Основные сведения о системе Micro-Cap

 

Для целей схемотехнического моделирования в настоящее время используются программные системы DesignLab (корпорация MicroSim), Micro-Cap (фирма Spectrum Software), Electronics Workbench, System View, APLAC и другие. Эти программы обеспечивают графический ввод схем, расчет режима цепи по постоянному и переменному току, анализ переходных процессов. Они позволяют моделировать как аналоговые, так и цифровые устройства, имеют библиотеки, включающие в себя модели диодов, биполярных, полевых и МОП – транзисторов, операционных усилителей, а также цифровые компоненты различных фирм. Практически все системы для описания указанных моделей используют распространенный формат SPICE.

По своим функциональным возможностям Micro-Cap 7 уступает пакету DesignLab 8.0, который обеспечивает сквозное проектирование электронных устройств, заканчивающееся созданием управляющих файлов для программаторов и разработкой печатных плат. С другой стороны, программа Micro-Cap проще в освоении начинающими пользователями, имеет удобный интерфейс с развертывающимися меню команд, настраиваемой инструментальной панелью, графическими редакторами принципиальных и функциональных схем. В управляющей оболочке Micro-Cap при смене режима лишь частично изменяется состав меню команд.

При создании нового проекта по команде File → New появляется панель с селектором для выбора способа ведения диалога при создании модели. Наиболее удобным способом ввода исходных данных для моделирования электронных устройств является использование графического интерфейса (пункт меню Schematic). Модели схем и макромодели компонентов в виде принципиальных схем помещаются в файлы с расширением.CIR и MAC.

 

Текстовые файлы библиотек математических моделей компонентов в формате языка описания схем SPICE (пункт меню SPICE/Text) имеют расширение.LIB. При выборе пункта меню Library с помощью специальной панели диалога (редактора моделей) можно редактировать существующие и создавать новые модели компонентов, которые помещаются в бинарные файлы с расширением.LBR или.MDL.

В текстовых файлах с расширением.СКТ содержится описательная и процедурная часть в виде заданий на выполнение моделирования. В соответствии форматом SPICE в каждой строке текстового редактора дается описание определенного компонента. Например, запись R1 1 2 1K означает, что резистор R1 с сопротивлением 1кОм включен между узлами с номерами 1 и 2, а запись Q4 2 3 0 QNL означает, что выводы (коллектор, база, эмиттер) транзистора Q4 с модельным именем QNL подключены к узлам 2 3 0. Очевидно, что этот способ по сравнению с визуальным графическим вводом и редактированием схемы менее нагляден и более трудоемок.

При графическом вводе перед размещением элемента на проектируемой схеме его нужно выбрать в меню Component (или нажать на соответствующую кнопку панели инструментов).

Элемент размещается нажатием на левую кнопку мыши. В этом же меню имеется команда Find Component, которую удобно использовать для поиска компонентов в библиотеке.

Для поворота компонента его на 90 градусов нужно, не отпуская левую кнопку, нажать на правую (или выделить компонент и нажать на кнопку ). Выбор отдельного объекта выполняется щелчком мыши, выбор блока – перемещением курсора по диагонали прямоугольного контура, охватывающего подлежащие выделению объекты. При выделении компоненты изменяют свой цвет, который устанавливается командой Select закладки Color/Font панели Properties. Открыть ее можно двойным щелчком на свободном месте графического окна или нажатием на кнопке .

Ввод проводников осуществляется перемещением мыши при нажатой ее левой кнопке после щелчка на одной из кнопок . Первая из них обеспечивает горизонтальное или вертикальное направление проводников, а вторая – проведение их под произвольным углом. При пересечения курсором мыши другого проводника без остановки электрическое соединение не образуется (за исключением случая, когда пересекается конец элемента). Нумерация узлов схемы при графическом вводе формируется автоматически и зависит от порядка ввода компонентов. Один из узлов схемы необходимо заземлить, и потенциал этого узла устанавливается равным нулю. С помощью кнопки на схему можно нанести пользовательские имена узлов и ввести директивы описания моделей компонентов. Использование имен вместо номеров узлов улучшает читаемость схемы, на имена можно ссылаться про выводе результатов. Все надписи легко перемещаются при помощи мыши. Вывод на экран текстовых надписей, номеров узлов, значений напряжений в узлах и токов в ветвях в режиме постоянного тока можно включать и отключать при помощи следующих кнопок:

Для удобства работы в рабочем окне можно открыть панели аналоговых и цифровых компонентов:

 

Простейшие компоненты – резисторы, конденсаторы, индуктивности имеют минимальный набор атрибутов, к которым относятся позиционное обозначение PART (например, R1) и номинальное значение VALUE (например, 1k). Эти атрибуты можно вывести на схему, поставив отметки в логических окнах Show.

