Simulácia obvodu KiCad: 7 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

Kreslenie a navrhovanie obvodov je starý proces, starý ako prvé elektronické súčiastky. Vtedy to bolo ľahké. Existoval obmedzený počet komponentov, a teda obmedzený počet konfigurácií, inými slovami: obvody boli jednoduchšie. Teraz, v takzvanom informačnom veku, existuje nespočetné množstvo rôznych komponentov a každý elektronický komponent má viac ako tucet modelov a každý model vyrába niekoľko spoločností. Nie je potrebné hovoriť, že každý model a každý komponent špecifický pre spoločnosť sa navzájom líšia. Môžu mať svoje odchýlky, chyby s rôznymi toleranciami, rôzne max. A min. Prevádzkové podmienky a samozrejme môžu mierne zmeniť spôsob, akým obvod reaguje a funguje. Aby toho nebolo málo, v dnešnej dobe sú obvody veľmi zložité; Skladá sa až z desiatok komponentov, ktoré spolu interagujú a vykonávajú rôzne úlohy na základe vstupov.

Ako ste správne uhádli, bolo by nočnou morou pokúsiť sa analyzovať tieto obvody výpočtom alebo ručne. Okrem toho by sa niektoré tolerancie a nuansy stratili alebo zmenili, pretože sú špecifické pre produkt. Tu prichádza na rad simulácia. Využitím sily modernej technológie a špičkových rýchlostí je obvodová analýza, ktorá by zabrala tímom ľudí pracujúcich niekoľko hodín, teraz taká jednoduchá ako nastavenie

Zásoby

-Kicad verzia 5.0 alebo novšia

-Internetové pripojenie na sťahovanie knižníc

Krok 1: Ako sa stane kúzlo?

Predhovorme to tým, že KiCad nezvláda simulácie. KiCad je iba používateľské rozhranie (používateľské rozhranie). Porovnateľnou analógiou by bolo, že KiCad je len prostredníkom medzi vami a simulačným programom, ktorý môže byť jedným z viacerých softvérov nazývaných „SPICE“.

SPICE je skratka pre „simulačný program s dôrazom na integrovaný obvod“. V prípade KiCad je KiCad 5.0 a novší zabalený s programom SPICE s názvom ngspice. Ngspice má svoje zvláštnosti, škytavky a obmedzenia, ale bude to softvér, na ktorý sa zameriame. Ngspice používa „komponenty“na modelovanie správania sa obvodu. To znamená, že okrem kreslenia obvodových schém musíme tiež anotovať a „priradiť“modely k jednotlivým komponentom. Na vyriešenie problému viacerých modelov rovnakých komponentov sa spoločnosť ngspice rozhodla nechať každú spoločnosť vytvoriť „modely korenia“, ktoré replikujú vlastnosti a nuansy ich náprotivkov v reálnom živote, a potom tieto modely zabaliť ako knižnice na stiahnutie, aby sa nakreslil obvod. by bolo také jednoduché ako stiahnutie požadovaných knižníc a priradenie modelu k našim komponentom. Ale to sú všetky reči, pošpinime si ruku a uvidíme, ako to vlastne funguje.

Krok 2: Výber obvodu a modelovanie pasívnych komponentov

Vybrali sme jednoduchý obvod, ktorý nám umožňuje demonštrovať, ako môžeme komponentom poskytovať vlastné hodnoty SPICE a ako môžeme používať komponenty, ktoré uviedli dodávatelia.

Po prvé, ako vidíme z obrázku; v tomto obvode je 8 komponentov • 2 odpor

• 1 9v batéria

• 1 LDR

• 1 tranzistor BC 547 npn

• 1 LED

• 1 reostat •

1 zem

Modelovacie rezistory všetkých typov Ngspice „priraďuje modely“k odporom, inými slovami: rozpoznáva ich. Nemusíme ich teda upravovať ani si pohrávať s knižnicami, aby sme ich vytvorili. Všimli sme si tiež, že existuje reostat a LDR. V ngspice môžu byť obaja modelované ako konštantné odpory, ktoré podľa potreby upravíme ich hodnoty. Inými slovami, ak potrebujeme „zvýšiť svetlo“alebo zvýšiť zaťaženie reostatu, budeme musieť simuláciu zastaviť, upraviť záťaž a potom ju znova spustiť.

