3.2 كيلو أوم ، وهو أمر ضروري لتحقيق كسب مذبذب الصحيح (الشكل 2).
الشكل 2: تخصيص قيمة للمقاوم من خلال نافذة خصائص النموذج (قابلة للنقر)ثم ، بنفس الطريقة ، من خلال نافذة "
خصائص الطراز " ، لرمز مكبر للصوت التشغيلي ، حدد طراز الدائرة الدقيقة المطلوب. تعرض القائمة المنسدلة "
اسم ملف SPICE " جميع الأقسام المتاحة في مكتبات النماذج. تعرض قائمة "
Model / Sub circuit " جميع المكونات المدرجة في مكتبة النماذج المحددة. أنا هنا اختيار نموذج المنطوق LM741 (الشكل 3). بعد اختيار نموذج ، يتم فتح نافذة حيث يمكنك مقارنة استنتاجات النموذج باستنتاجات الرمز (يحدث هذا تلقائيًا ، ولكن يمكنك دائمًا إعادة تعيينها إذا لزم الأمر).
الشكل 3: تخصيص نموذج محاكاة SPICE LM741 لرمز مكبر التشغيل (قابل للنقر)لإنهاء دائرة المولدات الكهربائية هذه بجسر Wien ، أحتاج إلى عدد من الثنائيات. يمكن وضع الصمام الثنائي SPICE مباشرة من شريط أدوات المحاكاة في PADS Designer. بعد وضع الرمز ، اتبع نفس الإجراء عند استخدام مضخم التشغيل LM741 لتحديد طراز المكون الذي أحتاج إليه. في هذه الحالة ، أحتاج إلى نموذج 1N914. تتطلب هذه الدائرة وضع هذه الثنائيات بالتوازي وفي الاتجاه المعاكس للحفاظ على الكسب الصحيح وضمان حالة مستقرة من التذبذب. بعد تعيين النموذج إلى الصمام الثنائي الأول ، يمكنني ببساطة نسخ هذا الرمز مع جميع الخصائص المخصصة له ولصقه في الموقع المطلوب ، مثل الصمام الثنائي الثاني (الشكل 4).
الشكل 4: إضافة اثنين من الثنائيات المتوازية إلى دائرة مذبذب (قابلة للنقر)تشكيل مصادر الطاقة والإشارات
في PADS Pro Designer ، بفضل منصة النمذجة AMS المتكاملة بالكامل ، يمكن إضافة طرازات الأرض والطاقة دون الحاجة إلى إنشاء رمز تخطيطي منفصل ووضعه. قبل إضافة طرازات مصدر الجهد الموجب والسالب في op-amp ، أرسم الدوائر أولاً ، وقم بتوصيلها بالإخراج الموجب والسالب للرمز ، وقم بتسميتها وفقًا لذلك. بعد ذلك ، انتقل إلى قائمة "
المحاكاة " ، وحدد "
إعداد المخطط " وفي النافذة التي تظهر ، انقر فوق "
إضافة مصادر ". بما أنني أشرت بالفعل إلى أسماء دوائر الطاقة المتصلة بأطراف القدرة للمكبر التشغيلي في الخطوة السابقة ، فسيكون اختيار هذه الدوائر لتعيين مصادر موجبة وسالبة ذات جهد 5 فولت عملية بسيطة للغاية (الشكل 5).
شكل 5: إضافة مصادر إمداد الطاقة الموجبة والسالبة لـ opamp (قابلة للنقر)في نماذج المصدر هذه ، من الممكن تمكين خيار محاكاة التيار المتناوب (AC). يمكن استخدامه عندما تريد تصميم استجابة التردد لمجال معين في دائرة تيار مستمر أخرى. لن أستخدم خيار محاكاة التيار المتردد لمصادر الجهد opamp ، لكنني سأضيف مصدر تيار خطي جزئيًا مع خيار تحليل التيار المتردد إلى دارة RC (P1) في دائرة مولدي. والغرض من ذلك هو محاكاة عمليات التبديل العابرة التي تؤدي إلى التذبذبات في الظروف الحقيقية. بالنسبة إلى مصدر التيار الخطي الجزئي ، أريد تشغيل 0.1 مللي أمبير لمدة 30 ،s ، ثم أطفئ عندما تكون قيمة التيار المتردد 1A. هذا سيكون كافيا لتحريك التذبذبات (الشكل 6).
