Προσομοίωση κυκλώματος KiCad: 7 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:32

Η σχεδίαση και ο σχεδιασμός κυκλωμάτων είναι μια παλιά διαδικασία, τόσο παλιά όσο και τα πρώτα ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Easyταν εύκολο τότε. Υπήρχε περιορισμένος αριθμός εξαρτημάτων και συνεπώς περιορισμένος αριθμός διαμορφώσεων, με άλλα λόγια: τα κυκλώματα ήταν απλούστερα. Τώρα, στη λεγόμενη εποχή της πληροφορίας, υπάρχουν μυριάδες-ΠΟΛΛΑ- διαφορετικών εξαρτημάτων και κάθε ηλεκτρονικό εξάρτημα έχει πάνω από δώδεκα μοντέλα και κάθε μοντέλο κατασκευάζεται από μια χούφτα εταιρειών. Περιττό να πούμε ότι κάθε μοντέλο και κάθε στοιχείο της εταιρείας διαφέρουν μεταξύ τους. Μπορεί να έχουν προκαταλήψεις, σφάλματα με διαφορετικές ανοχές, διαφορετικές συνθήκες μέγιστης και ελάχιστης λειτουργίας και φυσικά μπορεί να αλλάξουν ελαφρώς τον τρόπο απόκρισης και λειτουργίας του κυκλώματος. Συμπληρωματικά, τα κυκλώματα στις μέρες μας είναι πολύ περίπλοκα. που αποτελείται από έως και δεκάδες στοιχεία που αλληλεπιδρούν για να κάνουν διαφορετικές εργασίες με βάση την είσοδο.

Όπως σωστά μαντέψατε, θα ήταν εφιάλτης να προσπαθήσετε να αναλύσετε αυτά τα κυκλώματα με υπολογισμό ή με το χέρι. Επιπλέον, ορισμένες ανοχές και αποχρώσεις θα χαθούν ή θα τροποποιηθούν καθώς είναι ειδικά για το προϊόν. Εδώ έρχεται η προσομοίωση. Αξιοποιώντας τη δύναμη της σύγχρονης τεχνολογίας και με ταχύτητες αιχμής, μια ανάλυση κυκλώματος που θα έπαιρνε ομάδες ανθρώπων να εργάζονται για ώρες είναι τώρα τόσο απλή όσο η ρύθμιση

Προμήθειες

-Kicad έκδοση 5.0 ή μεταγενέστερη

-Σύνδεση στο διαδίκτυο για λήψη βιβλιοθηκών

Βήμα 1: Πώς συμβαίνει η μαγεία;

Ας το προλογίσουμε λέγοντας ότι το KiCad δεν χειρίζεται προσομοιώσεις. Το KiCad είναι απλώς ένα UI (User-interface). Μια συγκρίσιμη αναλογία θα ήταν ότι το KiCad είναι απλώς ένας μεσάζων μεταξύ εσάς και του προγράμματος προσομοίωσης, το οποίο θα μπορούσε να είναι ένα από τα πολλαπλά λογισμικά που ονομάζεται "SPICE".

Το SPICE είναι συντομογραφία για "Πρόγραμμα προσομοίωσης με έμφαση σε ολοκληρωμένο κύκλωμα". Στην περίπτωση του KiCad, το KiCad 5.0 και αργότερα έρχεται προσυσκευασμένο με ένα πρόγραμμα SPICE που ονομάζεται ngspice. Το Ngspice έχει τις παραξενιές, τους λόξυγγες και τους περιορισμούς του, αλλά θα είναι το λογισμικό στο οποίο θα εστιάσουμε. Το Ngspice χρησιμοποιεί "Components" για να μοντελοποιήσει τη συμπεριφορά του κυκλώματος. Αυτό σημαίνει ότι εκτός από τη σχεδίαση των σχηματικών κυκλωμάτων πρέπει επίσης να σχολιάσουμε και να «εκχωρήσουμε» μοντέλα σε μεμονωμένα στοιχεία. Για την επίλυση του προβλήματος πολλαπλών μοντέλων των ίδιων συστατικών, η ngspice αποφάσισε να αφήσει σε κάθε εταιρεία να φτιάξει «μοντέλα μπαχαρικών» που αναπαράγουν τις ιδιότητες και τις αποχρώσεις των πραγματικών ομολόγων τους και στη συνέχεια να συσκευάσει αυτά τα μοντέλα ως βιβλιοθήκες με δυνατότητα λήψης, έτσι ώστε να σχεδιάσει ένα κύκλωμα θα ήταν τόσο απλό όσο η λήψη των απαιτούμενων βιβλιοθηκών και η εκχώρηση μοντέλου στα στοιχεία μας. Αλλά όλα αυτά είναι κουβέντα, ας λερώσουμε το χέρι μας και να δούμε πώς λειτουργεί στην πραγματικότητα.

