трусики женские украина

На головну

 Візуальне моделювання електронних схем - Комунікації і зв'язок

Введення

У 70-х рр. XX ст. стали інтенсивно розроблятися програми аналізу електронних схем за допомогою ЕОМ. Найбільшу популярність з деяких пір отримала програма SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), розроблена в Каліфорнійському університеті (США). Вона виявилася дуже вдалою і фактично стала еталоном. Прийняті в ній математичні моделі компонентів використовуються в багатьох програмах систем автоматизованого проектування (САПР), таких як ДИСП, ДИСП-ПК (Санкт-Петербурзький державний електротехнічний університет), Micro-Cap V і їм подібних. Перша версія програми PSpice для персонального комп'ютера (IBM PC) була створена в 1984 р корпорацією MicroSim. З тих пір розроблено досить багато версій програми на платформі DOS, а останнім часом - на платформі Windows. Але всі наступні версії використовують ті ж алгоритми, що і SPICE для комп'ютерів типу IBM 360, той же формат представлення вхідних і вихідних даних. Основу системи DesignLab становить програма PSpice [11, 16, 17]. Демонстраційну версію програми DesignLab можна отримати через Internet за адресою www.microsim.com або www.orcad.com.

1. Керуюча оболонка Schematics

1.1 Графічний редактор Schematics

Графічний редактор Schematics дозволяє створювати креслення принципових схем в середовищі Windows і здійснювати запуск інших програм, зокрема PSpice - для моделювання аналогових пристроїв і Probe - для графічного відображення, обробки та документування результатів моделювання.

Моделируемая схема може складатися з резисторів, конденсаторів, індуктивностей, діодів (включаючи стабілітрони і варикапи), біполярних і польових транзисторів. Крім того, з цих компонентів можна створювати макромоделі або ієрархічні структури більш складних електронних пристроїв - операційних підсилювачів, компараторів, тиристорів та ін.

Графічний редактор викликається клацанням миші по піктограмі Psshed. У процесі його завантаження підключаються бібліотеки графічних символів компонентів і екран набуває вигляду, показаний на рис. 1. Редактор Schematics має основне меню і панель інструментів. Основні символи панелі інструментів збігаються з прийнятими в системах MicroSoft.

Спочатку потрібно вибрати команду File, в спадаючому меню - рядок New, якщо створюється нова схема, або рядок Open, якщо завантажується існуюча схема. (Скорочено порядок цих дій будемо позначати далі як File / Open, розділяючи імена команд і підкоманду косою рискою).

Рис. 1 - Екран графічного редактора Schematics

Символи компонентів наносяться на схему по команді Draw / Get New Part (або викликається також клацанням по піктограмі). Після цього вибирається компонент для розміщення на схемі. (Для прискореного пошуку компонента в рядку Part Name можна написати його ім'я.) Розміщується компонент на кресленні натисканням кнопки Place або Place & Close. Послідовним натисканням лівої кнопки миші можна розмістити необхідну кількість компо-нентів на кресленні, після натискання правої кнопки миші компонент «відв'язується» від курсора миші. Останні десять символів компонентів зберігаються в оперативному списку, з якого вони швидко витягуються натисканням на стрілку в правій частині панелі.

Провідники наносяться на схему по команді Draw / Wire або натисканням на піктограму з зображенням олівця.

Позиційні позначення наносяться на схему автоматично (з можливістю їх редагування вручну після подвійного клацання лівої кнопки миші по виділеному позначенню компонента). Імена ланцюгів проставляються автоматично і на креслення виводяться. Однак, якщо відомі ланцюга, характеристики яких будуть виводитися в програмі Probe, ланцюги можна маркувати вручну. Для цього достатньо клацанням лівої кнопки миші виділити бажану ланцюг і після подвійного клацання лівої кнопки в меню Label вказати ім'я ланцюга - цифрове, літерне або змішане. Наприклад OUT2, IN, 123 і т.д.

Крім того, при використанні спеціальних маркерів при натисканні на піктограммиііменовать ланцюга не обов'язково - достатньо помітити маркером потрібну ланцюг, і на графіку після завершення аналізу буде виведена відповідна характеристика.

Відзначимо, що освоїти графічний введення схем досить легко, особливо якщо користувач вже знайомий з роботою в будь-якому іншому графічному редакторі. Інтерфейс графічного редактора дуже «дружній» і освоюється досить швидко в процесі проб і помилок.

1.1.1 Налаштування конфігурації

Робота з графічним редактором починається або з завантаження створеного раніше файлу схеми з розширенням * .sch по команді File / Open, або з очищення поля екрану вибором команди File / New. Після цього приступають до налаштування конфігурації схемного редактора за допомогою команд меню Option (рис. 2). Параметри конфігурації при завантаженні програми встановлюються автоматично, проте іноді корисно їх змінити або переконатися в їх правильності. Параметри конфігурації заносяться у файл msim.ini і зберігаються при роботі з подальшими схемами.

Рис. 2 - Меню Option і діалогове вікно команди Option / Display Option

1.1.2 Установка параметрів зображення

Встановлюються такі параметри (рис. 2б):

- Grid On - включення / виключення координатної сітки;

- Snap-to-Pin - включення / вимикання режиму прив'язки кінців провідників при їх нанесенні на схему до найближчого висновку компонента, що знаходиться в області захоплення, радіус якої визначається параметром Gravity - радіусом області захоплення;

- Rubberband - включення / вимикання режиму переміщення компонента разом з приєднаними до нього провідниками;

- Orthogonal - перемикання режимів введення тільки ортогональних провідників і провідників з довільним нахилом;

- Cursor X and Y - висновок поточних координат курсора в рядку стану (рекомендується включати завжди);

- Grid Size - крок координатної сітки (крок координатної сітки рекомендується встановлювати рівним 1,25 мм, 2,5 мм або 0,1 дюйма - з таким кроком зазвичай виконані фірмові бібліотеки, що поставляються разом з DesignLab).

