4.2.Моделирование электрической схемы с помощью программ pSpice и Probe

Вызов программ.ПрограммаProbeвызывается автоматически после завершения моделирования вPSpice. Управляющая оболочка программPSpiceиProbeможет быть загружена автономно щелчком по пиктограмме или через менюWindows, вид ее экрана приведен на рис. 3.6. Расположенная в центе основная часть экрана предназначена для вывода результатов моделирования в графическом или текстовом виде на нескольких закладках. В левой нижней части экрана приводится информация о прохождении этапов моделирования. В правой нижней части имеются 3 закладки последнего сеанса моделирования:

Analysis — детальная информация о ходе моделирования;

Watch — вывод текущих значений напряжений узлов, помеченных на схеме символами WATCH1 (из библиотеки Special);

Devices — статистика состава компонентов проекта.

Команды управляющей оболочки программ PSpice и Probe приведены в табл. 3.2 (большинство команд относится к режиму Probe).

Рассмотрим на примере моделирование электрической схемы (файл RC_AC.sch) состоящей изR=100 Ом, конденсатораC=2 мкФ, источника переменного напряжения

U=1 В иf=2 кГц (рис.3.7) [6].

ШАГ 1. Загрузить схему.

Таблица 3.2.

Команды программ PSpice и Probe

Продолжение таблицы 3.2.

Продолжение таблицы 3.2.

Продолжение таблицы 3.2.

Продолжение таблицы 3.2.

Рис.3.6.Главное окно программ PSpiceиProbe

Рис.3.7. Электрическая схема

ШАГ 2. Установить атрибуты источника напряжения.

Двойным щелчком по символу источника напряжения VSINвызвать ДО его атрибутов (рис.3.8).

ШАГ 3.Установить значения всех атрибутов 0, за исключением VAMPL=1VиFREQ=2k;SINULATIONONLY,PKGREF, а также все атрибуты с пометкой «*» оставить без изменения.

Рис.3.8.Диалоговое окно атрибутов источника напряжения VSINc

установками для анализа переходных процессов

ШАГ 4. Установить на схеме SCHEMATICSиндикаторы атрибутовVAMPL=1VиFREQ=2k(см. рис.3.7) и сохранить.

ШАГ 5.Установить параметры моделирования. Открыть ДОAnalysisSetup, выбрав из менюAnalysisопциюSetupили щелкнув по кнопке(рис.3.9).

Рис.3.9.Диалоговое окно AnalysisSetup

ШАГ 6.Установить флажок рядом с кнопкой Transient… и затем щёлкнуть

по ней, чтобы открыть ДО Transient(рис.3.10).

ШАГ 7.Настроить ДО по образцу на см. рис.3.10. В поле PrintStep(Печатный шаг) установите значение 20ns, а в полеFinalTime(Конечное время) 4ms, т.е. 4 мс. Это означает,PSpiceбудет исследовать схему во временном интервале от 0 до 4 мс, т.е. проанализирует ровно восемь периодов входного напряжения.

Рис.3.10.Диалоговое окно Transient

ШАГ 8.Запуск моделирования: Analysis>Simulateили пиктограмма

По окончании анализа на экране появится информация показанная на рис.3.11.

Рис.3.11.Окно программы моделирования PSpiceA/Dпосле завершения

анализа переходных процессов во временном интервале от 0 до 4 мс

Создание диаграммы в программе PROBE

На диаграмме PROBEотобразим напряжение на конденсатореu_c (t) вместе с общим напряжениемu₁ (t) для электросхемы последовательного включения с резистивно-ёмкостной связью. Предварительно необходимо выполнить предварительную установку графической программыPROBE.

ШАГ 9.Открыть меню Analysis.

ШАГ 10.Щёлкнуть мышью по строке ProbeSetup… и открыть ДО ProbeSetupOptionsс тремя вкладками (рис.3.12…3.14).

Рис.3.12.Диалоговое окно ProbeSetupOptionsс вкладкой

ProbeStartup(ЗапускProbe)

Рис.3.13.Диалоговое окно Probe Setup Options с вкладкой Data Collection

ШАГ 11.Выбрать команду Automatically Run Probe After Simulation (Автоматически запускать Probe после моделирования), для того чтобы экран Probe автоматически

Рис.3.14.Диалоговое окно ProbeSetupOptionsс вкладкойCheckpoint

открывался после завершения моделирования, опцию None(Ничего), чтобы при запускеProbeне выполнялись какие-либо специальные предварительные установки. Чтобы получить данные для всех узлов схемы нужно на вкладкеDataCollection(Сбор данных), рис.3.13 установить опциюAll(Все). Оставить опцию на вкладкеCheckpoint(Контрольная точка), рис.3.14. Подтвердить свой выбор щёлкнув по кнопке ОК. Запустить процесс моделирования, например через менюWindows: ПускПрограммы >OrCAD>PspiceAD. Завершится моделирование появлением окна (см. рис.3.6), но без диаграммы, она выбирается на следующим шаге.

