Komputer to maszyna wykonująca setki, tysiące, miliony czy dzisiaj nawet trudno już policzyć ile operacji na sekundę. Można też zastanawiać się jaka była geneza powstania tego urządzenia. Czy wynikała z potrzeby znalezienia metody lub narzędzia, które by było przydatne do rozwiązywania konkretnych problemów, czy też najpierw powstała koncepcja budowy maszyny liczącej, a zastosowania znajdowano później. Jakby na to nie patrzeć zagadnienia symulacji wydają się bardzo naturalnym zastosowaniem komputerów.

Idea symulacji rzeczywistości z zastosowaniem jakichś urządzeń długo wyprzedzała czasy, w których pojawiły się komputery cyfrowe jakie znamy dzisiaj. Przypomnijmy, że przed nimi dość powszechnie korzystano z komputerów analogowych, za pomocą których możliwe było symulowanie różnych zjawisk fizycznych. Nie była to wprawdzie symulacja w dzisiejszym rozumieniu, chodziło raczej o możliwość uzyskiwania wyników np. nierozwiązywalnych analitycznie równań różniczkowych, ale takie działanie pozwalało przewidywać zachowania fizycznych urządzeń bez ich budowania. Oczywiście wyniki nie były dokładne, trudno było zachować ich powtarzalność i stabilność. Dzięki technice cyfrowej wprowadzono zupełnie nową jakość. Uzyskano bardzo duże dokładności i powtarzalności wyników symulacji. Efekt końcowy w dużym stopniu zależy jednak od jakości i wierności modeli numerycznych zastępujących ich odpowiedniki w rzeczywistych obiektach symulowanych.

Symulacje bardzo szybko znalazły zastosowanie w takich dziedzinach jak inżynieria, materiałoznawstwo, lotnictwo, kosmonautyka czy najbardziej nas interesująca elektronika. Obecnie trudno wyobrazić sobie biuro konstrukcyjne prowadzące prace w jakiejkolwiek dziedzinie, w którym by nie wykorzystywano programów symulacyjnych. Bardzo pozytywnym rozwiązaniem dla elektroników okazało się wprowadzenie języka symulacji Spice, umożliwiającego szybkie i względnie proste tworzenie modeli rzeczywistych podzespołów elektronicznych, oraz pisanie procedur symulujących szeroki zakres zjawisk zachodzących w obwodach elektrycznych i układach elektronicznych z uwzględnieniem układów scalonych.

Genialny pomysł Linear Technology

Projekt urządzenia elektronicznego powstaje w głowie konstruktora. Zwykle jest to najpierw jakaś ogólna koncepcja, którą można utożsamić ze schematem blokowym. Następnie każdy blok jest rozwijany już bardziej szczegółowo. Na tym etapie pojawiają się schematy ideowe i… pierwsze wątpliwości. Bo chociaż wiadomo, jak działa każdy element z osobna, to jak zadziałają one w konkretnej konfiguracji można wnioskować tylko dzięki wiedzy, doświadczeniu, może trochę intuicji konstruktora. Naturalną metodą weryfikacji zastosowanej idei jest budowa danego układu z zastosowaniem rzeczywistych elementów, następnie przyłożenie zakładanych wymuszeń i sprawdzenie odpowiedzi. Problem polega jednak na tym, że montaż układu może zabierać sporo czasu, a gdy coś pójdzie nie tak jak zakładał projektant, można utracić kosztowne elementy. Wreszcie całkiem prawdopodobne jest też popełnienie błędu montażowego, w konsekwencji czego wyniki testów będą zupełnie oderwane od rzeczywistości. Zastosowanie symulacji do weryfikacji koncepcji układowej i poprawności działania układu wydaje się rozwiązaniem idealnym. O ile koncepcję można weryfikować na tzw. przykładach akademickich i elementach idealnych, o tyle mogą one być niewystarczające do wiarygodnej oceny działania później budowanego rzeczywistego układu. Na tym etapie modele brane do symulacji powinny być już jak najbardziej zbliżone do elementów elektronicznych, z których będzie budowany prototyp.

