Altium Designerにおける電子システムレベルの回路設計

エレクトロニクスシステムレベルの設計では、機能性と抽象化に焦点を当てることができます

PCBレイアウトエンジニアの日常は、回路図を実際の製造可能なPCBに変換することについてです。これが実現する前に、設計は機能性を設計することに焦点を当てた抽象レベルで始まります。全体的な設計プロセスが進むにつれて、設計要件はより詳細になり、信号処理レベルに達し、最終的にはコンポーネントレベルに達します。新しいシステムに独自の機能性を作り出そうと忙しい設計者やエンジニアは、信号処理レベルで操作し、先進的なアプリケーションのための新製品を構築することを可能にする設計機能が必要です。

なぜシステムレベルで始めるのか？

新しい技術分野では、かなりの信号処理が必要とされ、これはコンポーネントレベルに到達する前にシステムレベルで決定される必要があります。自動車およびUAVレーダー、テレコムおよびファイバーネットワーキング、産業制御、センサーデータ取得および処理、その他多くの混合信号アプリケーションは、馴染みのある例でしょう。必要な信号処理ステップが決定され、完成されると、設計者やエンジニアはこれらの機能を回路図およびボードレベルで実装するために必要なコンポーネントを決定することができます。

Altium Designer^®の幅広いシミュレーションツールセットは、システムレベルでの作業に理想的です。設計者は、高い抽象レベルでシステムレベルの信号処理ステップを設計する自由を持ちます。必要な信号処理ステップを実装するために必要な機能を決定したら、その機能をコンポーネントレベルで実装するための幅広いコンポーネントにアクセスできます。Altium Designerでこれがどのように機能するか見てみましょう。

Altium Designerにおける電子システムレベル設計

Altium Designerでのシステムレベル設計は、新しい回路図から始まります。ここで、コンポーネントライブラリにあるすべての回路シミュレーション機能にアクセスできます。新しいプロジェクトと空の回路図を作成すると、回路図にシミュレーションモデルを追加し始め、ユニークな機能と信号処理ステップを設計できます。

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下の画像では、Altium Designerの標準シミュレーションおよびモデリングツールを使用して、シンプルなブロック図を作成しました。ここでは、加算器を使用したフィードバックループを含め、まもなく説明する2つの処理ブロック（ABM1とラベル付けされている）で意図した信号処理ステップが含まれています。

信号処理ステップを設計するためのブロック図

上の画像で、コンポーネントパネルを開いて多数の標準ライブラリを読み込んでいるのがわかります。赤いボックスで囲んだのは、関連するシミュレーションおよびモデリングライブラリです。これらのライブラリを使用すると、電圧/電流源（区分線形、任意、正弦波、電圧/電流制御源）などの標準的なシミュレーションモデルにアクセスできます。また、多数の数学関数にもアクセスできます。フィードバックループを作成するために、電圧を加算する関数（M_IN、設計ID ADDVとラベル付けされている）を使用しました。

これらのシミュレーションモデルに加えて、Simulation Special Function.IntLibおよびSimulation PSpice Functions.IntLibライブラリで重要なシステム設計ツールにアクセスできます。これらのライブラリには、標準の特殊回路機能、任意のSパラメーターモデル、カスタマイズ可能な式モデルが含まれています。1ポートのカスタマイズ可能な式モデル（ABM1）を使用しましたが、2ポートおよび3ポートのバージョンも利用可能です。

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処理ステップの定義

上に示された各モデルはカスタマイズ可能です。私がモデルに追加した1 MHzの正弦波源には、信号チェーンに沿った減衰をシミュレートするために小さな減衰（秒あたり0.5ラジアン）が適用されており、振幅は1 Vに設定されています。DCオフセット、位相、遅延など、カスタマイズできる他のパラメーターもあります。これを使用してパルス源を定義することもできますが、これについてはすぐに調査します。

シミュレーション内の各モデルは、回路図上のモデルをクリックして右側のプロパティパネルを開くことでカスタマイズできます。パネルの一番下までスクロールすると、「モデル」のエントリが表示されます。リスト内のエントリをクリックし、編集ボタンをクリックしてSim Modelエディタダイアログを開きます。このウィンドウは下に示されており、このウィンドウ内でモデルの重要なパラメータを変更できます。これをABM1ブロックで行うと、信号処理ステップのためのカスタム数学表現を定義できます。

Altium DesignerのSim Modelエディタ

シミュレーションの実行

必要な処理ステップを定義したら、シミュレーション分析を実行する準備が整います。私は、正弦波源と繰り返しパルス源で駆動された場合の回路の挙動を調べるつもりです。これらはどちらもSim Modelエディタでアクセスできます。回路図で実行したいシミュレーションを定義するMixedSimプロファイルを作成する必要があります（利用可能な分析のリストはこちらを参照）。

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1 MHzの正弦波源を使用した私の過渡解析の結果は以下の通りです。結果から、ABMブロックがフィードバックループに入る信号をどのように変更し、減衰を補償するかがわかります。信号チェーンの過渡応答がフィードバックループを介して出力を完全なレベルに復元することが見て取れます。

1 MHzの正弦波源を使用したシミュレートされた過渡解析結果

また、繰り返しパルス源にソースを切り替えました。以下の過渡解析結果に示されているように、ソースは完全レベルまで上昇し、入力電圧を短時間ですが完全な強度で保持します。繰り返しパルス源をシミュレーションで使用すると、フィードバックループの過渡応答がより明確になります。

1 MHzのパルス源を使用したシミュレートされた過渡解析結果

私はまた、MixedSimプロファイルでフーリエ解析を有効にし、シミュレータは上記の時間領域結果に示される全時間ウィンドウにわたって自動的にこれらの結果を生成します。調和成分は下の画像に示されています。私の信号チェーンはサブハーモニック周波数成分を生成し、これは1MHzのさまざまな分数で周波数成分の存在によって示されます。

この控えめな信号処理ブロックは、Altium Designer^®のシミュレーションモデルで可能なことの表面をかすめるだけです。ここに示された電子システムレベルの設計ツールとAltium Designerの業界標準の分析ツールは、完全な電子設計ソリューションを提供します。統合設計環境で業界最高の回路図キャプチャ、レイアウト、生産計画機能にもアクセスできます。

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