Systemebenen-Schaltungsentwurf für Elektronik in Altium Designer

Das Design auf Systemebene in der Elektronik ermöglicht es, sich auf Funktionalität und Abstraktion zu konzentrieren

Der Alltag eines PCB-Layoutingenieurs dreht sich darum, Schaltpläne in eine reale, herstellbare PCB umzusetzen. Bevor dies geschehen kann, beginnen Entwürfe auf einer abstrakten Ebene, die sich auf das Design der Funktionalität konzentriert. Im Verlauf des gesamten Designprozesses werden die Anforderungen an das Design detaillierter, erreichen die Ebene der Signalverarbeitung und schließlich die Komponentenebene. Designer und Ingenieure, die damit beschäftigt sind, einzigartige Funktionalitäten für ihre neuen Systeme zu schaffen, benötigen Designfunktionen, die es ihnen ermöglichen, auf der Ebene der Signalverarbeitung zu arbeiten, um neue Produkte für fortschrittliche Anwendungen zu entwickeln.

Warum auf Systemebene beginnen?

Neuere Technologiebereiche erfordern signifikante Signalverarbeitung, und diese muss auf Systemebene bestimmt werden, bevor sie die Komponentenebene erreicht. Bereiche wie Automobil- und UAV-Radar, Telekommunikation und Glasfasernetzwerke, industrielle Steuerung, Sensordatenerfassung und -verarbeitung sowie viele andere Anwendungen mit gemischten Signalen sollten bekannte Beispiele sein. Sobald die erforderlichen Schritte der Signalverarbeitung bestimmt und perfektioniert sind, können Designer und Ingenieure festlegen, welche Komponenten sie benötigen, um diese Funktionen auf der Schaltplan- und Platineebene umzusetzen.

Das umfangreiche Simulationstoolset in Altium Designer^® ist ideal für die Arbeit auf Systemebene. Entwickler haben die Freiheit, systemebene Signalverarbeitungsschritte auf einem hohen Abstraktionsniveau zu entwerfen. Sobald Sie die Funktionen bestimmt haben, die erforderlich sind, um Ihre benötigten Signalverarbeitungsschritte zu implementieren, haben Sie Zugang zu einer breiten Palette von Komponenten, um diese Funktionalität auf Komponentenebene umzusetzen. Lassen Sie uns anschauen, wie dies in Altium Designer funktioniert.

Elektronik-Systemebenen-Design in Altium Designer

Das Design auf Systemebene in Altium Designer beginnt in einem neuen Schaltplan. Hier können Sie auf alle verfügbaren Schaltungssimulationsfunktionen zugreifen, die in der Komponentenbibliothek verfügbar sind. Wenn Sie ein neues Projekt und einen leeren Schaltplan erstellen, können Sie anfangen, Simulationsmodelle zu Ihrem Schaltplan hinzuzufügen und einzigartige Funktionalitäten sowie Signalverarbeitungsschritte zu entwerfen.

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Im Bild unten habe ich ein einfaches Blockdiagramm mit den standardmäßigen Simulations- und Modellierungswerkzeugen in Altium Designer erstellt. Ich habe hier eine Rückkopplungsschleife mit einem Addierer eingefügt, und meine beabsichtigten Signalverarbeitungsschritte sind mit zwei Verarbeitungsblöcken (beschriftet als ABM1) enthalten, die gleich beschrieben werden.

Blockdiagramm für die Gestaltung von Signalverarbeitungsschritten

Im obigen Bild sehen Sie, dass ich das Komponenten-Panel geöffnet und eine Reihe von Standardbibliotheken geladen habe. Ich habe die relevanten Simulations- und Modellierungsbibliotheken im roten Kasten umrandet. Diese Bibliotheken ermöglichen Ihnen den Zugriff auf eine Reihe von Standard-Simulationsmodellen, wie Spannungs-/Stromquellen (stückweise linear, willkürlich, sinusförmig und spannungs-/stromgesteuerte Quellen). Sie können auch auf eine Reihe von mathematischen Funktionen zugreifen. Ich habe eine Funktion zum Addieren von Spannungen verwendet (beschriftet mit M_IN, Design-ID ADDV), um meine Rückkopplungsschleife zu erstellen.

Zusätzlich zu diesen Simulationsmodellen können Sie in den Bibliotheken Simulation Special Function.IntLib und Simulation PSpice Functions.IntLib wichtige Systemdesign-Tools zugreifen. Diese Bibliotheken enthalten eine Reihe von standardmäßigen speziellen Schaltungsfunktionen, ein willkürliches S-Parameter-Modell und ein anpassbares Ausdrucksmodell. Ich habe das anpassbare Ausdrucksmodell mit einem Port (ABM1) verwendet, obwohl Versionen mit zwei und drei Ports verfügbar sind.

