KiCad shēmas simulācija: 7 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:51

Shēmu zīmēšana un projektēšana ir vecs process, tikpat vecs kā pirmās elektroniskās sastāvdaļas. Toreiz bija viegli. Bija ierobežots komponentu skaits un tāpēc ierobežots konfigurāciju skaits, citiem vārdiem sakot: shēmas bija vienkāršākas. Tagad, tā sauktajā informācijas laikmetā, ir neskaitāmi DAUDZ dažādu komponentu, un katrai elektroniskajai sastāvdaļai ir vairāk nekā ducis modeļu, un katru modeli ražo saujiņas uzņēmumu. Lieki piebilst, ka katrs modelis un katra uzņēmuma sastāvdaļa atšķiras. Viņiem var būt savi aizspriedumi, kļūdas ar dažādām pielaidēm, dažādi maksimālie un minimālie darbības apstākļi, un, protams, tie var nedaudz mainīt ķēdes reakciju un darbību. Visbeidzot, shēmas mūsdienās ir ļoti sarežģītas; sastāv no desmitiem komponentu, kas mijiedarbojas, lai veiktu dažādus uzdevumus, pamatojoties uz ievadīto informāciju.

Kā jūs pareizi uzminējāt, būtu murgs mēģināt analizēt šīs shēmas ar aprēķiniem vai ar rokām. Turklāt dažas pielaides un nianses tiktu zaudētas vai mainītas, jo tās attiecas uz konkrētu produktu. Šeit tiek izmantota simulācija. Izmantojot mūsdienu tehnoloģiju spējas un progresīvus ātrumus, ķēdes analīze, kas ļautu stundām ilgi strādājošu cilvēku komandām, tagad ir tik vienkārša kā iestatīt

Piegādes

-Kicad versija 5.0 vai jaunāka

-Interneta savienojums, lai lejupielādētu bibliotēkas

1. solis: kā notiek maģija?

Ievadam to, sakot, ka KiCad nerīkojas ar simulācijām. KiCad ir tikai lietotāja interfeiss (UI). Līdzīga analoģija būtu tāda, ka KiCad ir tikai starpnieks starp jums un simulācijas programmu, kas varētu būt viena no vairākām programmatūrām ar nosaukumu “SPICE”.

SPICE ir saīsinājums no “Simulācijas programma ar integrētās shēmas uzsvaru”. KiCad gadījumā KiCad 5.0 un jaunākas versijas ir iepriekš iepakotas ar SPICE programmu ar nosaukumu ngspice. Ngspice ir savas dīvainības, žagas un ierobežojumi, taču tā būs programmatūra, uz kuru mēs koncentrēsimies. Ngspice izmanto “komponentus”, lai modelētu ķēdes uzvedību. Tas nozīmē, ka, izņemot shēmu shēmu zīmēšanu, mums ir arī jāpievieno komentāri un jāpiešķir modeļi atsevišķām sastāvdaļām. Lai atrisinātu vairāku vienādu komponentu modeļu problēmu, ngspice nolēma ļaut katram uzņēmumam izveidot “garšvielu modeļus”, kas atkārto to reālās dzīves līdzinieku īpašības un nianses, un pēc tam iesaiņot šos modeļus kā lejupielādējamas bibliotēkas, lai rasētu ķēdi būtu tik vienkārši, kā lejupielādēt nepieciešamās bibliotēkas un piešķirt modeli mūsu komponentiem. Bet tas ir viss runāt, sasmērēsim roku un redzēsim, kā tas patiesībā darbojas.

2. darbība: shēmas izvēle un pasīvo komponentu modelēšana

Mēs izvēlējāmies vienkāršu shēmu, kas ļauj mums parādīt, kā mēs varam nodrošināt komponentiem savas SPICE vērtības un kā mēs varam izmantot piegādātāju uzskaitītos komponentus

Pirmkārt, kā mēs redzam no attēla; šai shēmai ir 8 komponenti. • 2 rezistori

• 1 9V akumulators

• 1 LDR

• 1 BC 547 npn tranzistors

• 1 gaismas diode

• 1 reostats •

1 zeme

Visu veidu modelēšanas rezistori Ngspice “piešķir modeļus” pretestībām, citiem vārdiem sakot: atpazīst tos. Tāpēc mums tie nav jāmaina vai jākopj bibliotēkas, lai tos izveidotu. Mēs arī pamanām, ka ir reostats un LDR. Ngspice, tos abus var modelēt kā pastāvīgus rezistorus, un mēs mainīsim to vērtības pēc nepieciešamības. Citiem vārdiem sakot, ja mums ir nepieciešams “palielināt gaismu” vai palielināt reostata slodzi, mums būs jāpārtrauc simulācija, jāmaina slodze un pēc tam tā jāatsāk.

