ÁRAMKÖRÖK SZIMULÁCIÓJA Az áramkörök szimulációja révén betekintést nyerünk azok működésébe. Meg tudjuk határozni az áramkörök válaszát különböző gerjesztésekre, különböző üzemmódokra. Végezhetők analóg és digitális szimulációk. Az analóg szimulációk az áramkörben jelentkező feszültségek és áramok pontos időbeni lefolyását határozzák meg. A digitális szimulációknál a szimuláció célja nem annyira a pontos jelalakok számítása, hanem a működés logikájának ellenőrzése. 1
A szimuláció szerepe Ha mód van rá, ideiglenes formában létre kell hozni az áramkört és meg kell vizsgálni a viselkedését. Az áramkörök ideiglenes megvalósításához próbapanelt (protoboard) szoktak használni, erre rögzítik, ezen keresztül kötik össze a DIL tokozású integrált áramköröket, kisebb passzív és aktív alkatrészeket. A felületre szerelhető alkatrészeknél nem-, vagy csak korlátozott mértékben tudunk próbapanelt használni, így az SM alkatrészek előretörésével az áramkörök kísérleti vizsgálata mindinkább háttérbe szorul, helyette a számítógépes szimuláció kerül előtérbe. 2
3
Szimulációra alkalmas kapcsolási rajz készítése Kezdetben a szimulációk végzéséhez kötéslistát (szöveges bemenet) kellett készíteni és meg kellett adni az alkatrészek paramétereit, modelljeit. Ma az áramkör grafikus megadása (kapcsolási rajz) a jellemző, az egyenletek felírásához szükséges kötéslistát a számítógép készíti el. Léteznek specializált szimulációs szoftverek (Spice, Tina ), de általában az elektronikai tervező szoftverekbe is integrálnak szimulátort. Ha szimulálni szeretnénk az áramkör működését, a kapcsolási rajzhoz olyan szimbólumokat kell használni, amelyekhez szimulációs modellek vannak rendelve. 4
Szimulációs modellek, modellkönyvtárak Alkatrésztől függően a szimulációs modell egyszerűbb vagy összetettebb. Az RLC alkatrészeket, sok esetben csak egyetlen paraméterrel jellemezzük (ellenállásérték, kapacitás, induktivitás). A jelforrások jeleinek definiálása egy vagy több paraméterrel történik. Tekintettel a diszkrét félvezető alkatrészek bonyolult, nemlineáris viselkedésére, ezek modellezése összetett helyettesítő rajzzal (áramköri modell subcircuit) és számos paraméterrel történik. Az integrált áramkörökre ez még inkább igaz. 5
Szimulációt vezérlő parancsok A kapcsolási rajz és a modellek mellett a szimuláció végzéséhez szükségesek további információk. Ezeket vagy a kapcsolási rajzon helyezzük el parancs formájában vagy a szimulátor menürendszerében állítjuk be. A parancsok definiálják a szimuláció típusát, annak időtartamát, a frekvenciatartományt, más paraméter értéktartományát. Parancsok szükségesek annak definiálására is, hogy milyen számítási eredményeket kell megőrizni (menteni) és megjeleníteni. 6
A szimulációk típusai Egy áramkör viselkedése sok szempontból vizsgálható: különböző gerjesztésekre adott válaszok számíthatók az idő- és a frekvenciatartományban. A gerjesztések lehetnek egyenfeszültségek, egyenáramok, szinuszos jelek, négyszögjelek, töredezett vonallal megadott jelek 7
DC analízis A DC (egyenáramú) analízis az áramkör konstans áramés feszültségforrásokra adott válaszát adja. Lineáris áramköröknél ez egyszerűen megkapható csomóponti potenciálok módszerének alkalmazásával. Nemlineáris áramköröknél a csomóponti egyenleteket iterációs módszerrel oldják meg. Tranzisztoros áramköröknél a DC analízis eredménye a munkapont. A munkapont alapján számítható a nemlineáris alkatrészek kisjelű lineáris modellje, amelyet a szimulátor az AC analízisnél alkalmaz. 8
AC analízis Az AC analízis az áramkör szinuszos gerjesztésekre adott válaszát adja állandósult állapotban. Kiszámítja az áramés feszültség fázorok amplitúdóját és fázisát egy frekvenciára, vagy adott frekvenciatartomány bizonyos pontjaira (frekvenciamenet számítása). Az analízis szigorúan lineáris modellre épül. Az esetleges nemlineáris alkatrészekre, az AC analízis előtt, meg kell határozni a munkapontot és munkapontban érvényes linearizált modellt. 9
Tranziens analízis A tranziens (átmeneti) analízis az áramkör időbeni viselkedését számítja, figyelembe véve az egyes áramköri elemek (tekercs, kondenzátor) energiatároló tulajdonságát és a gerjesztések időbeni lefolyását. Periodikus gerjesztés esetén a megoldás tartalmazza mind az átmeneti jelenséget (ez rendszerint idővel csillapodik), mind az állandósult választ. Az áramkör lehet lineáris és nemlineáris. A tranziens analízis mindig adott időszakaszra vonatkozik, azon belül állandó vagy változó lépésekkel haladva kell megoldani a differenciaegyenleteket. 10
Fourier analízis A periodikus gerjesztésekre adott állandósult válasz Fourier sorba fejthető, meghatározható az egyen szint, az alap harmonikus és a felharmonikusok nagysága. Az állandósult választ tranziens analízisből kapjuk, ha megfelelő hosszú ideig végezzük az analízist, hogy az átmeneti jelenségek csillapodjanak. 11
Monte Carlo analízis Az áramkörök adott paraméter értékekre, adott gerjesztések mellett, pontosan meghatározható választ adnak. Feltehető a kérdés, hogy mi történik, ha egyes paraméter-értékek megváltoznak. A Monte Carlo analízis a paraméterek szórásának hatását vizsgálja. A paraméterek lehetséges szórására értéktartományokat kell megadni. Monte Carlo analízis során a szimulátor sok analízist végez el a paraméter értékek véletlenszerű kombinációira, ezzel próbálja kiértékelni a válasz lehetséges szórását. Ilyen módon megvizsgálható, hogy valós körülmények között az áramkör viselkedése mennyire stabil, ill. a sorozatgyártás mennyire ad majd ismételhető eredményeket. 12
Eredmények kiértékelése és megjelenítése A szimuláció eredményeit értelmezni kell, össze kell hasonlítani a várt működéssel. Táblázatok Alapértelmezés szerint a szimuláció eredményei táblázatokba foglalt számértékek. Rendszerint az első oszlopban a független változó szerepel (idő, frekvencia, paraméter), a további oszlopokban a kiszámított mennyiségek (főleg áramok és feszültségek) szerepelnek. 13
Grafikonok A szimuláció eredményeinek grafikus megjelenítése rendszerint sokkal könnyebben értelmezhető, mint a táblázatos adatok. A diagramok alakjából a felhasználó gyorsan levonhatja a következtetéseit. A jelek további feldolgozása Szükség szerint a táblázatos adatok átvihetők más szoftverekbe további feldolgozás céljából. Lehetséges teljesítmény, ill. energia számítása, végezhetünk statisztikai vizsgálatokat stb. 14