شبیه سازی مدار KiCad: 7 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:52

طراحی و طراحی مدارها یک فرایند قدیمی است ، به اندازه قدیمی ترین قطعات الکترونیکی. آن وقت راحت بود. به عبارت دیگر ، تعداد محدودی از اجزاء و بنابراین تعداد محدودی پیکربندی وجود داشت: مدارها ساده تر بودند. در حال حاضر ، در عصر به اصطلاح اطلاعات ، بیشماری قطعات مختلف وجود دارد و هر قطعه الکترونیکی دارای بیش از دوازده مدل است و هر مدل توسط تعداد انگشت شماری از شرکت ها تولید می شود. نیازی به گفتن نیست که هر مدل و هر جزء خاص شرکت با یکدیگر متفاوت است. آنها ممکن است دارای سوگیری ها ، خطاهای با تحمل های مختلف ، حداکثر و حداقل شرایط عملکرد متفاوت باشند و البته نحوه واکنش و عملکرد مدار را کمی تغییر دهند. مدارها امروزه بسیار پیچیده هستند. متشکل از ده ها جزء که با یکدیگر برای انجام کارهای مختلف بر اساس ورودی تعامل دارند.

همانطور که به درستی حدس زده اید ، تلاش برای تجزیه و تحلیل این مدارها با محاسبه یا دستی ، یک کابوس خواهد بود. علاوه بر این ، برخی از تحمل ها و تفاوت های ظریف به دلیل خاص بودن محصول از بین می روند یا تغییر می کنند. در اینجاست که شبیه سازی وارد می شود. با استفاده از قدرت فناوری مدرن و با سرعت های پیشرفته ، تجزیه و تحلیل مدار که باعث می شد تیم ها ساعت ها کار کنند ، به سادگی تنظیم

تدارکات

نسخه Kicad 5.0 یا بالاتر

-اتصال به اینترنت برای بارگیری کتابخانه ها

مرحله 1: جادو چگونه اتفاق می افتد؟

بیایید این را با گفتن اینکه KiCad شبیه سازی ها را اداره نمی کند ، پیش درآمد کنیم. KiCad فقط یک UI (رابط کاربر) است. یک قیاس قابل مقایسه این است که KiCad فقط یک واسطه بین شما و برنامه شبیه سازی است ، که می تواند یکی از چندین نرم افزار به نام "SPICE" باشد.

SPICE مخفف "برنامه شبیه سازی با تاکید بر مدار مجتمع" است. در مورد KiCad ، KiCad 5.0 و نسخه های بعدی با یک برنامه SPICE به نام ngspice از قبل بسته بندی شده است. Ngspice مزایا ، سکسکه ها و محدودیت های خود را دارد اما نرم افزاری است که ما روی آن تمرکز می کنیم. Ngspice از "Components" برای مدل سازی رفتار مدار استفاده می کند. این بدان معناست که جدا از ترسیم نمودارهای مدار ، ما همچنین باید مدلها را به اجزای جداگانه حاشیه نویسی کرده و "اختصاص" دهیم. برای حل مشکل چندین مدل از اجزای یکسان ، ngspice تصمیم گرفت به هر شرکتی اجازه دهد "مدل های ادویه" بسازد که ویژگی ها و تفاوت های موجود در نمونه واقعی خود را تکرار کند ، و سپس این مدل ها را به عنوان کتابخانه های قابل بارگیری بسته بندی کند ، به طوری که یک مدار را ترسیم کند. به سادگی بارگیری کتابخانه های مورد نیاز و اختصاص مدل به اجزای ما ساده است. اما این همه حرف است ، بیایید دستمان را کثیف کنیم و ببینیم در واقع این چگونه کار می کند.

مرحله 2: انتخاب مدار و مدل سازی اجزای غیرفعال

ما یک مدار ساده را انتخاب کردیم که به ما اجازه می دهد نشان دهیم چگونه می توانیم مقادیر SPICE خود را به اجزا ارائه دهیم و چگونه می توانیم از اجزای مورد استفاده فروشندگان استفاده کنیم

در ابتدا ، همانطور که از شکل مشاهده می کنیم ؛ در این مدار 8 جزء وجود دارد. • 2 مقاومت

• 1 باتری 9 ولت

• 1 LDR

• ترانزیستور 1 BC 547 npn

• 1 عدد LED

• 1 رئوستات •

1 زمین

مدل سازی مقاومت های همه نوع Ngspice "به مدل ها" مقاومت می دهد ، به عبارت دیگر: آنها را تشخیص می دهد. بنابراین نیازی به تغییر آنها نداریم ، یا برای ایجاد آنها با کتابخانه ها کار نمی کنیم. ما همچنین متوجه می شویم که یک رئوستات و یک LDR وجود دارد. در ngspice ، هر دو را می توان به عنوان مقاومت ثابت مدل کرد که ما مقادیر آنها را در صورت نیاز تغییر می دهیم. به عبارت دیگر ، اگر ما نیاز به "افزایش نور" یا افزایش بار رئوستات داشته باشیم ، باید شبیه سازی را متوقف کنیم ، بار را تغییر دهیم و سپس آن را دوباره اجرا کنیم.