ШАГ 12. Открыть в программе ProbeменюTrace> Добавление трассировки, после чего появится ДО показанное на рис.3.15. Рассмотрим это окно.

Типы переменных, перечень которых приведен в окне, определяются положением выключателей:

Аналоговый (Analog) — аналоговые переменные;

Цифровой (Digital) — цифровые переменные;

Напяжения (Voltages) — напряжения;

Токи (Currents) — токи;

Шум (Noise) V 2 /Hz — спектральная плотность напряжения выходного шума;

Имена Псевдонимы (AliasNames) — псевдонимы;

Узлы Подсхемы (Subcircuit Nodes) — внутренние узлы макромоделей (только напряжения).

Переменные помечаются курсором, и их имена переносятся в командную строку Выражение (Trace Expression). В расположенном справа окне Функции макро (Functions or

Рис.3.15.Диалоговое окно Добавить следы со списком выбора переменных

Macros) можно выбрать математические фун-кции и макросы. Так можно выбрать

несколько переменных и отредактировать образованную строку для записи математических выражений. Графики строятся после нажатия кнопки ОК. На экран выводится координатная сетка графика, по горизонтальной оси которого откладывается независимая переменная, соответствующая выбранному режиму, например Time (эта переменная изменяется в последующем по желанию пользователя). На

экране может располагаться несколько окон, в каждом из которых строится несколько графиков. Активное окно (в котором в данный момент строятся графики) помечается слева символами «SEL»». В каждом окне может быть от 1 до 3 осей Yс разными масштабами. Укажем на особенности построения графиков аналоговых и цифровых переменных.

Аналоговые переменные

На одном графике можно поместить несколько кривых, которые на цветном мониторе выделяются цветом, а при выводе на черно-белый монитор, принтер или графопостроитель — различными значками. Формат переменных такой же, как в программе PSpice, за небольшими исключениями:

1) не допускается выводить падение напряжения на компонентах в форме V(<имя>) или Vxy(<uмя>), необходимо указывать имена (номера) узлов, например V(5) или V(21,3). Однако по-прежнему допустима форма Vх(<имя>), например VE(Q1) — потенциал эмиттера транзистора Q1;

V1 (R5) — потенциал вывода 1 резистора R5; V(C5:2) — потенциал вывода 2 конденсатора С5;

2) по формату Е(Кххх) выводится магнитная индукция сердечника трансформатора (в гауссах) и по формату Н(Кххх) — напряженность магнитного поля (в эрстедах), где Кххх — имя магнитного сердечника;

3) при выводе спектральной плотности напряжения выходного шума вместо имени переменной ONOISE следует указать V(ONOISE), аналогично при выводе спектральной плотности напряжения входного шума вместо INOISE указывается V(INOISE), а при выводе спектральной плотности тока входного шума I(INOISE);

4) в дополнение к напряжениям и токам доступны варьируемые переменные. В режиме DC это имя варьируемого источника напряжения или тока. В режиме АС — частота, имеющая имя «Frequency». В режиме Transient — время «Time».

В строке Выражение (Trace Expression) можно указать имя одной или нескольких переменных или выражений. При вводе имени только одной

переменной на оси Y автоматически проставляются единицы измерений в соответствии с типом переменной. Например, в режиме АС при построении графика модуля напряжения V(l) ось Y получит размерность в вольтах, фазы этого напряжения VP(1) — в градусах, а группового времени запаздывания VG(l) — в секундах.

