回路シミュレータ：CircuitMaker

1. 回路シミュレータ
   
   
   1. アナログ回路
      アナログ回路のシミュレータは　Spice が有名です。与えられた回路から、微分方程式を導出し数値計算で回路のシミュレーションを行います。
      　しかし、この方式でディジタル回路をシミュレーションすると膨大な計算量になります。
      
      
   2. ディジタル回路
      　ディジタル回路のシミュレータは、回路の論理機能と遅延情報でディジタル回路のシミュレーションを行います。計算機をそのままシミュレーションすることも可能ですが、詳細な遅延時間の計算や、アナログ混在回路のシミュレーションは苦手です。
      
      
   3. ハイブリッド回路
      　CircuitMakerはディジタル・アナログ混在回路のシミュレーションが可能です。アナログ回路シミュレータにディジタルシミュレーション機能を付加した方式ですから、ディジタル回路のシミュレーションはディジタル専用シミュレータと比べて使いづらいところはあります。
      
      
2. CircuitMaker
   
   
   1. CircuitMaker
      　CircuitMakerは、Altium社の製品で、CircuitMaker2000は　プリント基板設計機能を含めて　1000ドルで販売されています。ただし、同社は　学生向けに素子数を50に限定した　Student　版を　無料で公開しており、自宅での勉強に利用することができます。ここからダウンロード可能です。
      　また、講談社の「ブルーバックス」シリーズで、利用法が紹介されています。
      
      
   2. 回路図入力：素子選択
      　まず、回路図入力を行います。ツールメニューの　　をクリックすると、「DEvice Selection Window」が現れ、部品を選択できます。Major、Minor、Device Symbol、Model　で絞り込んでいきます。トランジスタ類は日本のモデル番号には対応していません。ディジタル系は、Digital By Number でCMOS40系やTTL74系が選択できます。
      
      
      
      素子を選択したら、「Place」ボタンで配置が可能です。マウスで位置を選択し、クリックして配置します。位置は配線後でも、後から調整可能です。部品選択はDevicesメニューのHotKeyからも可能です。
      
      
   3. 電源、信号生成、表示
      　通常の部品以外に、電源、グランド、信号生成器、ディジタル入出力部品などが利用できます。電源は　「Analog」の「Power」、から　「V+」や「GND」で選択できます。電圧は、後から変更できます。
      　「Analog」＞「Instruments」、「SignalGenerator」は、正弦波だけでなく、ディジタル用パルス生成も設定可能です。GND　とする信号は必ず設定が必要です。
      
      
   4. 配線
      　配線を行うには、　ボタンを押します。ポインタを部品の端子に近づけると　赤い　＋　マークが出ます。ここでクリックすると端子に接続できます。他の部品の端子を同様に接続します。配線経路は、水平・垂直線で自動生成されます。後から、調整が可能です。
      下図は、　トランジスタによるTTLへのレベルコンバータ回路です。「Analog」＞「Instruments」、「SignalGenerator」 で入力信号を生成します。トランジスタは標準のnpn型とし、抵抗、電源、グランド、NOT素子、を接続します。ディジタル信号の表示用に、DigitalAnimated＞Display＞LogicDisplay を接続しています。
      
      
      
      
3. シミュレーション
   
   
   1. SignalGeneratorの設定
      　波形表示は　「Tranjient」機能を利用します。標準の入力信号は1Khzでこの場合、デフォルトで表示されます。入力クロックを設定するには、「SignalGenerator」をダブルクリックします。EditSignalWindowで電圧や周波数を設定できます。ここでは、Frequency（周波数）を10Khzとします。
      　
      
      
      この画面で、Waveをクリックすると、波形も変更できます。
      
      
   2. AnalysesSetup
      　次に、Simulation メニューのAnalysesSetupで、シミュレーション条件を設定します。解析の開始、終了時刻、計算間隔（StepTime）を設定します（Max Step Time 可変時刻で計算する場合の最大時間だと思います）。ここでは、入力が10Khzですから、1周期が100μ秒となります。Stoptimeはこれの数倍で良いでしょう。StepTimeは1周期の1/10以下とする必要があります。
      
      
      
      
   3. 表示画面
      　（run）ボタンで計算を開始し、表示ウインドウが出ます。（Probe）をクリックし、回路の端子をクリックして、端子の波形を表示します。表示長が適当でない場合、まず、　でMan を押して　Manual モードにします。次に、表示ウインドウの　 ボタンで、時間軸の拡張・収縮をします。
      
      
      
      　1画面に複数の波形を表示するには、 ボタンで上下の間隔を広げます。次に、Shiftキーを押しながら端子を選択すると、波形が複数表示されます。このままでは、電圧が同じ場合重なって表示されますから、波形の名前をクリックし選択し、鍵盤の上下キーをクリックして波形を上下に移動します。
      
      
   4. ディジタル回路のステップ実行
      ディジタル回路は、スイッチ操作により逐次実行できます。サンプルとして、次のラッチ回路を組みます。左のスイッチは、Digital＞Power＞LogicSwitch で配置します。
      　シミュレーションモードを　　をクリックしてディジタルモードにします。 をクリックすると、信号のレベルにより、信号の色を変化させることができます。この状態で、をクリックすると、ディジタルシミュレーションを開始し、スイッチをクリックして信号の値を変化させることができます。上の信号をクリックしてデータ信号をセットし、下のスイッチをHにすると値を取り込み、Lにしてもその値を保持します。この状態で、上の信号を切り替えとも記憶した値は変化しません。
      
      
      　この回路は、最初発振状態になるため、ランプが点滅します。一度、下側のクロックを１にすると安定します。
      
      
   5. スイッチ回路
      こんな、回路もシミュレーションできます。電池とスイッチとランプの組み合わせ回路です。電気的に接続のない線は緑で表示されます。スイッチは　Switches>Toggle>SPDT で、ランプは　Display>lncandescent>Lamp で、電池は General>Souces>Battery にあります。図で、s3,s4　と　s5,s6 は2回路の一つのスイッチとして、同時にオンオフします。この構成で、どのスイッチでもランプをオン・オフできる回路です。
      
      
      
      
   6. エミッタ接地トランジスタ回路
      　アナルグ回路のシミュレーションを行います。トランジスタはバイポーラのNPN型です。エミッタに負帰還をかけて、安定性を高めています。トランジスタで増幅を行うには、トランジスタが半導通となる程度にベース電流を流します。このときのコレクタの電圧は電源電圧の1/2〜2/3 程度にします。
      　この状態で、入力の交流信号が変化すると、コレクタの電圧が変化します。エミッタの抵抗は負帰還として働きます。交流信号にも負帰還が働くと、ゲイン（電圧利得）が確保できませんから、エミッタのコンデンサを付加し、交流分には負帰還が働かないようにします。
      
      
      
      入力は6kHz、2.04〜2.34Vの正弦波です。下は出力コレクタの波形で、 10V中心に0.6Vの振幅です。約2倍の増幅度です。
      
      
      
      下は入力と、コンデンサで直流分をカットした出力を同時に表示した例です。入力信号が下がると、ベース電流が減り出力電圧が上がります。したがって、入力を反転した出力になります。
      
      
      
      高い利得は、1段の増幅では困難で、数段の増幅回路を重ねます。設計は面倒ですから、特殊な増幅でない限り、OPアンプを利用が簡単です。