1.1.3 Підключення бібліотек

У верхній частині меню команди Editor Configuration у вікні Libraries наведено список підключених бібліотек символів компонентів (з расшіреніем.slb), а в рядку Library Path - шлях доступу до бібліотек.

Рис. 3 - Підключення бібліотек символів а) і текстових бібліотек б)

Ці бібліотеки підключаються до програми Schematic при її завантаженні. Для редагування списку цих бібліотек клацанням вибирається кнопка Library Setting і відкривається меню, показане на малюнку 3а. Файл бібліотеки вказується після клацання по кнопці Browse в стандартному стилі Windows. Після імені файлу натискається одна з кнопок Add * або Add Local. У першому випадку бібліотека буде доступна для всіх проектів, у другому - тільки для поточного проекту.

Підключення текстових бібліотек компонентів з расшіреніем.lib виконується по команді Analysis / Library and include Files -откривается меню, наведене на малюнку 3б. Подальший порядок дії аналогічний підключенню бібліотек символів.

1.2 Створення принципових схем

1.2.1 Розміщення компонентів на схемі

Створення принципової схеми починається з розміщення компонентів. Натискання на піктограммувизивает поява вікна вибору імені компонента (рис. 4).

Рис. 4 - Вікно вибору імені компонента

Якщо в рядку Part Name вказано символ * (за замовчуванням), то у вікні виводиться алфавітний список компонентів, що міститься у всіх підключених бібліотеках. Можна також у рядку Part Name набрати ім'я компонента або його початкові символи. Потрібний компонент вказується клацанням курсора, після чого його зображення виводиться в центральному вікні. Після вибору компонента і натиснення кнопки Place або Place & Close його символ розміщується на схемі, причому зображення переміщається разом з курсором. При одночасному натисканні клавіш CTRI + R (Rotate) компонент повертається на 90о, CTRL + F (Flip) - дзеркально відбивається. Клацання лівої кнопки миші фіксує компонент, після чого на схемі можна розмістити ще одну копію. Клацання правої кнопки миші припиняє введення даного компонента. Зауважимо, що обраний компонент забарвлений іншим кольором, зазвичай червоним, і переміщається по схемі після фіксації й утримання на ньому курсору.

1.2.2 Розміщення електричних ланцюгів

Після клацання по піктограммекурсор набуває форму олівця. Початок ланцюга, точка зламу, точка з'єднання з іншого ланцюгом або висновком компонента фіксується клацанням лівої кнопки миші. Клацання правої кнопки припиняє малювання ланцюга. При цьому останній сегмент ланцюга пофарбований у червоний колір, тобто дана ланцюг обрана для редагування.

Електричні з'єднання провідників позначаються жирною крапкою. Якщо провести два провідника, не зупиняючись в точці їх перетину, то електричне з'єднання не утворюється. Точка з'єднання проставляється тільки для Т-образних перетинів. Тому для забезпечення електричного контакту пересічних провідників малювання другого провідника потрібно закінчити в точці перетину з першим (натисканням лівої кнопки). В результаті виникне точка електричного з'єднання, після чого можна продовжити малювання другого провідника від цієї точки.

На схемі обов'язково повинен бути вузол «землі», завжди має ім'я 0, - до нього приєднується символ AGND (аналогова земля) з бібліотеки port.slb.

Внесені в схему зміни записуються в поточний каталог в файл схеми з расшіреніем.sch (звичайним для Windows способом). Якщо схема створена знову, додатково запитується ім'я схеми (зберегти як).

1.2.3 Редагування параметрів компонентів

Всі компоненти характеризуються списком атрибутів (параметрів), який відкривається подвійним клацанням по будь-якій точці, що знаходиться всередині зображення символу компоненту. На малюнку 5 наведено приклади списки атрибутів біполярного транзистора і конденсатора.

Рис. 5 - Діалогове вікно редагування атрибута транзистора а) конденсатора б)

Символ «*» зліва від імені атрибута означає, що цей атрибут не можна редагувати в режимі малювання схем (тільки в режимі редагування символу). Щоб зробити цей атрибут доступним для редагування в режимі малювання схеми, необхідно увійти в режим редагування символу (піктограма), виконати команди Part / Attributes і встановити прапор у вікні Changeable schematics.

Якщо параметри компонента відображені на схемі (наприклад, опір резистора, ємність конденсатора, напруга джерела живлення), їх зручно редагувати індивідуально, двічі клацнувши по ньому курсором миші. В результаті відкривається вікно редагування, приклад якого наведено на малюнку 6.

Рис. 6 - Панель редагування ємності конденсатора

2. Підготовка до моделювання

Після створення схеми моделируемого пристрої повинні бути введені символи джерел сигналу і джерела напруги живлення.

Джерела сигналів представлені в системі моделювання досить широко [16, 17]. Приділимо увагу тільки найбільш важливим і часто використовуваним.

Джерело живлення має ім'я VDC і містить як змінюваного атрибута напруга DC = xxV.

Джерело постійного струму має ім'я IDC і містить як змінюваного атрибута ток DC = xxA.

Джерело напруги для АС аналізу має ім'я VAC і містить як редагованих атрибутів напруга постійного струму DC = xxV, напруга змінного струму ACMAG = xxV і фазу ACPHASE = xx (в градусах).

Джерело струму з ім'ям IAC має змінювані атрибути, аналогічні за змістом з атрибутами джерела напруги VAC, але, природно, одиницею виміру струму є [А].

Джерело синусоїдального сигналу VSIN містить як редагованих атрибутів напруга постійного струму DC = xxV, напруга змінного струму AC = xxV, напруга зміщення VOFF = xxV, амплітуду синусоїдального сигналу VAMPL = xxV, частоту FRIQ = xx (в Герцах), затримку включення TD = xx (у секундах), коефіцієнт загасання DF = xx (в 1 / с) і фазу PHASE = xx (в градусах).

Джерело імпульсного сигналу VPULSE містить як редагованих атрибутів напруга постійного струму DC = xxV, напруга змінного струму AC = xxV, напруга V1 = xxV на початку імпульсу, напруга V2 = xxV по закінченні імпульсу, TD - затримку переднього фронту (сек.), TR - тривалість переднього фронту (сек), TF - тривалість заднього фронту (с), PW - тривалість плоскої вершини (с) і PER - період повторення.