مرحله 3: مدلسازی منابع و زمینه های ولتاژ

Ngspice منابع ولتاژ "استاندارد" را تشخیص نمی دهد. مواردی که توسط KiCad استفاده می شود. این کتابخانه به طور خاص برای منابع و محدوده ولتاژ ارائه می دهد

برای دسترسی به کتابخانه ، ابتدا باید برگه "نماد را انتخاب کنید" را انتخاب کرده و عبارت "ادویه" را جستجو کنید.

*همانطور که در (شکل 1) مشاهده می شود ، ما کتابخانه "pspice" و "simulation_spice" را داریم. برای منابع ولتاژ ، می خواهیم به کتابخانه simulation_spice برویم و منبع ولتاژ DC را انتخاب کنیم

پس از آن ، ما باید مقادیر آن را برای درک شبیه ساز تنظیم کنیم ، در این مدار ما یک منبع DC 9 ولت می خواهیم. روی منبع ولتاژ روی "E" کلیک می کنیم و منوی زیر باز می شود که در شکل 2 نشان داده شده است. ما یک نام مرجع برای منبع ولتاژ ، برای مثال VoltageMain ، انتخاب می کنیم و سپس روی "Edit Spice Model" کلیک می کنیم. همانطور که در بالا نشان داده شده

سپس مقدار dc 9v را انتخاب می کنیم ، و این در مورد آن است. همانطور که در (شکل 3) نشان داده شده است

زمین

برای زمین ، ما دوباره "ادویه" را جستجو می کنیم و اولین نتیجه پتانسیل مرجع 0V است که در شکل نشان داده شده است. (شکل 4). برخلاف شماتیک معمولی ، نرم افزار ادویه جات به زمین نیاز دارد زیرا ولتاژهای خود را بر اساس مرجع 0v محاسبه می کند.

مرحله 4: مدل سازی ترانزیستور

همانطور که از تصویر مدار می بینیم ، ترانزیستور مورد استفاده یک مدل بسیار خاص است ، "BC547". به طور کلی ، تقریباً همه قطعات تولید شده در وب سایت سازنده مربوطه یافت می شوند. در زیر ابزار یا برگه پشتیبانی آنها ، "مدل های شبیه سازی" با شماره مدل و یک مدل ادویه نسبی وجود دارد. در مورد ما من "bc547" را به صورت آنلاین جستجو کردم و متوجه شدم که توسط یک شرکت به نام "On semiconductors" ساخته شده است. من وب سایت آنها "https://www.onsemi.com/" را جستجو کردم و مدل را با موارد زیر پیدا کردم:

• من برگه "ابزارها و پشتیبانی" آنها را باز کردم ، در زیر من یک برگه منابع طراحی پیدا کردم. (شکل 1)
• در زیر منابع طراحی آنها نوع سند را درخواست کردند ، من "مدل های شبیه سازی" را انتخاب کردم (شکل 2)
• من قسمت را با نام جستجو کردم: "BC547". ما کتابخانه را می خواهیم ، بنابراین "BC547 Lib Model" را انتخاب کرده و آن را بارگیری می کنیم. (شکل 3)
• پس از بارگیری ، فایل lib را در فهرست پروژه خود قرار دادم. اکنون فهرست پروژه من در پنجره اصلی KiCad که باز کرده ام نشان داده می شود ، همانطور که در شکل 4 مشاهده می شود. من روی آن فهرست کلیک کردم ، فایل کتابخانه را مانند تصویر چسباندم و برگشتم تا آن را در کنار فایلهای پروژه من نشان داده شود.
• پس از همه آنچه گفته شد و انجام شد ، بیایید نماد ترانزیستور را ترسیم کنیم. من با استفاده از منوی "نماد مکان" کلیک کردم و فقط نام آن را جستجو کردم. متوجه می شوید که تقریباً همه اجزا در منوی نمادها مانند (شکل 5) وجود دارد.
• اکنون ، آنچه باقی می ماند ، اختصاص مدل به نماد است. ما مانند همیشه روی نماد "E" و روی "ویرایش مدل ادویه" کلیک می کنیم.

• همانطور که می بینیم ، تنها برگه های موجود مدل ، منفعل و منبع هستند. از آنجا که ترانزیستورها نه منبع هستند و نه منفعل ، ما مدل را انتخاب می کنیم و کتابخانه ای را برای پر کردن انتخاب می کنیم. منو ابتدا به فهرست پروژه باز می شود ، که خوشبختانه قبلاً کتابخانه را در آن قرار داده ایم. روی فایل lib کلیک می کنیم.

