Table Of Content

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра радиофизики СИСТЕМА МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ Micro-Cap Учебно-методическое пособие Казань 2004 Печатается по решению Редакционно-издательского совета 1 физического факультета Казанского государственного университета УДК П.А. Корчагин, В.А. Тюрин. Система модели рования электронных устройств Micro-Cap. Учебно-методическое пособие для студентов старших курсов физического факультета. Казань, 2004, 59 с. В учебно-методическом пособии кратко изложены сведения, необходи мые для расчета режима по постоянному току, расчета малосигнальных передаточных функций, расчета чувствительностей режима по постоянно му току. Приведены алгоритмы анализа переходных процессов, расчета частотных характеристик, расчета передаточных функций по постоянно му току различных аналоговых и цифровых радиоэлектронных устройств в системе Micro-Cap. Рецензент: © Физический факультет Казанского государственного университета, 2004. 2 СОДЕРЖАНИЕ Введение............................................................................................................. .5 1. Основные сведения о системе Micro-Cap 6........…......…… .....................5 1.1. Характеристики Micro-Cap 6…………………………...…………..… ..5 1.2. Интерфейс системы Micro-Cap 6……………………………………… .7 Глава 2. Модели аналоговых компонентов……………………….……..9 2.1. Общие сведения о моделях компонентов………………………………9 2.2. Пассивные компоненты………………………………………………… 10 2.2.1. Диод……………………………………………………………..……..10 2.3. Активные компоненты………………………………………………… ..11 2.3.1. Биполярный транзистор……………………………………………… .11 2.3.2. МОП-транзистор……………………………………………………… 13 2.3.3. Источники постоянного напряжения и тока………………………… 15 2.3.4. Генератор синусоидального сигнала………………………………… 15 2.3.5. Генератор прямоугольного сигнала………………………………….16 Глава 3. Программа расчета параметров моделей аналоговых компо нентов MODEL………………………………………………………… 16 3.1. Общие сведения о программе MODEL……………………………… ...16 3.2. Интерфейс программы MODEL………………………………………..17 3.3. Работа с программой MODEL………………………………………….17 Глава 4. Ввод принципиальных схем………….………………………… 20 3 4.1. Ввод компонентов схемы…………….....……………………………… 21 4.2. Ввод и редактирование соединений компонентов схемы…………… .24 4.3. Ввод и редактирование текстовых надписей………………….……… .25 4.4. Ввод текстового описания моделей………………………………..…..26 4.5. Ввод и редактирование графических объектов…………………….…27 4.6. Копирование фрагментов схем……………………………………..… ..28 4.7. Перемещение, вращение, зеркальное отображение и удаление объектов…………………………………………………………………28 4.8. Нанесение рамки чертежа. Угловой штамп…………………………… 28 4.9. Получение информации о компонентах и их моделях……………..… 29 4.10. Работа с большими схемами………………………………………… ..29 4.11. Сохранение схемы……………………………………………………..31 Глава 5. Выполнение моделирования…………………………………… 31 5.1. Назначение функциональных клавиш…………………………………31 5.2. Анализ переходных процессов (Transient Analysis)………………..… .32 5.2.1. Задание параметров моделирования………………………...….…… 32 5.2.2. Меню режимов расчета переходных процессов Transient…….…… 36 5.2.3. Задание начальных значений и редактирование переменных состояния……………………………………………...……………….37 5.2.4. Вывод численных данных…………………………………………… .40 5.3. Расчет частотных характеристик (AC Analysis)……………………… .40 4 5.3.1. Задание параметров моделирования AC Analysis Limits………...… 41 5.3.2. Меню режимов расчета частотных характеристик АС…………….44 5.3.3. Расчет уровня внутреннего шума……………………………………44 5.3.4. Вывод численных данных……………………………………………44 5.4. Расчет передаточных функций по постоянному току (DC Analysis)..45 5.4.1. Задание параметров моделирования DC Analysis Limits…………..45 5.4.2. Меню режимов расчета передаточных функций DC………………47 5.4.3. Вывод численных данных……………………………………………47 5.5. Многовариантный анализ………………………………………………47 5.6. Расчет режима по постоянному току (Dynamic DC)………………….49 5.7. Расчет малосигнальных передаточных функций (Transfer Func tions).50 5.8. Расчет чувствительностей режима по постоянному току (Sensitivity)51 5.9. Просмотр и обработка результатов моделирования………………….51 5.9.1. Окно