Обзор свободного ПО для моделирования радиоэлектронных устройств и новых возможностей симулятора электронных схем Qucs (Вадим Кузнецов)

Ссылки сюда (2) →

Короткая ссылка: 20151018D

Аннотация

Докладчик

Вадим Кузнецов

Приведён обзор программных средств с открытым исходным кодом, предназначенных для моделирования различных радиоэлектронных устройств. Кратко рассмотрены основные возможности следующего ПО: Ngspice, Qucs, XYCE, TkGate, Gnucap и openEMS.

Все данные проекты активны в настоящее время.

Приведён обзор новых возможностей САПР для моделирования электроники Qucs, добавленных в версиях 0.0.19 и 0.0.19S. Рассмотрены перспективы развития САПР Qucs и вопросы интеграции проектов Qucs, Ngspice и XYCE.

Автор статьи входит в команду разработчиков проекта Qucs.

Данная информация будет интересна инженерам-разработчикам электроники, планирующим переход на open-source ПО и ОС Linux.

Слайды

Расширенные тезисы

Существует не так уж и много open-source САПР. САПР электроники (Electronic Design Automation --- EDA) являются исключением. Важной разновидностью данных САПР являются симуляторы электронных схем и электромагнитные симуляторы. За последнее время было сообществом было создано достаточно большое количество весьма достойных проектов. На сегодняшний день наиболее значимыми из них являются: Ngspice, Qucs, XYCE, TkGate и openEMS. Ниже приведён их краткий обзор.

Сначала рассмотрим симуляторы цифровых и аналоговых схем. На сегодняшний день индустриальным стандартом описания моделей и списков цепей для аналоговых схем является SPICE, разработанный в университете Беркли в 80-е годы прошлого века. Исходный код многих симуляторов основан на оригинальном коде Berkeley spice3f5. Для цифровых схем стандартом является поддержка языков описания аппаратуры VHDL и Verilog.

SPICE-совместимые симуляторы аналоговых схем

На сегодняшний день полную совместимость со SPICE имеют следующие open-source симуляторы:

Ngspice

Консольный симулятор аналоговых и цифроаналоговых схем. Позволяет производить моделирование на постоянном и переменном токе, анализ переходных процессов, шумовой анализ, анализ нелинейных искажений, Фурье-анализ. Имеет полную совместимость со SPICE-моделями и существующим библиотеками электронных компонентов. Разработка проекта начата более 10 лет назад. Совместим по видам моделирования с популярным коммерческим пакетом PSpice. Существует версия с поддержкой расчётов на GPU --- CUDAspice.

Движок моделирования Ngspice написан на С и использует исходный код spice3f5, написанный университетом Беркли. Ngspice имеет постпроцессор Ngnutmeg со встроенным скриптовым языком, позволяющим выполнять сложный анализ электронных схем. Лидерами проекта являются Francesco Lanutti и Paolo Nenzi.

xyce

Консольный кроссплатформенный SPICE-совместимый симулятор электронных схем. Xyce разрабатывается Сандийскими национальными лабораториями (США). Существуют для версии симулятора: с поддержкой параллельных вычислений через OpenMPI (XyceParallel) и без неё (XyceSerial).

Версия XyceParallel доступна только для Linux. Отличается от Ngspice тем, что не имеет постпроцессора и не содержит некоторых видов моделирования (шумовой анализ, анализ нелинейных искажений), но зато содержит дополнительный вид моделирования --- гармонический баланс. Симулятор написан на С++, с использованием набора библиотек функций линейной алгебры Trilinos, разработанного в Сандийских лабораториях.

Gnucap

Данный симулятор основан на движке моделирования, написанном с нуля. Пока не реализованы все виды моделирования и постпроцессор. Симулятор написан на C++. Сейчас проект разрабатывает Felix Salfelder.

Симуляторы цифровых схем

Среди симуляторов цифровых схем следует отметить TKGate. Это симулятор только цифровых схем на базе Verilog. Он работает только в ОС Linux. Симулятор написан на связке C и Tk/Tcl. Автором проекта является Jeffery P. Hansen (неактивен). Сейчас разработкой занимается наш соотечественник Андрей Скворцов. После шестилетнего перерыва в разработке в этом году вышел релиз TKGate-2.0.

Ключевые возможности симулятора следующие:

• Интерактивное моделирование цифровых схем
• Доступные типы компонентов: логические элементы, триггеры, регистры, счётчики, дешифраторы, мультиплексоры, ОЗУ, ПЗУ, АЛУ, ключи на МОП-транзисторе, имитаторы входных сигналов, светодиоды, семисегментыне индикаторы, шкалы, генераторы синхросигналов.
• Использование пользовательских скриптов Verilog.

Код Verilog можно потом передавать из TkGate в САПР для синтеза ПЛИС.

Qucs --- post-SPICE симулятор аналоговых и цифровых схем

Теперь рассмотрим симуляторы несовместимые со SPICE. К этому классу относится популярный симулятор Qucs.

Qucs является симулятором аналоговых и цифровых схем, основанном на вновь разработанном движке моделирования Qucsator. Qucs написан на C++, имеет свой GUI, основанный на Qt4. Лидером проекта является Guilherme Brondani Torri. Qucs поддерживает все базовые виды моделирования: анализ на постоянном и переменном токе, моделирование переходного процесса \cite{qucs_Kit3}. Отличительной особенность данного симулятора является расширенные функции для моделирования схем СВЧ-устройств: моделирование S-параметров, специальные модели СВЧ-компонентов и постпроцессор с расширенными функциями анализа комплексных сопротивлений в частотной области \cite{qucs_Kit8}. По возможностям анализа СВЧ-устройств Qucs приближается к таким проеприетарным аналогам как AWR MicrowaveOffice. Но симулятор Qucsator несовместим со SPICE и поддерживает SPICE только через слой совместимости, что значительно осложняет использование существующих библиотек моделей электронных компонентов. Несмотря на отличные характеристики движка Qucsator для моделирования СВЧ-схем в частотной, во временной области имеются многочисленные баги.