الشكل 6: إنشاء مصدر تيار خطي تدريجي للتذبذبات المتدرجة (قابلة للنقر)تصميم
بعد أن قمنا بإضافة جميع المصادر ، يمكننا المضي قدمًا لنمذجة الدائرة. أقوم فقط بتحديد هذا الجزء من الدائرة الذي أريد محاكاته في PADS Designer ، ثم انقر بزر الماوس الأيمن وحدد "
محاكاة المكونات المحددة " (طراز المكونات المحددة فقط). سأبدأ بالتحليل في مجال الوقت (5 مللي ثانية). أتوقع أن أرى موجة جيبية خرج بتردد حوالي 14 كيلو هرتز. بمراجعة وتقييم إشارة الخرج المحاكية بسرعة ، نستنتج أن هذه الدائرة تعمل كما توقعنا (الشكل 7).
الشكل 7: نمذجة شكل إشارة الخرج في المجال الزمني لدائرة المولد (قابلة للنقر)الآن بعد أن أعرف أن هذا المذبذب يعمل بشكل صحيح عند 14 كيلو هرتز ، سأقوم بنسخ هذه الدائرة وتغيير المكثفات في دائرة RC لمحاكاة المذبذب الثاني بسرعة 8 كيلو هرتز. بعد ذلك ، سوف أدرج مضخمًا تشغيليًا ثالثًا في الدائرة ، والذي سيكون بمثابة إعلان بسيط لوضع الجيوب الأنفية اثنين معًا (الشكل 8). أخيرًا ، كما كان من قبل ، أحتاج إلى إضافة مصدر تيار خطي إلى هذه الدائرة (P2). سأستخدم نفس المعلمات لهذا المصدر الحالي للمولد الأول ، لذلك سيبدأ كلا المولدين في نفس الوقت. في الممارسة العملية ، يمكنني استخدام هذه الدائرة لأجهزة معالجة الإشارات ، حيث يكون الإخراج إلى مضخم الجمع مدخلات إلى ADC.
الشكل 8: الدائرة النهائية مع مولدين ومكبر للصوت (قابل للنقر)يتيح لك PADS Professional إجراء عمليات محاكاة مماثلة في أي مرحلة تصميم. وبالتالي ، من خلال إجراء النمذجة في مراحل مختلفة من المشروع ، يمكنك تقليل المفاجآت الوظيفية غير المرغوب فيها أو القضاء عليها تمامًا في المنتج النهائي. أنا الآن على استعداد لمحاكاة الورقة بالكامل مع الدائرة للتأكد من أن النظام بأكمله يعمل كما هو متوقع. هذه المرة سأجري محاكاة في مجال التردد (من 1 هرتز إلى 100 كيلو هرتز) للحصول على تمثيل مرئي واضح لتشغيل النظام بأكمله. بالنظر إلى إشارة الخرج لدائرة الجمع (الشكل 9) ، يمكنك أن ترى بوضوح إشارتين جيبية ، كل منهما تعمل بتردداتها المعطاة.
