Strumenti Spice per la Simulazione di Circuiti Analogici e Digitali

Non molti anni fa, gli appassionati progettisti di circuiti elettronici scrivevano su un foglio di carta lo schema elettrico del circuito da realizzare. Successivamente, prima di fare il circuito stampato definitivo, costruivano il circuito piazzando i componenti saldandoli su di una scheda 1000 fori e ne testavano il funzionamento per verificarne la rispondenza con lo schema elettrico teorico. Nel 90% dei casi, durante il test del circuito occorreva rivedere il valore di alcuni componenti, sostituire magari un integrato non adatto per quel progetto, oppure, nel caso peggiore, si bruciava qualche componente attivo per non aver valutato correttamente i livelli di tensione massimi sopportabili. Ovviamente, tutte queste vicissitudini comportavano dispendio di tempo, costi e pazienza che spesso si perdeva abbandonando il lavoro. Bene, al giorno d’oggi, ma già da un pò di tempo, si hanno a disposizione potenti strumenti basati sul software Spice, che consentono ai makers, non solo di creare e visualizzare sullo schermo di un computer lo schema elettrico del progetto che si vuole realizzare, ma anche di simularlo verificandone tutte le possibili funzionalità, ed infine di realizzare il relativo circuito stampato. Infatti, attualmente alcuni fra i maggiori costruttori di chip consentono di scaricare dalla rete questi tool di simulazione, quasi sempre gratuitamente, con i quali vengono forniti anche moltissimi modelli di componenti delle rispettive case costruttrici.

Introduzione

Tutto nasce con Spice! Sì, ma che cos’è, e come è nato Spice? Prima della nascita di Spice, un ingegnere avrebbe progettato e disegnato lo schema elettrico di un circuito, di questo circuito ne avrebbe fatta la verifica mediante l’analisi nodale utilizzando le leggi della corrente di Kirchhoff, avrebbe buttato giù una matrice di equazioni con le trasformate di Laplace, dopo averle risolte avrebbe estratto il comportamento del circuito utilizzando le trasformate inverse. Certo, tale procedura sembrerebbe abbastanza complessa e dura anche per un ingegnere provetto, ma questa complessa sequenza di analisi e calcolo ha gettato le basi per la creazione di una simile procedura basata su computer. Infatti, nel lontano 1973, grazie all’assiduo e tenace lavoro di uno studente dell’Università di Berkeley, veniva realizzata la prima versione di SPICE, SPICE1 scritta in FORTRAN, fino ad arrivare nel 1989 con la versione SPICE3 scritta in C funzionante sotto BSD UNIX. Queste versioni di Spice erano destinate alla progettazione con circuiti integrati e andavano su mainframes e workstations. Nello stesso anno era apparsa anche una simile versione chiamata PSpice per la simulazione di circuiti analogici e digitali funzionante con programmi di Microsoft Windows, utilizzabile su personal computer. Attualmente Spice è disponibile in versioni semplificate di più facile utilizzo e comprensione grazie al lavoro di adattamento effettuato nel 1990 da Mike Engelhardt della Linear Technology (oggi Analog Devices).

I produttori di chip e i rispettivi tool di simulazione

Con gli “Spicelike”, così definito Spice in gergo, dopo la semplificazione e adattamento realizzato dai vari costruttori di chip, è possibile dunque realizzare schemi elettrici, la relativa simulazione e la realizzazione anche del circuito stampato. Unitamente al software vengono forniti i modelli Spice dei componenti dei rispettivi costruttori di chip. Si consideri che anni fa i dettagli funzionali dei vari componenti erano segreti, considerati proprietà intellettuale, per ovvi motivi di concorrenza, ma, fortunatamente, grazie alla possibilità di crittografare le informazioni di dettaglio dei componenti, le varie aziende hanno liberalizzato questi modelli e messo a disposizione i relativi tool di simulazione.

Il software di simulazione LTspice di Analog Devices è fra i più utilizzati con più di 500.000 copie scaricate, è il più popolare fra i tool per la realizzazione dei PCB e simulazioni circuitali. Il creatore di LTspice, Mike Engelhardt, da oltre 15 anni, e tuttora, ne cura la manutenzione e gli aggiornamenti.

Un altro potente tool scaricabile dalla rete è il TINA-TI, fornito dalla Texas Instruments. Si tratta di una suite personalizzabile nelle varie funzionalità e potenzialità di simulazione e analisi che consente il test in real-time di circuiti analogici e digitali, nonché di microcontrollori. Viene offerta anche la possibilità di testare circuiti elettronici in modalità mixed, ovvero, circuiti costituiti da elementi digitali e analogici. La capacità di testare circuiti con microcontrollori consente all’utilizzatore di generare e fare il debug del codice relativo. Contestualmente alla realizzazione dello schema elettrico, lo strumento è in grado di estrarre le informazioni per creare  il relativo layout del circuito stampato. […]

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