Значения сопротивлений, емкостей и индуктивностей в атрибуте VALUE могут задаваться константами или выражениями, зависящими от времени, токов ветвей, разности узловых потенциалов, температуры и других параметров. Зависимость от времени можно использовать только при анализе переходных процессов. По умолчанию программа назначает первый символ обозначения в соответствии с его типом. Значения вводимых числовых значений параметров компонентов можно снабжать масштабирующими суффиксов.

		Значения суффиксов числовых значений: F – фемто E-15 P – пико E-12 N – нано E-9 U – микро E-6 M – милли E-3 K – кило E3 MEG – мега E6 G – гига E9 T – тера E12
	Первый символ имени компонента: R – резистор, C – конденсатор, K, L – индуктивности, D – диод, Q – биполярный транзистор, B, J, М – полевые транзисторы, I, V – независимые источники тока и напряжения, S, W – ключи, E, F, G, H – управляемые источники: (ИНУН, ИТУТ, ИТУН, ИНУТ), T – линия передачи, U – цифровое устройство, N, O – АЦП и ЦАП, X – макромодель.

 

Каждый компонент характеризуется определенным числом параметров. Схема замещения биполярного транзистора в зависимости от используемой модели может иметь различное число параметров. В модели Эберса-Молла используется 42 параметра, а в модели Гуммеля-Пуна – 52 параметра.

 

Большинство компонентов имеют атрибут имени модели MODEL (например, 2N1613).

В окне, расположенном справа, находится список моделей в доступных библиотеках.

В программе используются макромодели двух типов, которые задаются схемой замещения (тип Macro) и текстовым описанием (тип Subckt). Выводами макромодели являются имена узлов. В макромодели можно использовать пассивные и активные компоненты, управляемые и функциональные источники сигналов, задавать численные значения параметров.

Например, в макромодели фазового модулятора используется назависимый источник гармонического сигнала V1, частота и амплитуда которого задаются директивами, и два управляемых источника E1 и E2. Входом модулятора является вывод In, вывод Binary является промежуточным, а выходом является вывод Out.

Директивы представляют собой текстовые описания, начинающиеся с точки. Макромодель кварцевого резонатора содержит пассивные компоненты, значение емкости Cpar задается константой. Сопротивление R2 указано в директиве .PARAMETERS, значения компонентов L1 и Cseries задаются аналитическими выражениями, причем в качестве аргументов используются переменные, входящие в список указанной директивы (функция pow(x,n) служит для возведения x в степень n). В простейшем случае выражение может представлять собой имя переменой (описание резистора R2). Директива .HELP служит для размещения комментариев.

С помощью текстовой директивы .MODEL компонентам схемы назначаются пользовательские имена и задаются свойства, необходимые для получения модели. При этом используется методы наследования свойств объектов-родителей и задания значений по умолчанию (если список параметров отсутствует). Например, биполярные npn- и pnp- транзисторы, которым присваиваются пользовательские имена QNL и QPL, могут быть описаны следующим образом:

.MODEL QNL NPN BF=80 RB=100 TF=0.3NS TR=6NS CJE=3PF CJC=2P VA=50

.MODEL QPL PNP BF=10 RB=20 TF=1NS TR=20NS CJE=6PF CJC=4PF VA=50

Эти имена в описании схемы можно использовать при добавлении транзистора аналогичного типа. Приведенные параметры модели транзистора имеют следующий смысл:

BF – максимальный коэффициент усиления тока в нормальном режиме в схеме с ОЭ;

RB – объемное сопротивление базы при нулевом смещении перехода база-эмиттер;

TF – время переноса заряда через базу в нормальном режиме;

TR – время переноса заряда через базу в инверсном режиме;

CJE – емкость эмиттерного перехода при нулевом смещении;

CJC – емкость коллекторного перехода при нулевом смещении;

VA – напряжение Эрли.

