Симулиране на верига KiCad: 7 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:50

Изчертаването и проектирането на схеми е стар процес, стар колкото първите електронни компоненти. Тогава беше лесно. Имаше ограничен брой компоненти и следователно ограничен брой конфигурации, с други думи: схемите бяха по -прости. Сега, в така наречената ера на информацията, има безброй-МНОГО различни компоненти и всеки електронен компонент има над дузина модели и всеки модел се произвежда от няколко компании. Излишно е да казвам, че всеки модел и всеки специфичен за компанията компонент се различават един от друг. Те могат да имат своите отклонения, грешки с различни отклонения, различни максимални и минимални условия на работа и разбира се може леко да променят начина, по който веригата реагира и работи. Като капак на всичко, схемите в днешно време са много сложни; състоящ се от десетки компоненти, които взаимодействат заедно, за да изпълняват различни задачи въз основа на входа.

Както правилно се досещате, би било кошмар да се опитате да анализирате тези схеми чрез изчисление или на ръка. Освен това някои отклонения и нюанси биха били загубени или променени, тъй като са специфични за продукта. Тук идва симулацията. Използвайки силата на съвременните технологии и с авангардни скорости, анализ на веригата, който би отнел екипи от хора, работещи с часове, сега е толкова прост, колкото задаването на

Консумативи

-Kicad версия 5.0 или по -нова

-Интернет връзка за изтегляне на библиотеки

Стъпка 1: Как се случва магията?

Нека предговорим това, като кажем, че KiCad не обработва симулации. KiCad е просто потребителски интерфейс (потребителски интерфейс). Сравнима аналогия би била, че KiCad е просто посредник между вас и симулационната програма, която може да бъде един от множество софтуер, наречен „SPICE“.

SPICE е съкращение от „Симулационна програма с акцент върху интегралната схема“. В случая на KiCad, KiCad 5.0 и по-нови версии са предварително опаковани с програма SPICE, наречена ngspice. Ngspice има своите странности, хълцания и ограничения, но това ще бъде софтуерът, върху който ще се съсредоточим. Ngspice използва „Компоненти“за моделиране на поведението на веригата. Това означава, че освен да рисуваме схемите на веригата, ние също трябва да анотираме и „присвояваме“модели на отделни компоненти. За да реши проблема с множество модели на едни и същи компоненти, ngspice решава да позволи на всяка компания да прави „модели на подправки“, които възпроизвеждат свойствата и нюансите на техните реални екземпляри, и след това да пакетира тези модели като библиотеки за изтегляне, така че да се начертае верига би било толкова просто, колкото да изтеглите необходимите библиотеки и да присвоите модел на нашите компоненти. Но това е всичко, нека да си изцапаме ръцете и да видим как всъщност работи това.

Стъпка 2: Избор на схема и моделиране на пасивни компоненти

Избрахме проста схема, която ни позволява да демонстрираме как можем да предоставим нашите собствени стойности на SPICE на компонентите и как можем да използваме компоненти, посочени от доставчиците

Първо, както можем да видим от фигурата; тази схема има 8 компонента. • 2 резистора

• 1 9v батерия

• 1 LDR

• 1 BC 547 npn транзистор

• 1 светодиод

• 1 реостат •

1 земя

Моделиращи резистори от всички видове Ngspice „присвоява модели“на съпротивления, с други думи: разпознава ги. Така че не е нужно да ги променяме или да се занимаваме с библиотеки, за да ги направим. Забелязваме също, че има реостат и LDR. В ngspice и двамата могат да бъдат моделирани като постоянни резистори, които ще променяме техните стойности според нуждите ни. С други думи, ако трябва да „увеличим светлината“или да увеличим натоварването на реостата, ще трябва да спрем симулацията, да променим натоварването и след това да го повторим.

Стъпка 3: Моделиране на източници и основания на напрежение

Ngspice не разпознава „стандартни“източници на напрежение; тези, използвани от KiCad. Той предоставя библиотека специално за източниците на напрежение и основания

За достъп до библиотеката първо трябва да изберем раздела „Избор на символ“и да потърсим „подправка“

*Както се вижда на (фигура 1), имаме библиотеката „pspice“и библиотеката „simulation_spice“. За източници на напрежение искаме да превъртим надолу до библиотеката simulation_spice и да изберем източник на DC напрежение

След това трябва да зададем неговите стойности, за да разбере симулаторът, в тази схема искаме източник на постоянен ток 9v. Щракваме върху „E“на източника на напрежение и се отваря следното меню, показано на (фигура 2). Избираме референтно име за източника на напрежение, например VoltageMain и след това кликваме „Редактиране на модела на подправките“. Както е показано по -горе

След това избираме стойност на dc 9v и това е всичко. Както е показано на (фигура 3)

Земята

За земята отново търсим „подправка“и първият резултат е референтният потенциал 0V, както е показано на. (Фигура 4). За разлика от нормалните схеми, софтуерът за подправки се нуждае от земята, тъй като изчислява напреженията си въз основа на 0v еталон.

