Elektroniikan kytkentöjen simulointiohjelmat ovat tehokkaimpia keinoja nopeuttaa analogiaelektroniikan suunnittelun läpimenoaikaa ja parantaa suunnittelun laatua. Simulaattoriohjelman avulla suunnittelija voi jo piirikaaviota piirtäessään tarkistaa lukuisia yksityiskohtia ja eri kytkentävaihtoehtoja, jotka perinteisellä suunnittelutavalla on tehty vasta prototyypin testauksen yhteydessä.
Analogiasimulaattorit ovat laajoissa, yleensä Unix-työasemiin perustuvissa elektroniikan suunnittelujärjestelmissä tärkeitä osia, joiden toimintoihin ja käyttökelpoisuuteen on uhrattu paljon vaivaa. Näiden suurien kokonaisjärjestelmien lisäksi markkinoille on tullut vuosien mittaan useita Spice-yhteensopivia simulaatio-ohjelmistoja, jotka toimivat PC-mikroissa. Nyt kokeiltavana ollut Micro-Cap IV on yksi niistä. Muuhun alan tarjontaan tulemme palaamaan lähikuukausina.
Micro-capin asennus on tehty mahdollisimman helpoksi. Päinvastoin kuin useissa muissa DOS-ohjelmissa asennuksen yhteydessä ei tarvitse valita mitään näyttö- tai kirjoitintyyppejä. Laitteiston suhteen Micro-Cap on vaatimaton: mikä tahansa prosessori 286:stä ylöspäin käy, mutta aritmetiikkaprosessori on välttämätön. Näytönohjaimeksi käyvät Hercules, EGA, VGA tai SVGA yhteensopivat tyypit.
Ohjelmisto toimitetaan seitsemällä levykkeellä, joiden asennus kovalevylle kesti kymmenisen minuuttia. Levytilaa asennus vie noin seitsemän megatavua, joista komponenttien mallikirjastoja on noin neljä megatavua.
286-prosessoria käytettäessä ohjelma toimii standardinmukaisessa DOS-tilassa, jolloin käytettävissä on alle 640 kilotavua muistia. 386:lla ja sitä uudemmilla prosessoreilla käytetään DOS-laajenninta, jonka avulla voidaan käyttää koko koneen vapaa muisti. Ohjelmasta on kaksi erillistä koodiversiota. Käynnistysohjelma tunnistaa automaattisesti prosessorin tyypin ja lataa vastaavan binäärikoodin.
Käynnistysohjelma tunnistaa myös automaattisesti näyttötyypin ja käyttää sitä vastaavaa näyttötarkkuutta. SVGA on tarkin näyttötila, jolla automaattinen nöytön tunnistus toimii. Micro-Cap voidaan pakottaa komentorivin optiolla myös laajennettuun SVGA näyttötilaan, jonka tarkkuus on 1024x768 pistettä. Tämä näyttötila ei kuitenkaan valmistajan mukaan toimi kiihdytetyillä näytönohjaimilla.
Ohjelmiston mukana seuraavat englanninkieliset harjoituskirja ja varsinainen käsikirja. Harjoituskirjassa esitellään esimerkkien avulla kaikki ohjelmiston päätoiminnat. Käsikirjassa taas on yksityiskohtaisesti käyty läpi kaikkien valikkojen eri kohdat, samoin kaikkien komentojen syntaksi ja optiot.
DOS-ohjelmaksi Micro-Capin käyttöliittymä on vaikuttava. Micro-Cap on vakuuttava todiste siitä, että DOS-ohjelmat voivat olla aivan yhtä helppokäyttöisiä kuin parhaimmat Windows-ohjelmat. Ikkunointi ja menut toimivat vikkelästi jo vaatimattomillakin laitteistoresursseilla. Leikekirja ja helppokäyttöinen opastetoiminto toimivat vastaavasti kuin windows-ohjelmissa. Ikkunoiden käsittely ja esimerkiksi leikepöydän komennot poikkeavat jonkin verran vastaavista windows-monennoista. Eroista huolimatta Windowsiin tottunut osaa heti käyttää Micro-Capin käyttöliittymän kaikkia perustoimintoja.
Simuloitavan kytkennän syöttö ohjelmalle voi tapahtua joka oman sisäisen piirikaavio-ohjelman avulla tai tekstimuotoisen spice-tiedoston avulla. Kokemattoman käyttäjän kannattaa aluksi ehdottomasti käyttää aluksi piirikaaviota kytkennän syöttöön, sillä näin Micro-Capin käyttö on helpoimmillaan. Piirikaavio on myös paljon havainnollisempi dokumentti kuin solmunumerointiin perustuva vetolista.