За пользовательским именем в директиве .MODEL указывается имя типа модели. Для аналоговых компонентов используются следующие имена типов:

 

 

	Имя типа модели	Тип компонента
	RES	Резистор
	CAP	Конденсатор
	CORE	Магнитный сердечник
	IND	Индуктор (катушка индуктивности)
	D	Диод
	NPN, PNP	Биполярные npn- и pnp-транзисторы
	NJF, PJF	Полевые транзисторы
	NMOS, PMOS	МОП транзисторы
	TRN	Линия передачи
	VSWITCH, ISWITCH	Ключи, управляемые напряжением или током
	OPA	Операционный усилитель
	PUL	Источник импульсного напряжения
	SIN	Источник синусоидального напряжения

 

В директиве .MODEL после ключевого слова AKO (A Kind Of) можно помещать ссылки на модели-прототипы, что позволяет указывать только различающиеся значения. С помощью ключевых слов DEV или LOT задается независимый или коррелированный случайный разброс параметров при проведении статистического анализа по методу Монте-Карло. При описании конденсаторов с помощью ключевого слова IC можно указывать начальное значение напряжения, а при описании катушек индуктивности - начальное значение тока.

Примеры описания компонентов:

.MODEL R12 RES (R=1k DEV=1% TC1=0.004) – модель резистора со случайным разбросом и линейной температурной зависимостью;

DEFINE R1 TEMP*.1*EXP(-T/TAU) – модель резистора с нелинейной температурной зависимостью;

.MODEL CAP2 CAP (C=1N TC1=0.01 VC1=0.2) – модель конденсатора с линейной температурной зависимостью и начальным значением напряжения;

.MODEL L1 IND (L=2m IL1=0.1) модель катушки индуктивности (индуктора) без ферромагнитного сердечника с начальным значением тока;

.MODEL S4 VSWITCH (VON=0.5 VOFF=0.6 RON=1M ROFF=25) - модель ключа (указываются напряжения включения/выключения и сопротивления в этих состояниях);

.MODEL 1N914D AKO:1N914 B (RS=6.1) – модель диода с прототипом;

.MODEL M710 NMOS (LEVEL=3 VTO=2.5 T_MEASURED=35) - модель МОП-транзистора;

.FUNC CLIP(A,MIN,MAX) IF(A>MAX,MAX,IF(A<MIN,MIN,A)) – модель ограничителя.

Пример описания моделей источников импульсного и гармонического сигнала:

.MODEL PULSE PUL (VZERO=0 VONE=5 P1=100N P2=110N P3=500N P4=510N P5=1000N)

.MODEL SINGENERATE1 SIN (F=10k A=5 DC= 2 PH=60)

В программе Micro-Cap имеется несколько стандартных моделей сигналов, которые можно редактировать.

1MHZ	Амплитуда 1В, частота 1 МГц	IMPULSE	Дельта-функция
3PHASEA	Трехфазные сигналы	PULSE	Амплитуда 5В, период 1 мкс
3PHASEA		SAWTOOTH	Треугольный импульс
3PHASEA		SQUARE	Меандр
60HZ	Амплитуда 120В, частота 60 Гц	TRIANGLE	Равносторонний треугольный импульс
GENERAL	Амплитуда 1В, частота 1 МГц

 

Модели некоторых компонентов могут иметь различный уровень сложности, который задается параметром LEVEL. Например, модель операционного усилителя (ОУ) первого уровня имеет четыре параметра, а модель третьего уровня - более двадцати. В отличие от программы PSpice, в которой модель ОУ описывается как физическая макромодель, здесь используются встроенные математические модели, что повышает скорость моделирования. Модель ОУ задается в формате схем атрибутом MODEL на панели OPAMP, которая появляется в момент размещения компонента. Задать параметры ОУ можно также директивой

.MODEL <имя модели> OPA ([список параметров]).

Значения параметров удобно редактировать с помощью панели диалога, появляющейся при открытии файлов с расширением.LBR или при выборе селектора Library после команды меню File→New:

Указанные параметры имеют следующий физический смысл:

LEVEL - уровень модели (1,2,3) C - емкость коррекции (Ф)

ROUTDC - Rвых по постоянному току VOFF - напряжение смещения нуля

SRP - макс. скорость нарастания Uвых IBIAS - входной ток смещения (А)

VCC - напряжение отрицат. питания VNS - отрицательное макс. Uвых

GBW - произведение A*F1 PD - потребляемая мощность (Вт)

T_MEASURED – температура T_REL_GLOBAL - относительная температура

TYPE - тип входного транзистора A - коэффициент усиления на постоянном токе

ROUTAC - Rвых по переменному току IOFF - разность входных токов смещения

SRN - макс. скорость спада Uвых (В/с) VEE - напряжение положительного питания

VPS - положительное макс. Uвых CMRR - коэффициент подавления синфаз. сигнала

PM - запас по фазе (град.) IOSC – выходной ток короткого замыкания

T_ABC - абсолютная температура T_REL_LOCAL - разность темп. среды и модели

 