3. solis: Sprieguma avotu un zemju modelēšana

Ngspice neatpazīst “standarta” sprieguma avotus; tos, kurus izmanto KiCad. Tas nodrošina bibliotēku, kas īpaši paredzēta sprieguma avotiem un pamatiem

Lai piekļūtu bibliotēkai, vispirms jāizvēlas cilne “Izvēlēties simbolu” un jāmeklē “garšviela”

*Kā redzams (1. attēlā), mums ir bibliotēka “pspice” un “simulation_spice”. Sprieguma avotiem mēs vēlamies ritināt uz leju līdz simulation_spice bibliotēkai un izvēlēties līdzstrāvas sprieguma avotu

Pēc tam mums ir jāiestata tās vērtības, lai simulators to saprastu, šajā shēmā mēs vēlamies 9v līdzstrāvas avotu. Mēs uz sprieguma avota noklikšķinām uz “E” un tiek atvērta šāda izvēlne, kas parādīta (2. attēls). Mēs izvēlamies sprieguma avota atsauces nosaukumu, piemēram, VoltageMain, un pēc tam noklikšķiniet uz “Rediģēt garšvielu modeli”. Kā parādīts iepriekš

Tad mēs izvēlamies vērtību dc 9v, un tas ir par to. Kā parādīts (3. attēlā)

Zeme

Attiecībā uz zemi mēs atkal meklējam “spice”, un pirmais rezultāts ir 0V atsauces potenciāls, kā parādīts attēlā. (4. attēls). Atšķirībā no parastajām shēmām, garšvielu programmatūrai ir nepieciešama zeme, jo tā aprēķina spriegumu, pamatojoties uz 0 V atsauci.

4. solis: tranzistora modelēšana

Kā redzam no shēmas attēla, izmantotais tranzistors ir ļoti specifisks modelis “BC547”. Parasti gandrīz visi saražotie komponenti ir atrodami to ražotāja vietnē. Viņu rīka vai atbalsta cilnē būs “simulācijas modeļi” ar modeļa numuru un relatīvo garšvielu modeli. Mūsu gadījumā es tiešsaistē meklēju “bc547” un atklāju, ka to ražojis uzņēmums “Par pusvadītājiem”. Es meklēju viņu vietni “https://www.onsemi.com/” un atradu modeli, rīkojoties šādi:

• Es atvēru viņu cilni “Rīki un atbalsts”, zem es atradu dizaina resursu cilni. (1. attēls)
• Zem dizaina resursiem viņi pieprasīja dokumenta veidu, es izvēlējos “Simulācijas modeļi” (2. attēls)
• Es meklēju daļu pēc nosaukuma: “BC547”. Mēs vēlamies bibliotēku, tāpēc mēs izvēlamies “BC547 Lib Model” un lejupielādējam to. (3. attēls)
• Pēc lejupielādes es ievietoju lib failu savā projektu direktorijā. Tagad mans projektu direktorijs tiek parādīts sākotnējā KiCad logā, kuru es atvēru, kā redzams 4. attēlā. Es noklikšķināju uz šo direktoriju, ielīmēju bibliotēkas failu, kā parādīts, un atgriezos, lai atrastu to parādītu kopā ar mana projekta failiem
• Pēc visa teiktā un izdarīt, uzzīmēsim tranzistora simbolu. Es noklikšķināju, izmantojot izvēlni “vietas simbols”, un vienkārši meklēju nosaukumu. Jūs atklājat, ka simbolu izvēlnē ir gandrīz visas sastāvdaļas, kā parādīts 5. attēlā.
• Tagad paliek modeļa piešķiršana simbolam. Mēs kā vienmēr noklikšķiniet uz simbola “E” un noklikšķiniet uz “Rediģēt garšvielu modeli”.

• Kā redzam, vienīgās pieejamās cilnes ir modelis, pasīvs un avots. Tā kā tranzistori nav ne avoti, ne pasīvi, mēs izvēlamies modeli un pievienojam bibliotēku, lai to aizpildītu. Izvēlne vispirms tiek atvērta projekta direktorijā, kurā mēs esam laimīgi, ka jau esam ievietojuši bibliotēku. Mēs noklikšķinām uz lib faila.

