المحاكاة الإلكترونية باستخدام سبايس – أخبار إلكترونيات القوى

تبدأ هذه المقالة دورة جديدة لبرنامج المحاكاة مع دورة التركيز على الدوائر المتكاملة (سبايس) لمحاكاة الدوائر الإلكترونية. سبايس هو أحد أهم وأشهر برامج المحاكاة المستخدمة في تصميم وتقييم الدوائر الكهربائية والإلكترونية. في هذه الدورة ، ستتعلم كيفية استخدام لغة SPICE لإنشاء نماذج للدوائر الكهربائية ومحاكاة أدائها. من خلال المحاضرات النظرية والعملية ، سيكتسب القارئ المعرفة حول أساسيات محاكاة الدائرة الكهربائية وكيفية استخدام لغة SPICE لوصف مكونات الدائرة وتحديد الخصائص الكهربائية ومحاكاة سلوك الدائرة كدالة للوقت. بالإضافة إلى ذلك ، سوف تتعلم كيفية تفسير نتائج المحاكاة واستخدام ميزات سبايس المتقدمة لتحليل الدوائر الكهربائية وتحسينها.

SPICE هو برنامج محاكاة دارة للأغراض العامة لتحليل التيار المتردد الخطي وغير الخطي والتحليل العابر وغير الخطي والخطي. يمكن أن تحتوي الدوائر على مقاومات ومكثفات ومحثات ومصادر جهد وتيار وثنائيات و BJTs و JFETs و MESFETs و MOSFETs. يتوفر SPICE مجانًا في العديد من توزيعات البرامج وأنظمة التشغيل. يمكن تنزيله مجانًا. تم تصميم هذه الدورة لتوفير أساس نظري وعملي متين حول استخدام سبايس لمحاكاة الدوائر الكهربائية ، مما يمنح القراء المهارة لاستخدام هذه الأداة القوية في تصميم دوائرهم الكهربائية وتحسينها. يحتوي SPICE على نماذج مدمجة لأجهزة أشباه الموصلات ، ولكن يمكنك صنع نماذج المكونات الخاصة بك بسهولة نسبيًا. اعتمادًا على نوع الطلبات والنتائج ، يوفر سبايس أنماط التحليل التالية:

• تحليل عابر. هذا النوع من التحليل يحسب متغيرات الإخراج العابرة في المجال الزمني ، خلال فترة زمنية محددة من قبل المستخدم. يتم تنفيذه باستخدام التوجيه .TRAN.
• تحليل التيار المتردد. في هذا النوع من محاكاة التيار المتردد ، تُحسب متغيرات الخرج في مجال التردد ، ويتم تحليل الدائرة الناتجة عبر نطاق من الترددات. يتم تنفيذه باستخدام التوجيه .AC.
• تحليل DC. يتم إجراء هذا النوع من التحليل في التيار المباشر ويحدد نقطة التشغيل مع المحاثات القصيرة والمكثفات المفتوحة. يتم تنفيذه باستخدام توجيه .DC.

هناك أنواع أخرى أكثر تعقيدًا من التحليل ، مثل تحليل “الضوضاء” و “وظيفة النقل” ، والتي سيتم فحصها في المقالات المستقبلية. سيتم إجراء دورة SPICE باستخدام برنامج LTspice ، مع التركيز على مصادر نص NETLIST (قائمة المكونات). تجعل هذه الطريقة من الممكن تعلم جميع أوامر وتوجيهات SPICE بعمق. الخطوات الرئيسية لتحقيق محاكاة سبايس هي كما يلي:

