محاكاة الدوائر الالكترونية

تستخدم محاكاة الدوائر الإلكترونية نماذج رياضية لمحاكاة سلوك جهاز أو دائرة إلكترونية فعلية. تسمح برامج المحاكاة بنمذجة تشغيل الدائرة وهي أداة تحليل لا تقدر بثمن. نظرًا لقدرتها العالية على النمذجة الدقيقة، تستخدم العديد من الكليات والجامعات هذا النوع من البرامج لتدريس برامج فني الإلكترونيات وهندسة الإلكترونيات . تعمل برامج محاكاة الإلكترونيات على إشراك مستخدميها من خلال دمجهم في تجربة التعلم. تعمل هذه الأنواع من التفاعلات على إشراك المتعلمين بنشاط في تحليل المحتوى وتلخيصه وتنظيمه وتقييمه وتؤدي إلى قيام المتعلمين ببناء معرفتهم الخاصة. ^[1]

إن محاكاة سلوك الدائرة قبل بنائها فعليًا يمكن أن يحسن بشكل كبير من كفاءة التصميم من خلال جعل التصميمات المعيبة معروفة على هذا النحو، وتوفير نظرة ثاقبة لسلوك تصميمات الدوائر الإلكترونية. على وجه الخصوص، بالنسبة للدوائر المتكاملة ، فإن الأدوات ( الأقنعة الضوئية ) باهظة الثمن، ولوحات التجارب غير عملية، واستكشاف سلوك الإشارات الداخلية أمر صعب للغاية. لذلك، يعتمد تصميم الدوائر المتكاملة بالكامل تقريبًا بشكل كبير على المحاكاة. أشهر محاكي تناظري هو SPICE. ربما تكون أشهر المحاكيات الرقمية هي تلك القائمة على Verilog و VHDL .

برنامج محاكاة الإلكترونيات CircuitLogix .

تدمج بعض محاكيات الإلكترونيات محرر مخططات ومحرك محاكاة وعرض شكل موجة على الشاشة (انظر الشكل 1)، مما يسمح للمصممين بتعديل دائرة محاكاة بسرعة ومعرفة تأثير التغييرات على الناتج. كما تحتوي عادةً على مكتبات واسعة النطاق للنماذج والأجهزة. تتضمن هذه النماذج عادةً نماذج ترانزستورات محددة للدوائر المتكاملة مثل BSIM، ومكونات عامة مثل المقاومات والمكثفات والمحاثات والمحولات ، ونماذج محددة من قبل المستخدم (مثل مصادر التيار والجهد المتحكم فيها، أو النماذج في Verilog-A أو VHDL-AMS ). يتطلب تصميم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) نماذج محددة أيضًا، مثل خطوط النقل للمسارات ونماذج IBIS لقيادة واستقبال الإلكترونيات.

أنواع

في حين أن هناك محاكيات دوائر إلكترونية تناظرية ^[2] صارمة ، فإن المحاكيات الشائعة غالبًا ما تتضمن قدرات المحاكاة التناظرية والرقمية المدفوعة بالأحداث ^[3] ، وتُعرف باسم محاكيات الوضع المختلط أو الإشارات المختلطة إذا كان بإمكانها محاكاة كليهما في وقت واحد. ^{[4] يمكن تشغيل}تحليل إشارة مختلطة بالكامل من مخطط متكامل واحد. توفر جميع النماذج الرقمية في محاكيات الوضع المختلط مواصفات دقيقة لوقت الانتشار وتأخيرات وقت الصعود / الهبوط.

إن الخوارزمية التي تعتمد على الأحداث والتي توفرها المحاكيات ذات الوضع المختلط هي خوارزمية عامة الغرض وتدعم أنواع البيانات غير الرقمية. على سبيل المثال، يمكن للعناصر استخدام قيم حقيقية أو صحيحة لمحاكاة وظائف معالجة الإشارات الرقمية أو مرشحات البيانات المأخوذة من العينات. ولأن الخوارزمية التي تعتمد على الأحداث أسرع من حل مصفوفة SPICE القياسي، فإن وقت المحاكاة ينخفض بشكل كبير بالنسبة للدوائر التي تستخدم نماذج تعتمد على الأحداث بدلاً من النماذج التناظرية. ^[5]

يتم التعامل مع محاكاة الوضع المختلط على ثلاثة مستويات: باستخدام عناصر رقمية بدائية تستخدم نماذج التوقيت ومحاكي المنطق الرقمي المدمج المكون من 12 أو 16 حالة، مع نماذج الدوائر الفرعية التي تستخدم طوبولوجيا الترانزستور الفعلية للدائرة المتكاملة ، وأخيرًا، باستخدام تعبيرات المنطق البولياني المضمنة .

