Моделирование схемы KiCad: 7 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:48

Чертеж и проектирование схем - это старый процесс, такой же старый, как первые электронные компоненты. Тогда это было легко. Было ограниченное количество компонентов и, следовательно, ограниченное количество конфигураций, другими словами: схемы были проще. Теперь, в так называемый информационный век, существует огромное множество различных компонентов, и каждый электронный компонент имеет более дюжины моделей, и каждая модель производится несколькими компаниями. Излишне говорить, что каждая модель и каждый компонент, специфичный для компании, отличаются друг от друга. У них могут быть свои смещения, ошибки с разными допусками, разные максимальные и минимальные рабочие условия и, конечно, они могут немного изменить то, как схема реагирует и работает. В довершение ко всему, схемы в наши дни очень сложны; состоящий из нескольких десятков компонентов, которые взаимодействуют друг с другом для выполнения различных задач в зависимости от входных данных.

Как вы правильно догадались, было бы кошмаром пытаться проанализировать эти схемы расчетом или вручную. Кроме того, некоторые допуски и нюансы могут быть потеряны или изменены, поскольку они зависят от продукта. Именно здесь на помощь приходит моделирование. Используя мощь современных технологий и ультрасовременные скорости, анализ схемы, который потребовал бы многочасовых рабочих групп, теперь так же прост, как установка

Запасы

-Kicad версии 5.0 или новее

-Интернет-соединение для загрузки библиотек

Шаг 1. Как происходит волшебство?

Давайте начнем с того, что скажем, что KiCad не поддерживает моделирование. KiCad - это просто пользовательский интерфейс (пользовательский интерфейс). Сравнимая аналогия заключается в том, что KiCad является просто посредником между вами и программой моделирования, которая может быть одним из нескольких программ под названием «SPICE».

SPICE - это сокращение от «Программа моделирования с акцентом на интегральную схему». В случае KiCad KiCad 5.0 и более поздних версий поставляется с предустановленной программой SPICE под названием ngspice. У Ngspice есть свои причуды, сбои и ограничения, но мы сосредоточимся на этом программном обеспечении. Ngspice использует «Компоненты» для моделирования поведения схемы. Это означает, что помимо рисования принципиальных схем мы также должны аннотировать и «назначать» модели отдельным компонентам. Чтобы решить проблему нескольких моделей одних и тех же компонентов, ngspice решила позволить каждой компании создавать «пряные модели», которые воспроизводят свойства и нюансы их реальных аналогов, а затем упаковать эти модели в виде загружаемых библиотек, чтобы нарисовать схему будет так же просто, как загрузить необходимые библиотеки и назначить модель нашим компонентам. Но это все разговоры, давайте запачкаем руки и посмотрим, как это на самом деле работает.

Шаг 2: Выбор схемы и моделирование пассивных компонентов

Мы выбрали простую схему, которая позволяет нам продемонстрировать, как мы можем предоставить наши собственные значения SPICE компонентам и как мы можем использовать компоненты, перечисленные поставщиками.

Во-первых, как видно из рисунка; В этой схеме 8 компонентов. • 2 резистора

• 1 батарея 9 В

• 1 LDR

• 1 транзистор BC 547 npn

• 1 светодиод

• 1 реостат •

1 земля

Моделирующие резисторы всех типов Ngspice «назначает модели» сопротивлениям, другими словами: распознает их. Поэтому нам не нужно изменять их или возиться с библиотеками, чтобы создать их. Также замечаем, что есть реостат и LDR. В ngspice они оба могут быть смоделированы как постоянные резисторы, и мы будем изменять их значения по мере необходимости. Другими словами, если нам нужно «усилить свет» или увеличить нагрузку на реостат, нам придется остановить моделирование, изменить нагрузку и затем повторно запустить ее.

Шаг 3: Моделирование источников напряжения и заземления

Ngspice не распознает «стандартные» источники напряжения; те, которые используются KiCad. Он предоставляет библиотеку специально для источников напряжения и заземления.

Чтобы получить доступ к библиотеке, сначала мы должны выбрать вкладку «Выбрать символ» и выполнить поиск по запросу «специя».

* Как видно на (рисунок 1), у нас есть библиотеки «pspice» и «Simulation_spice». Для источников напряжения мы хотим прокрутить вниз до библиотеки Simulation_spice и выбрать источник постоянного напряжения.

После этого мы должны установить его значения, чтобы симулятор понял, что в этой схеме нам нужен источник постоянного тока 9 В. Щелкаем «E» на источнике напряжения, и открывается следующее меню, показанное на (рис. 2). Мы выбираем эталонное имя для источника напряжения, например, VoltageMain, а затем нажимаем «Редактировать модель Spice». Как показано выше

Затем мы выбираем значение постоянного тока 9 В, и все. Как показано на (рис. 3)

Земля

Для заземления мы снова ищем «пряность», и первым результатом будет опорный потенциал 0 В, как показано на (рис. 4). В отличие от обычных схем, программному обеспечению Spice требуется заземление, поскольку оно рассчитывает свои напряжения на основе опорного напряжения 0 В.