الشكل 9: نمذجة الدائرة بأكملها في مجال التردد. كلتا الإشارات الجيوب الأنفية مرئية بوضوح (قابلة للنقر)أنواع مختلفة من التحليل
بالعودة إلى دائرتنا ، قمت أيضًا بإنشاء محول تنحي بسيط (5 فولت - 3.3 فولت) بتردد تبديل قدره 250 كيلو هرتز (الشكل 10). لإنشاء الشكل الموجي اللازم للنمذجة وتأكيد الوظيفة الصحيحة للدائرة ، أريد عرض FFT لإشارة الخرج في المجال الزمني. يمكنني القيام بذلك عن طريق تحديد مربع الاختيار "تمكين FFT" في قسم "
تحليل المجال الزمني " من النافذة المنبثقة "
التحكم في المحاكاة ". في علامة التبويب "
النتائج " في نافذة "
التحكم في المحاكاة " ، يمكنني تكوين FFT انتقائي لإطلاق إشارة الخرج فقط. باختيار الإشارة المحددة التي تهمني لأداء FFT (FFT) بدلاً من القيام بالتحويل لجميع الإشارات في الدائرة ، يمكنني تقليل وقت المحاكاة الإجمالي بشكل كبير. بعد ذلك ، نبدأ عملية المحاكاة نفسها.
الشكل 10: رسم تخطيطي لمحول تنحى (5 فولت - 3.3 فولت) (قابل للنقر)بادئ ذي بدء ، أريد قياس تموج الإخراج من الجهد للتأكد من أنه يقع ضمن حدود التشغيل المسموح بها. حدد إشارة
v_out من الجزء الأيمن من نافذة
Waveform Analyzer . بشكل عام ، أرى أن الجهد الناتج ، كما هو متوقع ، تم ضبطه عند حوالي 3.3 فولت (الشكل 11 أ). لقياس تموج الجهد ، سأزيد جزءًا صغيرًا من الإشارة قيد الدراسة واستخدم حاسبة الموجي المدمجة للحصول على قيمة ذروة تموج الجهد (الشكل 11 ب). يمكن استخدام الآلة الحاسبة الموجية على نطاق واسع لأنواع أخرى من الحسابات المماثلة.
الشكل 11 أ (أعلى): شكل موجي V_out يظهر جهد 3.3 فولت (قابل للنقر)
الشكل 11 ب (أسفل): محلل الموجي يستخدم لحساب تموج الذروة لجهد الخرج (قابل للنقر)لفهم أعمق لتشغيل محول النبض ، أستطيع أن أرى الشكل الموجي FFT الذي قمت بتشغيله من أجل v_out. يمكن العثور عليها في قسم "
تحليل فورييه " على اليسار في نافذة "
محلل الموجة ". للحصول على تفسير أفضل للنتائج ، سأقدم المحور س على مقياس لوغاريتمي. الآن أرى أن تأثير مرشح المرور المنخفض لمكثف الخرج والحمل والتحمل المقاوم ظاهرين بوضوح في السعة والمرحلة لإشارة الخرج ، والتوهين التوافقي عند تردد التبديل البالغ kHz 250 مرئي بوضوح (الشكل 12).
الشكل: 12 إشارة إخراج FFT و PFC لمحول باك (قابلة للنقر)بالإضافة إلى سيناريوهات المحاكاة القياسية في مجالات الوقت والتردد ، يمكنني أيضًا تشغيل أنواع أخرى من التحليل ، مثل تحليل الاجتياح وتحليل مونت كارلو وتحليل الحساسية وأسوأ تحليل للحالة. سوف أقوم بإجراء تحليل مسح (sweep) لإلقاء نظرة على سلوك محول النبض الخاص بي في نطاق جهد دخل مختلف. ستكون معلمة المسح مصدر جهد الدخل ، وسأحدد النطاق من 6 فولت إلى 16 فولت بزيادات تبلغ 2 فولت. يمكن أن يكون تحليل المسح مفيدًا بشكل لا يصدق في مساعدتك على فهم كيفية تصرف دائرتك وفق سيناريوهات مختلفة. في الشكل 13 ، يمكنك رؤية نتائج محاكاة الاجتياح مع كل إشارات الخرج الخاصة بمحول باك في نطاق جهد الدخل الذي أضبطه. يمكن أن توفر لك قدرات النمذجة المتقدمة الأخرى فكرة إضافية عن الأداء. على سبيل المثال ، قد يظهر لك تحليل مونت كارلو أهمية
معلومات إحصائية حول خصائص الأداء الحقيقية للمنتج المصمم. يمكن أن يساعدك ذلك في توقع حالات فشل المنتج المحتملة وكذلك سيناريوهات الحالات الأسوأ.