تُستخدم التمثيلات الدقيقة بشكل أساسي في تحليل مشاكل سلامة خطوط النقل والإشارات حيث يلزم إجراء فحص دقيق لخصائص الإدخال/الإخراج للدائرة المتكاملة. تُعد التعبيرات المنطقية البوليانية وظائف خالية من التأخير تُستخدم لتوفير معالجة فعالة للإشارات المنطقية في بيئة تناظرية. تستخدم طريقتا النمذجة هاتين SPICE لحل مشكلة بينما تستخدم الطريقة الثالثة، البدائيات الرقمية، إمكانية الوضع المختلط. لكل من هذه الطرق مزاياها وتطبيقاتها المستهدفة. في الواقع، تتطلب العديد من عمليات المحاكاة (خاصة تلك التي تستخدم تقنية A/D) الجمع بين جميع الأساليب الثلاثة. لا تكفي طريقة واحدة بمفردها.

هناك نوع آخر من المحاكاة يستخدم بشكل أساسي في الإلكترونيات القوية وهو الخوارزميات الخطية المتقطعة ^[6] . تستخدم هذه الخوارزميات محاكاة تناظرية (خطية) حتى يغير مفتاح إلكتروني قوي حالته. في هذا الوقت يتم حساب نموذج تناظري جديد لاستخدامه في فترة المحاكاة التالية. تعمل هذه المنهجية على تعزيز سرعة المحاكاة واستقرارها بشكل كبير. ^[7]

التعقيدات

تحدث اختلافات في العملية عند تصنيع التصميم ، وغالبًا لا تأخذ محاكيات الدوائر هذه الاختلافات في الاعتبار. قد تكون هذه الاختلافات صغيرة، ولكن عند أخذها معًا، يمكنها تغيير ناتج الشريحة بشكل كبير.

يمكن أيضًا نمذجة تغير درجة الحرارة لمحاكاة أداء الدائرة من خلال نطاقات درجة الحرارة. ^[8]

محاكاة من مصفوفة القبول

الطريقة الشائعة لمحاكاة أنظمة الدوائر الخطية هي باستخدام مصفوفات القبول أو مصفوفات Y. تتضمن التقنية نمذجة المكونات الخطية الفردية كمصفوفة قبول للمنفذ N، وإدخال مصفوفة Y المكونة في مصفوفة قبول عقدية للدوائر ، وتثبيت نهايات المنافذ في العقد التي تحتوي على منافذ، وإزالة المنافذ التي لا تحتوي على عقد من خلال تقليل كرون ، وتحويل مصفوفة Y النهائية إلى مصفوفة S أو Z حسب الحاجة، واستخراج القياسات المطلوبة من مصفوفة Y وZ و/أو S.

مثال بسيط لمرشح تشيبيشيف

مرشح تشيبيشيف من الدرجة الخامسة، 50 أوم، مع 1 ديسيبل من تموج نطاق التمرير وتردد القطع 1 جيجاهرتز المصمم باستخدام طوبولوجيا تشيبيشيف كاوار والممانعة اللاحقة وقياس التردد، ينتج العناصر الموضحة في الجدول ومخطط السعة الدقيقة أدناه.