отображения результатов моделирования……………………51 5.9.2. Панорамирование окна результатов моделирования………………52 5.9.3. Масштабирование окна результатов моделирования………………53 5.9.4. Нанесение графических и текстовых данных в окне результатов моделирования………………………………………………………… 53 5.9.5. Инструменты обработки графиков (режим электронной лупы Scope)…………………………………………………………………53 5.10. Вывод графиков характеристик в режиме Probe…………………… .56 ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………………….59 5 Введение. Средства компьютерного моделирования электронных устройств иг рают в последнее время все более значимую роль как в процессе разра ботки радиоэлектронной аппаратуры, так и при обучении на радиоэлек тронных специализациях профессиональной и высшей школ. Среди многочисленных пакетов программ, предназначенных для ав томатизированного проектирования и моделирования электронных схем, следует выделить семейство программ Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program) фирмы Spectrum Software, ориентированных на ПК, совместимые с IBM PC. Первый из пакетов Micro-Cap появился в авгу сте 1981 г. под названием Circuit Designer. С этого времени фирма, непре рывно совершенствуя вычислительные возможности программного про дукта, выпустила еще ряд пакетов программ, которые назывались уже Micro-Cap с порядковым номером. В данном учебном пособии приведено сокращенное описание функ циональных возможностей и алгоритмов моделирования одной из по следних разработок - пакетом программ Micro-Cap 6, который появился в июле 1999 г. Глава 1. Основные сведения о системе Micro-Cap 6. 1.1. Характеристики Micro-Cap 6. САПР Micro-Cap 6 это пакет программ, предназначенный для син теза и анализа принципиальных схем аналоговых и цифровых радиоэлек тронных устройств. К основным характеристикам Micro-Cap 6 можно от нести: • Windows-подобный интерфейс; • многостраничный графический редактор принципиальных схем, под держивающий иерархические структуры; • Поведенческое моделирование аналоговых и цифровых компонентов, возможность описания цифровых компонентов с помощью логических выражений. В сочетании с библиотекой графических символов типовых операций (суммирование, вычитание, умножение, интегрирование, преобразование по Лапласу и т.д.) это позволяет моделировать динами 6 ческие системы, заданные не только принципиальными, но и функцио нальными схемами; • большая библиотека цифровых и аналоговых компонентов; • макромодели компонентов могут быть представлены в виде принципи альных электрических схем или в текстовой форме; • графики результатов выводятся в процессе моделирования или после его окончания по выбору пользователя, имеются сервисные возможно сти обработки графиков; • многовариантный анализ при вариации параметров и статистический анализ методом Монте-Карло; • программа MODEL для расчета параметров математических моделей аналоговых компонентов по справочным и экспериментальным дан ным; • мгновенное появление на экране информации об ошибках, наличие встроенных средств помощи; • наличие электронной документации и контекстно-ориентированных средств помощи. Поясним основные термины, которыми оперирует Micro-Cap 6: • к омпонент - любой объект электрической (электронной) цепи; • атрибут - текст, используемый для идентификации компонента в ка честве его индивидуального имени; • область - прямоугольная область цепи или графика. Используется для увеличения (график) или для печати, удаления, вращения, перемеще ния, копирования (цепь); • сетка - прямоугольный массив точек на одинаковом расстоянии друг от друга в области построения цепи. Определяет возможные места рас положения объектов цепи; • текст сетки - любой текст на схеме. Используется для создания на званий и комментариев. Специальное название введено для его отличия от текста атрибутов; • узел - место соединения выводов одного или более компонентов, харак теризующееся эквипотенциальностью. Каждому узлу системой автома тически присваиваются имя и номер, которые используются при об ращении к нему. Имя может быть изменено пользователем; 7 • макро - логически законченная схема, сохраненная на диске и исполь зуемая как компонент в других схемах; • объект - любой элемент синтезируемой схемы: компоненты, текст сет ки, графические объекты и т. д. 1.2. Интерфейс системы Micro-Cap 6. Запуск MC 6 производится через ярлык на рабочем столе Windows или программный файл mc6.exe в папке МС 6, что автоматически откры вает основное окно интерфейса программы – окно редактора схем, пока занное на рис 1. Поясним назначение некоторых элементов окна. Рис. 1. Основное окно интерфейса программы Micro-Cap 6.2.6. 