  • Lieliski !! Tagad ngspice ir identificējis tranzistoru kā “BC547” un ir gandrīz gatavs darbam. Vispirms ir jāsakārto viena sīka detaļa. Mums ir jāiespējo alternatīva mezglu secība un jāievada “3 2 1”. Iemesls, kāpēc mums ir jādara šis solis, ir tas, ka ngspice nosauc 3 tranzistoru termināļus pretēji tam, kā KiCad tos parāda. Tātad, iespējams, kolektoram ir piešķirti 3, savukārt KiCad kā emitētājs rāda 3. Lai izvairītos no neskaidrībām, mēs pārkonfigurējam Spice nosaukumu piešķiršanas secību, kā parādīts (7. attēls)
  • Un tā tas ir! Šis process ir gandrīz identisks allvendor-piegādes modeļiem. Kad esat aptinusi galvu ap šo apmācības daļu, varat izmantot jebkura veida elektronisko modeli un komponentu, tikai nedaudz izpētot.

5. darbība: gaismas diodes modelēšana

Gaismas diodes ir nedaudz sarežģītākas, jo to modelēšana prasa zināmas zināšanas par to parametriem un līkņu pielāgošanu. Tātad, lai tos modelētu, es vienkārši uzmeklēju “LED ngspice”. Es atklāju, ka vairāki cilvēki publicē savus “LED modeļus”, un es nolēmu izmantot šo “*Tip RED GaAs LED: Vf = 1.7V Vr = 4V If = 40mA trr = 3uS. MODEL LED1 D (IS = 93.2P RS = 42M N = 3.73 BV = 4 IBV = 10U + CJO = 2.97P VJ =.75 M =.333 TT = 4.32U)?”

Mēs izvēlēsimies “LED” no simbolu izvēlnes un ielīmēsim šo kodu tukšajā vietā zem bibliotēkām sadaļā “Rediģēt garšvielu modeli”. Mēs arī ieslēgsim alternatīvo mezglu secību un rakstīsim “2 1”, kā parādīts 1. attēlā

Pēc pēdējo pieskārienu, piemēram, rezistoru un vadu pievienošanas, esam gatavi sākt simulēt

6. darbība: simulācija

Simulēšana ir sarežģīta, tāpēc šajā apmācībā mēs izskaidrosim pamatus un to, kā jūs varat sākt

• Pirmkārt, mēs atveram simulatoru no cilnes Rīki augšējā lentē (1. attēls)
• Tad mēs dodamies uz simulācijas cilni augšējā lentē un noklikšķiniet uz iestatījumiem, no turienes mēs varam norādīt, kāda veida simulāciju mēs vēlamies palaist, un tās parametrus. (2. attēls)

Mēs vēlamies veikt pārejošu simulāciju. Ir arī DC un AC slaucīšana kā simulācijas iespējas. Līdzstrāvas slaucīšana palielina līdzstrāvas vērtību un ziņo par izmaiņām aprindās, kamēr maiņstrāva uzrauga frekvences reakciju.

• Tomēr pārejoša analīze simulē ķēdi reālā laikā. Tam ir 3 parametri, no kuriem mēs izmantosim divus. Laika solis ir tas, cik bieži simulators reģistrēs rezultātus, un pēdējais laiks ir pēc cik sekundēm ierakstīšana tiks pārtraukta. Mēs ievadām 1 milisekundi un 5 milisekundes un pēc tam ok, un pēc tam veicam simulāciju (3. attēls)
• Kā redzat, apakšējā teksta displejā tas parādīja sprieguma un strāvas vērtības dažādās sastāvdaļās. Mēs varētu arī attēlot šīs vērtības, izmantojot pogu “Pievienot signālus” un pēc tam izvēloties noteiktas sastāvdaļas spriegumu vai strāvu. Mēs varam pārbaudīt arī pēc simulācijas uzsākšanas. Zondēšana ļauj mums kontrolēt sprieguma un strāvas līknes noteiktā komponentā tieši, noklikšķinot uz tā. (4. attēls)

7. solis: iesaiņošana

Tā kā šī shēma tika izgatavota ar LDR un rezistoru, mēs varam mainīt abu šo komponentu pretestību un pēc tam atkārtoti palaist ķēdi, lai noteiktu pretestības vērtības, kuras mēs vēlētos šai gaismas kontrolētajai gaismas diodei, izmantojot kopēja emitētāja npn tranzistoru kā slēdža ķēde.