Відзначимо, що всім атрибутам має бути присвоєно якесь значення, інакше при початку моделювання буде видано повідомлення про помилки.

2.1 Складання завдання на моделювання

Перед проведенням моделювання складається завдання на моделювання по команді Analysis / Setup або при натисканні піктограми. У вікні (рис. 7) натисканням курсора відзначають потрібні директиви моделювання (при цьому в графі Enabled з'являється прапор). Після натискання відповідної кнопки відкриваються діалогові меню завдання директив моделювання.

Рис. 7 - Вибір директив моделювання

2.1.1 AC Sweep-розрахунок частотних характеристик і рівня шуму

У діалоговому вікні завдання параметрів режиму AC Sweep є три розділи (рис. 8).

У розділі AC Sweep Type визначають характер зміни частоти: Linear - лінійна шкала; Octave - зміна частоти октавами; Decade - зміна частоти декадами.

У розділі Sweep Parameters задаються параметри діапазону частот: Total Pts - загальна кількість точок розрахунку при виборі лінійного масштабу або кількість точок на октаву або декаду по частоті; Start Freq - початкова частота; End Freq - кінцева частота.

Рис. 8 - Розрахунок частотних характеристик і рівня шуму

У розділі Noise Analysis встановлюються параметри розрахунку спектральної щільності внутрішнього шуму: Noise Enabled - включення режиму розрахунку рівня шуму; Output Voltage - вихідна напруга; I / V - ім'я вхідного джерела напруги або струму; Interval - інтервал розрахунку парціального рівня шуму.

Розрахунок характеристик в частотній області проводиться після визначення режиму по постійному струму і лінеаризації всіх нелінійних компонентів. Всі незалежні джерела напруги і струму, для яких задані значення АС-амплітуди і фази, є вхідними впливами.

2.1.2 DC Sweep - варіація параметрів при розрахунку режиму по постійному струму

Розрахунок режиму по постійному струму здійснюється при варіації одного або декількох джерел постійної напруги або струму, температури, параметрів моделей компонентів схеми і глобальних параметрів.

Після натискання на кнопку DC Sweep відкривається основне вікно (рис. 9), в якому задаються наступні параметри.

У розділі Sweep Var. Type задається тип змінними параметрами: джерело напруги, температура, джерело струму, параметри моделі компонента, глобальні параметри.

Залежно від обраного типу параметра заповнюється одна чи кілька рядків:

Name - ім'я змінними параметрами (для джерела напруги, джерела струму, глобального параметра);

Model Type - тип моделі, наприклад RES, DIOD, NPN (для Model Parameter);

Рис. 9 - Діалогове вікно завдання циклу зміни параметрів в режимі DC Sweep

Model Name - ім'я моделі, наприклад KT815B (для Model Parameter);

Param. Name - ім'я параметра (для Model Parameter, Global Parameter).

У розділі Sweep Type задається тип варіації параметра: Linear - лінійний масштаб; Octave - логарифмический масштаб октавами; Decade - логарифмический масштаб декадами; Value List - у вигляді списку параметрів.

Межі зміни параметрів задаються в рядках: Start Value - початкове значення; End Value - кінцеве значення; Incremen - приріст; Value - список параметрів.

Статистичний аналіз за методом Монте-Карло (Monte Carlo / Worst Case) не розглядається.

Ще одне зауваження необхідно зробити про режим Options - установка параметрів моделювання. До набуття навичок роботи з програмою Schematics краще користуватися тими опціями, які система встановлює за замовчуванням. При помилково вибраних значеннях деяких параметрів моделювання може бути порушена збіжність обчислень через обмеженість розрядної сітки комп'ютера і моделювання схеми провести не вдасться. Проте в деяких випадках за рахунок установки необхідних опцій вдається підвищити точність розрахунків, особливо пов'язаних з визначенням похідних.

2.1.3 Parametric - багатоваріантний аналіз

Варіація параметрів призначається за завданням Parametric. На кожному кроці варіації параметрів по черзі виконуються всі види аналізу характеристик ланцюга. Варіюватися можуть всі параметри всіх моделей компонентів і глобальні параметри, за винятком: параметри L і W МОР-транзистора; температурні коефіцієнти резисторів і інших компонентів.

Наведемо приклад проведення багатоваріантного аналізу по глобальному параметру А. Діалогове вікно варіації параметрів має таке ж призначення полів, як і для директиви DC Sweep (рис. 10).

Рис. 10 - Діалогове вікно варіації параметрів

Наприклад, багатоваріантний аналіз перехідних процесів при зміні амплітуди А гармонійного сигналу здійснюється наступним чином: в описі синусоидального джерела VSIN атрибуту VAMPL присвоюється значення {A}. Далі після розміщення на схемі символу стандартного компонента PARAMETRS подвійним клацанням миші викликається діалогове вікно PartName: PARAM (рис. 11).

Рис. 11 - Вікно специфікації задаються параметрів

Далі визначається глобальний параметр А: NAME1 = A і задається його початкове значення VALUE1 = 0. Це означає, що режим по постійному струму буде розрахований при амплітуді генератора синусоїдального сигналу рівною нулю.

Потім будуть виконані розрахунки перехідних процесів згідно з настановами списку значень амплітуд, встановлених у вікні Parametric (рис. 10): А = 1V, A = 5V, A = 10V.

2.1.4 Temperature - варіація температури

Список температур вказується в діалоговому вікні, що відкривається після натискання на кнопку Temperature в меню вибору директив моделювання. У цьому вікні вказується список значень температури (за шкалою Цельсія), для яких слід виконати всі задані види аналізу характеристик. Якщо ця директива не використовується, то всі розрахунки за замовчуванням проводяться для номінальної температури 27оС за замовчуванням.

