SPICE - תוכנית סימולציה עם Integrated Circle Emphasis - הוא כלי אבן הפינה לניתוח מעגלים אלקטרוניים לפני סימולציה פיזית prototyping. שפותחה במקור באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, SPICE התפתחה לסטנדרט בתעשייה עבור אימות אנלוגי, דיגיטלי, ושילוב של עיצובים DSP. עבור מהנדסים עובדים עם עיבוד אותות דיגיטליים (DSP) מעגלים, SPICE מספקת סביבה קפדנית כדי לבדוק, מדגימים את התרגילים מתקדמים, לזהות מגבלות מחזוריות וגרסאות סטנדרטיות של זמן מתקדמות, וגרסאות מחזוריות.

הבנת SPICE ותפקידה בעיצוב מעגלי DSP

בליבתו, SPICE פותרת את המערכת של משוואות שונות המתארות את ההתנהגות החשמלית של מעגל.זה משתמש בניתוח nodal ושילוב מספרי כדי למקם מתחים בכל צומת וזרמים דרך כל רכיב. בעוד SPICE נבנה במקור עבור מעגלים אנלוגיים, הגמישות שלו הופכת אותו לערך שווה עבור עיצובים ממוקדים DSP.

הניתוחים המרכזיים הרלוונטיים לתכנון המעגל של DSP כוללים:

  • (FLT:0) Transient AnalysisofLT:1: Simulates Circleהתנהגות על מרווח זמן מוגדר. אידיאלי לצפייה כיצד מסנן מגיב לקלט או רכבת הדופק.
  • (FLT:0)AC סוויפיראטפל 1:1: השלמת התגובה הקטנה לתדירות גבוהה.הכרחי לקביעת תדרי חיתוך, רווח, והחלפת שלב של מסננים ומגברים המשמשים ב-DSP Front-ends.
  • (FLT:0)DC AnalysisofLT:1: מצא את נקודת התפעול של המדינה היציבה. שימושי עבור הטיה של רכיבים אנלוגיים לפני סימולציה חולפת או AC.
  • (FLT:0)Parametric סוויפסד 1:1: Varies ערך רכיב (למשל, התנגדות או capacitor) כדי לראות את ההשפעה שלה על ביצועי מעגלים, סיוע אופטימיזציה של בלוקים בניין DSP.

הבנת סוגי הניתוחים האלה מאפשרת לך לבחור את השיטה המתאימה ביותר עבור הערכה ספציפית של המעגל DSP.לדוגמה, מסנן נמוך-pass במקלט תקשורת דיגיטלית צריך להיבדק עם ניתוח transient (לראות עיצוב הדופק בזמן) ו- AC גורף (כדי לאמת את רול-off ו רוחב פס).

מתחילים עם SPICE עבור DSP Cסימולציה

בחירת סימולטור SPICE

מספר סימולטורים SPICE זמינים, כל אחד עם יתרונות עבור DSP עבודה. האפשרויות הפופולריות ביותר כוללים:

  • (ב) .0. [ה]: סימולטור בעל ביצועים גבוהים, בעל ביצועים גבוהים ממכשירים Analog עם ספרייה גדולה של רכיבים פסיביים ופעילים.מנוע הסימולציות המהיר שלה וצופה גלפור משולב הופך אותו לבחירה העליונה עבור מסנן DSP וסימולציות מגבר.FLT:2Down LTspice מ- Analog hydrophigture: 3LT3FLT
  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0)PSpiceigeof 1 (ה) : כלי מסחרי מ- Cadence, בשימוש נרחב בתעשייה.הוא מציע אפשרויות ניתוח מתקדמות כמו מונטה קרלו וניתוח הגרוע ביותר, בעל ערך עבור מוצרים DSP בעלי אחריות גבוהה.

עבור רוב משימות סימולציה DSP, LTspice מספק איזון מצוין של תכונות, ביצועים, עלות (חינם) זה כולל לכידת סכימטי, מנוע סימולציה מבוסס netlist, ותיעוד נרחב.התחל על ידי התקנת סימולטור הנבחר שלך היכרות עם ממשק שלה - עורך סכימטי, כניסה סימולציה, וצופה גלפורמול.