جدول عناصر تشيبيشيف للمحاكاة
عنصر	قيمة g	يكتب	مُقاس لـ 50 أوم و 1 جيجاهرتز	العقد
ص1	1	ميناء	50	1
ل1	2.1348815	مغو	1.6988847E-08	1, 2
ج1	1.0911073	مكثف	3.4731024E-12	2, 0
ل2	3.0009229	مغو	2.3880586E-08	2, 3
سي 2	1.0911073	مكثف	3.4731024E-12	3, 0
ل3	2.1348815	مغو	1.6988847E-08	3, 4
ص2	1	ميناء	50	4

نمذجة معلمات المنفذ Y 2

يوفر الجدول أعلاه قائمة بالعناصر المثالية للنمذجة مع ملحقات العقدة المراد محاكاتها. بعد ذلك، يجب تحويل كل عنصر غير منفذ إلى نموذج معلمة Y 2X2 لكل تردد يتم محاكاته. في هذا المثال، يتم تحديد تردد 1 جيجاهرتز.

لا تحتاج العناصر المتصلة بالعقدة 0، العقدة الأرضية، إلى حساب Y12 أو Y21 الخاص بها، وتظهر كـ "n/a" في الجدول.

جدول معلمات عنصر تشيبيشيف Y عند 1 جيجاهرتز للمحاكاة
عنصر	القبول عند 1 جيجاهرتز	Y11 وY22 بسرعة 1 جيجاهرتز	Y12 وY21 بسرعة 1 جيجاهرتز	العقد
ص1	غير متاح	غير متاح	غير متاح	1
ل1	-ج0.0093682013	-ج0.0093682013	ج0.0093682013	1, 2
ج1	ج0.021822146	ج0.021822146	غير متاح	2, 0
ل2	-ج0.0066646164	-ج0.0066646164	ج0.0066646164	2, 3
سي 2	ج0.021822146	ج0.021822146	غير متاح	3, 0
ل3	-ج0.0093682013	-ج0.0093682013	ج0.0093682013	3, 4
ص2	غير متاح	غير متاح	غير متاح	4

إدخال معلمات المنفذ Y 2 في مصفوفة القبول العقدية

يجب أن نتذكر أنه في حين تتكون نماذج المحاثات والمكثفات المثالية من نماذج 2x2 بسيطة للغاية حيث Y11 = Y22 = -Y12 = -Y21، لا يمكن نمذجة معظم العناصر في العالم الحقيقي بهذه البساطة. مع خطوط النقل ونماذج المحاثات والمكثفات في العالم الحقيقي، على سبيل المثال، Y11 != -Y12، وبالنسبة لبعض العناصر غير المتماثلة السلبية الأكثر تعقيدًا، Y11 != Y22. بالنسبة للعديد من الأجهزة الخطية النشطة، مثل مكبرات التشغيل ، Y12 != Y21. لذلك، يستخدم المثال في هذا القسم Y11 وY12 وY21 وY22 المستقلة لتوضيح عمليات المحاكاة التي تنطبق على أجهزة العالم الحقيقي الأكثر تعقيدًا.

يتم إدراج كل معلمة عنصر Y في مصفوفة القبول العقدي عن طريق جمعها في العقد المرتبطة بها وفقًا للقواعد أدناه. ^[9]

يتم جمع Y11 في العقدة nxn في القطر، حيث n هي العقدة التي يتم توصيل الدبوس الأول، الدبوس 1، بها.

إذا لم تكن العقدة الثانية تساوي 0، أي ليست أرضية:

يتم جمع Y22 في عقدة mxm في القطر، حيث m هي العقدة التي يتم توصيل الدبوس الثاني، الدبوس 2، بها.
يتم جمع Y12 في موقع العقدة nxm
يتم جمع Y21 في موقع عقدة mxn

يوضح الجدول أدناه معلمات Y لعنصر تشيبيشيف 2x2 مجمعة في المواقع المناسبة.

جدول إدخالات معلمات Y
العقدة	1	2	3	4
1	ل1_ي11	ل1_ي12
2	ل1_Y21	ل1_Y22+C1_Y11+L2_Y11	ل2_Y12
3		ل2_ي21	ل2_Y22+C2_Y11+L3_Y11	ل3_Y12
5			ل3_Y21	ل3_Y22

المدخلات العددية لمصفوفة القبول العقدي

لمحاكاة الفلتر عند 1 جيجاهرتز، أو أي تردد، يجب تحويل معلمات العنصر Y إلى إدخالات رقمية باستخدام نماذج معلمات Y المناسبة للعنصر المثبت. بالنسبة للمحثات والمكثفات المثالية، فإن Y11 = Y22 = -Y12 = -Y21 = المعروفة جيدًا للمحثات وY11 = Y22 = -Y12 = -Y21 = للمكثفات كافية. يظهر التحويل الرقمي في الجدول أدناه. $j2\pi fL$ $-j/(2\pi fC)$