2.1.5 Transfer Function - передавальні функції по постійному струму

При роботі з керуючою оболонкою Schematics визначення передавальних функцій задається в діалоговому вікні, що відкривається після натискання на кнопку Transfer Function в меню вибору директив моделювання (рис. 12). У ньому вказуються імена вхідний і вихідний змінної.

Рис. 12 - Визначення передавальної функції

У цьому випадку розраховується передавальна функція dV (OUT1) / dV (V1). Крім того, завжди розраховуються вхідний і вихідний опору.

Результати розрахунку виводяться у вихідний файл і можуть бути переглянуті тільки в текстовому вигляді при виконанні команд Analysis / Examine Output.

2.1.6 Transient - розрахунок перехідних процесів

Визначення параметрів розрахунку перехідних процесів задається в діалоговому вікні (рис. 13), що відкривається після натискання на кнопку Transient в меню вибору директив моделювання.

Рис. 13 - Завдання параметрів розрахунку перехідних процесів

Перехідні процеси завжди розраховуються з моменту часу t = 0 до моменту, зазначеного у рядку Final Time, - кінцевий час. Перед початком розрахунку перехідних процесів розраховується режим по постійному струму. Крок інтегрування вибирається автоматично =/ 50. Іноді для підвищення точності розрахунків доцільно зменшити цей час, наприклад, в 10 разів. Тоді в рядку Step Ceiling необхідно вказати значення часу.

Якщо буде встановлено прапор у віконці Skip initial transient solution, то розрахунок режиму по постійному струму відміняється. Це буває необхідно при дослідженні роботи різних генераторів [11, 17].

У режимі Transient можна провести спектральний аналіз. Для цього необхідно встановити прапор у вікні Enable Fourier і вказати частоту першої гармоніки Center Frequency, кількість гармонік Number of harmonics і вихідний вузол Output Vars. У програмі розраховуються амплітуди постійних складових всіх зазначених гармонік. Спектральному аналізу піддається останній період коливань в кінці інтервалу аналізу. Для підвищення точності розрахунку рекомендується крок інтегрування, як це було зазначено вище.

Результати спектрального аналізу виводяться у вихідний файл Examine Output у вигляді таблиці.

2.1.7 Sensitivit - аналіз чутливості вихідної напруги ланцюга постійного струму до разбросам параметрів компонентів

Аналіз чутливості дозволяє встановити, який вплив роблять зміни окремих параметрів компонентів схеми на вузлові напруги схеми, зокрема, на вихідну напругу. Таким чином можна з'ясувати, які компоненти необхідно вибирати з якомога меншими допусками на відхилення, щоб гарантовано забезпечити працездатність схеми при її виготовленні у вигляді серійної продукції.

Результат аналізу чутливості буде поміщений у вихідний файл Examine Output в текстовому вигляді під заголовком DC Sensitivity Analysis.

Розглянемо як приклад досить просту схему встановлення статичного режиму для одиночного транзистора (рис. 14).

Рис. 14 - Встановлення статичного режиму для одиночного транзистора

Щоб провести аналіз чутливості, необхідно виконати наступні дії: у відкритому вікні Analysis Setup встановити прапорець поруч із кнопкою Sensitivity і, клацнувши по цій кнопці, відкрити вікно Sensitivity Analysis (рис. 15).

У цьому вікні необхідно встановити позначення напруги, чутливість якого до зміни значень компонентів схеми необхідно досліджувати. Якщо таких напружень декілька, їх можна розділити на полі введення за допомогою пробілу.

Слід зазначити, що вихідний файл у цьому випадку може виявитися величезним, особливо якщо схема містить багато транзисторів. Тому, якщо такого роду процедури з різними схемами проводяться досить часто, необхідно періодично проводити «чистку» дискового простору.

Рис. 15 - Вікно Sensitivity Analysis з установкою для проведення аналізу чутливості напруги у вузлі 2

Далі необхідно закрити вікно Sensitivity Analysis повідомлення, натиснувши кнопку OK, і вікно Analysis Setup повідомлення, натиснувши кнопку Close.

Запустивши процес моделювання, за його закінченню результат аналізу можна знайти у вихідному файлі під заголовком DC Sensitivity Analysis:

DC SENSITIVITIES OF OUTPUT V (2)

ELEMENT ELEMENT ELEMENT NORMALIZED

NAME VALUE SENSITIVITY SENSITIVITY

(VOLTS / UNIT) (VOLTS / PERCENT)

R_R2 1.000E + 03 -2.162E-03 -2.162E-02

R_R1 1.980E + 03 1.085E-03 2.149E-02

V_V1 5.000E + 00 9.997E-01 4.999E-02

V_V2 5.000E + 00 -5.000E-01 -2.500E-02

Q_Q1

RB 1.300E + 02 3.765E-06 4.894E-06

RC 1.120E + 00 6.231E-07 6.978E-09

RE 0.000E + 00 0.000E + 00 0.000E + 00

BF 3.000E + 02 -2.551E-05 -7.652E-05

ISE 4.335E-08 6.845E + 03 2.967E-06

BR 3.201E + 00 3.770E-13 1.207E-14

ISC 5.500E-12 -1.065E + 03 -5.856E-11

IS 3.628E-15 -3.576E + 12 -1.298E-04

NE 1.347E + 01 -5.119E-05 -6.895E-06

NC 2.000E + 00 2.928E-09 5.856E-11

IKF 9.635E-02 -4.628E-03 -4.459E-06

IKR 1.000E-01 7.163E-15 7.163E-18

VAF 7.200E + 01 1.134E-05 8.168E-06

VAR 3.000E + 01 -1.616E-05 -4.849E-06

Сенс параметрів у вихідному файлі наступний.

У першій колонці вказано ім'я компонента, по варіації якого визначається чутливість вузлового напруги V (2). Якщо це транзистор, то чутливість оцінюється за варіації основних параметрів моделі. (Фізичний зміст параметрів моделі транзистора приведений в [3].)

У другій колонці наводиться номінальне значення відповідного компонента або параметрів його моделі.

