Projektování elektroniky, simulátory elektronických systémů
Projektování elektroniky, simulátory elektronických systémůDatum zveřejnění: 15-04-2022 Datum aktualizace: 23-09-2022
Projektování elektronických systémů je proces vytváření obvodů, které sestávají z pasivních a aktivních prvků, a jejich montáž vytváří cestu pro elektrický proud, který plní určité funkce. Při počítačovém navrhování takového obvodu je elektronický systém znázorněn pomocí schématu. Každý fyzický prvek obvodu je identifikován příslušným grafickým symbolem a informací o jeho parametrech. Počítačový proces navrhování elektroniky poskytuje možnost následné editace vybraných komponent a celého systému.
Ve výpočetním smyslu se jedná o velmi pracnou a náročnou činnost. Z tohoto důvodu začaly vznikat nástroje, které budou podporovat proces navrhování systémů, ale i ty, které umožní ověřit fungování a slabá místa celého obvodu ve fázi před implementací. Tímto způsobem byly vytvořeny simulátory elektronických systémů. Tyto umožňují na základě pozorování vyvodit závěry o chování fyzických objektů za určitých podmínek (v dobrých simulátorech lze měnit podmínky, například okolní teplotu) a provádět úpravy v systému před jeho fyzickým vytvořením.
Projektování systémů – průlomový SPICE
Prvním široce používaným simulátorem elektronických obvodů byl program SPICE (Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis). První předvedení SPICE se uskutečnilo v Kanadě na šestnáctém sympoziu o teorii obvodů na Středozápadě dne 12. dubna 1973 a referát přednesl prof. Donald O. Pederson z Kalifornské univerzity v Berkeley. Tvůrci programu měli ohledně SPICE skromná očekávání a jeho úspěch a vše, co se stalo poté, bylo velkým překvapením. Během několika let se SPICE prosadil téměř v celé elektrotechnice. Školy a amatéři začali rychle vytvářet deriváty SPICE, k čemuž pravděpodobně přispěl i rozvíjející se průmysl integrovaných obvodů. V současné době je téměř každý program pro simulaci obvodů v elektronice vytvářen na základě stejných matematických základů, které použili tvůrci SPICE.
Co je simulace obvodů? Projektování elektroniky.
Simulace obvodů je proces, během kterého je vytvořen a analyzován model elektronického obvodu pomocí různých softwarových algoritmů, které předpovídají a ověřují chování a výkon obvodu. Vzhledem k tomu, že výroba elektronických obvodů, zejména integrovaných obvodů (IC), je drahá a časově náročná, ověření chování a výkonu obvodu pomocí simulátoru obvodů je pohodlnější, rychlejší a především levnější. Existují různé typy elektronických systémů, které uspokojují různé potřeby, pokud jde o přesnost, výkon nebo kapacitu. Na jednom konci spektra jsou analogové simulátory, které řeší přesné mapování elektronických obvodů. Nabízejí vysokou přesnost a běžně se používají k simulaci malých obvodů. Na druhém konci spektra jsou digitální simulátory, které používají funkční reprezentaci elektronických obvodů, obvykle popsanou pomocí jazyků pro popis hardwaru (HDL). Nabízejí nejvyšší výkon a kapacitu, ale s relativně nižší úrovní přesnosti. Digitální simulátory se běžně používají k simulaci velmi velkých obvodů.
Typy simulací obvodů. Programy pro projektování elektroniky
Existují tři základní typy simulací obvodů: analogové, digitální a smíšené.
- Simulace analogového obvodu spočívá v použití vysoce přesných modelů (tedy reprezentací) elektronického obvodu za účelem dosažení vysoké přesnosti. Modely zahrnují nelineární, lineární a jednodušší tabulkové reprezentace různých elektronických zařízení v obvodu. Analogová simulace může fungovat v různých režimech. Patří mezi ně AC (frekvenční doména), DC (nelineární klidový stav) a nezjištěný stav (časová doména). Všechny analogové simulátory používají algoritmy pro matematickou analýzu chování elektronického obvodu v těchto různých režimech. Všechny mají společnou kvalitu řešení matice, která předpovídá výkon elektronického obvodu. Signály se šíří jako neustále se měnící hodnoty.