8 • Кнопка системного меню, расположенная в верхнем левом углу, в строке заголовка, изменяет и восстанавливает размер окон, переме щает, сворачивает и закрывает их. • Строка заголовка - в ней указывается имя окна. Если открыто окно схем, то указывается имя файла схемы и каталога, в котором он рас положен. • Кнопка меню схемы, расположенная в левой части командной стро ки, аналогична кнопке системного меню, но применяется при работе только с окнами схем. • Командная строка включает как традиционные для Windows ко манды File, Edit, Windows и Help, так и оригинальные - Compo nent, Options, Analysis и Design. • Панель инструментов содержит пиктограммы наиболее употреби тельных команд. Состав панели модифицируется по желанию поль зователя командами Windows/Tool Bar. • Рабочая область предназначена для размещения синтезируемой электронной схемы. Одновременно автоматически создается тексто вое описание схемы в текстовой области. Переключение между дву мя видами описания схемы (страницами) производится мышью че рез ярлыки в нижней части окна или клавишами Ctrl/G. • Закладки переключения окно схем - окно текста T ext, P age 1, P age 2 выводят в рабочее окно содержание текстового окна, в кото ром можно размещать описание математических моделей компонен тов текущей схемы, директивы и другую текстовую информацию. Управление программой осуществляется мышью при помощи тради ционных для Windows приемов. Для ускорения работы с программой ис пользуется клавиатура. Клавиша Alt перемещает курсор в меню команд. ‹ ﬁ Кнопками « и » выбирают нужное меню. Если команда имеет в на звании подчеркнутый символ, то она открывается одновременным нажа тием клавиш Alt + подчеркнутый символ. Например, меню команды Edit вызывается нажатием клавиш Alt + E. 9 Глава 2. Модели аналоговых компонентов. 2.1. Общие сведения о моделях компонентов. Для того, чтобы провести какой-либо из видов анализа радиоэлек тронного устройства, необходимо составить его принципиальную элек трическую схему. Схема составляется графически из электронных компо нентов, имеющих традиционное символьное обозначение. Прежде чем перейти к подробному описанию алгоритма составления схемы, кратко рассмотрим математические модели, которыми описываются некоторые из компонентов Все компоненты (аналоговые и цифровые), из которых составляется принципиальная электрическая схема моделируемого устройства, имеют математические модели двух типов: • встроенные математические модели стандартных компонентов - рези сторов, конденсаторов, диодов, транзисторов, независимых и зависи мых источников питания и т.д. Эти модели не могут быть изменены пользователем. Можно менять только значения параметров этих моде лей; • макромодели произвольных компонентов, составляемые пользова телем по своему усмотрению из стандартных компонентов. В свою очередь встроенные модели подразделяются на две катего рии: • простые модели, характеризуемые малым количеством параметров, ко торые можно указать непосредственно на схеме в виде атрибутов (например, модель резистора описывается одним – тремя параметрами, причем часть из них можно сделать на схеме невидимыми, чтобы не за громождать чертеж); • сложные модели, характеризуемые большим количеством параметров, которые заносятся в библиотеки моделей (например, модель биполяр ного транзистора описывается 52 параметрами). В программе МС 6 используется двоякое описание моделируемого устройства – в виде чертежа принципиальной электрической или функци ональной схем и в виде текстового описания в формате SPICE. При со ставлении принципиальной схемы часть параметров моделей компонен тов задаются в виде их атрибутов и указываются непосредственно на схе ме. Такие модели будем называть модели в формате схем. Остальные 10