יצירת המעגל Schematic עבור יישומי DSP

בעורך הסכימטי, רכיבי המקום הנפוצים במעגלי DSP.אבני בניין טיפוסיות כוללים:

  • (FLT:0) מבצע AmplifiersFLT:1: בשימוש במסנן פעיל לתנצלויות כמו Sallen-Key, משוב רב, ופילטרים בעלי יכולת המדינה. LTspice כולל מודלים עבור דגימת עיניים נפוצות (למשל, OP07, LT1001).
  • (FLT:0) רנסנס ו CapacitorssFLT:1: קביעת ערכים כדי לקבוע תדרי חיתוך מסנן, קבועי זמן ורמות עכבות. עבור יישומי DSP מדויקים, להשתמש בערכים סטנדרטיים מ- E96 או E192 סדרה.
  • (ב) ,0) מקורות נוכחיים ומקורות נוכחיים: עבור קלטי DSP, השתמש במקורות הדופק (PULSE) כדי ליצור גלפורציות דיגיטליות, מקורות חטא (SINE) עבור אותות אנלוגיים, או מקורות לינאריים מלוכלכים (PWL) עבור רצפי מבחן שרירותיים.
  • (FLT:0Switches and ComparatorsFLT:103) מעגלים מדגימים, גלאי אפס-קרוס, או ממודולטורים דו-ממדיים.

לדוגמה, כדי לדמות מסנן נמוך-pass Sallen-Key, להציב תמונה, שני מתנגדים, ושני capacirunners בטופology הסטנדרטית. Connect a הדופק מתח מתח לקלט כדי לחקות פונקציה שלב. כדי לייצג את DSP קלט דיגיטלי קלט, להגדיר את אפקט הדופק: Vinitial=0V, Von=3.3V, tde0, Tri=n=n=1=nfall=nquareme, הפונקציה T10.

Defining Component Parameters and Input מקורות

לאחר הצבת רכיבים, להקצות ערכים על ידי לחיצה נכונה על כל חלק. השתמש בערכים משמעותיים המשקפים סובלנות בעולם האמיתי.לדוגמה, הגדרת קיבול ל 10nF ומתנגד ל 10k ⁇ נותן זמן קבוע של 100 מיקרומטרים.עבור מעגלים DSP, ערכי הרכיב צריך להיות נבחר כדי להשיג תכונות הרצויות - באופן רטי ב kHz למגוון MHz.

מקורות אינקט חייבים לייצג במדויק את האותות שעיגול DSP יעבד.לסימנים אנלוגיים, להשתמש במקורות SINE עם אותות מפוסקים ותדירות מוגדרים. עבור אותות דיגיטליים או דו-ממדיים, להשתמש במקורות PULSE. SPICE גם תומך במקורות התנהגותיים (B אלמנטים) המאפשרים לך להגדיר מתח שרירותי או נוכחי כתפקוד של צמתים מעגליים - שימוש יעיל עבור מודלים של אלגוריתמים DSP, כמו רעש או יישום פונקציה של העברת.

המונחים: Simulation Parameters

הגדר את סוג הסימולציה באמצעות פקודה נטורליסטית או הוראות סימולציה.ב-LTspice, אתה מוסיף הוראות SPICE מן התפריט Edit.עבור ניתוח transient, הפקודה היא:

(ב) .

זה מורה לסימולטור לרוץ מ 0 עד 1 מילישניות עם גודל מקסימלי של 1 מיקרו השניות.גודל הצעד הוא קריטי עבור תוצאות מדויקות, במיוחד כאשר מפשטות חדות בסימנים דיגיטליים.צעד גדול מדי יכול להחמיץ פרטים חשובים, בעוד צעד קטן מדי עולה זמן חישוב. להתחיל עם גודל של בערך 1 / 1000 של תדירות הריבית הגבוהה ביותר.

לצורך ניתוח AC, השתמש בהוראות כגון:

(ב) 1

זה מבצע גורף מ 10 הרץ ל 1 MHz עם 100 נקודות בעשור.התוצאות מראות רווח ושלב מול תדירות - חיוני להערכת ביצועי מסנן DSP.

הפעלת הסימפוזיון וניתוח תוצאות

ברגע שפרמטרי המעגל והסימולציה מוגדרים, להפעיל את הסימולציה.הסימולטור פותר את משוואות המעגל ומייצר נקודות נתונים פלט.עבור ניתוח טרנסי, הפלט הוא גל זמן; עבור ניתוח AC, הוא מייצר משילמת בודה.