Βήμα 2: Επιλογή κυκλώματος και μοντελοποίηση παθητικών στοιχείων

Επιλέξαμε ένα απλό κύκλωμα που μας επιτρέπει να δείξουμε πώς μπορούμε να παρέχουμε τις δικές μας τιμές SPICE σε εξαρτήματα και πώς μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε εξαρτήματα που παραθέτουν οι προμηθευτές

Αρχικά, όπως μπορούμε να δούμε από το σχήμα. υπάρχουν 8 εξαρτήματα σε αυτό το κύκλωμα. • 2 αντίσταση

• 1 μπαταρία 9v

• 1 LDR

• 1 π. Χ. 547 npn τρανζίστορ

• 1 LED

• 1 ρεοστάτης •

1 έδαφος

Αντιστάσεις μοντελοποίησης όλων των τύπων Το Ngspice "εκχωρεί μοντέλα" σε αντιστάσεις, με άλλα λόγια: τα αναγνωρίζει. Επομένως, δεν χρειάζεται να τα τροποποιήσουμε ή να τσιμπήσουμε βιβλιοθήκες για να τα φτιάξουμε. Παρατηρούμε επίσης ότι υπάρχει ρεοστάτης και LDR. Στο ngspice, μπορούν και τα δύο να μοντελοποιηθούν ως σταθερές αντιστάσεις που θα τροποποιήσουμε τις τιμές τους όπως χρειαζόμαστε. Με άλλα λόγια, εάν χρειαστεί να "αυξήσουμε το φως" ή να αυξήσουμε το φορτίο του ρεοστάτη, θα πρέπει να σταματήσουμε την προσομοίωση, να τροποποιήσουμε το φορτίο και στη συνέχεια να το επαναλάβουμε.

Βήμα 3: Μοντελοποίηση πηγών και εδαφών τάσης

Το Ngspice δεν αναγνωρίζει "τυπικές" πηγές τάσης. αυτά που χρησιμοποιούνται από το KiCad. Παρέχει μια βιβλιοθήκη ειδικά για τις πηγές και τους χώρους τάσης

Για να αποκτήσετε πρόσβαση στη βιβλιοθήκη, πρέπει πρώτα να επιλέξετε την καρτέλα "Επιλογή συμβόλου" και να αναζητήσετε "μπαχαρικό"

*Όπως φαίνεται στο (σχήμα 1), έχουμε τη βιβλιοθήκη "pspice" και τη βιβλιοθήκη "simulation_spice". Για πηγές τάσης, θέλουμε να μετακινηθούμε προς τα κάτω στη βιβλιοθήκη simulation_spice και να επιλέξουμε μια πηγή τάσης dc

Στη συνέχεια, πρέπει να ορίσουμε τις τιμές του για να το καταλάβει ο προσομοιωτής, σε αυτό το κύκλωμα θέλουμε μια πηγή dc 9v. Κάνουμε κλικ στο "E" στην πηγή τάσης και ανοίγει το ακόλουθο μενού, που φαίνεται στο (σχήμα 2). Επιλέγουμε ένα όνομα αναφοράς για την πηγή τάσης, VoltageMain για παράδειγμα, και στη συνέχεια κάνουμε κλικ στο "Edit Spice Model". Όπως φαίνεται παραπάνω

Στη συνέχεια, επιλέγουμε μια τιμή dc 9v, και αυτό είναι περίπου αυτό. Όπως φαίνεται στο (σχήμα 3)

Το έδαφος

Για το έδαφος, αναζητούμε ξανά "μπαχαρικό" και το πρώτο αποτέλεσμα είναι το δυναμικό αναφοράς 0V, όπως φαίνεται στην εικόνα (εικόνα 4). Σε αντίθεση με τα συνηθισμένα σχήματα, το λογισμικό μπαχαρικών χρειάζεται τη γείωση καθώς υπολογίζει τις τάσεις του με βάση την αναφορά 0v.