جدول المعلمات العددية Y عند 1 جيجاهرتز
العقدة	1	2	3	4
1	-ج0.0093682	0.0093682
2	0.0093682	ج0.00578933	ج0.00666462
3		ج0.00666462	ج0.00578933	0.0093682
4			0.0093682	-ج0.0093682

إزالة العقد الداخلية

نظرًا لأن المنافذ متصلة فقط بالعقدة 1 والعقدة 4، فيجب إزالة العقدتين 2 و3 من خلال تقليل كرون . يوضح الجدول أدناه مصفوفة معلمات Y المختصرة لمحاكاة مرشح تشيبيشيف بعد إزالة العقدتين 2 و4. تتم إعادة ترقيم عقد الجدول المختصرة إلى 1 و2.

جدول Kron لمعلمات Y الرقمية المخفضة عند 1 جيجاهرتز
العقدة	1	2
1	ج0.0372422	-ج0.0536574
2	-ج0.0536574	ج0.0372422

التحويل إلى مصفوفة معلمات S

نظرًا لأن استجابة تردد تشيبيشيف يتم ملاحظتها من مصفوفة معلمات S، وهي |S12|، فإن الخطوة التالية هي تحويل مصفوفة معلمات Y إلى مصفوفة معلمات S، باستخدام تحويلات مصفوفة Y المعروفة إلى مصفوفة S مع معاوقة المنفذ كمعاوقة مميزة (أو قبول مميز) لكل عقدة.

تسمح معلمات S المحاكاة أيضًا بمعالجة مفيدة بعد المحاكاة لأشياء مثل تأخير المجموعة وتأخير الطور .

جدول معلمات S مع نهايات 50 أوم عند 1 جيجاهرتز
العقدة	1	2
1	-0.356328 + ج0.280539	0.551322 + ج0.700266
2	0.551322 + ج0.700266	-0.356328 + ج0.280539

مقادير معلمات S

نظرًا لأنه من المتوقع أن يكون من الممكن ملاحظة استجابة تردد تشيبيشيف في |S12| كاستجابة تموج متساوي بمقدار 1 ديسيبل من 0 إلى 1 جيجاهرتز، فيجب تحويل إدخالات معلمات S المعقدة إلى أحجامها الخاصة، باستخدام المعيار . $|S_{ij}|={\sqrt {S_{ij{\text{ حقيقي}}}^{2}+S_{ij{\text{ صورة}}}^{2}}}$

معلمات S مع نهايات 50 أوم عند 1 جيجاهرتز
العقدة	1	2
1	0.45351050	0.89125104
2	0.89125104	0.45351050

التحقق من النتائج

قد يكون من المفيد إجراء بعض عمليات التحقق السريعة من الصلاحية في هذه المرحلة. نظرًا لأن متطلب تصميم مرشح تشيبيشيف المثال هو التوهين بمقدار -1 ديسيبل عند تردد القطع 1 جيجاهرتز، فمن المتوقع أن يكون |S12| عند 1 جيجاهرتز -1 ديسيبل. وعلاوة على ذلك، نظرًا لأن جميع عناصر المحاكاة خالية من الخسارة، فإن العلاقة المعروفة جيدًا، |S ₁₁ | ² +|S ₁₂ | ² = 1 ^[10] تنطبق على جميع الترددات، بما في ذلك 1 جيجاهرتز.

اختبارات صحة المحاكاة عند 1 جيجاهرتز
	شرط مطلوب	النتائج الفعلية	حالة
1	20log ₁₀ (\|S12\|) = -1 ديسيبل	20log ₁₀ (0.89125104) = -1 ديسيبل	صالح
2	\|س ₁₂ \| ² +\|س ₁₂ \| ² = 1	0.45351050 ² +0.89125104 ² = 1	صالح

محاكاة التردد الكامل

الاختبار النهائي لصلاحية المثال هو محاكاة استجابة تردد مرشح تشيبيشيف من خلال النطاق المفيد الكامل، والذي سيتم اعتباره من 100 ميجا هرتز إلى 5 جيجا هرتز لهذه الحالة. يجب أن يسمح هذا النطاق برؤية التموج المتساوي |S12| لنطاق المرور بين 0 و-1 ديسيبل، ونطاق التوقف الحاد إلى حد ما |S12| الذي ينخفض عند 1 جيجا هرتز، والتموج المتساوي |S12| عند قيم الذروة المتوقعة 20log10(.4535...) = -6.86825 ديسيبل.

