Моделювання електронних схем
Таким чином програма EWВ дозволяє будувати схеми різного ступеня складності за допомогою таких операцій:
- Вибору елементів і приладів з бібліотек;
- Переміщення елементів і схем у будь-яке місце робочого поля;
- Повороту елементів і груп елементів на кути, кратні 90 градусів;
- Копіювання, вставок або видалення елементів, груп елементів, фрагментів схем і цілих схем;
- Зміни кольору провідників;
- Виділення кольором контурів схем для більш зручного сприйняття;
- Одночасного підключення кількох вимірювальних приладів і спостереження їх показань на екрані монітора;
- Привласнення елементам умовного позначення;
- Зміни параметрів елементів у широкому діапазоні.
Всі операції проводяться за допомогою миші та клавіатури. Управління тільки з клавіатури неможливо. Шляхом настройки приладів можна:
- Змінювати шкали приладів в залежності від діапазону вимірювань;
- Задавати режим роботи приладу;
- Задавати вид вхідних впливів на схему (постійні і гармонійні струми і напруги, трикутні і прямокутні імпульси). Графічні можливості програми дозволяють:
- Одночасно спостерігати кілька кривих на графіку;
- Відображати криві на графіках різними кольорами;
- Вимірювати координати точок на графіку;
- Імпортувати дані в графічний редактор, що дозволяє зробити необхідні перетворення малюнка і виведення його на принтер. Можна вставити схему або її фрагмент у текстовий редактор і надрукувати в ньому пояснення або зауваження по роботі схеми. Програма EWB дозволяє провести моделювання роботи зібраної схеми. Для цього необхідно скористатися меню Analysis: 
Рис. 26. Вікно меню Analysis Позначення наведені на рис. 26:
- Activate - запуск моделювання;
- Stop - зупинка моделювання;
- Pause - переривання моделювання. Ці команди можуть бути виконані також натисканням кнопок, розташованих у правому верхньому кутку екрану 
Analysis Options - набір команд для встановлення параметрів моделювання. Зупинимося на цій команді докладніше. При виборі команди відкривається вікно Analysis Options. Закладка Global служить для загальних настроювань режиму моделювання (рис. 27). Параметри мають таке призначення:
- Abstol - абсолютна помилка розрахунку струмів;
- Gmin - мінімальна провідність гілки ланцюга (провідність гілки менша Gmin, вважається рівною нулю);
- Pivrel, Pivtol - відносна і абсолютна величини елемента рядки матриці вузлових провідностей (наприклад, при розрахунку за методом вузлових потенціалів), необхідні для його виділення в якості ведучого елемента; 
Рис. 27. Закладка Global установки параметрів моделювання Analysis Options
- Reltol - допустима відносна помилка розрахунку напруг і струмів;
- Temp - температура, при якій проводиться моделювання;
- Vntol - допустима помилка розрахунку напруги в режимі Transient (аналіз перехідних процесів);
- Chgtol - допустима помилка розрахунку зарядів;
- Ramptime - початкова точка відліку часу при аналізі перехідних процесів;
- Convstep - відносний розмір кроку ітерації при розрахунку режиму по постійному струму;
- Convabsstep - абсолютний розмір кроку ітерації при розрахунку режиму по постійному струму;
- Convlimit - включення або виключення додаткових засобів забезпечення збіжності ітераційного процесу;
- Rshunt - допустимий опір витоку для всіх вузлів відносно загальної шини (заземлення);
- Temporary ... - обсяг дискової пам'яті для зберігання тимчасових файлів (у Мбайт).
Рис. 28. Закладка DC установки параметрів моделювання Analysis Options Закладка DC служить для налаштування режиму розрахунку по постійному струму (статичний режим). Для налаштування цього режиму використовується діалогове меню (рис. 28), опції якого мають таке призначення:
- Itl1 - максимальна кількість ітерацій наближених розрахунків;
- Gminsteps - розмір збільшення провідності у відсотках від Gmin (використовується при слабкої збіжності ітераційного процесу);
- Srcsteps - розмір збільшення напруги живлення у відсотках від його номінального значення при варіації напруги харчування (використовується при слабкої збіжності ітераційного процесу).
