Глава 14. Цифровое моделирование. 14.1. Введение. Цифровое моделирование позволяет эффективно моделировать цифровые компоненты. Цифровые компоненты включаются в файл схемы (.CIR) как обычные аналоговые компоненты. Цифровое моделирование осуществляется логическим процессором, который эффективно вычисляет логические переходы и задержки распространения между элементами. Цифровое моделирование включает в себя также алгоритм, который обеспечивает интерфейс между аналоговыми и цифровыми компонентами. Хотя цифровое моделирование в PSpice разрабатывалась для моделирования смешанных аналого-цифровых схем, оно может быть использовано как логический симулятор, т.е. для моделирования схем, содержащих только цифровые компоненты. 14.2. Работа цифрового симулятора. Моделирование смешанной аналого-цифровой схемы не отличается от моделирования аналоговых схем. Схема, содержащая аналоговые и цифровые компоненты, описывается в файле с расширение .CIR как обыкновенная аналоговая схема. Цифровые компоненты определены в библиотеках DIGITAL.LIB и DIGIO.LIB как подсхемы. Необходимо только включить вызов подсхемы в файл схемы для доступа к цифровому прибору, определенному в библиотеке цифровых компонентов. Ниже приведен простой файл смешаной аналого-цифровой схемы для цифрового моделировани. * простой пример смешаной аналого-цифровой схемы VIN 1 0 PULSE(1 5 1 .1 .4 .5 2) X1 1 2 3 74s00 RLOAD 2 0 1K CLOAD 2 0 10 pF .TRAN 1ns 100ns 20ns .LIB DIGIO.LIB .LIB DIGITAL.LIB .END Файл DIGITAL.CIR содержит другой пример смешанной схемы. Выполните моделирование этой схемы и сохраните результаты моделирования в файле DIGITAL.OUT. В дальнейшем мы будем ссылаться на эти результаты. 14.3. Библиотеки цифровых компонентов. Цыфровой симулятор поставляется с библиотеками, которые включают SSI и MSI приборы TTL , L, LS, S, ALS, FAST, HC и HCT серий. Все приборы представляются как подсхемы. Таким образом, использование цифрового прибора означает помещение в файл схемы прибора "X" (подсхема). Это подобно моделированию схем с операционными усилителями и компараторами в аналоговом моделировании. Следующий пример демонстрирует использование прибора 74S00 с файла библиотеки цифровых компонентов. Описание подсхемы для прибора 74S00 в файле библиотеки DITAL.LIB следующее: SUBCKT 74S00 A B Y U1 NAND(2) A B Y D_00S IO_S .ENDS Подсхема имеет три узла (A, B, &Y) для подключения к цифровому прибору (U1 - обозначение цифрового прибора). Тип цифрового прибора - стандартный вентиль NAND (И-НЕ). Модель D_00S описывает временные характеристики прибора, модель IO_S - нагрузочные характеристики. Модель временных характеристик определяется в библиотеке DIGITAL.LIB, модель нагрузочных характеристик - в DIGIO.LIB. Ниже приведено определение этих моделей: .MODEL D_00S UGATE + (tplhty=3ns, tplhmx=4.5ns, tphlty=3ns, tphlmx=5ns) .MODEL IO_S UIO + (drvh=72.7, drvl=60.6, AtoD=AtoD_S, AtoA=AtoA_S) Для использования вентиля 74S00 в схеме необходима вызвать подсхему. Например: X1 1 2 3 74S00 Для того, чтобы сделать подсхему доступной из файла схемы, необходимо включить в файл строку с соответствующей директивой .LIB. Файлы библиотек цифровых компонентов так же, как и аналоговых представляют собой символьные файлы, которые могут просматриваться и модифицироваться. Мы настоятельно рекомендуем просмотреть содержимое файлов библиотек цифровых компонентов для более полного понимания цифрового моделирования. Их можно также использовать в качастве образца при создании собственных библиотек. Когда в директиве .LIB указывается файл NOM.LIN , то поиск описания подсхемы осуществляется во всех библиотечных файлах, перечисленных в файле MON.LIB. Собственные библиотеки также можно включать в файл MON.LIB. После модификации любой библиотеки при первом ее использовании после этого, PSpice формирует индексный файл, ускоряющий доступ к элементам библиотеки. Как рассмотрено далее в разделе 14.5, PSpice находит суммарную задержку цифрового компонента суммированием его внутренней задержки и задержки, обусловленной нагрузкой. При создании библиотек у нас возникла проблема, связанная с тем, что в документации