.jpg "Schaltungssimulation: Warum Sie nicht nur SPICE verwenden sollten")
SPICE-Modelle (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), Netzlisten und SPICE-Simulator-Tools: Die meisten Elektronikentwickler können etwas damit anfangen. Doch bei der Schaltungssimulation gibt es noch weitere Möglichkeiten. Eine davon ist Analog-Mixed-Signal-Simulation oder kurz AMS. Worum genau geht es hierbei?
Ein einfaches, aber eindrucksvolles Beispiel ist eine H-Brücken-Schaltung, die einen Elektromotor antreibt. Die H-Brücke selbst wird durch ein mehr oder weniger komplexes digitales PWM-Signal angesteuert, das beispielsweise von einem Mikrocontroller oder einem FPGA stammt. Im Wesentlichen haben wir mehrere Domänen. Die PWM könnte durch ein Stück C-Code beschrieben werden, der in einem Mikrocontroller läuft, oder wie im Beispiel in VHDL. Die diskreten Komponenten, wie die Leistungstransistoren und die Diode, könnten leicht durch SPICE-Modelle dargestellt werden.
Grenzen von SPICE
Wie könnte man den DC-Motor modellieren? Ein DC-Motor ist ein Gerät mit zwei Anschlüssen, durch die ein elektrischer Strom fließt und an denen eine elektrische Spannung anliegt. Je nach den charakteristischen Gleichungen des Motors wird der Strom in ein Drehmoment an der Motorwelle und in eine Winkelgeschwindigkeit umgewandelt. Wenn Sie mit SPICE vertraut sind, werden Sie zustimmen, dass es nicht so einfach ist, einen Gleichstrommotor mit der SPICE-Notation zu modellieren. Mehr noch, die Welle des DC-Motors hat eine gewisse „Last“ an sich. Es könnte also von Interesse sein, das Verhalten eines Trägheitsmoments zu modellieren.
Im konkreten Beispiel soll die Welle eine Minimal- und Maximalposition haben, und wenn der Motor die Welle in die Minimal-/Maximalpositionen dreht, möchten wir in der Simulation eine stärkere Gegenkraft nachbilden. All dies ist zu viel für die SPICE-Notation, oder besser gesagt: SPICE wurde nicht entwickelt, um all das auf einfache Art und Weise zu beschreiben. Die Sprache VHDL-AMS wurde jedoch für solche Anwendungsfälle entwickelt. VHDL-AMS ist eine Erweiterung von VHDL, mit dem FPGA- und IC-Designer arbeiten. Sie wurde erweitert, um analoges Verhalten zu beschreiben.
Beispiele für AMS
Lassen Sie mich drei grundlegende Beispiele und ein komplexeres Beispiel zeigen: einen Widerstand, einen Kondensator, einen Induktor und eine Sicherung. Während in SPICE R, L und C im Wesentlichen Primitive sind, sind sie in VHDL-AMS keine Primitive, sondern werden durch ihre Systemgleichungen beschrieben. R, L, C haben zwei Anschlüsse und eine physikalische Größe (elektrischer Strom) durch die Anschlüsse und eine physikalische Größe (elektrische Spannung) über die Anschlüsse. Und damit wird R, L, C wie folgt beschrieben:
Der Widerstand erfüllt das Ohmsche Gesetz: Spannung = Widerstand ⋅ Strom
Ebenso wird ein Kondensator durch Gleichungen beschrieben: Spannung = C ⋅ dI/dt
Betrachten wir nun eine Sicherung. Eine Sicherung ist keine primitive Komponente in SPICE, und Sie können im Internet sogar nach Doktorarbeiten darüber suchen, wie man das Verhalten einer Sicherung in SPICE modelliert, indem man eine Mischung aus gesteuerten Strom- und Spannungsquellen und ähnlichen Primitiven von SPICE verwendet.
Zurück zu der H-Brücke, die einen DC-Motor antreibt. Nachdem wir nun alle relevanten Teile modelliert haben, können wir bei einer Simulation die Zeitbereichsdiagramme betrachten. Wenn man alles zusammennimmt, sieht man, dass die Simulationsergebnisse eine echte Mischung aus digitalen und analogen elektrischen Signalen zusammen mit anderen physikalischen Größen wie einem Drehmoment in NM oder dem Winkel der Welle in Radiant sind.
Jetzt verstehen Sie besser, was mit AMS gemeint ist. Ein AMS-Tool wie PADS AMS wird mit einer Bibliothek geliefert. Die Bibliothek bringt viele weitere Modelle von Funktionen wie Filter, Pumpen, Getriebe. Aber darüber hinaus können Sie auch im Web VHDL-AMS-Modellbibliotheken finden. Suchen Sie beispielsweise mit Stichworten wie VHDL AMS und Automotive, um viele Ressourcen zu finden. Es gibt auch eine kostenlose cloudbasierte Version für diese Technologie.