Рис. 29. Закладка Transient установки параметрів моделювання Analysis Options Кнопка Reset Defaults призначена для установки за замовчуванням параметрів, показаних на рис. 28. Використовується в тому випадку, якщо після редагування необхідно повернутися до вихідних даних. Закладка Transient служить для налаштування параметрів режиму аналізу перехідних процесів (рис. 29). На даній закладці:
- Itl4 - максимальна кількість ітерацій за час аналізу перехідних процесів;
- Maxord - максимальний порядок (від 2 до 6) методу інтегрування диференціального рівняння;
- Trtol - допуск на похибку обчислення змінної;
- Method - метод наближеного інтегрування диференціального рівняння (Trapezoidal - метод трапецій, Gear - метод Гіра);
- Аcct - дозвіл на виведення статистичних повідомлень про процес моделювання.
Закладка Device служить для вибору параметрів МОП-транзисторів (діалогове вікно показано на рис. 30):
- Defad - площа дифузійної області стоку, м2;
- Defas - площа дифузійної області витоку, м2;
- Defl - довжина каналу польового транзистора, м;
- Defw - ширина каналу, м;
- Tnom - номінальна температура компонента;
- Bypass - включення або виключення нелінійної частини моделі компонента;
- Trytocompact - включення або виключення лінійної частини моделі компонента.
Закладка Instruments служить для налаштування параметрів контрольно-вимірювальних приладів (рис. 31):
- Pause after each screen - пауза (тимчасова зупинка моделювання) після заповнення екрану осцилографа по горизонталі (Oscilloscope);
- Generate time steps automatically - автоматична установка тимчасового кроку (інтервалу) виведення інформації на екран;
- Minimum number of time points - мінімальна кількість відображуваних точок за період спостереження (реєстрації);
- Тmax - проміжок часу від початку до кінця моделювання;
- Set to Zero - установка в нульове (вихідне) стан контрольно-вимірювальних приладів перед початком моделювання;
- User-defined - управління процесом моделювання проводиться користувачем (ручний пуск і зупинка);
- Calculate DC operating point - виконання розрахунку режиму по постійному струму;
Рис. 30. Закладка Device установки параметрів моделювання Analysis Options
- Points per cycle - кількість відображуваних точок при виведенні амплітудно-частотних та фазо-частотних характеристик (Bode plotter);
- Use engineering notation - використання інженерної системи позначень одиниць вимірювання (наприклад, напруги будуть виводитися в мілівольтах (мВ), мікровольтах (мкВ), нановольтах (НВ) і т. д.).
Рис. 31. Закладка Instruments установки параметрів моделювання Analysis Options Команда DC Operating Point меню Analysis (рис. 26) запускає розрахунок режиму по постійному струму (в режимі по постійному струму DC з модельованої схеми виключаються всі конденсатори і закорочуються всі індуктивності). На екрані з'являється вікно Analysis Graphs, закладка DC Bias (рис. 32). 
Рис. 32. Закладка DC Bias (результати розрахунку по постійному струму)
Відзначимо, що при використанні команд меню Analysis доцільно в меню Circuit> Schematic Options> Show / Hide включити опції Show Reference ID і Show Nodes (при цьому на схемі будуть позначені вузлові точки як на рис. 8, ці ж точки відображені в таблиці на рис . 32). У верхній частині вікна зазначено ім'я схемного файлу (для нашого прикладу це obrasec.ewb). Нижче наведені потенціали вузлів схеми в контрольних точках 1, 2, 3. Змінна V # branch позначає постійну напругу на джерелі. Якщо курсор миші помістити у вікно на рис. 32 і натиснути праву кнопку, викликається діалогове вікно (рис. 33), за допомогою якого можна відредагувати назву Title (за умовчанням приймається назва схемного файлу), змінити його шрифт Font і т. д. 
Рис. 33. Закладка редагування оформлення результатів розрахунку
Команда AC Frequency меню Analysis (рис. 26) запускає режим розрахунку частотних характеристик
Рис. 34. Вікно завдання параметрів розрахунку частотних характеристик
Виконання команди починається з завдання в діалоговому вікні (рис. 34) параметрів:
- Fstart, Fstop - межі частотного діапазону (мінімальне і максимальне значення частоти відповідно);
- Sweep type - масштаб по горизонталі: декадний (Decade), лінійний (Linear) і октавний (Octave);
- Number of points - число точок розрахунку;
- Vertical scale - масштаб по вертикалі: лінійний (Linear), логарифмічний (Log) і в децибелах (Decibel);
- Nodes in circuit - список всіх вузлів ланцюга;
- Nodes for analysis - номери вузлів, для яких розраховуються характеристики схеми. Перелік таких вузлів встановлюється натисканням кнопок Add (додати) і Remove (видалити);
- Simulate - кнопка запуску режиму моделювання. Результати моделювання схеми (рис. 1) представлені на рис. 35 у вигляді амплітудно-частотної (АЧХ - верхня крива) та фазо-частотної (ФЧХ - нижня крива) характеристик.
