Symulacje komputerowe są szeroko stosowane w procesie konstruowania wielu rozmaitych urządzeń. Zastępują kosztowne budowanie modeli i prototypów, na przykład w lotnictwie czy motoryzacji. Minimalizacja kosztów wynika głównie z oszczędności czasu potrzebnego na przejście drogi od koncepcji do technicznej lub wizualnej weryfikacji projektowanego przedmiotu lub urządzenia. Symulacje pozwalają też szybko zweryfikować różne warianty projektu i wybrać te, które najlepiej odpowiadają założeniom. Oczywiście symulacje to również koszty, w niektórych przypadkach niemałe. Specjalistyczne oprogramowanie symulacyjne potrafi sporo kosztować, a do jego obsługi potrzebny jest wykwalifikowany personel.

Symulowanie działania układów jest stosowane w elektronice od dawna. Korzyści z tego płynące są nie do przecenienia, również w szeroko rozumianej technice analogowej. Dlatego zawsze warto rozważyć możliwość symulacji działania układu, szczególnie wtedy, kiedy program symulatora i modele potrzebne do symulacji są dystrybuowane bezpłatnie. Jednym z takich bezpłatnych rozwiązań jest pakiet MPLAB MINDI oferowany przez firmę Microchip.

MPLAB MINDI jest programem przeznaczonym do komputerowej symulacji i analizy analogowych układów elektronicznych. To uniwersalne narzędzie zawiera dwa główne elementy:

• Symulator SIMPLIS (SIMulation Piecewise Linear Systems), specjalnie zaprojektowany do wykonywania symulacji układów zasilania impulsowego. Według zapewnień producenta SIMPLIS działa podobnie jak symulator SPICE, ale potrafi wykonać analizę układu od 10 do 50 razy szybciej. Wykorzystana przez SIMPLIS technika modelowania i symulacji PWL (Picewise Linear) ma w rezultacie dać lepszy jakościowo wynik symulacji niż to jest w przypadku SPICE
• SIMetrix – uniwersalny symulator układów analogowych zawierający ulepszoną wersję SPICE, edytor schematów i przeglądarkę przebiegów. Wszytko to umieszczono w zintegrowanym środowisku. SIMetrix jest łatwy w użyciu, oferuje dobrą dokładność i wydajność.

MPLAB MINDI można pobrać ze strony Microchipa. Żeby to zrobić, konieczne jest posiadanie aktywnego konta i zalogowanie się. Po zainstalowaniu rekomendowane jest włączenie automatycznego sprawdzania dostępności najnowszej wersji programu z menu Help-> Check for Updates co dzień, tydzień, miesiąc, lub nigdy. – rysunek 1.

Rysunek 1. Automatyczne sprawdzanie dostępności najnowszej wersji

Po uruchomieniu otwierana jest strona startowa z oknami:

• Create New/Open -otwieranie lub tworzenie nowego schematu dla SIMPLIS lub SIMetric. Jest też możliwość tworzenia nowego elementu oraz otwarcia pliku;
• Application Schematics – wyszukiwanie istniejących schematów zależnie od kategorii;
• Recent Schematics – ostatnio używane schematy;
• MPLAB MINDI Support – linki do elementów pomocy technicznej;

Rysunek 2. Strona startowa MPLAB Mindi

Okno umieszczone z lewej strony może zawierać strukturę plików (zakładka File View), selektor elementów (zakładka Part Selector) lub okno wprowadzania komend (zakładka Command Shell).

W zakładce File View domyślnie jest wyświetlany katalog z przykładami dołączanymi przez producenta. Przykłady są przygotowane oddzielnie dla symulatora SIMetrix i symulatora SIMPLIS. Na rysunku 3 pokazano strukturę katalogów i fragment schematu z przykładu symulacji sterownika zasilacza impulsowego MCP1623, produkowanego przez Microchip.

Rysunek 3. Struktura katalogów zawierających przykładowe schematy

W trakcie zapoznawania się z działaniem symulatora, pierwsze symulacje można przeprowadzić wykorzystując gotowe schematy z przykładów dołączanych do MPLAB Mindi. Na rysunku 4 pokazano jeden z przykładowych schematów układu synchronicznej przetwornicy DC-DC step-up z wykorzystaniem układu Microchip MCP1623.

