Skripta Modelování a počítačová simulace- Počítačová cvičení

ANALÝZY OBVODU Z OBR. 9.44. ........................................ 97


Modelování a počítačová simulace - počítačová cvičení 5



1 Úvod
Skriptum „Modelování a počítačová simulace –počítačová cvičení“ je studijním textem
stejnojmenného povinného předmětu studijního oboru „Mikroelektronika a technologie“
tříletého bakalářského studijního programu „Elektrotechnika, elektronika, komunikační a
řídicí technika“. Navazuje na skripta „Modelování a simulace – přednášky“.
2 Zařazení předmětu ve studijním programu
Předmět „Modelování a počítačová simulace“ je vyučován v letním semestru 2. ročníku
v rozsahu 26 hodin přednášek a 52 hodin cvičení, čemuž odpovídá jeho ohodnocení sedmi
kredity. Předmět je zakončen zápočtem a zkouškou.
Nejdůležitější předměty 1. ročníku, na které tento předmět obsahově navazuje, jsou
„Elektrotechnika 1“, „Elektrotechnika 2“ a „Elektronické součástky“, z volitelných oborových
předmětů pak „Mikroelektronické praktikum“. Předpokládá se aktivní znalost základních
zákonů a principů teoretické elektrotechniky, metod analýzy lineárních a nelineárních
obvodů, jakož i znalost vlastností a funkce základních elektrotechnických součástek.
Z předmětů zimního semestru 2. ročníku je navazováno zejména na „Analogové
elektronické obvody“ a „Signály a soustavy“. Z teorie signálů je vyžadována znalost
spektrální analýzy a praktických zásad používání algoritmu FFT.
Pokud jde o navazování na předměty Matematika 1-3“, v předmětu „Modelování a
počítačová simulace“ je běžně používán matematický aparát pro popis a analýzu lineárních a
nelineárních elektrických obvodů. To představuje práci se soustavami lineárních
algebraických rovnic a manipulace s těmito soustavami prostřednictvím maticového počtu.
Lineární diferenciální rovnice budou formálně převáděny na algebraické prostřednictvím
operátorového počtu. Nelineární rovnice budou řešeny numerickými iteračními metodami. O
těchto metodách je třeba mít alespoň uživatelský přehled ve smyslu globálního porozumění
mechanismů jejich fungování.
2.1 Úvod do studia elektronického textu
Tento učební text je věnován počítačové analýze a simulaci analogových elektronických
obvodů. Zde se seznámíte s abecedou, jejíž zvládnutí vám otevře cestu k efektivní práci
s jakýmkoliv současným simulačním programem z rodiny „SPICE“. Jestliže se Vám podaří
následující texty dočíst do konce a čtení budete prokládat pokusy na svém počítači, ověřovat
popisované experimenty na demonstračních souborech a přemýšlet o výsledcích, které vám
budou poskytovat programy SNAP a MicroCap, pak učiníte mnoho pro to, aby vaše „cesta na
vrchol“ byla co nejpoctivější. Nejen proto, že platí rovnice: MicroCap = SPICE + „něco
navíc“. Do problematiky počítačové simulace budete zasvěcováni postupně, přes relativně
jednodušší programy založené na symbolických algoritmech (SNAP) až po „numerické“
simulátory (MicroCap). Program SNAP jsme vytvořili právě pro studenty, kteří potřebují
rychle zvládnout první krůčky v počítačové simulaci obvodů. K zvládání výše zmíněné
„abecedy“ by vám měla hodně napomoci netradičně pojatá kapitola 5, v níž jsou
6 FEKT Vysokého učení technického v Brně

