Tento rok se vzpomíná na počátky internetu v naší zemi, tak bych si dovolil taky malou vzpomínku na první programy pro simulaci obvodů. Z těch prvních se udržel asi jen Micro-Cap. Já osobně jsem měl ale nejraději ze všech Electronics Workbench. O demoverzi inzerovanou v časopise Electronics Now jsem si kdysi napsal poštou a opravdu mi v předinternetové době poslali disketu. A určitě velkou zásluhu na rozšiření tohoto software má ing. Milan Klauz, který se ujal distribuce těchto programů u nás. Eleganci programu EWB podle mne už nic nepřekonalo a to ani pokračovatel Multisim.

Historie programů pro simulaci obvodů je už taky hodně letitá a po programu CANCER přišly algoritmy SPICE vyvinuté na univerzitě v Berkeley. Dizertační práci z roku 1973 autorů Laurence W. Nagel a D.O.Pederson si můžete přečíst zde: SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Určitě nebyli jediní, kteří řešili problematiku simulace obvodů, ale snad i kvůli volné licenci využití těchto algoritmů se jejich systém stal nepsaným standardem. To co se platí a poměrně draze, je to okolo: zpracování vstupu, výstupu a knihovny součástek. Je mi proto sympatické, když se o něco podobného pokusí parta nadšenců a dá své snažení k dispozici zdarma. Samozřejmě výsledek se nedá srovnat s profesionálním řešením. Existuje ale i free verze profesionálních programu Tina-Pro a Micro-Cap. Ale já bych chtěl v tomto článku upozornit na to, že na internetu jsou i online verze simulačních programů, které lze vyzkoušet bez instalace do počítače.

Obr. 1: Program EasyEda Version V4.1.3

Program EasyEda byl dlouho mým favoritem, ale poslední verze jsou u něj z mého pohledu neustálé změny k horšímu. Zmizela ikonka pro spuštění simulace, změnily se palety se součástkami a zmizely měřicí přistroje a jednoduchý symbol operačního zesilovače bez napájcích svorek. Ne, že by se součástky ztratily úplně, ale je obtížné se k nim dostat. Podpora funguje velmi rychle, Takže když jim člověk napíše, že čtveřice diod v zapojení Graetzova můstku neusměrňuje, tak odpoví obratem, že diodám chybí model diod. A tím podpora končí, stále diodám chybí SPICE model. Ze všech programů má EasyEda asi nejlepší editor schémat, ale s grafickým výstupem simulace už je to slabší.

Obr. 2: Relaxační generátor v programu PartSim

PartSim  je podle mne asi to nejlepší, co je aktuálně zdarma online k dispozici. Ovládání je intuitivní, simulace velmi rychlá a grafický výstup povedený včetně rozsáhlých možností exportu výsledků simulace a to i ve formě tabulky dat. Elegantní je i přepnutí do klasického SPICE netlistu. Snad jen trochu chybí evropská norma součástek.

Obr. 3: Grafický výstup Transient analýzy generátoru

A ještě zbývá TinaPro Cloud, kde obvod pro simulaci amplitudové modulace lze stále použít pro Fourierovu analýzu signálu. Chyba dvojnásobku amplitudy při vykreslení grafu spektra ze správně vypočítané řady i nadále přetrvává. No a teď už k programu DoCircuits. Je asi napsaný v programu JAVA, je to neuvěřitelně pomalé, v některém internetovém prohlížeči na stejném počítači to pustit jde a v druhém ne, chce to zkusit. Pravděpodobně se nadšení tvůrců vytratilo, takže blog Každý týden jeden elektronický obvod vyhasnul před třemi lety. I přes to mne program zaujal. Autoři zakomponovali totiž i parametrickou analýzu a hlavně si neskutečně pohráli s animacemi ovládání měřicích přístrojů, takže program lze použít i jako trenažér obsluhy digitálních měřáků.

Obr. 4: Program DoCircuits se zapojením pro vykreslení Lissajousových obrazců

V programu lze kreslit schemata buď klasicky anebo v pseudo 3D zobrazení součástek. Není to úplně dořešené, protože přepnutí zobrazení rozpojí obvod. I když to trochu připomíná Electronics Workbench, tak bohužel program se nechová stejně a multimediální mód pouze zpracovává výsledky proběhlé simulace. Ty mají ikonku fotoaparátu pro sejmutí průběhů a je možné si obrázky s grafy uložit. Sympatická je nápověda v pravém sloupci obrazovky a automatické přednastavení rozsahu os grafu.