Krok 3: Modelovanie zdrojov napätia a uzemnenia

Ngspice nerozpoznáva „štandardné“zdroje napätia; ktoré používa KiCad. Poskytuje knižnicu špeciálne pre zdroje napätia a uzemnenia

Aby sme sa dostali do knižnice, musíme najskôr vybrať kartu „Vybrať symbol“a vyhľadať „korenie“

*Ako je vidieť na (obrázok 1), máme knižnicu „pspice“a „simulation_spice“. V prípade zdrojov napätia chceme prejsť nadol do knižnice simulation_spice a zvoliť zdroj jednosmerného napätia

Potom musíme nastaviť jeho hodnoty, aby to simulátor pochopil, v tomto obvode chceme zdroj 9 V DC. Na zdroji napätia klikneme na „E“a otvorí sa nasledujúca ponuka zobrazená na (obrázok 2). Vyberieme referenčný názov zdroja napätia, napríklad VoltageMain, a potom klikneme na „Upraviť model korenia“. Ako je uvedené vyššie

Potom zvolíme hodnotu dc 9v, a to je asi všetko. Ako je znázornené na (obrázok 3)

Zem

Na zemi znova hľadáme „korenie“a prvým výsledkom je referenčný potenciál 0 V, ako je znázornené na obrázku (obrázok 4). Na rozdiel od bežných schém, softvér pre korenie potrebuje základ, pretože vypočítava svoje napätie na základe referencie 0v.

Krok 4: Modelovanie tranzistora

Ako vidíme na obrázku obvodu, použitý tranzistor je veľmi špecifický model „BC547“. Všeobecne platí, že takmer všetky vyrobené súčiastky nájdete na webových stránkach príslušných výrobcov. Na karte ich nástrojov alebo podpory sa budú nachádzať „simulačné modely“s číslom modelu a relatívnym modelom korenia. V našom prípade som hľadal „bc547“online a zistil som, že ho vyrobila spoločnosť s názvom „Na polovodičoch“. Hľadal som ich webovú stránku „https://www.onsemi.com/“a model som našiel nasledujúcim spôsobom:

• Otvoril som ich kartu „Nástroje a podpora“, pod ňou som našiel kartu zdrojov návrhu. (postava 1)
• Pod návrhovými zdrojmi, ktoré požadovali typ dokumentu, som vybral „Simulačné modely“(obrázok 2)
• Hľadal som časť podľa názvu: „BC547“. Chceme knižnicu, preto sme vybrali „BC547 Lib Model“a stiahli sme si ho. (obrázok 3)
• Po stiahnutí som súbor lib vložil do svojho adresára projektu. Teraz sa môj adresár projektu zobrazuje v pôvodnom okne KiCad, ktoré som otvoril, ako je vidieť na (obrázok 4). Preklikal som sa do tohto adresára, vložil som súbor knižnice, ako je znázornené, a vrátil som sa, aby som ho našiel zobrazený vedľa súborov môjho projektu
• Potom, čo bolo povedané a urobené, nakreslíme symbol tranzistora. Kliknul som pomocou ponuky „symbol miesta“a hľadal som meno. Zistíte, že takmer všetky komponenty existujú v ponuke symbolov ako na (obrázok 5).
• Teraz zostáva priradiť model k symbolu. Na symbole klikneme ako vždy na „E“a potom na „Upraviť model korenia“.

• Ako vidíme, jediné dostupné karty sú modelové, pasívne a zdrojové. Pretože tranzistory nie sú zdrojové ani pasívne, vybrali sme model a rozhodli sme sa doplniť knižnicu, ktorú chceme vyplniť. Ponuka sa najskôr otvorí do adresára projektu, do ktorého sme už našťastie vložili knižnicu. Klikneme na súbor lib.