  • عالی!! اکنون ngspice ترانزیستور را با نام "BC547" شناسایی کرده و تقریباً آماده کار است. یک جزئیات کوچک وجود دارد که ابتدا باید مرتب شود. ما باید دنباله گره متناوب را فعال کرده و "3 2 1" را تایپ کنیم. دلیل اینکه ما باید این مرحله را انجام دهیم این است که ngspice 3 ترمینال ترانزیستور را به روشی خلاف نحوه نمایش KiCad نامگذاری می کند. بنابراین ، ممکن است 3 به کلکتور اختصاص داده شود در حالی که KiCad 3 را به عنوان فرستنده نشان می دهد. برای جلوگیری از سردرگمی ، ترتیب نامگذاری Spice را مجدداً پیکربندی می کنیم ، همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است.
  • وددد همین است! این فرایند تقریباً برای مدلهای عرضه کننده allvendor یکسان است. هنگامی که سر خود را در اطراف این قسمت آموزشی قرار می دهید ، می توانید از هر نوع مدل و جزء الکترونیکی تنها با کمی تحقیق استفاده کنید.

مرحله 5: مدلسازی LED ها

چراغ های LED کمی پیچیده تر هستند زیرا مدل سازی آنها نیاز به دانش در مورد پارامترها و تنظیم منحنی آنها دارد. بنابراین ، برای مدل سازی آنها ، من فقط "LED ngspice" را جستجو کردم. من چندین نفر را دیدم که "مدلهای LED" خود را ارسال می کردند و تصمیم گرفتم با این " *Typ RED GaAs LED: Vf = 1.7V Vr = 4V If = 40mA trr = 3uS. مدل LED1 D (IS = 93.2P RS = 42M N = 3.73 BV = 4 IBV = 10U + CJO = 2.97P VJ =.75 M =.333 TT = 4.32U)؟"

ما "LED" را از منوی نماد انتخاب کرده و این کد را در "ویرایش مدل ادویه" در فضای خالی زیر کتابخانه ها قرار می دهیم. ما همچنین قصد داریم ترتیب گره های متناوب را روشن کرده و "2 1" را بنویسیم ، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است

پس از افزودن چند لمس نهایی ، مانند مقاومت ها و اتصال سیم ها ، ما آماده شروع شبیه سازی هستیم

مرحله ششم: شبیه سازی

شبیه سازی پیچیده است بنابراین در این آموزش ما اصول اولیه و نحوه شروع کار را توضیح می دهیم

• ابتدا ، شبیه ساز را از برگه ابزار در نوار بالا باز می کنیم (شکل 1)
• سپس به برگه شبیه سازی در نوار بالای صفحه رفته و روی تنظیمات کلیک می کنیم ، از آنجا می توانیم نوع شبیه سازی و پارامترهای آن را مشخص کنیم. (شکل 2)

ما می خواهیم یک شبیه سازی گذرا را اجرا کنیم. رفت و برگشت DC و AC نیز به عنوان گزینه های شبیه سازی موجود است. رفت و برگشت Dc مقدار جریان DC را افزایش می دهد و تغییرات در حلقه ها را گزارش می کند در حالی که AC پاسخ فرکانس را نظارت می کند.

• با این حال ، تجزیه و تحلیل گذرا یک مدار را در زمان واقعی شبیه سازی می کند. دارای 3 پارامتر است که ما از دو پارامتر استفاده می کنیم. گام زمانی این است که شبیه ساز هر چند وقت یکبار نتایج را ثبت می کند و آخرین زمان بعد از چند ثانیه است که ضبط متوقف می شود. 1 میلی ثانیه و 5 میلی ثانیه را وارد می کنیم و سپس ok می کنیم و سپس شبیه سازی را اجرا می کنیم (شکل 3)
• همانطور که می بینید ، در صفحه نمایش متن پایین مقدار ولتاژ و جریان در اجزای مختلف را به ما نشان داد. ما همچنین می توانیم با استفاده از دکمه "افزودن سیگنال" و سپس انتخاب ولتاژ یا جریان یک جزء خاص ، این مقادیر را نمودار کنیم. ما همچنین می توانیم پس از شروع شبیه سازی ، کاوش کنیم. پروبینگ به ما اجازه می دهد تا منحنی های ولتاژ و جریان را در یک جزء مستقیم با کلیک روی آن نظارت کنیم. (شکل 4)

مرحله 7: جمع بندی

از آنجا که فرض بر این بود که این مدار با LDR و یک مقاومت ساخته شده است ، می توانیم مقاومت هر دو این اجزا را تغییر دهیم و سپس مدار را مجدداً برای تعیین مقادیر مقاومت مورد نظر برای این LED کنترل شده با نور با استفاده از یک ترانزیستور npn ساطع کننده مشترک تعیین کنیم. به عنوان مدار سوئیچ