Βήμα 4: Μοντελοποίηση του τρανζίστορ

Όπως μπορούμε να δούμε από την εικόνα του κυκλώματος, το τρανζίστορ που χρησιμοποιείται είναι ένα πολύ συγκεκριμένο μοντέλο, το "BC547". Σε γενικές γραμμές, σχεδόν όλα τα κατασκευασμένα εξαρτήματα θα βρεθούν στον αντίστοιχο ιστότοπο του κατασκευαστή τους. Κάτω από την καρτέλα εργαλείων ή υποστήριξης, θα υπάρχουν "μοντέλα προσομοίωσης" με τον αριθμό μοντέλου και ένα σχετικό μοντέλο μπαχαρικών. Στην περίπτωσή μας έψαξα για το "bc547" online και διαπίστωσα ότι κατασκευάστηκε από μια εταιρεία που ονομάζεται "On semiconductors". Έψαξα για τον ιστότοπό τους "https://www.onsemi.com/" και βρήκα το μοντέλο κάνοντας τα εξής:

• Άνοιξα την καρτέλα "Εργαλεία και υποστήριξη", από κάτω, βρήκα μια καρτέλα πόρων σχεδιασμού. (Φιγούρα 1)
• Κάτω από τους σχεδιαστικούς πόρους που ζήτησαν τον τύπο του εγγράφου, επέλεξα το "Simulation Models" (εικόνα 2)
• Έψαξα για το μέρος με το όνομα: "BC547". Θέλουμε τη βιβλιοθήκη, γι 'αυτό επιλέγουμε το "BC547 Lib Model" και το κατεβάζουμε. (εικόνα 3)
• Μετά τη λήψη, έβαλα το αρχείο lib στον κατάλογο του έργου μου. Τώρα ο κατάλογος του έργου μου εμφανίζεται στο αρχικό παράθυρο KiCad που άνοιξα, όπως φαίνεται στο (σχήμα 4). Έκανα κλικ σε αυτόν τον κατάλογο, επικολλούσα το αρχείο βιβλιοθήκης όπως φαίνεται και επέστρεψα για να το βρω μαζί με τα αρχεία του έργου μου
• Μετά από όλα αυτά που ειπώθηκαν και έγιναν, ας σχεδιάσουμε το σύμβολο του τρανζίστορ. Έκανα κλικ χρησιμοποιώντας το μενού "σύμβολο θέσης" και έψαξα μόνο για το όνομα. Διαπιστώνετε ότι σχεδόν όλα τα στοιχεία υπάρχουν στο μενού συμβόλων όπως στο (σχήμα 5).
• Τώρα, αυτό που απομένει είναι η εκχώρηση του μοντέλου στο σύμβολο. Κάνουμε κλικ στο "E" όπως πάντα στο σύμβολο και πατάμε στο "Edit spice model".

• Όπως μπορούμε να δούμε, οι μόνες διαθέσιμες καρτέλες είναι μοντέλο, παθητικό και πηγή. Δεδομένου ότι τα τρανζίστορ δεν είναι ούτε πηγή ούτε παθητικά, επιλέγουμε το μοντέλο και επιλέγουμε να προσθέσουμε μια βιβλιοθήκη για συμπλήρωση. Το μενού ανοίγει πρώτα στον κατάλογο του έργου, τον οποίο ευτυχώς έχουμε ήδη βάλει τη βιβλιοθήκη σε αυτόν. Κάνουμε κλικ στο αρχείο lib.

  • Μεγάλος!! Τώρα το ngspice έχει αναγνωρίσει το τρανζίστορ ως "BC547" και είναι σχεδόν έτοιμο για λειτουργία. Υπάρχει μια μικρή λεπτομέρεια που πρέπει να ταξινομηθεί πρώτα. Πρέπει να ενεργοποιήσουμε την εναλλακτική ακολουθία κόμβων και να πληκτρολογήσουμε "3 2 1". Ο λόγος που πρέπει να κάνουμε αυτό το βήμα είναι ότι το ngspice ονομάζει τα 3 τερματικά τρανζίστορ με τρόπο αντίθετο από τον τρόπο που τα δείχνει το KiCad. Έτσι, μπορεί να έχει 3 αντιστοιχιστεί στον συλλέκτη ενώ το KiCad εμφανίζει 3 ως τον πομπό. Για να αποφύγουμε τη σύγχυση, επαναδιαμορφώνουμε τη σειρά ονοματοδοσίας του Spice, όπως φαίνεται στο (σχήμα 7)
  • Αντντντ αυτό είναι! Αυτή η διαδικασία είναι σχεδόν πανομοιότυπη για τα μοντέλα προμηθειών allvendor. Μόλις τυλίξετε το κεφάλι σας γύρω από αυτό το σεμινάριο, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε οποιοδήποτε τύπο ηλεκτρονικού μοντέλου και εξαρτήματος μόνο με λίγη έρευνα.