نظرًا لأن جميع مخرجات المحاكاة تتوافق مع النتائج المتوقعة، فقد تم تأكيد صحة محاكاة مرشح تشيبيشيف.

محاكاة العقد غير المنتهية

نظرًا لأن معلمات S تتطلب نهايات على جميع العقد التي يتم محاكاتها، فإن محاكاة قيمة معلمة S للعقد غير المنتهية، مثل العقد الداخلية للشبكة، غير مدعومة من الناحية الفنية. ومع ذلك، فإن وضع إنهاء مقاوم على العقد غير المنتهية يكون كبيرًا بما يكفي لعدم إدخال أي خطأ ذي أهمية لجعل العقد منتهية يكفي لمحاكاة العقدة بدقة. على سبيل المثال، يمكن أن يكون للعقدتين الداخليتين اللتين تم إقصاؤهما أعلاه منفذ 1e+09 أوم متصل بهما، لذلك بدلاً من استخدام تقليل كرون لإزالة العقد، يمكن محاكاة العقد بدقة بمنافذ مقاومة كبيرة بشكل مفرط.

محاكاة مصادر المقاومة الصفرية

إذا كان مصدر الإدخال إلى الشبكة هو مصدر جهد مثالي بدون مقاومة، فيمكن جعل المثال أعلاه يعمل عن طريق تضمين مقاومة منفذ صغيرة بما يكفي لعدم إدخال أي خطأ ذي أهمية. على سبيل المثال، المنفذ ذو المقاومة 1e-09 في شبكة تنتهي في مكان آخر بـ 50 أوم من شأنه أن يشكل مصدرًا مثاليًا بدقة كافية.

محاكاة دالة النقل

نظرًا لأن المثال أعلاه يحاكي معلمات S، فإن تحويلًا آخر ضروري للحصول على دالة النقل من معلمات S. التحويل هو، . ^[10] ${\frac {V_{i}}{V_{j}}}={\frac {S_{ij}}{2}}{\sqrt {\frac {R_{j}}{R_{i}}}},{\text{ }}i\neq j$

انظر أيضا

المفاهيم:

البروتين الدهني مرتفع الكثافة:

القوائم:

برمجة:

مراجع

^ "عيوب ومزايا المحاكاة في التعليم عبر الإنترنت". مؤرشف من الأصل في 2010-12-16 . تم الاسترجاع 2011-03-11 .
^ منجو وفيجنات، مدخل إلى جامعة مارن، في فاليه
^ Fishwick, P. "Entry in the University of Florida". مؤرشف من الأصل في 19 مايو 2000.
^ بيدرو ، ج. كارفاليو، إن. “الدخول إلى جامعة أفييرو، البرتغال” (PDF) . مؤرشفة من الأصلي (PDF) بتاريخ 2012-02-07 . تم الاسترجاع 2007-04-27 .
^ L. Walken و M. Bruckner، Event-Driven Multimodal Technology Archived 2007-05-05 at the Wayback Machine
^ بيجوفيتش، ب.؛ ماكسيموفيتش، د. (13 مايو 1995). "خوارزمية جديدة لمحاكاة أنظمة الإلكترونيات الكهربائية باستخدام نماذج الأجهزة الخطية المقطعية". معاملات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات في الإلكترونيات الكهربائية . 10 (3): 340-348. رمز Bibcode :1995ITPE...10..340P. doi :10.1109/63.388000 – عبر IEEE Xplore.
^ Allmeling, JH; Hammer, WP (13 يوليو 1999). "محاكاة الدوائر الكهربائية الخطية لكل قطعة باستخدام PLECS لـ Simulink". وقائع المؤتمر الدولي لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات لعام 1999 حول إلكترونيات الطاقة وأنظمة القيادة. PEDS'99 (رقم الكتالوج 99TH8475) . المجلد 1. ص 355-360 المجلد 1. doi :10.1109/PEDS.1999.794588. ISBN 0-7803-5769-8. S2CID 111196369 – عبر IEEE Xplore.
^ Ohnari, Mikihiko (1998). هندسة المحاكاة. Ohmsha. ISBN 9784274902178تم الاسترجاع في 12 أكتوبر 2022 .
^ زيلينجر، ج. (1966). التحليل الأساسي للمصفوفات والتوليف. أكسفورد، لندن، إدنبرة، نيويورك، تورنتو، باريس، براونشفايغ: بيرجامون برس، المحدودة. ص 45-58. رقم ISBN 9781483199061.
^ ab Matthaei, George L.; Young, Leo; Jones, EMT (1984). Microwave Filters, Impudence-Matching Networks, and Coupling Structures. 610 Washington Street, Dedham, Massachusetts, US: Artech House, Inc. (نُشر عام 1985). ص. 44. ISBN 0-89006-099-1.{{cite book}}:CS1 maint: الموقع ( الرابط )