الشكل 13: شكل جهد إخراج محول باك في نطاق جهد الدخل (قابل للنقر)النمذجة الوظيفية BEAGLEBONE BLACK
بعد ذلك ، لنمذجة ، سأستخدم دائرة الكمبيوتر BeagleBone أحادية المجلس
أسود ، والذي يتم توزيعه بحرية وهو مشروع مفتوح المصدر. في ورقة "
إدارة الطاقة " في الرسم البياني (الشكل 14) ، يوفر PMIC معظم متطلبات الطاقة للوحة. على الرغم من أن هذه الشريحة توفر خرج 3.3 فولت ، فإنه لا يكفي لتشغيل جميع المستهلكين على متن الطائرة. للتعويض عن هذا ، يتم استخدام منظم خطي منفصل ، يتم توفير مدخلات منه 3.3 فولت ، والتي يتم تشكيلها في PMIC. دعنا الآن نمثل قسم المنظم الخطي في دائرتنا.
الشكل 14: مخطط BeagleBone لإدارة الطاقة السوداء (PMIC (الوسط) ووحدة التحكم الخطية (أسفل اليسار)) (قابلة للنقر)لإجراء محاكاة لدائرة تحكم خطية ، سأحتاج إلى تعيين نماذج مكونة للرموز الموضوعة على الدائرة. لقد قمت بتنزيل نموذج SPICE لهذا LDO بشكل خاص من موقع الشركة المصنعة ، وبالنسبة للمقاومات والمكثفات ، يمكنني استخدام بدائل SPICE القياسية المضمنة في المكتبة. لتعيين نماذج من المقاومات والمكثفات ، سأتبع الخطوات نفسها كما كان من قبل ، لذلك فقط انقر بزر الماوس الأيمن فوق المكون وحدد "
تحرير خصائص النموذج " (الشكل 15). يتمثل الاختلاف الوحيد في هذا السيناريو في أنه لم يتم تحديد أحرف هذه المكونات من مكتبة AMS ، ولكن بدلاً من ذلك تم وضعها من مكتبة المكونات المركزية. عند تعيين نماذج لهذه العناصر ، سيتعين علي إجراء تعيينات الدبوس ، لكن لن يكون علي تحديد تصنيفات المكونات. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن المعلومات المتعلقة بتصنيف المكونات يتم استخراجها تلقائيًا من المكتبة المركزية للمشروع.
شكل 15: تخصيص النماذج لرموز المكونات الموضوعة مسبقًا (قابلة للنقر)عند تعيين نموذج LDO ، يمكنني تحديد النموذج الذي قمت بتنزيله مسبقًا والذي تم تخزينه على القرص المحلي من خلال النقر فوق النقاط الثلاث بجانب "
Spice File Name " (الشكل 16a). نظرًا لأن رمز المكون وملف النموذج ليسا معياريًا لمكتبة AMS ، وللمحاكاة الصحيحة ، من الضروري مقارنة الاستنتاجات المشار إليها في النموذج مع الاستنتاجات على الرمز (الشكل 16 ب). بعد أن خصصنا جميع النماذج اللازمة ، من الضروري تحديد مصادر الطاقة. أريد أن أرى كيف يعمل LDO عند بدء التشغيل ، لذلك سوف أقوم بتكوين مصدر الجهد على الإخراج (EN) بحيث يصل بعد 3.3 مللي ثانية إلى قيمة 3.3V. هذا سيحاكي إخراج 3.3V من رقاقة PMIC. للقيام بذلك ، اتبع نفس العملية التي عرضتها سابقًا لإضافة مصدر طاقة خطي جزئي إلى دبوس التمكين. في الختام ، سوف أقوم بتعيين مصدر 5V إلى دبوس الإدخال (IN) والأرض لدبابيس الأرض المقابلة. بإضافة نماذج المصدر مباشرةً إلى الدوائر المرغوبة بدلاً من إضافة رموز فردية للنمذجة ، يمكنني حفظ الدائرة في حالتها الأصلية.