Стъпка 4: Моделиране на транзистора

Както можем да видим от схемата на схемата, използваният транзистор е много специфичен модел, „BC547“. Като общ случай почти всички произведени компоненти ще бъдат намерени на уебсайта на съответния производител. Под техния инструмент или раздел за поддръжка ще има „симулационни модели“, включващи номера на модела и относителния модел подправки. В нашия случай потърсих „bc547“онлайн и установих, че той е произведен от компания, наречена „On semiconductors“. Потърсих уебсайта им „https://www.onsemi.com/“и намерих модела, като направих следното:

• Отворих раздела им „Инструменти и поддръжка“, отдолу намерих раздел ресурси за дизайн. (Фигура 1)
• Под ресурсите за проектиране, които поискаха за типа на документа, избрах „Симулационни модели“(фигура 2)
• Потърсих частта по име: „BC547“. Искаме библиотеката, затова избираме „BC547 Lib Model“и я изтегляме. (фигура 3)
• След като го изтеглих, поставих lib файла в директорията на проекта си. Сега директорията на моя проект е показана в оригиналния прозорец на KiCad, който отворих, както се вижда на (фигура 4). Щракнах по пътя към тази директория, поставих файла на библиотеката както е показано и се върнах, за да го намеря показан заедно с файловете на моя проект
• След всичко казано и направено, нека нарисуваме символа на транзистора. Щракнах с помощта на менюто „символ на място“и просто потърсих името. Откривате, че почти всички компоненти съществуват в менюто със символи, както е на (фигура 5).
• Сега остава само присвояването на модела на символа. Щракваме върху „E“, както винаги върху символа, и върху „Редактиране на модела на подправките“.

• Както виждаме, единствените налични раздели са модел, пасивен и източник. Тъй като транзисторите не са нито източници, нито пасивни, ние избираме модела и избираме да включим библиотека, която да попълним. Менюто първо се отваря към директорията на проекта, за която имаме късмет, че вече сме сложили библиотеката в нея. Кликваме върху файла lib.

  • Страхотен!! Сега ngspice идентифицира транзистора като „BC547“и е почти готов за работа. Първо трябва да се сортира един малък детайл. Трябва да разрешим алтернативна последователност от възли и да въведем „3 2 1“. Причината, поради която трябва да направим тази стъпка, е, че ngspice назовава 3 -те транзисторни терминала по начин, противоположен на начина, по който ги показва KiCad. Така че, той може да има 3 присвоени на колектора, докато KiCad показва 3 като излъчвател. За да избегнем объркване, преконфигурираме реда за именуване на Spice, както е показано на (фигура 7)
  • Anddddd това е! Този процес е почти идентичен за всички модели доставчици на доставчици. След като увиете главата си около тази урочна част, можете да използвате всеки тип електронен модел и компонент само с малко проучване.

Стъпка 5: Моделиране на светодиоди

Светодиодите са малко по-сложни, тъй като тяхното моделиране изисква известни познания за техните параметри и крива. Така че, за да ги моделирам, просто потърсих „LED ngspice“. Намерих множество хора да публикуват своите „LED модели“и реших да отида с този „ *Typ RED GaAs LED: Vf = 1.7V Vr = 4V If = 40mA trr = 3uS. МОДЕЛ LED1 D (IS = 93.2P RS = 42M N = 3.73 BV = 4 IBV = 10U + CJO = 2.97P VJ =.75 M =.333 TT = 4.32U)?”

Ние ще изберем „LED“от менюто със символи и ще поставим този код в празното пространство под библиотеките в „Edit spice model“. Също така ще включим алтернативна последователност от възли и ще напишем „2 1“, както е показано на фигура 1

След като добавихме някои финални щрихи, като резисторите и свързването на проводниците, ние сме готови да започнем да симулираме

Стъпка 6: Симулиране

Симулирането е сложно, така че в този урок ще обясним основите и как можете да започнете

• Първо отваряме симулатора от раздела инструменти в горната лента (фигура 1)
• След това отиваме в раздела за симулация в горната лента и кликваме върху настройките, от там можем да посочим какъв вид симулация искаме да изпълним и нейните параметри. (фигура 2)

Искаме да стартираме преходна симулация. Като опции за симулация има и DC и AC почистване. Dc sweep увеличава стойността на DC тока и отчита промените в кръговете, докато AC следи честотната характеристика.

• Преходният анализ обаче симулира верига в реално време. Той има 3 параметъра, от които ще използваме два. Стъпка във времето е колко често симулаторът ще записва резултати, а крайното време е след колко секунди ще спре записването. Въвеждаме 1 милисекунда и 5 милисекунди и след това добре, след което стартираме симулацията (фигура 3)
• Както можете да видите, в долния текстов дисплей той ни показа стойностите на напрежението и тока в различни компоненти. Можем също така да начертаем тези стойности, като използваме бутона „добавяне на сигнали“и след това избираме напрежението или тока на определен компонент. Можем също да изследваме, след като започнем симулацията. Сондирането ни позволява да наблюдаваме кривите на напрежение и ток в определен компонент директно, като щракнем върху него. (фигура 4)

Стъпка 7: Приключване

Тъй като тази верига се предполагаше, че ще бъде направена с LDR и резистор, можем да променим съпротивлението на тези два компонента и след това да стартираме отново веригата, за да определим стойностите на съпротивлението, които бихме искали за този светодиод, управляван от светлина, използвайки npn транзистор с общ излъчвател като верига за превключване.