на цифровые элементы даются значения времни задержек при подключении определенной нагрузки ( например, 50пФ). Это создало две трудности: - отсутствеует прямой метод разделения, данной в технической документации задержки, на части, обусловленные непосредственно цифровым элементом и нагрузкой. - если мы это выполним, то в библиотечных файлах будут фигурировать значения, отличные от значений, приводимых в каталогах на ТТЛ-схемы. Для избежания этих трудностей, мы решили опускать задержку, связанную з нагрузкой, и включать ее в внутреннюю задержку элемента. Таким образом, в файлах библиотек Вы увидите, что INLD=OUTLD=0, а временные задержки временных моделей соответствуют значениям, приводимым в каталогах. 14.4. Выполнение процееса моделирования. PSpice может выполнить все типы анализа для смешанных схем. Кроме анализа временных характеристик (transient analysis), в данном случае возможно выполнить анализ частотных характеристик (AC analysis) и анализ статического состояния (DC ahalysis). Для схем, содержащих только цифровые приборы, возможно выполнение полько анализа временных характеристик. Команды задания других типов анализа игнорируются. Результаты моделирования выводятся таким же образом, как и для аналоговых схем : .PRIN, .PLOT, .PROBE. Выходной цифровой узел обозначается D<узел>; например: D(QBAR). Полное описание цифровых выходных переменных дано на стр. 181. В программе графического представления результатов моделировани Probe возможно представление цифрового сигнала группы узлов в виде чисел в определенной системе счисления. Например, цифровой сигнал шины из четырех линий можно представить в шестнадцатиричной системе счисления. Более подробно о графическом представлении цифровых сигналов смотри раздел 9.6.6. стр. 277. 14.4.1. Расчет точки смещения и расчет статическо состояния. При рассчете схемы по постоянному току PSpice не учитывает все параметры, зависящие от времени: конденсаторы удаляются из схемы, индуктивности представляются как короткозамкнутые ветви, для источников токов и напряжений используются толька значения, заданные по постоянному току. Подобный подход применяется и для цифровых схем: все времена задержек принимаются равнымы нулю, значение всех генераторов воздействий устанавливается в значение, соответствующее нулевому моменту времени. Для решения уравнений цепей PSpice использует итерактивный алгоритм. Хотя для цифровых цепей уравнения дискретые - не описываются непрерывными функциями, используется один и тот же алгоритм. Если после определенного числа итераций (ITL1) PSpice не находит решения системы уравнений, аналоговые/цифровые приборы устанавливаются в состояние X и выполняется этап повторного рассчета. Так как входное состояние X цифрового прибора дает на выходе также состояние X, то дискретные уравнения также вседа могут быт решены этим способом. Если при проведении DC-анализа состояние цифровой схемы не может быт установлено в известное состояние ( например триггер-защелка при нулевом уровне на тактовой линии), то состояние такого прибора также считается X. В зависимости от схемы при рассчете рабочей точки может быть, что ни один, некоторые или все выходные узлы цифровых приборов установлены в состояние X. Зависимость статического состояния от источника смещения (DC sweep) рассчитывается как обычно: рассчитывается рабочая точка при начальном значении источника смещения, затем, значение источника смещения получает приращение и рассчет повторяется. 14.4.2. Расчет по переменному току и малосигральный анализ. Малосигнальный анализ (.AC, .NOISE, .TF, .SENS) выполняется как обычно: вначале расчитывается рабочая точка, затем, в рабочей точке схема линеаризуется и, наконец, выполняется анализ линеаризованой схемы. Сами цифровые приборы не оказывают влияния на малосигнальный анализ. Например, вентиль не имеет частотного отклика. Все цифровые приборы сохраняют состояние, найденое при расчете рабочей точки. Схемы сопряжения анологовых и цифровых приборов оказывеют влияние на результат анализа: их аналоговые части имеют хорошо определенный линейный эквивалент в рабочей точке...
fred1144