בין התוצאות על ידי בחינת מדדי מפתח:

  • (FLT:0) Amplitude ו DistortionFLT ( 1:1: השוואת קלט ופלט גלפורות.חפש קידוד, הגבלת סלסול, או טרנסים יוצאי דופן. השתמש FFT (Fast Fourier Transform) בתוך הצופה הגלפור כדי לבדוק תוכן הרמוני ויחס אותות.
  • (FLT:0) תגובה לאחור (FLT:1): מן הטאטא AC, לזהות את תדירות חיתוך -3dB, פס עובר ripple, הפסקת פס, ושינויים שלב.עבור מסנן נמוך מלוטש במקלט DSP, את הקיצוץ צריך להיות מוגדר לחצי שיעור הדגימה (תדירות) כדי למנוע מסנן נמוך.
  • (FLT:0) ResponseStepigtureFLT:1; החל קלט צעד ומדייק את הזמן העולה, overshoot, overshoot, יישב זמן, וצלצול.מדדים אלה מצביעים על התנהגות הזמן של המעגל, חשוב עבור מערכות DSP הדורשות יישבות מהירה כדי להימנע מהתערבות בין-סימבול.
  • (FLT:0Group DelayveFLT:1): נגזרת של שלב עם כבוד לתדירות. עיכוב קבוצתי קבוע מבטיח כי כל רכיבי תדירות של אות מתעכבים באותה מידה, שמירה על צורת אות - קריטי עבור מסננים DSP בתקשורת נתונים.

(הופנה מהדף LTspice and other Simulators מאפשר לך לחקור כל צומת ב schematic.להוסיף בדיקות מתח לקלט, פלט, ונקודות פנימיות (למשל, הקלט המופנם של המגבר) להציג מספר רב של גלפורות בו זמנית כדי להבין את הפחתת האות.

טכניקות מתקדמות ל-DSP Circuit Simulation עם SPICE

מודלים דיגיטליים עם מקורות התנהגות

בעוד SPICE הוא מונחה אנלוגי, זה יכול לדמות לוגיקה דיגיטלית באמצעות מודלים התנהגותיים. LTspice כולל רכיבים פרימיטיביים דיגיטליים (gates, ספין-flops) כי הם מודל אידיאלי עם סף מוגדר למשתמש ועיכובים propagation. עבור בלוקים מורכבים DSP כגון תוספות או מפרשים, השתמש באלמנטים "A" (A-devices) או לכתוב תת-cicuit באמצעות מקורות B לדוגמה, כדי להשתמש ב-2.5 ל- 2.

(ב) .

גישה זו מאפשרת לך לדמות את הממשק בין חיישנים אנלוגיים לבין לוגיקה לעיבוד דיגיטלי - מקורן במערכות DSP עם נספחים אנלוגיים.

המונחים: signal Simulation

מעגלים רבים של DSP משלבים סעיפים אנלוגיים ודיגיטליים, כגון sigma-delta ADC שבו פלט מודולטור הוא bitstream. SPICE מטפל בזה על ידי הפעלת הליבה האנלוגיה עם ניתוח transient, בעוד החלק הדיגיטלי גורם אירועים אנלוגיים. in LTspice, אתה יכול לחבר אנלוגי ו בלוקים דיגיטליים ישירות; סימולטור מטפל באופן אוטומטי תרגום ברמת מתח.

עבור עיצובים מורכבים של חתימה מעורב, לשקול שימוש סימולטור תומך Verilog-AMS או VHDL-AMS, כגון קדינס Spectre, אבל SPICE עם אלמנטים התנהגותיים נשאר יעיל עבור מעגלים רבים של DSP.

מונטה קרלו והניתוח הגרוע ביותר

לרכיבים בעולם האמיתי יש סובלנות שמשפיעה על ביצועי המעגל של DSP. SPICE מאפשר לך לבצע סימולציות סטטיסטיות על ידי ערכים שונים של רכיב על פי הפצה. in LTspice, להשתמש ב-FLT:4 ו-FLT:5 פקודות או את האפשרות של רכיב מונטה קרלו על ידי הוספת תפקוד הפצה (למשל, FLT:6) לדוגמה, מודל 5% התנגדות: (או הערך שנקבע ל-Factor) כדי להפיץ את הסימולציות של סימולציות (למשל, כדי להפיץ את התדירות גבוהה יותר) באמצעות סימולציות (FLT) באמצעות LT) באמצעות LT 7).