Аналогічні характеристики можна отримати також за допомогою вимірювача АЧХ-ФЧХ, причому з більш високою точністю за рахунок сканування АЧХ і ФЧХ у вибраних точках візирної лінійкою (рис. 25). Додаткові маніпуляції з результатами розрахунку виконуються за допомогою командних кнопок, розташованих у верхній частині вікна (рис. 35). Перші вісім кнопок є стандартними і пояснень не вимагають. Кнопка Properties служить для завдання параметрів графічного зображення:
При її натисканні відкривається діалогове вікно (ріс.36), що має закладку General, Left Axis, Bottom Axis, Right Axis, Top Axis і Traces. Це вікно можна викликати, помістивши курсор на поле малюнка і клацнувши правою кнопкою миші. У меню, вибрати опцію Properties.
Вікно General складається з чотирьох блоків:
- Titlе - редагування назви отриманого графіка з можливістю зміни шрифту;
- Grid - нанесення на графіки сітки з можливістю редагування товщини ліній і їх кольору;
- Trace Legend - відображення на екрані сигналу в контрольних точках схеми із зазначенням кольору відповідних графіків;
- Cursors - виведення на екран характеристик АЧХ і ФЧХ у табличному вигляді для одного або всіх обраних вузлів схеми.
При виборі заставки Left Axis діалогове вікно оформлення результатів моделювання має вигляд, показаний на рис. 37.
Воно складається з наступних блоків:
- Label - редагування позначення осі Y з можливістю зміни шрифту і його атрибутів (наприклад, можна замінити символ позначення напруги V на U);
- Axis - зміна товщини лінії осі Y і її кольори;
- Range - діапазон значень по осі Y;
- Scale - установка масштабу по осі Y (лінійний, логарифмічний і т.д.);
Рис. 35. Результати розрахунку АЧХ і ФЧХ - Division - кількість розбиттів в одному великому розподілі сітки.
Для закладок Bottom Axis, Rigt Axis і Top Axis вікна налаштувань мають аналогічний вигляд.
Закладка Traces вікна налаштувань показано на рис. 38.
Ріс.36. Вікно для завдання параметрів графічного зображення
Воно складається з наступних блоків:
- Trace - вибір номера контрольної точки, для якої редагується зображення характеристики;
- Label - завдання мітки розглянутої точки (на рис. 38 вона збігається з номером контрольної точки, однак тут може бути розміщена і інша інформація у вигляді коментарів);
Рис. 37. Діалогове вікно оформлення результатів моделювання
- Pen Size - вибір ширини лінії для зображення характеристики;
- Color - вибір кольору лінії;
- Sample - зразок лінії;
- Х Range - вибір оформлення для осі X, аналогічного вибраному на закладці Bottom Axis або Тор Axis.
- Y Range - вибір оформлення для осі Y, аналогічного вибраному на закладці Left Axis (рис. 37) або Right Axis;
- Offsets - установка зміщення координат по осях Х і Y.
Кнопки 
мають таке призначення:
- Вставити сітку (Toggle Grid);
- Вставити позначення контрольної точки (Toggle Legend); 
Рис. 38. Закладка Trace вікна для завдання параметрів графічного зображення - Вивести числові дані (Toggle Cursor);
- Відновити графічне позначення, тобто проігнорувати вве-денні зміни (Restore Graph);
- Створити інверсний малюнок. Команда Transient меню Analysis (рис. 26) запускає режим розрахунку перехідних процесів. Діалогове вікно команд (рис. 39) містить наступне:
- Initial conditions - установка початкових умов моделювання (призначення налаштувань цього блоку розглядалися при описі вікна на мал.31);
- Tstart - час початку аналізу перехідних процесів;
- Tstop - час закінчення аналізу;
- Generate time steps automatically - розрахунок перехідних процесів зі змінним кроком, вибираним автоматично відповідно до допустимої відносної помилкою RELTOL, що задається у вікні на мал. 27 (якщо ця опція вимкнена, то розрахунок ведеться з урахуванням двох інших опцій, описаних при розгляді вікна);
- Tstep - часовий крок виведення результатів моделювання на екран монітора.
Порядок використання параметрів Nodes in circuit описаний при розгляді вікна на рис. 34. 
Рис. 39. Діалогове вікно завдання режиму розрахунку перехідних процесів Результати моделювання перехідних процесів в схемі (рис. 1) для параметрів, заданих у вікні на мал. 39, представлені на мал.40. 