На график можно вывести не только значения отдельных переменных, но и математические выражения, в которых допускаются

следующие операции:

+, -, *, / — арифметические операции;

ABS(x) — | х|, абсолютное значение х;

SGN(x) — знак числа х (+1 при х > 0 , 0 при х = 0 и -1 при х < 0);

SQRT(x) — , корень квадратный из х;

EXP(x) — ехр(x), экспонента числа х;

LOG(x) — ln(x), натуральный логарифм х;

LOG10(x) — log(x), десятичный логарифм х;

M(x) — модуль комплексной переменной х;

Р(х) — фаза комплексной переменной х (в градусах);

R(x) — действительная часть комплексной переменной х;

IMG(x) — мнимая часть комплексной переменной х;

G(x) — групповое время запаздывания комплексной переменной х (в секундах);

PWR(x,y) — | x| ^yстепенная функция;

SIN(x) — sin(x), синус х (х в радианах);

COS(x) — cos(x), косинус х (х в радианах);

TAN(x) — tg(x), тангенс х (х в радианах);

ATAN(x), ARCTAN(x) — acrtg(x), арктангенс х (х в радианах);

d(y) — производная от переменной у по переменной, откладываемой по оси Х;

s(y) — интеграл от переменной у по переменной, откладываемой по оси X;

AVG(y) — текущее среднее значение переменной у;

AVGX(y,d) — текущее среднее значение переменной у на отрезке оси X длины d;

RMS(y) — текущее среднеквадратическое отклонение переменной у;

DB(x) — значение переменной х в децибелах;

MIN(x) — минимальное значение вещественной части переменной х;

МАХ(х) — максимальное значение вещественной части переменной х.

Например, можно вывести графики переменных V(5), V(INOISE) или выражений SIN(V(5))/7.536, V(3,5)*I(D2), RMS(V(R1)*I(R1)).

Математические выражения могут редактироваться в процессе их ввода в командной строке или после обнаружения программой Probe ошибки. Текст вставляется в отмеченное курсором место и удаляется клавишами Del и Backspace. Нажатие клавиш Shift+Home выделяет часть строки, начиная от начала строки до первого символа перед курсором, Shift+End — от конца строки до первого символа после курсора. Выделенные части удаляются клавишей Del.

В режиме АС программа Probe поддерживает вычисления с комплексными числами и по умолчанию без добавления какого-либо суффикса выводит модуль результата. Если при этом выражение чисто действительное, например P(V(5)/V(1)), то результат может быть и отрицательным. Если же выражение комплексное, например V(5)/V(1), то выводится его модуль, который всегда неотрицательный.

При добавлении суффикса DB модуль выводится в децибелах, суффикса Р — выводится фаза в градусах, G — групповое время запаздывания, R или I — действительная или мнимая часть. Например, для построения графиков модуля и фазы комплексного сопротивления указываются выражения типа V(10)/I(RG) и VP(10)-IP(RG).

При задании переменной, выводимой на график, можно использовать имя переменной уже построенного графика. Пусть построен график напряжения V(3), тогда спецификация переменной второго графика в виде #1*5 приведет к построению графика функции V(3)*5, где #1 — номер первого графика. При этом при попытке удалить первый график программа проверит, не входит ли его переменная в выражения для других графиков, и выдаст предупреждающее сообщение. При подтверждении удаления будут удалены все эти графики и нумерация графиков изменится.

При построении графиков можно также пользоваться определенными ранее макросами. Пусть, например, определен макрос

NORM(A)=(A - MIN(A))/(MAX(A) - MIN(A)).

Тогда задание выражения NORM(V(3)) вызовет построение нормированного графика переменной V(3).

Для вычисления производных и интегралов простых переменных (не выражений) используется укороченная запись без заключения перемен- ных в круглые скобки. Например, запись dV(3) эквивалентна d(V(3)), a sIC(Q3) эквивалентна s(IC(Q3)).

Для одновременного построения двух и более графиков их переменные перечисляют на одной строке, разделяя их пробелом или запятой. Например, задание строки V(3) V(7), IC(Q3), RMS(I(VIN)) приведет к построению сразу четырех графиков (их можно построить и по очереди).

Еще одна особенность команды Добавить следы (Trace>Add) связана с многовариантными расчетами. Если в меню выбора секций отмечено несколько вариантов, то при задании только имени переменной, например V(5), будет построено семейство графиков для каждого варианта. Указание же номера варианта nс добавлением к имени переменной суффикса @ n, например V(5)@2, выведет на экран график только указанногоn-го варианта. Номера вариантов можно указывать и в выражениях. Так, согласно выражению V(4,5)@2-V(4,5)@1 будет построен график разности напряжений V(4,5) во втором и первом вариантах. Если в выражении хотя бы для одной переменной не указан номер варианта @ n, например V(4)-V(5)@2, то будет построено семейство графиков.

Файлы данных *.DAT, полученные от разных прогонов программы PSpice, средствами DOS можно объединить в один файл.