У третій колонці під ім'ям (VOLTS / UNIT) представлено не що інше, як похідна напруги у вузлі 2 по відповідному параметру компонента. Наприклад, в першому рядку представлена ??похідна:

.

У третій колонці чутливість представлена ??наступним чином (для першого рядка):

. (1)

програма моделювання pspice запуск

Як правило, при дослідженні чутливості нас цікавить відносна зміна вихідної напруги при відносному зміні номіналу відповідного параметра, тому класичне визначення чутливості [4] виглядає наступним чином:

, (2)

звідки

. (3)

Щоб з виразу (1) отримати вираз, аналогічне (3), необхідно провести обчислення за такою формулою:

. (4)

Природно, що вирази типу (4) повинні бути отримані для кожної змінної. Однак і так очевидно, що чим більше S2, тим вище чутливість схеми до зміни номінального значення даного компонента.

2.1.8 Monte Carlo - імовірнісний аналіз

Імовірнісний аналіз за методом Монте-Карло - це свого роду «вищий пілотаж» схемотехнічного моделювання. Можливо, для пропонованого вивчення елементарних схемотехнических «цеглинок» такий вид аналізу може і не знадобитися. Однак найчастіше мистецтво проектування радіоелектронних схем якраз і полягає в умінні створити таку схему, яка буде функціонувати не тільки в лабораторних умовах, зі спеціально підібраними вручну компонентами, а й в умовах серійного або дрібносерійного виробництва з випадковим розкидом параметрів компонентів.

До цих пір в процесі моделювання ми виходили з того, що компоненти проектованих схем дійсно мають ті значення, які встановлені індикатором значення: тобто якщо поряд з резистором варто індикатор 1k, насправді резистор має опір в 1k. Однак це припущення далеко від істини: всі компоненти, що використовуються в електронних схемах, мають допуски на номінальне значення.

Програма PSpice дозволяє привласнювати допуски параметрів компонентів. Тоді в ході одного аналізу Монте-Карло одна і та ж схема може моделюватися («прогоняться») до двадцяти тисяч раз: щоразу з новим набором параметрів, заданих за принципом випадкової вибірки. Потім окремі результати оцінюються програмою за тими критеріями, які заздалегідь обговорені під час попередньої установки аналізу.

Програма PSpice дозволяє проводити аналіз Монте-Карло в поєднанні з аналізами DC Sweep, AC Sweep і Transient. В ході моделювання перший прогін аналізу Монте-Карло завжди є «номінальним», тобто при цьому всі компоненти мають свої номінальні значення.

Розкид значень компонентів може бути заданий користувачем як вибором функції розподілу, так і діапазоном розкиду. Так, за замовчуванням програма PSpice пропонує рівномірний розподіл (опція Uniform) в рамках заданого діапазону допуску. Можливо також і Гаусове розподіл (опція Gaussian) або будь-яке інше, яке визначається користувачем (опція User Defined). Це надає найширші можливості професійним розробникам, які займаються проектуванням схем для масового виробництва. Однак тут ми обмежимося тільки рівномірним розподілом параметрів розкиду, уже встановленого в програмі PSpice за замовчуванням.

Як приклад досліджуємо за допомогою імовірнісного аналізу схему активного фільтра на операційних підсилювачах типу ?A741 з високою крутизною фронту амплітудно-частотної характеристики (рис. 16). Такі схеми надзвичайно чутливі до разбросам параметрів резисторів і конденсаторів.

Рис. 16 - Схема активного смугового фільтра на операційних підсилювачах

На малюнку 17 наведена частотна характеристика активного смугового фільтра. Ця частотна характеристика має такі круті фронти, що навіть недосвідченому схемотехнику доведеться задатися питанням: а чи збереже ця схема свої якості навіть при невеликих розкидах параметрів компонентів?

Рис. 17 - Частотна характеристика активного смугового фільтра

Щоб провести аналіз Монте-Карло, необхідно зробити наступні кроки. Всім резисторам у схемі задамо 1% допуску, а конденсаторам - 2%. Для цього можна було б, увійшовши в таблицю атрибутів кожного елемента, задати параметр Tolerance 1% або 2% відповідно. Однак програма PSpice надає іншу можливість задати допуски.

Спочатку необхідно виділити всі резистори, по черзі клацаючи по ним правою клавішею мишки, утримуючи при цьому клавішу Shift.

Далі в меню Edit необхідно вибрати опцію Attributes ... У вікні, яке потім відкриється (рис. 18), необхідно підтвердити свій намір одночасно змінити атрибути всіх виділених резисторів (глобально), після чого відкриється вікно Global Edit Attributes (рис. 18).

Рис. 18 - Вікно підтвердження наміру глобально редагувати атрибути

Дізнатися, які атрибути є загальними для всіх виділених резисторів, можна, натиснувши кнопку Browse ... і відкривши вікно Select Attribute (рис. 19).

Рис. 19 - Вікно для одночасного редагування кількох атрибутів

Відзначивши рядок Tolerance = (Допуск), необхідно підтвердити свій вибір клацанням по кнопці OK, після чого знову відкриється вікно Global Edit Attributes. У полі Value вводиться необхідне значення допуску, в даному випадку 1%, і введення підтверджується клацанням по кнопці OK (рис. 20, 21).

Рис. 20 - Вікно із зазначенням доступних для одночасної зміни атрибутів

Рис. 21 - Вікно Global Edit Attributes до встановлених для всіх резисторів допусками в розмірі 1%

Аналогічно задаються допуски в 2% і для всіх конденсаторів.

Тепер можна приступати власне до аналізу Монте-Карло. Для цього потрібно відкрити вікно Analysis Setup, встановити прапорець поруч із кнопкою Monte Carlo / Worst Case ... (аналіз Монте-Карло / найгіршого випадку) і клацнути по ній. Відкриється вікно Monte Carlo or Worst Case з установками для проведення аналізу Монте-Карло (рис. 22).

Попередні установки робляться, як показано на малюнку 22. У ході моделювання буде проведено десять прогонів аналізу Монте-Карло (опція MC Run) на основі аналізу AC Sweep (опція Analysis Type). Всі налаштування в розділі Function можна залишити без зміни (за замовчуванням). Вони мають значення тільки для вихідного файлу і в даний момент не представляють інтересу.