I tu na idealny pomysł wpadła firma Linear Technology, niegdyś producent bardzo atrakcyjnych analogowych układów scalonych. Udostępniła mianowicie program symulacyjny LTspice za darmo, ale… biblioteka podzespołów obejmowała modele rzeczywistych układów produkowanych przez tę firmę. Znalazły się też w niej układy idealne, które mogły być stosowane w rozpatrywaniu zagadnień akademickich. Dużą część biblioteki stanowiły wąsko specjalizowane układy LT wykorzystywane na przykład w przetwornicach napięciowych. Znalazły się w niej również typowe wzmacniacze operacyjne, diody, tranzystory itp. Tą metodą firma przywiązała do siebie klientów, którzy po symulacjach chętnie kupowali wykorzystywane w nich elementy rzeczywiste.

Zaskakujące połączenie Analog Devices i Linear Technology

Producentów analogowych układów scalonych nie ma zbyt wielu. Nie ulega wątpliwości, że jednym z liderów tej branży jest Analog Devices – firma z wieloletnim doświadczeniem, produkująca podzespoły wykorzystywane w produkcji najbardziej zaawansowanej elektroniki. Układy AD znajdziemy w oscyloskopach, analizatorach, urządzeniach telekomunikacyjnych w sprzęcie kosmicznym i militarnym. Dla obserwatorów z boku mogłoby się wydawać, że obie firmy – Analog Devices i Linear Technology – znalazły swoje nisze i będą funkcjonowały podążając swoimi ścieżkami. Aż tu nagle świat obiegła wiadomość, że Analog Devices i Linear Technology połączyły się, a dokładniej Analog Devices wykupił Linear Technology. Chociaż często operacje takie kończą się wycofaniem oferty produktowej firmy wykupionej, to w tym przypadku raczej tak nie będzie. Co więcej, program LTspice jeszcze bardziej zwiększy swoją atrakcyjność, gdyż jego biblioteki zostaną rozszerzone o elementy z oferty Analog Devices, co już jest widoczne w najnowszej wersji LTspice XVII. Użytkownikom pozostaje oczekiwać systematycznego rozszerzania tych bibliotek o kolejne układy AD, w miarę opracowywania ich modeli.

Możliwości programu LTspice

Program LTspice jest narzędziem do wszechstronnej analizy obwodów elektrycznych i elektronicznych. W artykule nie będą rozpatrywane zagadnienia związane z teorią wykorzystywaną do symulacji układów rzeczywistych; skoncentrujemy się wyłącznie na rezultatach widzianych od strony użytkownika, który wszystkich tych teorii nie musi znać.

Do wykonania symulacji w zasadzie nie jest potrzebna znajomość języka Spice, chociaż w pewnych przypadkach może ona ułatwić pracę. Każdą symulację rozpoczyna się od narysowania schematu ideowego. Służy do tego wbudowany edytor graficzny. Użytkownik za pomocą myszki i poleceń zawartych w menu lub uruchamianych skrótami klawiaturowymi wybiera elementy z dostarczanych wraz z programem bibliotek i łączy je tworząc schemat ideowy (rys. 1). Do każdego elementu są przypisane pola opisujące oznaczenie schematowe i wartość znamionową (oporność, pojemność, typ układu scalonego, typ diody itp.).

Rys. 1. Schemat ideowy symulowanego układu utworzony we wbudowanym edytorze programu LTSpice

Program automatycznie nadaje numerację elementów, ale – uwaga! – w przypadku powielania etykiet przypisanych do poszczególnych węzłów obwodu nie różnicuje ich, co może być przyczyną błędów. Po narysowaniu kompletnego schematu ideowego badanego obwodu można od razu rozpoczynać symulację. Na wstępie sprawdzana jest poprawność schematu. Jeśli zostanie znaleziony jakiś błąd, jest on sygnalizowany i dalsze działania są wstrzymywane.

Co można analizować poprzez symulację?