В директиве .DEFINE и при указании переменных, выводимых на графики, можно использовать арифметические (+, -, *, /, MOD, DIV) и логические операции (AND, NAND,NOT, OR,NOR,XOR), операции отношения (=, >, <, >=, <=, <>), экспоненциальную (EXP), логарифмические(Ln, Log), тригонометрические (Sin, Cos, Tan, Asin, Acos, Atn), гиперболические (SINH, COSH, TANH, COTH) и другие функции вещественных и комплексных переменных (ABS, Sqrt, Sgn, POW и др.). Функции SUM, RMS, AVG, DEL используются при построении графиков. Встроенные функции анализа и обработки сигналов включают в свой состав прямое и обратное преобразование Фурье, корреляционный анализ, расчет гармоник и др. Все параметры компонентов могут быть функцией времени T (в режиме ТА), комплексной переменной S (в режиме АС), произвольных напряжений и токов, температуры TEMP.

С помощью системы Micro-Cap можно проводить следующие виды анализа:

- расчет характеристик в режиме постоянного тока (DC - Analysis);

- расчет частотных характеристик (AC - Analysis);

- расчет переходных процессов (Transient - Analysis).

Программа позволяет проводить многовариантный анализ при изменении одного или нескольких параметров и статистический анализ по методу Монте-Карло.

В аналоговых схемах можно использовать источники синусоидального, импульсного периодического и непериодического напряжения и тока различной формы, линейные и нелинейные зависимые источники, функциональные источники сигналов, а также управляемые источники, задаваемые преобразованием Лапласа.

Micro-Cap позволяет моделировать динамические системы, представленные в виде композиции принципиальных и структурных схем, содержащих нелинейные блоки и блоки, которые могут быть заданы передаточными функциями. При выводе графиков, а также в математических выражениях могут использоваться следующие переменные:

- T – время,

- F – частота,

- S – комплексная частота (j*2*pi*F),

- V(N), V(N,M) – напряжение на узле N, разность потенциалов между узлами N и M,

- VAB(Q1) – напряжение между выводами A и B устройства Q1,

- I(L1), I(N,M) – ток через двухполюсник L1 или ток в ветви между узлами N и M,

- IA(Q1) – ток через вывод A устройства Q1,

- R(R1) – сопротивление резистора R1,

- L(L1) – индуктивность катушки L1,

- C(C1), C(D1) – емкость конденсатора C1 или диода D1,

- CAB(Q1) – емкость между выводами A и B устройства Q1,

- QAB(Q1) – заряд в емкости между выводами A и B устройства Q1,

- H(L1), B(L1), X(L1) – напряженность, индукция и магнитный поток катушки L1

(в нестандартной системе единиц),

- RND – случайное число с равномерным законом распределения (0<= RND <=1),

- PG(V1) – мощность источника V1,

- PD(D1) – активная мощность, потребляемая устройством D1,

- PS(Q1) – реактивная мощность и энергия устройства Q1,

- ONOISE – корень квадратный из спектральной плотности выходного напряжения,

- INOISE – корень квадратный из спектральной плотности входного напряжения, равный (ONOISE/gain), где gain – коэффициент передачи по мощности.

Построенный график можно отредактировать с помощью следующих кнопок:

 

1. Рисование графических объектов;

2. Вывод на экран части графика, заключенного в рамку;

3. Режим электронного курсора для считывания координат;

4. Нанесение расстояния по горизонтали между двумя точками;

5. Нанесение расстояния по вертикали;

6. Нанесение на график значений координат;

7. Нанесение на график текстовых надписей;

8. Свойства графика (включая цвет и толщину линий).

Результаты можно представить как в виде обычных, так и в виде пространственных графиков.

Рассмотрим пример пространственного представления функции двух переменных.

1. Разместить компонент R1=1 Ом и с помощью директив .define задать описание функции двух переменных, в качестве которых используется температура T и сопротивление резистора R1.

2. Выполнить команду меню Analysis → Transient.

3. Задать параметры графика (в том числе шаг и диапазон по временному аргументу) и щелкнуть на кнопке Stepping. В окнах появившейся панели задать диапазон изменения (From = 0, To = 8) и шаг (Step Value= 0.1) второго аргумента - сопротивления R1.

 

4. Запустить программу моделирования командой Run панели Transient Analis Limits и получить семейство кривых, отображающее исследуемую функцию на плоскости.

5. Для получения пространственного графика выполнить команду меню