Возможно моделирование цифровых схем с применением языков описания аппаратуры Verilog и VHDL.

\section{Электромагнитные симуляторы}

Единственным представителем класса open-source электромагнитных симуляторов является openEMS openEMS.

Он не имеет своего графического интерфейса, а встраивается в Octave или Matlab. Задание на моделирование является скриптом Octave или Matlab, а для просмотра результатов служит программа Paraview.

Электромагнитный симулятор предназначен для расчёта распределения электромагнитного поля в различных системах и имеет следующие возможности.

• Расчёт электромагнитного поля (электродинамика) методом FDTD (метод конечных разностей во временной области)
• Расчёт S-параметров электромагнитных систем
• Расчёт электромагнитного поля в ближней и дальней зоне
• Расчёт диаграмм направленности антенн
• Визуализация результатов

Преимуществом openEMS является то, что он встраивается в Matlab/Octave, и следовательно мы имеем неограниченные возможности по параметризации моделей. Недостатком openEMS является повышенный порог вхождения. Требуется обязательное знание Matlab/Octave.

Qucs-0.0.19S --- новая версия Qucs с полной поддержкой SPICE

Qucs имеет интуитивно понятный интерфейс и развитую подсистему визуализации результатов. Но Qucs использует свой собственный формат списка цепей и моделей, несовместимый со SPICE. Это сильно осложняет использование существующих библиотек моделей полупроводниковых компонентов, распространяемых производителями. Слой совместимости со SPICE имеет многочисленные ограничения. Также ядро моделирования Qucs имеет многочисленные баги (зависание и крах симулятора) при моделировании во временной области, не позволяющие моделировать ключевые схемы и силовую электронику.

Ngspice, напротив, полностью совместим со стандартом SPICE и не имеет проблем при моделировании во временной области. Но Ngspice не имеет GUI и собственной системы визуализации. Поэтому возникает задача объединить Qucs и Ngspice так, чтобы можно было схему Qucs моделировать в Ngspice и использовать Qucs для визуализации результатов.

Данную задачу решает набор патчей spice4qucs

который в 2014-2015 году разработали я и Mike Brinson (London Metropolitan University). Spice4qucs позволяет моделировать схемы Qucs с использованием внешних консольных симуляторов Ngspice и XYCE. С нашим набором патчей Qucs может служить интерфейсом для Ngspice.

Исходный код находится в главном репозитории Qucs в ветке

rebase_spice4qucs

http://github.com/Qucs/qucs/tree/rebase_spice4qucs

Итак, spice4qucs выполняет следующие функции:

• Преобразует схему Qucs в SPICE-netlist
• Запускает сторонний симулятор
• Преобразует вывод от симулятора в XML-формат данных Qucs

Spice4qucs не принят в upstream проекта Qucs. Поэтому было принято решение выпустить параллельно два релиза Qucs:

Qucs-0.0.19

Без spice4qucs. Используется только ядро моделирования Qucsator.

Qucs-0.0.19S

С интегрированной функцией моделирования схем при помощи Ngspice и XYCE

Версия Qucs-0.0.19S позволяет решать следующие задачи, недоступные базовой версии Qucs-0.0.19:

• Spice4qucs позволяет моделировать схемы, недоступные дефолтному симулятору Qucsator. Прежде всего это силовая электроника, ключевые схемы, схемы на полупроводниковых приборах, работающих с заходом в режим отсечки, и схемы с большим количеством компонентов.
• Добавлено множество SPICE-совместимых компонентов и видов моделирования. Они расположены в группах: Spice components, Spice sections, и Spice

simulations. Подробнее о них написано в документации. Все эти компоненты не будут работать с дефолтным симулятором Qucsator. Они реализуют задание параметров, начальных условий и команды построцессора в стиле Ngspice. Также добавлены модели полупроводниковых компонентов с полным описанием модели в формате SPICE. Это позволяет просто копировать модель из существующих библиотек, минуя конвертеры.

• В библиотеках теперь разрешено включение SPICE-нетлиста. Он напрямую передаётся SPICE-совместимому симулятору, минуя конвертации.

Таким образом Qucs-0.0.19S может быть использован в промышленности инженерами-разработчиками электронной техники не только для моделирование СВЧ-устройств, но и любой другой электроники и составить конкуренцию симуляторам MicroCAP и Multisim.

Заключение

В данном обзоре были рассмотрены наиболее популярные активные opens-source проекты в области моделирования электронных схем. Можно сделать вывод, что СПО реализует все базовые виды моделирования, применяющиеся при разработке электроники: схемотехническое моделирование цифровых и аналоговых схем, синтез схем электронных устройств, электромагнитное моделирование. Но по возможностям СПО существенно отстаёт от проприетарных аналогов. Недостатками являются: консольный интерфейс, бедные библиотеки компонентов, недостаточный уровень поддержки промышленных стандартов. Все данные недостатки преодолимы при условии привлечения к данным проектам дополнительных разработчиков. Преимуществом является нетребовательность к ресурсам ПК и лучшая производительность, чем у коммерческого ПО. Таким образом можно рекомендовать применение рассмотренного СПО в учебном процессе на приборостроительных специальностях, разработчикам-фрилансерам и на небольших предприятиях.

Примечания и отзывы

• Discuss on Facebook
• Discuss on VK

Plays:409   Comments:0