Βήμα 5: Μοντελοποίηση LED

Τα LED είναι λίγο πιο περίπλοκα στο γεγονός ότι η μοντελοποίησή τους απαιτεί κάποια γνώση σχετικά με τις παραμέτρους τους και την προσαρμογή καμπύλης. Έτσι, για να τα μοντελοποιήσω, μόλις αναζήτησα το "LED ngspice". Βρήκα πολλούς ανθρώπους να δημοσιεύουν τα "μοντέλα LED" τους και αποφάσισα να πάρω με αυτό το " *Typ RED GaAs LED: Vf = 1.7V Vr = 4V If = 40mA trr = 3uS. ΜΟΝΤΕΛΟ LED1 D (IS = 93.2P RS = 42M N = 3.73 BV = 4 IBV = 10U + CJO = 2.97P VJ =.75 M =.333 TT = 4.32U);"

Θα επιλέξουμε "LED" από το μενού συμβόλων και θα επικολλήσουμε αυτόν τον κωδικό στον κενό χώρο κάτω από τις βιβλιοθήκες στο "Edit spice model". Θα ενεργοποιήσουμε επίσης την εναλλακτική ακολουθία κόμβων και θα γράψουμε "2 1", όπως φαίνεται στο σχήμα 1

Αφού προσθέσουμε μερικές τελευταίες πινελιές, όπως οι αντιστάσεις και συνδέουμε τα καλώδια, είμαστε έτοιμοι να ξεκινήσουμε την προσομοίωση

Βήμα 6: Προσομοίωση

Η προσομοίωση είναι πολύπλοκη, οπότε σε αυτό το σεμινάριο θα εξηγήσουμε τα βασικά και πώς μπορείτε να ξεκινήσετε

• Αρχικά, ανοίγουμε τον προσομοιωτή από την καρτέλα εργαλεία στην επάνω κορδέλα (εικόνα 1)
• Στη συνέχεια, πηγαίνουμε στην καρτέλα προσομοίωσης στην επάνω κορδέλα και κάνουμε κλικ στις ρυθμίσεις, από εκεί μπορούμε να καθορίσουμε τι είδους προσομοίωση θέλουμε να εκτελέσουμε και τις παραμέτρους της. (Σχήμα 2)

Θέλουμε να εκτελέσουμε μια παροδική προσομοίωση. Υπάρχει επίσης σάρωση DC και AC διαθέσιμη ως επιλογές προσομοίωσης. Το Dc sweep αυξάνει την τιμή του ρεύματος DC και αναφέρει τις αλλαγές στους κύκλους, ενώ το AC παρακολουθεί την απόκριση συχνότητας.

• Ωστόσο, η παροδική ανάλυση προσομοιώνει ένα κύκλωμα σε πραγματικό χρόνο. Έχει 3 παραμέτρους, από τις οποίες πρόκειται να χρησιμοποιήσουμε δύο. Το χρονικό βήμα είναι πόσο συχνά ο προσομοιωτής θα καταγράφει αποτελέσματα και η τελική ώρα είναι μετά από πόσα δευτερόλεπτα θα σταματήσει η εγγραφή. Εισάγουμε 1 χιλιοστό του δευτερολέπτου και 5 χιλιοστά του δευτερολέπτου και στη συνέχεια εντάξει, και στη συνέχεια εκτελούμε την προσομοίωση (εικόνα 3)
• Όπως μπορείτε να δείτε, στην κάτω οθόνη εμφανίζει τις τιμές τάσης και ρεύματος σε διάφορα εξαρτήματα. Θα μπορούσαμε επίσης να γράψουμε αυτές τις τιμές χρησιμοποιώντας το κουμπί "προσθήκη σημάτων" και στη συνέχεια επιλέγοντας την τάση ή το ρεύμα ενός συγκεκριμένου στοιχείου. Μπορούμε επίσης να διερευνήσουμε αφού ξεκινήσουμε την προσομοίωση. Η ανίχνευση μας επιτρέπει να παρακολουθούμε τις καμπύλες τάσης και ρεύματος σε ένα συγκεκριμένο στοιχείο απευθείας κάνοντας κλικ σε αυτό. (εικόνα 4)

Βήμα 7: Ολοκλήρωση

Δεδομένου ότι αυτό το κύκλωμα υποτίθεται ότι κατασκευάστηκε με LDR και αντίσταση, μπορούμε να αλλάξουμε την αντίσταση και των δύο αυτών εξαρτημάτων και στη συνέχεια να επαναλάβουμε το κύκλωμα για να καθορίσουμε τις τιμές αντίστασης που θα θέλαμε για αυτό το φωτιστικό LED χρησιμοποιώντας ένα τρανζίστορ npn κοινού εκπομπής ως κύκλωμα διακοπτών.