• تحديد طوبولوجيا الدائرة ، والتي تتكون من وصف توصيل المكونات الكهربائية
• إنشاء NETLIST ، وهو ملف نصي يصف الدائرة الكهربائية من حيث المكونات والعقد والتوصيلات ويتضمن سرد المكونات المستخدمة في الدائرة وخصائصها الكهربائية وتوصيلاتها
• اختيار نموذج مكون يمكن من خلاله اختيار أنسب نماذج المكونات لاستخدامها في الدائرة
• تحديد ظروف المحاكاة ، والتي من خلالها ، على سبيل المثال ، يتم وصف جهد الإمداد والتيار الأولي ومدة المحاكاة والفاصل الزمني
• تنفيذ المحاكاة التي تحدث فقط في حالة عدم احتواء NETLIST على أخطاء
• تحليل النتائج ، مما يسمح بعرض أي متغير مرغوب فيه على شكل رسوم بيانية أو جداول نصية بحيث يمكن الحصول على سلوك الدائرة كدالة للوقت أو التردد أو المجالات الأخرى ثم تحليلها وتفسيرها لتقييم أداء الدائرة و تحديد أي مشاكل أو فرص للتحسين
• التحقق من النتائج والتحقق منها ، ويُنصح بإجراء مقارنات مع النتائج التي تم الحصول عليها من البرامج أو الأدوات أو الملاحظات التجريبية الأخرى لضمان دقة نتائج المحاكاة

ما هي محاكاة التوابل وكيف تعمل؟

NETLIST هو ملف نصي يصف الدائرة الكهربائية من حيث المكونات والعقد والتوصيلات. يتم استخدامه كمدخل لبرنامج SPICE لأداء محاكاة الدوائر الكهربائية. يحتوي NETLIST على معلومات مفصلة حول الدائرة ، مثل أنواع وخصائص المكونات المستخدمة ، ووصفًا للاتصالات بين المكونات وتعريف مصادر الطاقة. إنه تمثيل للدائرة الإلكترونية يسرد جميع المكونات والوصلات بينها. ومع ذلك ، فإنه لا يتضمن معلومات حول الموقع المادي أو اتجاه المكونات داخل الدائرة. بمعنى آخر ، يقدم فقط تجريدًا للدائرة يصف العلاقات بين المكونات ولكنه لا يشير إلى ترتيبها المادي أو اتجاهها في الفضاء.

هذا مهم لأنه يسمح بفصل التصميم المنطقي للدائرة عن مظهرها المادي ، مما يسمح بإعادة استخدام NETLIST نفسها مع برامج أخرى. إنه مكتوب بتنسيق محدد ، ومفهوم لبرامج المحاكاة ولكن يمكن فهمه أيضًا للبشر بمجرد قراءته. بمعنى آخر ، إنه تمثيل نصي لمخطط الأسلاك ، باتباع تنسيق معين ، إلى جانب أوصاف التحليل والتوجيهات الأخرى. لاحظ أن تنسيق NETLIST قد يتغير قليلاً اعتمادًا على البرنامج المستخدم.

يعد إنشاء NETLIST ممتاز أمرًا بالغ الأهمية للحصول على نتائج موثوقة من محاكاة SPICE وله تأثير كبير على دقة النتائج. عندما لا توجد برامج “Schematic Capture” ، اضطر المصممون إلى رسم NETLIST يدويًا ، وإنشاء مخطط الأسلاك بالقلم الرصاص وتعيين تسمية مناسبة لكل توصيل كهربائي. اليوم ، من النادر جدًا أن تتم هذه العملية يدويًا ، حيث توفر البرامج الحديثة للمستخدم جميع الأدوات اللازمة لرسم مخطط كهربائي بيانيًا ، دون الحاجة إلى القلق بشأن أسماء الخطوط والعقد. بهذه الطريقة ، يتم رسم الدائرة بشكل طبيعي جدًا من خلال واجهة رسومية مناسبة. مبدئيًا ، لإنتاج ملف NETLIST ، يُنصح برسم الدائرة المراد محاكاتها بالقلم والورق ، مع إعطاء رقم أو اسم لكل عقدة وتخصيص اسم فريد لكل مكون في الدائرة ، مثل ذلك الموضح في الشكل 1. باستخدام LTspice ، يمكنك إنتاج مخطط دائرة مماثل ، مع وجود جميع العناصر في المكان الصحيح.