Existují dva základní typy simulátorů analogových obvodů: SPICE a FastSPICE. Simulátory SPICE používají k analýze chování obvodu vysoce přesné nelineární a lineární modely elektronických zařízení, různé integrační metody, jako jsou například Forward Euler, Backward Euler a Newton-Raphson, stejně jako techniky rozkladu matice pro výpočet odezvy celého obvodu (tedy matematická reprezentace) v každém časovém bodě. Naproti tomu simulátory FastSPICE jsou založeny na jednodušších reprezentacích tabulkových modelů elektronických zařízení pro analýzu chování obvodů. Používají sofistikované algoritmy ke snížení složitosti obvodu a rozdělení obvodu na základě různých kritérií, což v podstatě vytváří jednodušší a modulárnější reprezentaci obvodu. Tato reprezentace je pak selektivně vyhodnocována v daném okamžiku během simulačního období, které nás zajímá. Toto výrazně zlepšuje výkon a kapacitu simulace. Simulátory FastSPICE nabízejí různé knoflíky pro simulaci, které pomáhají vyvážit kompromisy mezi přesností simulace a výkonem. - Simulace digitálního obvodu je založena na jednodušších modelech elektronického obvodu. Tyto modely jsou obvykle vytvořeny pomocí HDL. V digitální simulaci je místo šíření neustále se měnících signálů šířeno několik diskrétních napěťových úrovní (hlavně logická 0 a logická 1). Metody šíření těchto signálů mají různé stupně přesnosti, pokud jde o zpoždění šíření logických úrovní v obvodu. Tato simulační metoda umožňuje simulovat mnohem větší obvody v kratším čase, s menším počtem výpočetních zdrojů ve srovnání s analogovou simulací.
- Simulace obvodu ve smíšeném režimu kombinuje analogové a digitální simulační přístupy. Obvod je rozdělen mezi dvěma systémy, aby byla zajištěna správná úroveň podrobnosti analýzy pro každou část obvodu. Pro analogové analýzy se používají analogové simulátory (SPICE a FastSPICE) a pro digitální analýzy digitální simulátory. Tato simulační metoda umožňuje simulovat mnohem větší obvody v kratším čase.
Který simulátor elektronických obvodů použít?
K dispozici jsou placené a bezplatné simulátory. Pokud jde o analýzu komplexních systémů pro průmyslové účely, stojí za to zvážit placený software pro profesionály. Kutil by se však měl spokojit s bezplatnými řešeními, která jsou stále častěji implementována na úrovni webového prohlížeče. Bezplatný a/nebo otevřený software pro simulaci elektronických obvodů by měl umožňovat navrhování elektroniky, virtuální analyzování a testování obvodu z úrovně prohlížeče. V ideálním případě by měl použitý nástroj nabízet analogové nebo digitální simulační funkce nebo obojí a mít editor schémat, prohlížeč průběhů, pomocné rezistory, kondenzátory, diody atd.
Výhody simulace obvodů
Simulace obvodů poskytuje kritický vhled do chování elektronických obvodů. Vzhledem k nákladům a časové náročnosti výroby elektronických obvodů, zejména integrovaných obvodů, je mnohem praktičtější zkontrolovat chování a výkon obvodu pomocí simulace obvodu před zahájením výroby.
Použití simulátorů má také několik dalších výhod:
- Sestavení obvodu v simulátoru je mnohem rychlejší než skutečná konstrukce;
- Pokud systém na začátku nezafunguje, nevznikají nám žádné ztráty;
- Jediným kliknutím myši získáváme přístup k libovolnému uzlu v obvodu, což výrazně urychluje debugování;
- Můžeme vyzkoušet komponenty, které ještě nemáme fyzicky po ruce.
Zajímáte se o elektroniku? Navštivte Tech Master Event
Pokud děláte první kroky ve světě elektroniky a vytváříte své první systémy, pak Tech Master Event je služba, kterou hledáte. Na platformě můžete zveřejňovat své vlastní projekty a hledat inspiraci v pracích ostatních uživatelů.
Tech Master Event je také prostorem, kde najdete mnoho soutěží pro mladé nadšence do elektroniky z celého světa.
Transfer Multisort Elektronik (TME) je jedním z největších globálních distributorů elektronických komponent, elektrotechniky, vybavení dílen a průmyslové automatizace. Katalog obsahuje více než 1 000 000 produktů od 1 300 předních výrobců. Moderní logistická centra TME v Lodži a Rzgóvu (Polsko), s celkovou plochou přes 40 000 m², každý den odesílají téměř 5 500 balíků zákazníkům ve více než 150 zemích.
TME rovněž investuje do rozvoje znalostí a dovedností mladých inženýrů a nadšenců do elektroniky prostřednictvím projektu TME Education a podporuje technologickou komunitu organizováním série TechMasterEvent, která prosazuje inovace a výměnu zkušeností.