Рис. 22 - Вікно для установки параметрів аналізу Monte Carlo or Worst Case

У полі Output Var необхідно вказати, яку величину слід розуміти як вихід. У списку MC Options виберемо опцію All; в цьому випадку як в PROBE, так і у вихідному файлі будуть представлені результати всіх прогонів.

Переконайтеся, що всі попередні установки зроблені так, як ви хотіли, і підтвердіть виконані налаштування клацанням по кнопці OK, а потім запустіть процес моделювання. Після того як програма завершить обчислення, відкриється вікно Available Sections, в якому можна вибрати для відображення на екрані постпроцесора PROBE цікавлять прогони аналізу Монте-Карло. Якщо потрібні всі наявні дані, потрібно натиснути кнопку OK.

Тепер на екран може бути виведена частотна характеристика вихідної напруги смугового активного фільтра для всіх десяти прогонів аналізу Монте-Карло (рис. 23).

Представлені графіки показують, що фільтр не втрачає працездатність, проте його частотна характеристика зазнає деякі зміни.

Поряд з аналізом Монте-Карло в програмі PROBE можна виконати стохастичний аналіз: на екрані буде показано статистичний розподіл величин, які витягуються з кожного окремого прогону Монте-Карло за допомогою цільових функцій.

Рис. 23 - Поведінка частотної характеристики активного смугового фільтра в ході аналізу Монте-Карло

Як приклад зобразимо у вигляді гістограми статистичний розподіл ширини смуги пропускання активного фільтра на рівні -3 дБ десяти отриманих вище кривих (рис. 23).

У цьому випадку необхідно діяти наступним чином.

Необхідно видалити з екрана PROBE всі графіки, потім активізувати опцію Performance Analysis через меню Trace. Далі необхідно відкрити вікно Add Traces і відправити в рядок Trace Expression цільову функцію Bandwith (1, db_level), а в дужках ввести Bandwith (V (2), 3). Після клацання по кнопці OK на екрані постпроцесора PROBE створюється гістограма, подібна зображеної на малюнку 24 (з іншими статистичними даними, відповідними вашому моделюванню, гістограма буде виглядати інакше).

Зрозуміло, очікувати докладну статистику після 10 прогонів не можна, але тепер число прогонів можна збільшити до 399, щоб створити більш досконалу гистограмму. Чим більше прогонів буде зроблено, тим тонше будуть стовпці і тим більше їх буде відображено. Число стовпців можна встановити, вибравши в PROBE в меню Tools / Options рядок Number of Histogram Divisions (кількість стовпців гістограми). Якщо встановити кількість стовпців гістограми 30 при 399 прогонах, гістограма буде виглядати, як представлено на малюнку 25.

Рис. 24 - Гістограма статистичного розподілу смуг частот на рівні -3 дБ при 10 прогонах

Відзначимо, що показати тут використання всіх цільових функцій не представляється можливим. У той же час в постпроцесорі PROBE можна ознайомитися з призначенням всіх цільових функцій і правилом їх опису за процедурою Trace / Goal Function - вибір функції - View (рис. 26).

Рис. 25 - Гістограма статистичного розподілу смуг частот на рівні -3 дБ при 399 прогонах

Рис. 26 - Вікно опису цільових функцій

Наведемо ще невеликий приклад того, як можна змінювати параметри компонентів, якщо вони недоступні через меню атрибутів (як це можна було зробити з резисторами і конденсаторами). Розглянемо схему найпростішого підсилювача (рис. 27), у якого роль ланцюга зміщення виконує джерело сигналу V1.

Рис. 27 - Схема найпростішого підсилювача на одиночному транзисторі

Спочатку, як і в попередніх випадках, потрібно маркувати транзистор (щоб він убрався в інший, найчастіше червоний колір), потім відкрити меню Edit і вибрати в ньому рядок Model ... Відкриється вікно Edit Model, де потрібно клацнути по кнопці Edit Instance Model (Text ) ... (Редагувати модель зразка ...). Відкриється редактор моделей з параметрами транзистора. Поруч з параметром Bf (посилення струму) слід в якості доповнення ввести допуск Dev = 50% (рис. 28).

Рис. 28 - Редактор моделей з TN15; посилення струму бази має розкид 50%

Програма автоматично присвоює цій моделі нове ім'я - (TN15-Х). Створена модель дійсна тільки для даної схеми. Вона зберігається в тій же директорії, що і малюнок, тільки з розширенням файла.lib. Нову модель можна привласнити й іншим транзисторам схеми. Для цього потрібно виділити змінюваний компонент, потім відкрити вікно Edit Model і клацнути в ньому по кнопці Change Model Reference ... (Змінити назву моделі ...). У вікні, можна змінити ім'я моделі на редагував. Такий спосіб дозволяє створювати локальні моделі, не чіпаючи основну текстову бібліотеку моделей.

Аналіз коефіцієнта посилення по напрузі транзисторного каскаду при зміні коефіцієнта посилення струму бази на 50% наведено на малюнку 29. Коефіцієнт посилення на частоті 10 кГц при номінальному значенні коефіцієнта посилення струму бази становить 9,23.

Рис. 29 - Частотна характеристика підсилювача на одиночному транзисторі

Зверніть увагу: побудова, наприклад, частотної характеристики доцільно проводити при невеликому числі прогонів, наприклад Далі, після побудови гістограми по обраної цільової функції при числі прогонів 10 і числі стовпців гістограми теж 10, доцільно збільшити число прогонів аналізу Монте-Карло аж до 399 і довести число стовпців до 30-40. У цьому випадку час, необхідний для виконання аналізу, і обсяг вихідного файлу будуть прийнятними.

Гістограма, побудована за допомогою цільової функції, яка б показала розподіл коефіцієнта посилення по напрузі досліджуваної схеми на частоті 10 кГц, наведена на малюнку 30.