Kytkennän komponentit poimitaan valikoista hiiren avulla. Komponenteille kannattaa antaa symboliset nimet samoin kuin tavallisissakin piirikaavioissa. Komponenttiarvot määritellään tekstinä define-lauseiden avulla. Tekstit voivat sijaita missä tahansa piirikaaviossa. Passiivisille komponenteille voidaan haluttaessa antaa komponenttiarvot myös suoraan numeroarvoina.
Sellaisille komponenteille, joiden ominaisuuksia ei voi kuvata yhdellä arvolla, määritellään simulointimalli model-lauseella. Tälläisia komponentteja ovat signaalilähteet, aktiiviset komponentit ja monimutkaiset passiivikomponentit, esimerkiksi muuntajat.
Aktiiviset komponentit poimitaan valmistajakohtaisista kirjastoista, joista löytyy tuhansia yleisesti käytettyjä komponenttityyppejä sekä erilliskomponenteille että analogiamikropiireille.
Kirjastokomponentin model-lause seuraa komponenttisymbolin mukana kirjastosta. Jos kirjastosta ei löydy haluttua tai vastaavaa komponenttia, sille voidaan määritellä oma model-lause, johon käyttäjä voi antaa itse tarvittavat parametrit.
Jos komponenttien liitäntäpisteet ovat päällekkäin, niiden välille syntyy automaattisesti kytkentä. Muut komponenttien väliset kytkennät langoitetaan piirtämällä kytkentäviivat komponenttien liitäntäpisteiden välille.
Piirikaavioon kytketään haluttu herätegeneraattori, joka voidaan poimia valikosta muiden komponenttien tapaan. Tämän jälkeen voidaankin yksinkertaisesti valita haluttu analyysitapa. Analysis Limits-lomakkeen avulla valitaan simulointiparametrit, kiinnostavat lähtösignaalit sekä graafisten kuvaajien asteikot. Simulointi käynnistyy F2-näppäimellä.
Piirrettävä signaali voi olla suure, jota normaaleilla laboratoriomittauksilla on hankalaa mitata, esimerkiksi eri solmipisteiden virrat tai vaikkapa kelasydämen vuontiheys. Lisäksi piirrettävä käyrä voi olla useamman eri signaalin funktio. Näin voidaan tutkia transistorin kanta-emitterijännitteen käyttäytymistä tai piirien tulo- ja lähtöimpedansseja taajuuden funktiona.
Simuloinnin jälkeen kuvaajien asteikkoja voidaan vielä muutella, ja kohdistimien avulla voidaan lukea numeerisia tuloksia halutuista pisteistä. Tarvittaessa simulointitulokset voidaan tulostaa tiedostoon numeerisessa muodossa jälkikäsittelyä varten.
Probe-toiminnon avulla on mahdollista valita halutut mittauspisteet suoraan kytkentäkaaviosta. Tällöin kaikki simulointitulokset on talletettu tiedostoon, josta käyttäjän haluamat signaalit tulostetaan.
Kaikki toiminnot löytyvät alasvetovalikoista, ja useimmilla toiminnoilla on myös vastaava toimintonäppäin. Simulointien käynnistys, parametrien muuttaminen ja signaalien valinta sujuvat näillä hyvin nopeasti lyhyenkin tutustumisen jälkeen.
Micro-Capin piirikaavioeditoriosuus on itse asiassa vain piirto-ohjelma, jonka avulla voidaan lisätä ja liikutella komponenttisymboleja, lisätä niiden välille viivoja ja kirjoittaa tekstiä kaavioon. Komponenttia siirrettäessä kytkennät eivät seuraa mukana. Jos kaksi kytkentäviivaa risteävät, ne muodostavat keskenään kytkennän. Johtimien risteykset täytyy toteuttaa erillisen "risteyskomponentin" avulla.
Oikeisiin piirikaavioeditoreihin tottuneelle Micro-Capin piirikaavioiden piirto on tuskallista. Valitsemalla solmupisteiden numerot näkyviin karkeimmat virheet pystyy päättelemään ja pienen harjoittelun jälkeen niitä oppii myös välttämään.
Elektroniikan ammattilaisen työstä simulointi on vain pieni osa. Simulaattorin olisi siksi oltava saumaton osa muuta suunnittelujärjestelmää. Ammattilainen ei halua piirtää piirikaavioita kahteen kertaan, aluksi varsinaiseen piirikaavio-ohjelmaan ja vielä erikseen simulointia varten.