Rysunek 4. Schemat symulowanej przetwornicy

Symulator daje możliwość oglądania przebiegów zamiany wartości prądu lub napięcia w czasie, w wybranych przez użytkownika punktach układu. Użytkownik musi tylko w trakcie rysowania schematu umieścić w tych punktach sondy napięciowe lub prądowe. W przykładowym schemacie rozmieszczenie sond zostało pokazane na rysunku 4. Przed rozpoczęciem symulacji, jeżeli to konieczne, można zmieniać jej parametry w oknie Choose SIMPLIS Analisys wywoływanym po naciśnięciu klawisza funkcyjnego F8. Okno ustawień ma 3 zakładki: Periodic Operating Point, AC i Transient. Na rysunku 5 pokazano zakładkę AC z ustawieniami przemiatania częstotliwości, częstotliwością startową, częstotliwością końcową i ilością zmian częstotliwości na dekadę.

Rysunek 5. Zakładka AC okna ustawiania parametrów symulacji SIMPLIS

Symulację uruchamia się klawiszem F9. W trakcie jej wykonywania jest otwierane okno SIMPLIS Status – rysunek 6. Jeżeli schemat nie zawiera błędów, to pasek Run Progress jest zabarwiony na zielono. Oznacza to że symulacja nie napotkała problemów i została wykonana w całości.

Rysunek 6. Okno statusu wykonywania symulacji

Symulator działania generuje dwa rodzaje przebiegów wyjściowych: w domenie częstotliwości i w domenie czasu. Przebiegi w domenie częstotliwości, pokazane na rysunku 7, zawierają charakterystyki amplitudowe i fazowe. Daje to projektantowi istotne informacje o stabilności układu w konfiguracji z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego.

Rysunek 7. Wyjściowe przebiegi fazy i wzmocnienia w domenie częstotliwości

Na rysunku 8 pokazano wyjściowe przebiegi prądów i napięć właściwe dla sond umieszczonych na schemacie.

Rysunek 8. Przebiegi symulacji dla sond IOUT, VOUT i VFB

Przykłady przygotowane dla symulatora SIMPLIS pozwalają na szybkie przetestowanie jego możliwości. Są one funkcjonalnie podzielone na grupy, na przykład Analog Functions, Boost Converter, Self-Oscillating-Converter. W grupie Microchip można znaleźć gotowe przykładowe schematy do symulowania sterowników PWM, driverów LED, stabilizatorów liniowych, układów przetwornicy DC/DC (między innymi pokazywany przykład z przetwornicą z układem MCP1623).

Oprócz funkcji edukacyjnej mającej na celu poznanie symulatora, znakomita większość tych przykładów może być wykorzystana w praktyce, po ewentualnych modyfikacjach mających na celu przystosowanie ich do własnych potrzeb.

Podobnie jak dla symulatora SIMPLIS, również dla symulatora SIMetrix przygotowano wiele ciekawych przykładów spełniających podobna rolę edukacyjno-praktyczną. Jednym z takich przykładów jest filtr Butterworth’a 5-tego rzędu zrealizowany na wzmacniaczach operacyjnych MCP6001 – rysunek 9.

Rysunek 9. Schemat filtra Butterworth’a 5-tego rzędu do analizy w symulatorze SIMetrix.

Po uruchomieniu symulacji wejście filtra jest pobudzane impulsem o właściwościach zdefiniowanych na rysunku 10.

Rysunek 10. Parametry symulowanego impulsu wejściowego

Wykres odpowiedzi czasowej filtra na pobudzenie impulsowe został pokazany na rysunku 11, a charakterystyka amplitudowa (linia zielona) i fazowa (linia czerwona) w funkcji częstotliwości na rysunku 12.

Rysunek 11. Odpowiedź filtra na pobudzenie impulsowe

Rysunek 12. Charakterystyki amplitudowa i fazowa filtra

MPLAB Mindi może być mocnym narzędziem w arsenale elektronika-konstruktora. Nie opisywałem tu etapu tworzenia własnych schematów, ale dołączona do programu dokumentacja wyjaśnia to wystarczająco. Przeanalizowanie dołączonych przykładów pozwala na szybkie zorientowanie się w możliwościach symulatora. Z oczywistych względów najbardziej atrakcyjne zastosowania są oparte o elementy produkowane przez Microchip, jednak oferta tego producenta jest tak szeroka, że nietrudno będzie znaleźć odpowiednie rozwiązania dla własnych projektów.