Например, команда

COPY/B Test1.dat+Test2.dat+Test3.dat Test.dat

объединит 3 файла данных в один файл Test.dat. Тогда при загрузке его в программу Probe можно строить семейства зависимостей.

Цифровые переменные

В программе Probe выводятся временные диаграммы логических состояний отдельных цифровых узлов или шин, объединяющих не более 32 цифровых сигналов. На временной диаграмме одной переменной двойная линия соответствует неопределенному состоянию X, тройная — состоянию высокого импеданса Z.

Всего можно вывести до 75 временных диаграмм, однако одновременно на экране помещается меньшее их количество. Размер окна построения цифровых сигналов зависит от количества окон на аналоговом экране, его первоначальные размеры устанавливаются по команде Plot>DigitalSize>PercentageofPlottobeDigital. Знак «+» в верхней и (или) нижней части экрана показывает, что часть графиков находится вне экрана. Имя переменной, вводимой по запросу команды Добавить следы (Trace>Add Trace), может быть именем цифрового узла или булевым выражением, содержащим имена таких узлов. Шина (многоразрядное число) формируется в виде заключенного в фигурные скобки списка цифровых узлов, разделенных пробелами или запятыми, например { D3 D2 D1 D0 }

В начале списка помещается старший разряд шины, в конце — младший.

Шины могут с помощь логических и арифметических операторов образовывать выражения. В выражениях для цифровых сигналов и для шин допустимы следующие операции (их старшинство убывает сверху вниз):

{ } — объединение в группу;

~ — логическое отрицание;

* / — умножение и деление (только для шин);

+ и - — сложение и вычитание (только для шин);

& — логическое И;

^ — логическое исключающее ИЛИ;

| — логическое ИЛИ.

Результат арифметических или логических операций с двумя шинами представляется в виде шины с достаточным количеством разрядов. Результат арифметических или логических операций с шиной и цифровым сигналом представляется в виде шины с тем же количеством разрядов.

В записи операций с цифровыми сигналами могут содержаться следующие логические константы:

'0 — сигнал низкого уровня;

'1 — сигнал высокого уровня;

'F — нарастающий фронт;

'R — спадающий фронт;

'X — неопределенное состояние;

'Z — состояние высокого импеданса.

Выражения с шинами могут содержать многоразрядные числа, записываемые в виде текстовой переменной в форме r'ddd, где r —ука-затель системы счисления (х, h, d, о или b), ddd — последовательность цифр в указанной системе счисления. Приведем примеры:

x'3FFFF — шестнадцатеричная система;

h'5a — шестнадцатеричная система;

d'79 — десятичная система;

о'177400 — восьмеричная система;

b'100110 — двоичная система.

Многоразрядное число эквивалентно определению шины, которая содержит cтолько сигналов, сколько разрядов необходимо для представления этого числа в двоичном коде. Например, число d'11 эквивалентно шине

{'1 '0 '1 '1}.

Логические переменные вводятся в одной строке по формату

<описание цифрового сигнала> [; [<имя графика>] [;<указатель системы счисления>] ]

Здесь <указатель системы счисления> применяется только при операциях с шинами. Он принимает значения Н или X для шестнадцатеричной, D — для десятичной, О — для восьмеричной и В — для двоичной системы счисления. По молчанию без его указания шина представляется в шестнадцатеричной системе. Параметр <имя графика> обозначает имя, выводимое на экране слева от графика; по умолчанию в качестве имени графика отображается выражение, заданное при его вводе.

Имена графиков могут выравниваться по правой или левой границе. По умолчанию устанавливается правая привязка. Для ее изменения в секции Probe файла конфигурации pspice.ini включается строка

DGTLNAMELEFTJUSTIFY=ON

Зная основные положения о ДО Добавить следы, продолжим установку параметров графической программы Probe.

ШАГ 12.Щёлкнуть в левой части ДО в поле Входные Переменные моделирования (см. рис.3.15) поочерёдно по именам V(V1:+) затемV(C1:2) и потенциал точки «земли»V(0), отправляя их в нижнюю строку поле Выражение. Если вы ошиблись при заполнении строки, то ошибку легко исправить. Строка Выражение ведёт себя как обычный текстовый редактор: с курсором можно работать как в тексте. Завершается этот шаг нажатием на кнопку ОК. Нужные диаграммы появятся на экране (рис.3.16).

Рис.3.16.Окно программ PspiceиProbeс диаграммами