ניתוח הגרוע ביותר במזוודה משתמש בערכי מרכיב קיצוניים (מקסימום וסובלנות מינימלית) כדי למצוא את הגבולות של ביצועי המעגל.זה חיוני לערבויות בעיצובי ייצור.

טיפים מעשיים עבור סימולציה יעילה DSP עם SPICE

  • (ב) [ה]העיקרון [ה]: החל מסעיף מסנן יחיד או שלב מגבר, לבדוק את התנהגותו נגד חישובים תיאורטיים לפני הוספת מורכבות.
  • (FLT:0Use Realistic Source SignalsFLT:1): סימולציה עם קלטות שמתאימות ליישום המיועד. עבור אותות דיגיטליים, השתמש בהגדרות גנרטור הדופק אשר תואמות רמות לוגיקה ועלייה / זמניים של טכנולוגיית היעד שלך (למשל, 3.3V CMOS עם 1ns הקצוות).
  • (FLT:0)Validate עם CalculationsFLT אורתי ( 1:1: לפני הפעלת הסימולציה, ערכים צפויים תואמים - לדוגמה, תדירות חיתוך של מסנן ה-RC: f = 1 / 2 ⁇ RC). אם תוצאות סימולציה שונה באופן משמעותי, לבדוק ערכי רכיב, קשרים והגדרות סימולציה.
  • (FLT:0) להעריך ערכים משותפים, יחס התנגדות) ולבחון את ההשפעה על צורה מסנן או רווח מגבר.זה עוזר לזהות חלקים קריטיים הדורשים דיוק הדוק.
  • (FLT:0)Check Simulation ConvergenceFIRLT:1; אם הסימולציה לא תתכנס (המוגדר עם מעגלים גבוהים של ג'ין או לולאות משוב דיגיטליות), נסה להפחית את הצעד המקסימלי, באמצעות שיטת אינטגרציה שונה (למשל, גיר במקום מלכודזואיד), או הוספת עומס דומי התנגדות (1M ⁇ ) לצוף.
  • (FLT:0)Document and Control Version FLT:1: שמור על רשימה או קבצים סכימטיים עם שם ברור הגדרות סימולציה רשומות ותוצאות מפתח.תרגול זה מסייע חידוש וביקורת עמיתים.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מלכודות נפוצות וכיצד להימנע מהם

אפילו מהנדסים מנוסים נתקלים בבעיות בעת סימול מעגלי DSP.כאן הם בעיות תכופות ופתרונות:

  • (FLT:0) מהירות הסימציה הפילוסופית של הסימולציה 1:1: סימולטציה בתדרים גבוהים מאוד (טווח ג'יגה-הרץ) עם מדרגות זמן קטנות יכול להיות איטי.צמצם את משך הזמן ולהשתמש צעד קוהרסר שבו הדיוק אינו קריטי, או להשתמש במודל התנהגותי המפשט את הקצוות הדיגיטליים המהירים.
  • (FLT:0) ,Negting ParasiticsFLT:1: ציפויים אמיתיים יש התנגדות סדרה שווה ערך (ESR) ו inductance (ESL) כולל אלמנטים טפיליים אלה במודל כדי למנוע סימולציות כי הם אידיאליים מדי. LTspice מספק מודל capacitor עם ESR ו- ESL פרמטרים.
  • (בקיצור:0) ,Improper Grounding: DSP מעגלים לעתים קרובות יש מטוסים אנלוגיים ודיגיטליים קרקעיים.In SPICE, השתמש בקרקע התייחסות אחת (לאדה 0) כדי לקפיצה קרקע מודל, להוסיף מחנכים קטנים (nH) בין בלוטות אנלוגיה ודיגיטלית.
  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

על ידי אימוץ נושאים אלה, אתה יכול לתכנן סימולציות אשר מניבות תוצאות מדויקות ופעולות.

מסקנה

SPICE נשאר כלי חיוני לתכנון ואמת מעגלי DSP, מפילטרים אודיו פשוטים לממירים נתונים מורכבים בעלי חתימה מעורבת. על ידי שליטה על ההתקנה של פרמטרים סימולציה, פרשנות של גלפורים, יישום של טכניקות מתקדמות כמו Monte קרלו ניתוח מודל התנהגותי, אתה יכול להפחית באופן דרמטי את הסיכון לפיתוח להאיץ את זמן השיווק.