Proiectarea și Simularea de Sisteme cu Microcontrolere în Mediul CAD

CAPITOLUL I

Introducere in medii de simulare

Introducere

Introducerea tehnicii moderne de calcul în laboratoarele de cercetare şi proiectare a dat naştere la un nou termen, din ce în ce mai folosit in limbajul tehnic contemporan : proiectarea asistată de calculator.

Eleganţa acestei metode de proiectare, reducerea dureatei şi costului unui proiect au fost numai câteva din motivele pentru care, în deceniul actual, tot mai multe firme cu renume au scos pe piaţă pachete performante de programe, cu facilităţi deosebite.

Analiza modului în care functionează circuitele electrice implică rezolvarea unui sistem de ecuaţii. Problema cea mai uşoară o constituie determinarea punctului static de funcţionare al unui circuit liniar; rezolvarea acestei probleme cere găsirea soluţiilor unui sistem de ecuaţii algebrice care rezultă din cele două teoreme ale lui Kirchhoff şi din relaţiile constitutive pentru elemetele din laturi (branch constitutive ecuation). În cazul unui circuit mic cu elemente liniare, determinarea prin analiză manuală a soluţiei exacte de c.c. este o problema uşor de rezolvat. Pentru circuitele mai mari găsirea soluţiei de c.c. şi în special al soluţiilor în domeniul frecvenţă sau în domeniul timp devine o problemă foarte complexă. Analiza circuitelor care conţin elemente descrise de o relaţie neliniară între tensiune şi curent sporeşte nivelul de compexitate deoarece implică rezolvarea relaţiilor curent-tensiune neliniare ale elementelor din laturi, simultan cu ecuaţiile rezultate din teoremele lui Kirchhoff. În aceasta situatie prin analiza manuală se poate obţine în general numai o soluţie aproximativă şi numai în cazul unor circuite mici.

În cazul în care trebuie determinată şi comportarea în timp şi/sau frecventă a unui circuit electronic nivelul de complexitate creşte cu încă o treaptă. Ecuaţiile algebrice neliniare devin în acest caz ecuaţii integro-diferenţiale care pot fi rezolvate manual numai în condiţiile unor proximaţii, de exemplu aproximaţia de semnal mic, sau ale altor condiţii restrictive.

Mulţi ani la rând proiectanţii care lucrau cu componente discrete s-au servit, pentru a analiza şi încerca funcţionarea circuitului de realizare a sa pe o placă cu cablaj imprimat. În prezent sunt proiectanţi care folosesc aceasta metoda pentru realizarea de circuite analogice. Această metodă a devenit inadecvată odată cu explozia, în 1964-1965, a tehnologiilor de fabricaţie a circuitelor integrate şi a noilor tehnici de circuit asociate lor. Nu numai ca tranzistoarele într-un chip se comporta diferit de tranzistoarele discrete lipite pe placa cu cablaj imprimat, ci şi funcţiile pe care le realizează componentele integrate diferă de acelea pe care le realizează componentele discrete; de exemplu, în circuitele integrate sarcina standard este un tranzistor, spre deosebire de cazul unui circuit discret unde este un rezistor. Fabricarea unui circuit integrat a fost şi este încă un proces scump atât din punct de vedere al banilor cât şi acela al timpului. Procesul tehnologic de fabricaţie al unui circuit integrat implica mai multe etape. Mai întâi trebuie definite cerinţele pe care le impune procesul, după care se realizează proiectarea electrică şi se generează layout-ul circuitului. În fiecare etapă a procesului de fabricaţie plăci microfotografice prin intermediul cărora se transpune în pachetele de siliciu echivalentul circuitului aşa cum rezultă el din layout. În final pachetele de sliciu sunt testate pentru a verifica funcţionarea corectă a circuitelor pe care le conţin. Acest flux de fabricaţie costisitor impune condiţia ca proiectul electric să fie corect în momentul transferului în siliciu. Proiectantul nu-şi poate permite luxul de a transfera circuitul în siliciu prin metoda încarcărilor repetate, corectând de la o încercare la alta eventuale greşeli. Ca urmare, pentru verificarea corectitudinii proiectului este nevoie de o placă de circuit imprimat virtuală care poate fi produsă cu un calculator prin intermediul unui program de simulare şi de analiză electrică. Programele destinate analizei electrice a reţelelor, fără a utiliza tehnici de rezolvare particulare, dependente de topologia circuitului, a sistemului rezultat prin aplicarea teoremelor lui Kirchhoff şi a relaţiilor constitutive pentru elementele din laturi, sunt denumite simulatoare de circuit.

Alt factor care a contribuit la dezvoltarea programelor de analiză cu calculatorul a circuitelor electrice a fost progresul calculatoarelor digitale. În perioada în care a avut loc “explozia” tehnologiilor de fabricaţie a circuitelor integrate au aparut şi calculatoarele de uz general cum ar fi de exemplu cele din seria IBM 360 care datorită folosirii unei tehnologii hibride (solid-logic tchnology, care utiliza diode semiconductore şi tranzistoare) precursoare a tehnologiei integrate monolitice, au oferit performanţe similare cu cele ale calculatoarelor de azi, având MTBF (timpul mediu între defectări – Mean Time Between Failure) substanţial imbunătăţit faţă de cel al generaţiilor anterioare. În aceeaşi perioadă a apărut şi calculatorul ştiinţific CDC 6400/6600 ale cărui inovaţii arhitecturale au prefaţat principiile super calculatoarelor de astăzi.

Aceşti doi factori tehnologici, circuitele integrate şi calculatoarele puternice, au pus în lumină atât necesitatea cât şi instrumentul realizării automatizării proiectării circuitelor electronice. O serie de cercetători au început prin a studia cele mai bune tehnici şi cei mai buni algoritmi pentru peredictia automată a comportării circuitelor electronice (Pederson 1984). Programele din prima generaţie, cum ar fi de exemplu ECAP 1 în 1965 (IBM 1965), puteau să rezolve numai reţelele cu componente liniare pe porţiuni, iar aria lor de utilizare era destul de restrânsă. Progresele realizate în domeniul tehnicilor numerice au condus la finele anilor ’60 la dezvoltarea de programe de analiză neliniară, cum ar fi de exemplu SPICE 1 denumit iniţial CANCER (Nagel şi Rohrer 1971) şi ECAB II (Branin, Hogsett, Lunde şi Kugell 1971).

Un număr de programe de simulare de circuit denumite din a treia generaţie îşi au rădăcinile în programele de analiză neliniare din generaţia a doua, menţionate anterior. Eforturile de peste două decenii s-au cristalizat în doua simulatoare de circuit care sunt utilizate în prezent cel mai des SPICE 2 (Nagel 1975) şi ASTP (Weeks, Jimenez, Mahoney, Metha, Quassemzadeh şi Scott 1976) denumit în mod curent ASX.

Mediul de simulare PSPICE

SPICE este un simulator de circuit de uz general pentru analiza neliniară de c.c., analiza neliniară tranzitorie, şi analiza liniară de c.a. După cum s-a menţionat mai înainte rezolvă ecuaţiile potenţialelor la noduri. Programul este la fel de potrivit atât pentru rezolvarea circuitelor liniare cât şi a celor neliniare. SPICE poate simula cu aceeaşi precizie circuite care acoperă o gamă variată de aplicaţii: de la surse în comutaţie până la celule de memorie şi amplificatoare de citire.