Шаг 4: Моделирование транзистора

Как видно из схемы, в качестве транзистора используется очень специфическая модель BC547. Как правило, почти все производимые компоненты можно найти на веб-сайтах соответствующих производителей. На их вкладке инструментов или поддержки будут «имитационные модели» с указанием номера модели и относительной модели специй. В нашем случае я поискал «bc547» в Интернете и обнаружил, что он был произведен компанией «О полупроводниках». Я поискал их веб-сайт «https://www.onsemi.com/» и нашел модель, выполнив следующие действия:

• Я открыл их вкладку «Инструменты и поддержка», под ней нашел вкладку дизайнерских ресурсов. (Рисунок 1)
• Под ресурсами по проектированию, которые они просили указать тип документа, я выбрал «Имитационные модели» (рисунок 2).
• Я искал деталь по названию: «BC547». Нам нужна библиотека, поэтому мы выбираем «BC547 Lib Model» и загружаем ее. (рисунок 3)
• После загрузки я помещаю файл lib в каталог своего проекта. Теперь каталог моего проекта отображается в исходном окне KiCad, которое я открыл, как показано на (рис. 4). Я щелкнул по пути в этот каталог, вставил файл библиотеки, как показано, и вернулся, чтобы найти его рядом с файлами моего проекта.
• После всего, что было сказано и сделано, нарисуем символ транзистора. Я щелкнул, используя меню «символ места», и просто искал имя. Вы обнаружите, что почти все компоненты присутствуют в меню символов, как показано на (рис. 5).
• Теперь остается присвоить модель символу. Мы нажимаем «E», как всегда, на символе, и нажимаем «Редактировать модель специи».

• Как мы видим, доступны только вкладки «Модель», «Пассив» и «Источник». Поскольку транзисторы не являются ни источниками, ни пассивными, мы выбираем модель и подключаем библиотеку для заполнения. Сначала открывается меню с каталогом проекта, в который, к счастью, уже помещена библиотека. Щелкаем по файлу lib.

  • Большой!! Теперь ngspice идентифицировал транзистор как «BC547» и почти готов к работе. В первую очередь нужно разобрать одну крошечную деталь. Мы должны включить альтернативную последовательность узлов и ввести «3 2 1». Причина, по которой мы должны выполнить этот шаг, заключается в том, что ngspice называет 3 вывода транзистора способом, противоположным тому, как их показывает KiCad. Таким образом, для коллектора может быть назначено 3, в то время как KiCad показывает 3 как эмиттер. Чтобы избежать путаницы, мы изменили порядок именования Spice, как показано на (рис. 7).
  • Anddddd вот и все! Этот процесс практически идентичен для всех моделей поставщиков расходных материалов. После того, как вы ознакомитесь с этой учебной частью, вы сможете использовать любой тип электронной модели и компонента после небольшого исследования.

Шаг 5: моделирование светодиодов

Светодиоды немного сложнее в том смысле, что их моделирование требует некоторых знаний об их параметрах и подборе кривой. Итак, чтобы смоделировать их, я просто посмотрел «LED ngspice». Я обнаружил, что несколько человек публикуют свои «модели светодиодов», и я решил использовать этот «* Типичный КРАСНЫЙ GaAs-светодиод: Vf = 1,7 В, Vr = 4 В, если = 40 мА, trr = 3 мкс. МОДЕЛЬ 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)? »

Мы выберем «LED» из меню символов и вставим этот код в пустое место под библиотеками в «Редактировать модель специй». Мы также собираемся включить альтернативную последовательность узлов и написать «2 1», как показано на рисунке 1

После добавления некоторых последних штрихов, таких как резисторы и подключение проводов, мы готовы приступить к моделированию

Шаг 6: моделирование

Симуляция сложна, поэтому в этом уроке мы объясним основы и объясним, как вы можете начать

• Сначала мы открываем симулятор на вкладке инструментов на верхней ленте (рисунок 1).
• Затем мы переходим на вкладку моделирования в верхней ленте и щелкаем настройки, оттуда мы можем указать, какой тип моделирования мы хотим запустить, и его параметры. (фигура 2)

Мы хотим запустить переходное моделирование. В качестве вариантов моделирования доступны также развертки по постоянному и переменному току. Развертка по постоянному току увеличивает значение постоянного тока и сообщает об изменениях в кружках, в то время как переменный ток отслеживает частотную характеристику.

• Однако анализ переходных процессов моделирует схему в реальном времени. У него 3 параметра, из которых мы собираемся использовать два. Временной шаг - это то, как часто симулятор будет записывать результаты, а окончательное время - через сколько секунд запись остановится. Мы вводим 1 миллисекунду и 5 миллисекунд, затем ОК, а затем запускаем моделирование (рисунок 3).
• Как видите, на нижнем текстовом дисплее отображаются значения напряжения и тока различных компонентов. Мы также можем построить график этих значений, используя кнопку «Добавить сигналы» и затем выбирая напряжение или ток определенного компонента. Мы также можем зондировать после запуска моделирования. Зондирование позволяет нам отслеживать кривые напряжения и тока в определенном компоненте, щелкнув его напрямую. (рисунок 4)

Шаг 7. Заключение

Поскольку предполагалось, что эта схема будет сделана с LDR и резистором, мы можем изменить сопротивление обоих этих компонентов, а затем перезапустить схему, чтобы определить значения сопротивления, которые мы хотели бы для этого светодиода, используя npn-транзистор с общим эмиттером. как схема переключателя.