koncentrovány 3 na sebe navazující lekce počítačové simulace v programu SNAP.
K umocnění celkového „výukového“ efektu je tato část formálně upravena poněkud odlišně
od ostatních kapitol (převaha grafické informace nad textovou, vynechání číslování obrázků
atd.). Nechybí zde ani náměty na samostatné experimentování v SNAPu. Máte možnost
pokračovat v řešení sady 123 elektronických příkladů, které si můžete stáhnout na váš počítač
z [?]. Jejich popis je uveden v příloze P1. Pokrývají širokou škálu problémů a jsou setříděny
do kategorií „Základy elektrotechniky“, „Zesilovače“, „Oscilátory“, „Syntetické prvky“,
„Filtry“, „Vysokofrekvenční obvody“. Tuto úvodní část však doporučuji i zkušeným
uživatelům komerčních simulátorů. SNAP totiž poskytuje – na rozdíl od simulátorů rodiny
SPICE – výsledky v tzv. symbolické formě, což vám umožňuje získávat některá řešení, která
prostě komerční simulátory neumí.
Navazující kapitoly o „numerických“ simulačních programech je sice možno studovat
nezávisle na předchozích částech, efektivnější je ovšem nejprve projít předchozími „základy“.
Uvedený „skok“ je možné doporučit snad jen zkušenějším uživatelům některého
z komerčních simulátorů. Naučíte se „pohybovat“ v profesionálním schématickém editoru,
seznámíte se základními pojmy a pravidly, jak pracovat s modely součástek, s knihovnami,
jak správně používat příkazy typu .MODEL a .DEFINE atd. Naučíte se pracovat s
nejrůznějšími typy analýz, v různých analyzačních módech a režimech. V závislosti na vašich
potřebách můžete zvládnout tuto problematiku do hloubky, která vám bude vyhovovat, neboť
kromě základních typů analýz, které mají v podstatě stejný charakter v různých simulačních
programech, jsou zde popisovány do podrobností i další užitečné praktiky (například různé
„interaktivní“ analýzy, citlivostní analýza, animace apod.). Budete mít možnost na
konkrétních příkladech pochopit postupy, které jsou sice v „nabídkách“ různých simulačních
programů, avšak pro jejich běžné uživatele, kteří nemají čas studovat rozsáhlé manuály, jsou
většinou „obestřeny tajemstvím“. Řeč je o spektrální analýze časových průběhů, o zásadách
používání algoritmů dopředné a zpětné rychlé Fourierovy transformace v simulačních
programech, o nastavování počátečních podmínek v různých typech analýz, o povolování či
zakazování výpočtu stejnosměrného pracovního bodu, o správném používání příkazů .IC a
.NODESET, o šumové analýze, o zobecněné stejnosměrné analýze, jak se vyznat v
„simulačních teplotách“, v různých metodách krokování parametrů, jak prakticky používat
metodu Monte Carlo, jak správně pracovat v optimalizačním režimu, jak konkrétně
překonávat různé problémy při počítačové simulaci včetně problémy s konvergencí vnitřních
algoritmů atd. Tyto „koncentrované zkušenosti“ by mohly knihu učinit zajímavou i pro již
pokročilejší uživatele některého z profesionálních simulačních programů.
Jak studovat tyto elektronické texty, aby vám přinesly co největší užitek?“ Individuálně,
v závislosti na tom, „jak daleko jste od vrcholu“, s vědomím, že „cesta není přímočará“. Text
obsahuje řadu křížových odkazů jak na předchozí kapitoly a na kapitoly z přednáškových
skript [?], tak i na přílohovou část. Přílohy vám mohou posloužit jako stručné přehledové
„manuály“, zejména co se týče konkrétních způsobů práce s modely součástek.
2.2 Vstupní test
Průchod následujícím „autotestem“ vám ukáže, nakolik vaše současné znalosti
odpovídají vstupním požadavkům na úspěšné další studium předmětu. Výsledky jsou uvedeny
v dodatku 10.1.1 na str. 99.

Vyznačte správnou odpověď (ke každé otázce existuje právě jedna):
Modelování a počítačová simulace - počítačová cvičení 7


č. obvod otázka varianty odpovědí
Napětí U
X
je a) 2V, b) 3V, c) 4V, d) -6V
Napětí U
Y
je a)-2V, b) -3V, c) -4V, d) 6V
Proud I
X
je a) I
X
>I
Y
, b) I
X