مثالنا الأول

بمجرد تحديد مخطط الأسلاك ، يجب توصيل المكونات كما هو الحال في دائرة فعلية من خلال العقد التي تصف الخطوط التي تؤدي إليها عناصر الدائرة المختلفة. يجب أيضًا تضمين مولدات الطاقة ومصادر الإشارة (كما هو الحال في الدائرة المادية). بالإضافة إلى ذلك ، من الضروري تحديد عقدة كمرجع للجهود على الأرض ، وعادة ما تسمى “0” أو “GND”. بالنظر مرة أخرى إلى مخطط الدائرة ، يمكن تحديد العناصر التالية:

• المكونات الإلكترونية: V1 هو مولد الجهد المثالي 12 فولت ، R1 هو 22 كيلو أوم المقاوم و C1 هو مكثف 860-µF.
• العقد هي الملصقات المميزة باللون الأحمر وتحدد أسماء كل توصيل كهربائي. خاصة، “Vcc“هو التلامس الكهربائي الذي يربط البطارية بالمقاوم ؛ “خارج“هو التوصيل الكهربائي الذي يربط المقاوم بالمكثف ؛ و “0“هو التلامس الأرضي ، وله إمكانات 0 فولت للبرنامج ويحدد التوصيل الكهربائي بين المكثف والبطارية.
• التوجيهات هي التسميات المميزة باللون الأخضر. يحددون ميزات معينة للبرنامج وسيتم مناقشتها بالتفصيل لاحقًا. في هذا المثال ، هم “.IC v (خارج) = 0” و “.tran 140. “

ما هو معروض في الشكل هو مجرد رسم تخطيطي كهربائي مرئي ، يمكن قراءته للمستخدمين والمصممين. لكن المعلومات الحقيقية التي يتلقاها برنامج المحاكاة هي NETLIST (انظر الشكل 2) ، وهي قائمة المكونات الكهربائية المشاركة في التصميم وتوصيلاتها الكهربائية. هذا هو المستند النصي الذي يتم تفسيره وتنفيذه بواسطة البرنامج. في البرنامج الذي نستخدمه ، يمكن مشاهدته عن طريق تنشيط قائمة “عرض”. قد يكون للبرامج الأخرى إجراءات مختلفة. سنقوم الآن بفحص الخطوط التي تشكل قائمة NETLIST الخاصة بنا. فقط للراحة ، تم ترقيم الأسطر بشكل تدريجي لتعليقاتنا ، ولكن في الواقع ، هذه الأرقام غير موجودة في المستند الأصلي.

يتكون NETLIST ، إذن ، من سطور النص التالية ، والتي سنشرحها بالتفصيل:

• خط 1: “* شحن مكثف. ” هذا تعليق ويمكن أن يحتوي على أي نوع من الجمل. يتم تحديد التعليقات بواسطة علامة النجمة الأولية ، ويجب أن يحتوي السطر الأول من NETLIST دائمًا على تعليق وإلا فلن تعمل المحاكاة.
• خط 2: “V1 Vcc 0 12V. ” إنه مولد جهد ، حيث يبدأ بالحرف “V” ومتصل بين العقد “Vcc” و “0” ، كما هو موضح في مخطط الأسلاك. قيمتها 12 فولت.
• السطر 3: “R1 مخرج Vcc 22k. ” هذا مقاوم. يبدأ بحرف “R” ويتصل بين العقدتين “Vcc” و “Out”. قيمتها 22 كيلو أوم.
• السطر 4: “C1 خارج 0860 فائق التوهج. ” هذا مكثف ، حيث يبدأ بالحرف “C” ومتصل بين العقد “Out” و “0”. قيمتها 860 درجة فهرنهايت. لا يوجد ما يشير إلى نوع المكثف ، فالمكثف سبايس هو مكون عام ولا يميز بين التحليل الكهربائي وغير المستقطب والبوليستر وما إلى ذلك.
• السطر الخامس: “.tran 140. ” هو توجيه يخبر المحاكي الإلكتروني أنه يجب عليه مراقبة سلوك الدائرة لمدة زمنية تبلغ 140 ثانية. بمعنى آخر ، يفحص البرنامج ما يحدث للمكونات في أول 140 ثانية من المحاكاة. من الواضح أن النتائج تظهر بعد لحظات قليلة.
• السطر 6: “.IC v (خارج) = 0. ” هذا توجيه مهم يحدد جهد العقدة الأولي v (خارج) إلى 0 V من خلال تنفيذ مكثف غير محمل في البداية.
• السطر 7: “.backanno. ” يتم تضمين هذا التوجيه تلقائيًا في كل قائمة NETLIST ينشئها LTspice من رسم تخطيطي. يوجه LTspice لتضمين معلومات في ملف .raw يمكن استخدامها للإشارة إلى تيارات منفذ اسم الدبوس. يسمح هذا “بالتحقق المتقاطع” لتيارات الدبوس من خلال النقر على دبوس الرمز.
• السطر 8: “.نهاية. ” يشير هذا التوجيه إلى نهاية NETLIST النصية. يتم تجاهل جميع الأسطر اللاحقة.

تشغيل المحاكاة

لا يوفر LTspice توجيهي “.PRINT” و “.PLOT” لعرض المتغيرات أو تتبعها ، ولكن لديه بعض الطرق الأكثر فاعلية. بعد رسم مخطط الأسلاك يدويًا ، يمكن للمرء تشغيل المحاكاة من خلال الوصول إلى قائمة “تشغيل” في البرنامج (انظر الرسوم البيانية في الشكل 3). يمكنك بعد ذلك النقر فوق عنصر في مخطط الأسلاك لإظهار رسم بياني للقيم التالية:

• إذا نقرت على عقدة ، فسيعرض الرسم البياني جهدها.
• إذا نقرت على أحد المكونات ، فسيعرض الرسم البياني التيار المتدفق من خلاله.
• إذا قمت بالنقر فوق أحد المكونات عن طريق الضغط على مفتاح ALT ، فسيعرض الرسم البياني الطاقة المشتتة بواسطته.

إذا حذف المستخدم “.IC v (خارج) = 0“، فإن الرسم البياني للجهد عند العقدة” الخارجية “سيكون 12 فولت دون المرور بمحاكاة عابرة. تحتوي البرامج الأخرى على توجيهي “.PRINT” و “.PLOT” لعرض متغيرات المحاكاة في النص. في LTspice ، نعمل بشكل مختلف قليلاً ، مع قدر أكبر من الكفاءة والراحة.

خاتمة

باستخدام برامج الجيل الجديد ، يكون من الأسهل بكثير رسم دائرة كهربائية كاملة بيانيًا بدلاً من وصف جميع التوصيلات بالنص والصيغة اليدوية. يمكن للقارئ محاولة عمل مخطط الدائرة الموضحة في هذه الدفعة من الدورة. سيتم استكشاف المزيد من التفاصيل في المقالات المستقبلية.

لطالما كان جيوفاني مولعًا بالإلكترونيات والرياضيات والأعمال اليدوية. وهو مبرمج كمبيوتر ومدرس لعلوم الكمبيوتر والرياضيات. إنه يحب الشخصيات ويبحث دائمًا عن أرقام رئيسية كبيرة. كما كتب كتابًا عن برمجة PIC Microcontroller 16F84 باستخدام mikroBasic. هو صاحب شركة Elektrosoft ، وهي شركة تتعامل مع الإلكترونيات وتكنولوجيا المعلومات. إنه مدرب ومعلم بدوام كامل.