Monimutkaisempien kytkentäkaavioden piirtäminen sisäisellä editorilla on työlästä, koska kytkennän muokkaus ja johdinristeyksien tekeminen on hankalaa. Laajemmat kytkennät voi onneksi siirtää Micro-Capiin spice-muodossa, jonka useat piirikaavio-ohjelmat pystyvät tulostamaan. Kytkentälistaan täytyy tämän jälkeen lisätä halutut herätteet.
Spice-yhteensopivassa muodossa analyysit voidaan edelleen käynnistää valikkojen avulla. Micro-Cap lisää tarvittavat spice-komennot automaattisesti tekstitiedostoon.
Aloittelevalle käyttäjälle ongelmana vain on, että käsikirjassa ei käsitellä lainkaan Spice-tiedostojen luomista tai rakennetta, vaan käyttäjältä edellytetään aikaisempaa kokemusta Spice-simuloinnista. Sensijaan käsikirjassa kerrotaan yksityiskohtaisesti, miten Spicen alimallit (subckt) voidaan lisätä Micro-Capin omiin mallikirjastoihin. Samoin luetellaan lyhyesti eri Spice-komennot.
Ammattikäyttäjille ohjelman Spice-yhteensopivuus on välttämätöntä, sillä se tekee mahdolliseksi hyödyntää piirivalmistajien tarjoamia valmiita piirien Spice-malleja. Niitä on saatavissa jo monelta valmistajalta.
Simuloinnin lopputulos riippuu aina täysin simulointimallien totuudenmukaisuudesta. Mitä tarkemmat simulointimallit ovat, sen paremmin simuloitu vaste vastaa todellisuutta. Silti huolellinenkaan simulointi ei voi kokonaan korvata prototyypin testausta.
Aivan kaikkia todellisissa olosuhteissa tapahtuvia ilmiötä ei voida toistaa simulaattorin virtuaalitodellisuudessa. Tälläisiä ilmiöitä ovat häirösietoisuus, käyttöjännitteiden ja teholähteiden vaikutus suorituskykyyn sekä piirien käyttäytyminen ääriolosuhteissa, esimerkiksi ylikuormitustilanteissa.
Micro-Cap IV:n simulointimallit kattavat kaikki normaaleissa käyttöolosuhteissa tarvittavat parametrit. Esimerkiksi bipolaarisen transistorin mallinnuksessa käytetään kaikkiaan neljääkymmentä ja MOS-FETien viittäkymmentä eri parametria. Osaa näistä ei edes ilmoiteta tavallisissa datalehdissä.
Jos halutaan tutkia kytkennän käyttäytymistä epänormaaleissa olosuhteissa, esimerkiksi yliohjattuna, käyttäjän on tarkkaan tutkittava simulointimallien soveltuvuus. Usein on välttämätöntä laatia kyseiseen käyttöön tarkempi malli, joka ottaa huomioon erikoisominaisuudet. Uudella mallilla on usein käyttöä myöhemminkin.
Passiivikomponenttien mallit voivat haluttessa ottaa huomioon komponenttien lämpötila- ja jänniteriippuvuudet. Kelasydämien malleilla voidaan simuloida magneettikentän ja vuontiheyttä epälineaarisissa materiaaleissa.
Operaatiovahvistimen malleja on kolmea eri tasoa. Yksinkertaisimmassa tason 1 mallissa otetaan huomioon ainoastaan avoimen silmukan vahvistus ja lähtöimpedanssi. Tason 2 mallissa on lisäksi mukana taajuuskaista ja lähtöjännitteen muutosnopeus.
Täydellisimmässä tason 3 mallissa on kaikkiaan 19 parametria ja se sisältää lähes kaikki operaatiovahvistimien datalehdissä normaalista annetut ominaisuudet. Puutteena on lähinnä vain teholähteen häiriösietoisuutta kuvaava suure PSRR, sensijaan yhteismuotoisen jännitteen vaimennusta kuvaava CMRR on tason 3 malleissa mukana.
Simulointimallin monimutkaisuus vaikuttaa simulointinopeuteen, joten tarpeettoman tarkkojen mallien käyttö voi turhaan hidastaa toimintaa. DOS-versiossa myös simuloitavan kytkennän muistintarve on merkittävä rajoitus. Operaatiovahvistimien yksinkertaisimpia mallinnustasoja voidaan käyttää silloin kun kyseisen vahvistimen toiminta ei ole kytkennän kannalta kriittinen.