Chciałoby się powiedzieć wszystko, ale oczywiście nie byłoby to prawdą. Zakres analizy obejmuje jednak wszystkie najważniejsze parametry każdego obwodu elektrycznego. Są to:

• „Transient” – odpowiedź układu na pobudzenie zadanym sygnałem doprowadzonym do węzła. W wyniku tej symulacji uzyskuje się wykres czasowy sygnału w dowolnym węźle układu. Użytkownik określa czas symulacji uwzględniając ominięcie początkowego fragmentu o zadanej długości, w którym mogą ewentualnie występować stany nieustalone. Do wyboru jest też kilka innych opcji (rys. 2).

Rys. 2. Pomiar odpowiedzi układu na wymuszenie zadanym sygnałem

• „AC Analysis” – analiza AC czyli badanie charakterystyki częstotliwościowej układu. Określany jest typ przemiatania częstotliwości (Octave, Decade, Linear , List), liczba punktów, częstotliwość początkowa i końcowa (rys. 3). Na wykresach przedstawiana jest charakterystyka amplitudowo-fazowa napięcia lub prądu we wskazanym punkcie obwodu.

Rys. 3. Analiza częstotliwościowa układu

• „DC sweep” – stałoprądowa charakterystyka przejściowa U_wy=f(U_we). Parametrami tego pomiaru są: źródło lub źródła sygnału wejściowego i węzeł wyjściowy, którym jest zwykle wyjście układu. W tej symulacji wszystkie kondensatory są rozwierane, a indukcyjności zwierane (rys. 4).

Rys. 4. Analiza charakterystyki przejściowej

• „Noise” – szum. Analiza szumowa zlinearyzowanego obwodu dla ustalonego stałoprądowego punktu pracy. Parametrami tego pomiaru są: węzeł wyjściowy, źródło sygnału wejściowego, typ przemiatania (Octave, Decade, Linear , List), liczba punktów, częstotliwość początkowa i końcowa (rys. 5). W wyniku symulacji uzyskiwana jest charakterystyka szumu w funkcji częstotliwości.

Rys. 5. Analiza szumowa badanego układu

• „DC Transfer” – stałoprądowa funkcja przenoszenia dla małych sygnałów dająca w wyniku wartość wzmocnienia, impedancję wejściową i wyjściową (rys. 6).

Rys. 6. Analiza „DC Transfer”

• „DC op pnt” – stałoprądowy punkt pracy. Obliczane są napięcia we wszystkich węzłach badanego obwodu i prądy we wszystkich gałęziach (rys. 7). Informacja o tych parametrach jest podawana zbiorczo w tabeli. Po naprowadzeniu kursora na wybrany węzeł obwodu, w dolnym rogu ekranu wyświetlana jest informacja o napięciu w tym węźle, a po kliknięciu wartość tego napięcia jest umieszczana trwale na schemacie. Aby podobną metodą uzyskać informację o prądach gałęziowych należy postępować podobnie, przy czym należy wskazać jakiś element obwodu znajdujący się w wybranej gałęzi. Oprócz natężenia prądu podawana jest moc rozpraszana w tym elemencie.

a) 

b)

Rys. 7. Obliczanie stałoprądowego punktu pracy a) dla ustalonych wartości elementów, b) dla wartości elementów zadawanych parametrycznie

Narzędzia pomocnicze

Program LTspice udostępnia szereg dodatkowych narzędzi ułatwiających rysowanie schematów i wybieranie opcji symulacji, a także końcowej prezentacji wyników. Część z nich jest aktywna tylko w komercyjnej wersji programu, ale ich blokada tylko w niewielkim stopniu ogranicza funkcjonalność programu. Dla bardziej zaawansowanych użytkowników bardzo pomocne będą na pewno skróty klawiaturowe. Będziemy je poznawać w kolejnych artykułach cyklu przy okazji przykładowych symulacji.

Następne artykuły będą poświęcone edycji schematów, symulacji zmiennoprądowej oraz symulacji czasowej.