Рис. 40. Результати розрахунку перехідних процесів Команда Fourier меню Analysis (рис. 26) запускає режим Фур'є-аналізу (спектрального аналізу). При виборі цієї команди необхідно задати параметри моделювання за допомогою діалогового вікна (рис. 41), в якому опції мають наступне призначення:
- Output node - номер контрольної точки (вузла), в якій аналізується спектр сигналу;
- Fundamental frequency - частота першої гармоніки;
- Number harmonic - число гармонік, що підлягають аналізу;
- Vertical scale - масштаб по осі Y (лінійний, логарифмічний, в децибелах);
Рис.41. Вікно завдання параметрів спектрального аналізу
- Advanced - набір опцій цього блоку призначений для визначення більш тонкої структури аналізованого сигналу шляхом введення додаткових вибірок (за замовчуванням виключені);
- Number of points per harmonic - кількість відліків (вибірок) на одну гармоніку;
- Sampling frequency - частота проходження вибірок.
У результаті спектрального аналізу отримуємо лінійчатий спектр досліджуваного сигналу, в нижній частині малюнка вказується коефіцієнт нелінійних спотворень у відсотках (рис. 42 - результат аналізу сигналів у схемі на рис. 1 при налаштуваннях, прийнятих на ріс.41). Якщо у вікні на мал. 41 встановити останні опції (Display phase - показати розподіл фаз і Output as line graph - показати спектр у вигляді безперервного графіка), то результати аналізу набувають вигляду, показаний на рис. 43 (верхня крива - розподіл амплітуд, нижня - розподіл фаз гармонійних складових). 
Рис. 42. Результати спектрального аналізу
Команда Monte Carlo меню Analysis (рис. 26) запускає режим статистичного аналізу за методом Монте - Карло.
У діалоговому вікні установки параметрів моделювання (рис.44) задаються наступні параметри:
- Number of runs - кількість статистичних випробувань
Рис. 43. Представлення результатів спектрального аналізу у вигляді безперервних графіків - Tolerance - відхилення параметрів резисторів, конденсаторів, індуктивностей, джерел змінного і постійного струму та напруги;
- Seed - початкове значення випадкової величини (цей параметр визначає початкове значення датчика випадкових чисел і може здаватися в межах I. .. 32767);
- Distribution type - закон розподілу випадкових чисел (Uniform - равновероятно розподіл на відрізку (-1, +1) і Gaussian - гауссовское розподіл на відрізку (-1, +1) з нульовим середнім значенням і середньоквадратичним відхиленням 0,25). Необхідний закон розподілу вибирається після натискання кнопки в полі розглянутої опції; 
Рис. 44. Вікно налаштування параметрів режиму статистичного аналізу за методом Монте-Карло
- Collating function - характеристики схеми (максимальне і мінімальне значення величини Max. Value, Min. Value, максимальна і мінімальна частота Frequency at max, Frequency at min, значення частоти Rise edge frequency, Fall edge frequency, при якому відбувається перетин заданого рівня граничної напруги Threshold знизу вгору і зверху вниз);
- Output node - вибір вихідний точки схеми;
- Sweep For - режими моделювання (описані вище) для яких може бути виконаний статистичний аналіз.
Результати статистичного аналізу схеми на рис. 1 при вказаних на рис. 44 значеннях параметрів наведені на ріс.45 для режиму аналізу перехідних процесів. 
Рис. 45. Результати статистичного аналізу за методом Монте-Карло Команда Display Graph меню Analysis (рис. 26) служить для виклику на екран графіків результатів виконання однієї з команд моделювання. Якщо в процесі моделювання використано кілька команд цього меню, то результати їх виконання накопичуються і у вигляді закладок з найменуванням команд, які можуть переміщатися кнопками, розташованими в правому верхньому куті вікна (ріс.46). Це дозволяє оперативно переглядати результати моделювання без його повторного проведення. Відзначимо, що виклик команди відбувається автоматично при виконанні першої ж команди з меню Analysis. Якщо в схемі використовується осцилограф, то після запуску моделювання та попередньо встановленої команди Display Graph в її вікні з'являється закладка Oscilloscope з зображенням осцилограми; якщо використовується вимірювач АЧХ-ФЧХ, то з'являється закладка Bode з зображенням АЧХ і ФЧХ і т.д. (Рис. 46). Одночасно графічна інформація виводиться також і на основні прилади. 
Рис. 46. Всі результати аналізу в одному вікні
Робота № 1
| 