Рис. 30 - Гістограма статистичного розподілу коефіцієнта посилення по напрузі при варіації коефіцієнта посилення по струму транзистора

Як показує гістограма, коефіцієнт посилення по напрузі змінюється від 9,01 до 9,3, що цілком закономірно, оскільки через емітерний резистор здійснюється досить глибока негативний зворотний зв'язок, стабілізуюча коефіцієнт посилення по напрузі.

Якщо у вікні Monte Carlo or Worst Case відзначити опцію List, то у вихідному файлі буде міститися Детальна інформація, наприклад, про внесок окремих компонентів схеми в загальну чутливість схеми до допускам компонентів. Відомості такого роду можуть виявитися незамінними, якщо проектувальник з найменшими витратами намагається усунути зайву чутливість схеми.

3. Запуск програми PSpice

Після створення креслення схеми, підключення джерел стимулюючих сигналів і складання завдання на моделювання необхідно здійснити підготовку до запуску програми PSpice. Для цього потрібно виконати наступні процедури.

3.1 Конфігурування програми Probe

Ця процедура виконується за командою Analysis / Probe Setup, меню якої (рис. 31) має три розділи.

Рис. 31 - Налаштування конфігурації програми Probe

1. Розділ Probe Setup містить дві групи команд:

1) Auto-Ran Option (параметри автоматичного запуску):

- Automatically Run Probe After Simulation - автоматичний запуск програми Probe після завершення моделювання;

- Monitor Waveform (auto update) - побудова графіків в процесі моделювання;

- Du not auto-ran Probe - не запускати програму Probe автоматично;

2) At Probe Startup (специфікація виведених параметрів):

- Restore last Probe session - висновок даних останнього сеансу Probe;

- Show all markers - виведення графіків, які відповідають усім маркерами;

- Show selected markers - виведення графіків, що відповідають обраним на схемі маркерами;

- None - графіки не виводяться.

2. Розділ Data Collection містить команди:

Data Collection (перелік даних, які розміщені у вихідний файл):

- At markers only - дані, відмічені маркерами;

- All - всі дані про схему;

- All except subcircuit data - всі дані про схему, за винятком даних про подсхеме;

- None - нічого.

3. Розділ Checkpoint містить дві групи команд:

1) Automatically load data for open checkpoint - автоматичне завантаження даних для відкритих варіантів схем;

2) Show Results in (вікна для показу результатів):

- Same window for all schematic (working and checkpoint) - в одному і тому ж вікні для всіх схем;

- A separate window for each schematic including its checkpoint - в окремих вікнах для кожної основної схеми, в тому числі і для її варіантів;

- A separate window for each schematic (working and checkpoint) - в окремих вікнах для кожної схеми (основна схема і її варіанти).

3.2 Запуск програми моделювання PSpice

Моделювання поточної схеми починається після вибору команди Analysis / Simulate (або після натискання клавіші F11 або піктограми). Екран програми PSpice показаний на малюнку 32.

Рис. 32 - Екран програми PSpice

3.3 Перегляд результатів моделювання

Результати моделювання, представлені в текстовому вигляді у файлі * .out (текстовий опис схеми, директиви моделювання, параметри математичних моделей компонентів, карта режимів по постійному струму та ін.), Проглядаються по команді Analysis / Examine Output. Графіки результатів моделювання проглядаються за допомогою програми Probe, яка викликається автоматично, якщо включена опція Automatically Run Probe After Simulation. Автономний виклик Probe виконується командою Analysis / Run Probe або натисканням клавіші F12 (якщо моделювання було проведено раніше).

У верхній частині екрану програми Probe поміщається ім'я файлу даних, на наступному рядку - горизонтальне меню команд, а нижче - набір піктограм для оперативного виклику найбільш уживаних команд.

3.3.1 Побудова графіків

Після вибору команди Trace / Add відкривається вікно вибору змінних (рис. 33). Типи змінних, перелік яких наведено у вікні, визначаються положенням «вимикачів-прапорів»:

Analog - аналогові змінні;

Digital - цифрові змінні;

Voltage - напруги;

Current - струми;

Noise (V2 / Hz) - спектральна щільність напруги вихідного шуму;

Alias ??Name - псевдоніми;

Subcircuit Nodes - внутрішні вузли макромоделей (тільки напруги).

Рис. 33 - Вікно вибору змінних

Змінні позначаються курсором, і їхні імена переносяться в командний рядок Trace Expression. У розташованому праворуч вікні Function or Macros можна вибрати математичні функції і макроси. Так можна вибрати кілька змінних і відредагувати утворену рядок для запису математичних виразів.

На екран виводиться координатна сітка, по горизонтальній осі якої відкладається незалежна змінна, відповідна обраному режиму, наприклад Frequency. На екрані може розташовуватися кілька вікон - по команді Plot / Add Plot, в кожному з яких будується кілька графіків. Активне вікно, в якому будуються в даний момент графіки, позначається зліва символами SEL >>. В кожному вікні по команді Plot / Add Y Axis може бути додано 1-2 додаткові осі Y з різними масштабами.

На одному графіку може бути вміщено кілька кривих, які на моніторі виділяються кольором, а при виведенні на чорно-білий принтер або графічний пристрій позначаються різними значками.

Типово по осі Х відкладається незалежна змінна, відповідна обраному режиму, яка може бути змінена по команді Plot / X Axis Settings (рис. 34).

Рис. 34 - Вікно для установки масштабу по осі Х і заміни змінних

Після натискання кнопки опції Axis Variable з'являється вікно вибору змінних (рис. 33) і можна зробити заміну змінних. Ця команда дуже корисна, оскільки дозволяє побудувати залежність будь-якої змінної, що відкладається по осі Y від будь-якої змінної, що відкладається по осі X. Так, наприклад, можна будувати фазовий портрет динамічної системи, досліджуючи процес виходу на режим генератора гармонійних коливань.