  • Skvelé !! Teraz ngspice identifikoval tranzistor ako „BC547“a je takmer pripravený na prevádzku. Najprv je potrebné zoradiť jeden malý detail. Musíme povoliť sekvenciu alternatívnych uzlov a napísať „3 2 1“. Dôvod, prečo musíme urobiť tento krok je ten, že ngspice pomenuje 3 terminály tranzistora opačným spôsobom, ako ich ukazuje KiCad. Kolektoru teda môže byť priradených 3, zatiaľ čo KiCad ukazuje 3 ako žiarič. Aby sme predišli zmätkom, prekonfigurujeme poradie pomenovania Spice, ako je znázornené na (obrázok 7)
  • A to je všetko! Tento postup je takmer identický pre modely dodávané všetkými výrobcami. Akonáhle si omotáte hlavu okolo tejto výukovej časti, môžete použiť malý typ elektronického modelu a komponentu len s malým prieskumom.

Krok 5: Modelovanie diód LED

LED diódy sú o niečo zložitejšie v tom, že ich modelovanie vyžaduje určité znalosti o ich parametroch a prispôsobení krivkám. Takže, aby som ich modeloval, jednoducho som vyhľadal „LED ngspice“. Našiel som niekoľko ľudí, ktorí vysielali svoje „LED modely“, a rozhodol som sa ísť s touto „ *Typ ČERVENOU GaAs LED: Vf = 1,7 V Vr = 4 V If = 40 mA trr = 3uS. MODEL LED1 D (IS = 93,2P RS = 42M N = 3,73 BV = 4 IBV = 10U + CJO = 2,97P VJ = 0,75 M = 0,333 TT = 4,32U)? “

V ponuke symbolov vyberieme „LED“a tento kód vložíme do prázdneho priestoru pod knižnicami v časti „Upraviť model korenia“. Tiež zapneme sekvenciu alternatívnych uzlov a napíšeme „2 1“, ako je znázornené na obrázku 1

Po pridaní niekoľkých posledných dotykov, ako sú odpory a pripojenie vodičov, sme pripravení začať simulovať !

Krok 6: Simulácia

Simulácia je komplexná, takže v tomto návode vám vysvetlíme základy a ako môžete začať

• Najprv otvoríme simulátor na karte nástrojov v hornom páse s nástrojmi (obrázok 1)
• Potom prejdeme na kartu simulácie v hornom páse s nástrojmi a klikneme na nastavenia, odkiaľ môžeme určiť, aký druh simulácie chceme spustiť a jej parametre. (obrázok 2)

Chceme spustiť prechodnú simuláciu. Ako možnosti simulácie je k dispozícii aj zametanie DC a AC. Dc sweep zvyšuje hodnotu DC prúdu a hlási zmeny v kruhoch, zatiaľ čo AC monitoruje frekvenčnú odozvu.

• Prechodná analýza však simuluje obvod v reálnom čase. Má 3 parametre, z ktorých použijeme dva. Časový krok je, ako často bude simulátor zaznamenávať výsledky, a konečný čas je po koľkých sekundách sa nahrávanie zastaví. Zadáme 1 milisekundu a 5 milisekundy a potom ok, potom spustíme simuláciu (obrázok 3)
• Ako vidíte, v dolnom textovom displeji nám to ukázalo hodnoty napätia a prúdu naprieč rôznymi komponentmi. Tieto hodnoty by sme tiež mohli graficky znázorniť pomocou tlačidla „pridať signály“a potom zvolením napätia alebo prúdu určitého komponentu. Sondovať môžeme aj po spustení simulácie. Sondovanie nám umožňuje monitorovať krivky napätia a prúdu v určitom komponente priamo kliknutím naň. (obrázok 4)

Krok 7: Balenie

Pretože sa predpokladalo, že tento obvod bude vyrobený s LDR a odporom, môžeme zmeniť odpor obidvoch týchto komponentov a potom obvod znova spustiť, aby sme určili hodnoty odporu, ktoré by sme chceli pre túto LED riadenú svetlom, pomocou tranzistora npn so spoločným emitorom ako spínací obvod.