روابط خارجية

مقارنة بسيطة بين طرق مختلفة في WCCA
محاكاة الدوائر الإلكترونية في مشروع الدليل المفتوح

Original text

Rate this translation

Your feedback will be used to help improve Google Translate

[1] "عيوب ومزايا المحاكاة في التعليم عبر الإنترنت". مؤرشف من الأصل في 2010-12-16 . تم الاسترجاع 2011-03-11 .

[2] منجو وفيجنات، مدخل إلى جامعة مارن، في فاليه

[3] Fishwick, P. "Entry in the University of Florida". مؤرشف من الأصل في 19 مايو 2000.

[4] بيدرو ، ج. كارفاليو، إن. “الدخول إلى جامعة أفييرو، البرتغال” (PDF) . مؤرشفة من الأصلي (PDF) بتاريخ 2012-02-07 . تم الاسترجاع 2007-04-27 .

[5] L. Walken و M. Bruckner، Event-Driven Multimodal Technology Archived 2007-05-05 at the Wayback Machine

[6] بيجوفيتش، ب.؛ ماكسيموفيتش، د. (13 مايو 1995). "خوارزمية جديدة لمحاكاة أنظمة الإلكترونيات الكهربائية باستخدام نماذج الأجهزة الخطية المقطعية". معاملات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات في الإلكترونيات الكهربائية . 10 (3): 340-348. رمز Bibcode :1995ITPE...10..340P. doi :10.1109/63.388000 – عبر IEEE Xplore.

[7] Allmeling, JH; Hammer, WP (13 يوليو 1999). "محاكاة الدوائر الكهربائية الخطية لكل قطعة باستخدام PLECS لـ Simulink". وقائع المؤتمر الدولي لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات لعام 1999 حول إلكترونيات الطاقة وأنظمة القيادة. PEDS'99 (رقم الكتالوج 99TH8475) . المجلد 1. ص 355-360 المجلد 1. doi :10.1109/PEDS.1999.794588. ISBN 0-7803-5769-8. S2CID 111196369 – عبر IEEE Xplore.

[8] Ohnari, Mikihiko (1998). هندسة المحاكاة. Ohmsha. ISBN 9784274902178تم الاسترجاع في 12 أكتوبر 2022 .

[9] زيلينجر، ج. (1966). التحليل الأساسي للمصفوفات والتوليف. أكسفورد، لندن، إدنبرة، نيويورك، تورنتو، باريس، براونشفايغ: بيرجامون برس، المحدودة. ص 45-58. رقم ISBN 9781483199061.

[:2-10] Matthaei, George L.; Young, Leo; Jones, EMT (1984). Microwave Filters, Impudence-Matching Networks, and Coupling Structures. 610 Washington Street, Dedham, Massachusetts, US: Artech House, Inc. (نُشر عام 1985). ص. 44. ISBN 0-89006-099-1.{{cite book}}:CS1 maint: الموقع ( الرابط )

اللغة	العربية (RTL)
روابط موسوعية	30 رابطاً
المصدر الأصلي	ويكيبيديا ↗