Obr. 5: Lissajousův obrázek (1V/2kHz/90 stupňů a 1V/3kHz)

Dvouparametrová analýza umožňuje současné vykreslení více charakteristik do společného grafu. Dá se to sice obejít několikanásobnou kopii obvodu, ale při tomto řešení některé programy opomenou přečíslovat měřicí přístroje a je to zapotřebí řešit složitěji. Program DoCircuits má i Power Analysis, která podobně jako kdysi u programu Edison animací ukáže zničení součástky.

Obr. 6: Stejnosměrná dvouparametrově rozmítaná analýza s kontrolou ztrátového výkonu

Výkonovou analýzu lze vypnout a odsimulovat tak idealizovanou součástku. Což jsem udělal, abych do dvou kvadrantů nechal vykreslit současně výstupní a zpětné charakteristiky. Je zapotřebí zpřesnit výpočet posuvníkem Output Accuracy. Je dokonce možné si stáhnout si i offline verzi do počítače, ale příšerná pomalost výpočtu se tím bohužel nezmění. V okně grafu lze zapínat a vypínat zobrazení jednotlivých charakteristik.

Obr. 7: Současná simulace zpětných a výstupních charakteristik tranzistoru (Ib desítky mA)

Inspirace programem EWB se nezapře, protože mezi virtuálními přístroji je i Bode-Plotter určený pro zobrazení frekvenčních charakteristik v decibelech. Bohužel je tam chyba, a pokud se nezapojí jednoduchý odporový dělič, kde je decibelový přenos správně, ale třeba integrační článek, vykreslí se chybně kladné decibely. Klasická střídavá AC analýza kreslí přenos správně, ale jen jako napětí ve zvoleném uzlu. Pro správný tvar, je nutné přepnout svislou osu do logaritmického zobrazení. Je sice možné použít editor rovnic a nechat spočítat decibely jako 20log(vystupního napětí), ale vykreslovač charakteristik pak trvá na kladných hodnotách i když se změní případně znaménko v rovnici. Takže chyba bude asi v modulu kreslení charakteristik.

Obr. 8: Neúspěšný pokus přinutit program spočítat přenos v decibelech (krokování odporu)

Každopádně je možnost matematických operací s tabulkou odsimulovaných průběhů zajímavá. Pro ilustraci jsem zkusil vynásobit napětí s proudem v jednoduchém zapojení zdroje s odporovým spotřebičem a nechat určit průměr vynásobených sinusovek

Obr. 9: Určení výkonu z průměru součinu proudu a napětí v obvodu

Z náhledu okna kalkulátoru je vidět, že se jedná o docela mocný nástroj. Nemá to sice zdaleka možnosti jako Micro-Cap, ale pro jednoduché úlohy to určitě vyhoví a hlavně je to na rozdíl od Micro-Capu či programu TinaPro jednoduché na obsluhu.

Obr. 10: Okno kalkulátoru pro další zpracování odsimulovaných průběhů

Program umí i simulaci digitálních obvodů. To není moje parketa, takže neposoudím nakolik je simulace kvalitní. Důležité ale je, že jsou k dispozici příklady obvodů jak analogových tak digitálních. Podobně jako u staré verze programu EWB4 je simulace digitálních a analogových obvodů realizovaná zvlášť.

Obr. 11: Příklad zapojení číslicového obvodu (samples circuits)

Předpokládám, že se při digitální simulaci vyhodnocují pouze stavy log0/log1 jednotlivých výstupů, tak jak tomu bylo u logického analyzátoru v programu Electronics Workbench. Lze načíst obvody kliknutím myši i z blogu One Circuit a Week a tam například digitální simulace ovládání výtahu po spuštění multimediálně rozsvěcuje segmentovku patra výtahu.

Obr. 12: Výsledek simulace číslicového obvodu

 Knihovna hotových obvodů je poměrně rozsáhlá, ale bohužel rychlost simulace, tipuji díky JAVA řešení, je na dnešní dobu neuvěřitelně pomalá. Ale i přesto klobouk dolů před autory tohoto programu. Nevím na kolik je to free licence, protože to dole odpočítává čas. Ale určitě není problém se po vypršení doby znovu zaregistrovat. A když už nic jiného rozhodně je to použitelné jako trenažer ovládání digitálních přístrojů.

Obr. 13: Příklad ovládacího panelu DDS generátoru

Obr. 14 Ukázka měření parametrů signálu digitálním osciloskopem