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Definition von Verarbeitungsschritten

Jedes der oben gezeigten Modelle ist anpassbar. Die 1 MHz Sinusquelle, die ich meinem Modell hinzugefügt habe, hat eine kleine Dämpfung (0,5 Rad pro Sekunde) erhalten, um die Dämpfung entlang einer Signalkette zu simulieren, und die Quelle wurde mit einer Amplitude von 1 V versehen. Es gibt andere Parameter, die angepasst werden können, wie Gleichspannungsversatz, Phase und Verzögerung. Sie könnten dies auch verwenden, um eine gepulste Quelle zu definieren, die ich gleich untersuchen werde.

Jedes der Modelle in der Simulation kann angepasst werden, indem man auf das Modell im Schaltplan klickt und das Eigenschaften-Panel auf der rechten Seite des Schaltplan-Editors öffnet. Wenn Sie nach unten scrollen, sehen Sie einen Eintrag für „Modelle“. Klicken Sie auf den Eintrag in der Liste und klicken Sie auf die Bearbeitungsschaltfläche, um das Sim Model Editor Dialogfenster zu öffnen. Dieses Fenster wird unten angezeigt; Sie werden in der Lage sein, die wichtigen Parameter im Modell innerhalb dieses Fensters zu ändern. Wenn Sie dies mit dem ABM1-Block machen, können Sie benutzerdefinierte mathematische Ausdrücke für Ihre Signalverarbeitungsschritte definieren.

Der Sim Model Editor in Altium Designer

Simulationen durchführen

Sobald Sie die erforderlichen Verarbeitungsschritte definiert haben, sind Sie bereit, einige Simulationsanalysen durchzuführen. Ich werde das Verhalten meiner Schaltung untersuchen, wenn sie mit einer sinusförmigen Quelle und mit einer wiederholenden gepulsten Quelle betrieben wird, auf die beide im Sim Model-Editor zugegriffen werden kann. Sie müssen ein MixedSim-Profil erstellen (siehe eine Liste der verfügbaren Analysen hier), das definiert, welche Simulationen Sie mit Ihrem Schaltplan durchführen möchten.

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Meine Ergebnisse der Transientenanalyse mit der 1 MHz sinusförmigen Quelle werden unten gezeigt. Aus den Ergebnissen können Sie sehen, wie die ABM-Blöcke das Signal modifizieren, wenn es in die Rückkopplungsschleife eintritt und die Dämpfung kompensiert; man kann sehen, dass die transiente Antwort in der Signalkette den Ausgang über die Rückkopplungsschleife auf sein volles Niveau wiederherstellt.

Simulierte Ergebnisse der Transientenanalyse mit einer 1 MHz sinusförmigen Quelle

Ich habe auch die Quelle auf eine wiederholende gepulste Quelle umgeschaltet. Wie die Ergebnisse der Transientenanalyse unten zeigen, steigt die Quelle auf volles Niveau an und hält kurzzeitig die Eingangsspannung auf voller Stärke. Die transiente Antwort in der Rückkopplungsschleife wird deutlicher, wenn die wiederholende gepulste Quelle in der Simulation verwendet wird.

Simulierte Ergebnisse der Transientenanalyse mit einer 1 MHz gepulsten Quelle

Ich habe auch die Fourier-Analyse in meinem MixedSim-Profil aktiviert, und der Simulator generiert automatisch diese Ergebnisse über das gesamte im obigen Zeitbereich dargestellte Fenster. Der harmonische Inhalt wird im Bild unten gezeigt. Meine Signalkette erzeugt subharmonische Frequenzkomponenten, was durch das Vorhandensein von Frequenzkomponenten bei verschiedenen Bruchteilen von 1 MHz im Frequenzbereich angezeigt wird.

Dieser bescheidene Signalverarbeitungsblock kratzt nur an der Oberfläche dessen, was mit den Simulationsmodellen in Altium Designer^® möglich ist. Die hier gezeigten Werkzeuge für das Elektronik-System-Level-Design und die branchenstandard Analysewerkzeuge in Altium Designer bieten Ihnen eine komplette Lösung für das Elektronikdesign. Sie haben auch Zugang zu den branchenbesten Funktionen für Schaltplanerstellung, Layout und Produktionsplanung in einer einheitlichen Designumgebung.

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