الشكل 16 أ (أعلى): يمكنك اختيار التوابل المحلية لطراز LDO.
الشكل 16 ب (أسفل): مقارنة العملاء المتوقعين في نموذج SPICE مع العملاء المتوقعين في UGO.
(نقر)من خلال تشغيل المحاكاة في المجال الزمني (حتى 5 مللي ثانية) وتحليل إشارة الخرج ، يمكنك رؤية الجهاز بوضوح عندما يصل جهد التيار الكهربائي (EN) إلى 3.3 فولت. باستخدام أدوات لقياس وحساب مستوى الجهد ، أرى أن مستوى الجهد الناتج ليست كافية. أعلم أنني بحاجة إلى الحصول على 3.3 فولت لمستهلكي الطاقة ؛ ومع ذلك ، فإن تكرار المحاكاة هذا يوضح أن الحد الأقصى للجهد الناتج هو 3V تقريبًا (الشكل 17). يشير هذا إلى أنه ، على الأرجح ، توجد مشكلة في قيم المقاومات في دائرة الملاحظات.
الشكل 17: يتم تشغيل LDO عندما يصل جهد دبوس EN إلى القيمة المطلوبة ، ولكن في هذه الحالة ، عند خرج LDO ، تلقينا قيمة غير كافية لجهد الإمداد (قابل للنقر)لحل هذه المشكلة ، ستحتاج إلى فتح ورقة البيانات على LDO. بعد بعض العمليات الحسابية البسيطة ، وجدت أن القيمة التي حددتها مع المقاوم R2 كبيرة جدًا ، مما يجعل الجهد الناتج القابل للتعديل منخفضًا جدًا. بعد ذلك ، أقوم ببساطة بتغيير قيمة المقاوم إلى القيمة المناسبة ، ثم أعد تشغيل المحاكاة. عند تحليل أشكال الإشارات المستقبلة ، أرى أن الجهد الناتج الآن لديه المستوى المطلوب وهو 3.3 فولت (الشكل 18). تُظهر هذه الحالة إحدى الصعوبات العديدة التي يواجهها المهندسون باستمرار. خطأ بسيط ، على سبيل المثال ، قيمة المقاوم المحدد بشكل غير صحيح ، يمكن أن يؤدي إلى خلل في الدائرة ، ونتيجة لذلك ، إلى إعادة تصميم باهظة الثمن للجهاز. بفضل إمكانيات نمذجة AMS الوظيفية ، تمكنت من متابعة هذه المشكلة في مرحلة مبكرة من المشروع ، وإجراء التغييرات اللازمة ، ثم التأكد من أن الجهاز يعمل بشكل صحيح.
الشكل 18: التحقق من مستوى الجهد الناتج 3.3V لـ LDO (قابل للنقر)وبالتالي ، باستخدام أداة AMS المدمجة بالكامل في PADS Professional (النمذجة الرقمية إلى التناظرية والنماذج المختلطة) ، يمكنك محاكاة سلوك الدوائر الحقيقية بحيث لا تنشأ مفاجآت أخرى.
لمزيد من المعلومات حول منتجات Mentor ، A Siemens Business لتصميم لوحات الدوائر المطبوعة وتحليلها والتحقق منها ، يرجى زيارة
mentorpcb.ruحتى لا تفوت الأحداث المثيرة للاهتمام وتحديثات المنتجات ، اشترك في موارد المعلومات الخاصة بنا:
الفيسبوكمينتور ثنائي الفينيل متعدد الكلور قناة يوتيوب الخبراءيوتيوب قناة كندي الخبراءقناة برقيةمعك كان فيليبوف بوجدان ، مدير المنتج في PADS Solutions في NANOSOFT.
عيد ميلاد سعيد وسنة جديدة سعيدة!