Ohjelman tuki tulostimelle on niukka. Käytettävissä ovat ainoastaan HP-yhteensopivat piirturit, kirjoittimet ja lasertulostimet sekä Epson-yhteensopivat matriisikirjoittimet.
Usein simulointituloksia käytetään osana muita elektronikkalaitteen dokumentteja, esimerkiksi toimintaselostuksia ja huolto-ohjeita. Windows-ohjelmista kuvien ja käyrien siirto onnistuu OLE2-liitännän avulla vaivattomasti. Micro-Capilläkin siirto voidaan tehdä pienen mutkan kautta. Kuvat tulostetaan HP-piirturien hgl-tiedostoiksi, jotka voidaan siirtää kuviksi teksturiin.
Useimmat käyrät voidaan tulostaa myös numeerisessa muodossa tiedostoon. Tämä voidaan sitten lukea esimerkiksi taulokkolaskentaohjelmaan ja tulostaa sieltä kuvat halutussa muodossa.
Spectrum Software on anatnut ennakkotietoja MicroCapin tulevasta viitos- eli Windows-versiosta. Se on täysin 32-bittinen ohjelma, joka toimii suoraan Windows NT:n ja WIN32S-alijärjestelmän avulla myös Windows 3.1:n alaisuudessa. Valmistajan mukaan uuden version pitäisi olla saatavissa "syksyllä", mutta ohjelmistovalmistajien toimitusaikalupaukset saattavat tunnetusti olla venyviä.
Uuden version suurin uutuus on mahdollisuus simuloida sekä analogia- että digitaalipiirejä. Mukana toimitetaan noin 7500 komponentin kirjasto. Tästä on 74-sarjan TTL-piirien malleja noin 1200. Noin 2000 alimallin tiedot on saatu suoraan piirivalmistajilta.
Digitaalipiirit voidaan valita suoraan komponenttivalikoista. Digitaalipiirien mallit ovat Pspice-yhteensopivia, ne sisältävät piirikaaviosymbolit, datakirjojen mukaiset nastanumerot ja viiveparametrit. Uuden version kirjastojen luvataan olevan helppokäyttöisempiä kuin vanhat ovat.
Tulevassa versiossa myös piirikaavioita on mahdollista muokata siten, että valittuja komponetteja voidaan käännellä ja peilittää. Komponenttien tekstimääreiden näkymistä, kokoa, väriä ja paikkaa piirikaavioissa voidaan muutella. Piirikaaviosta on myös varattu erillinen alue tekstiä varten.
Windowsin mukana saadaan automaattisesti DOS-versioista puuttunut tiheiden näyttöjen ja laajan tulostinvalikoiman tuki. Uusien ominaisuuksien hintana ovat kovemmat laitteistovaatimukset. Siksipä nykyiset DOS-versiot pysynevät myynnissä uuden Windows-version rinnalla.
Valmistaja: Spectrum Software, USA
Edustaja Zenex Oy, puh. 90-692 3800
Hinta 16 880 mk, opiskelijaversio 580 mk
Laitteistovaatimukset:
Käsikirjat:
Englanninkieliset, esittely- ja harjoituskirja (Tutorial Manual, 159 sivua) sekä yksityiskohtainen käsikirja (Reference Manual, 329 sivua).
Tekninen tuki
Maahantuojalta tai suoraan valmistajalta. Ohjelmiston erikoisluonteesta johtuen maahantuojan tuki ei kata esimerkiksi simulointimallien käytössä esiintyviä ongelmia.
Yhteystiedot valmistajaan: puh. +1-408-738 4387, faksi +1-408-738 4702
Micro-Capin piirto-ohjelma poikkeaa käytöltään normaaleista piirikaavio-ohjelmista. Risteävät johtimet muodostavat vasemmassa kuvassa oikosulun, jonka huomaa solmupisteiden numerointia tarkkailemalla. Johdinristeyksissä täytyy käyttää oikeassa kuvassa näkyvää ylihyppysymbolia.
R3:n arvoa askeltamalla on saatu havainnollisesti näkyviin operaatiovahvistimen vahvistuksen vaikutus alipäästösuodattimen vaimennuskertoimeen ja taajuusvasteeseen.
Monte Carlo -analyysillä saadaan näkyviin komponenttiarvojen toleranssien suuri vaikutus kaksois-T-kaistanestosuodattimen estotaajuuteen ja -vaimennukseen. Tulos voidaan esittää sekä käyräparvena että histogrammina.
Edelliselle sivulle Kotisivulle