3.3.2 Електронний курсор

Координати точок на графіку можна зчитувати за допомогою двох електронних курсорів. Курсори включаються по команді Tools / Cursor / Display або клацанням по піктограмі. На графіку поміщаються курсори і вікно, в якому відображаються поточні координати курсору і відстані між ними по двох осях ординат. Курсори можуть бути пов'язані з одним або двома графіками. Перемикання курсора з одного графіка на інший відбувається при виділенні значка відповідного графіка в нижньому рядку Trace Expression, причому управління курсором здійснюється лівої і правої кнопками миші.

Щоб підвищити точність позиціонування електронного курсору, їм можна управляти з клавіатури. Перший курсор переміщується вздовж обраної кривої при натисканні клавіш (® ¬), другий курсор керується тими ж клавішами, але при клавіші Shift. Кожне натискання на клавішу виробляє переміщення курсору на один піксель.

Натисканням на піктограммутекущіе координати курсора можуть бути нанесені на графік у вигляді міток.

3.3.3 Перетворення Фур'є

За командою Trace / Fourier або при натисканні піктограммипроізводітся обчислення швидкого перетворення Фур'є всіх функцій, графіки яких виведені на екран дисплея. Роздільна здатність такого аналізу за частотою обернено пропорційна інтервалу аналізу Т. Так, якщо Т = 100 мс, то роздільна здатність становить 10 кГц. Таке перетворення Фур'є доцільно проводити тільки для швидко устанавливающихся перехідних процесів (стаціонарних або близьких до стаціонарних).

3.3.4 Збереження атрибутів екрану

За командою Tools / Display Control зберігаються атрибути екрану дисплея для подальших регенераций екрану графіків (рис. 35).

У рядку New Name вказується ім'я поточного екрану, далі натискаються кнопки Save / Close. Виклик збереженого імені викликається клацанням курсора на ім'я і натисненням на кнопку Restore. Таким чином вдається істотно економити час на виведення графіків, особливо якщо в рядку Trace Expression записана досить складна функція або графіки виведені в різних вікнах.

За командою Tools / Copy to Clipboard зміст поточного вікна копіюється в буфер обміну для передачі в інші програми Windows, наприклад в графічний або текстові редактори. При цьому зберігається палітра кольорів екрану програми Probe!

Рис. 35 - Вікно збереження і виклику атрибутів екрану

Корисна порада: якщо надалі копія екрану буде використовуватися для складання звіту, доцільно зменшити екран постпроцесора Probe до реального розміру, що розміщується в звіт, і тільки після цього виконати операцію Tools / Copy to Clipboar. Після цього можна обробити копію екрану в одному з редакторів графічних зображень, наприклад в Paint (звернути кольору, зробити чорно-білим і т.д.). У цьому випадку шрифти оцифровки осей графіків і мітки, нанесені на графік, збережуть свої розміри і надалі, при розміщенні в звіті текстового редактора, будуть зручні для читання.

3.3.5 Друк графіків

Безпосередній висновок графіків на друк принтером або плоттером проводиться звичайним для Windows способом. При цьому, якщо принтер чорно-білий, програма автоматично маркує кольорові криві графіків значками і робить інверсію кольору. Для кольорового друку кольору графіків, фону і переднього плану призначаються в розділі PROBE PRINTER COLORC файлу конфігурації системи MSIM.INI, що знаходиться в папці Windows. Однак приступати до редагування файлу конфігурації системи можна, тільки досить добре освоївши правила роботи з програмним продуктом. У будь-якому випадку доцільно мати резервну копію файлу конфігурації!

4. Приклади моделювання аналогових пристроїв

Система наскрізного проектування DesignLab - потужний і багато в чому універсальний інструмент в руках розробника радіоелектронних схем, свого роду «паяльник» і набір різних вимірювальних приладів. Але добре оснащена «лабораторія» без хороших схемотехніки - це витрачені даремно кошти. На жаль, дуже часто досліджувані за допомогою програми Schematics схеми «не працюють» через низьку кваліфікацію користувача. Основних причин тут три:

- Неграмотно спроектована або неправильно «спаяна» схема;

- Невірно здійснений параметричний синтез елементів;

- Невміння «змусити» працювати радіоелектронну схему при моделюванні через незнання деяких особливостей роботи програми PSpice, а також не цілком адекватні умови моделювання.

Відкинувши дві перших причини, розглянемо третю.

4.1 Моделювання схеми по постійному струму (DC Sweep)

Режим по постійному струму розраховується завжди на початку моделювання перед виконанням інших видів аналізу без вказівки спеціальних директив. Результати розрахунків виводяться в текстовий файл з расшіреніем.out у вигляді таблиці вузлових потенціалів.

У програмі PSpice режим по постійному струму розраховується методом Ньютона-Рафсона. У відсутності збіжності рекомендується за директивою Option в меню Setup Analysis збільшити максимальну кількість ітерацій ILT1 (за замовчуванням ILT1 = 40). Для підвищення швидкості збіжності рекомендується по команді Nodeset встановлювати початкові значення вузлових потенціалів по постійному струму найбільш близькими до очікуваних. Наближене значення вузлових потенціалів по команді Nodeset необхідно встановлювати при аналізі схем, що мають кілька стійких станів.

Сенс застосування цієї команди полягає в тому, що перед розрахунком режиму по постійному струму до виділених вузлів підключаються джерела ЕРС з невеликим внутрішнім опором. Після закінчення розрахунку ці джерела відключаються і виконується завдання на моделювання. Включення команди Nodeset здійснюється з меню бібліотеки стандартних компонентів.

Наведемо приклад застосування команди Nodeset. Так, з розгляду схеми стабілізатора напруги (рис. 36а) видно, що для нормальної її роботи необхідна ланцюг запуску. Дійсно, для того щоб вихідна напруга стабілізатора прийняло задане значення, необхідно поява струму колектора транзистора Q2. Цей струм з'явиться тільки після відмикання транзистора Q4, а він не відкриється, поки напруга на виході стабілізатора дорівнює нулю. Тобто в наявності критичний ефект: схема має два стійких стани.

Рис. 36 - Схема стабілізатора напруги а) і меню завдання на моделювання в режимі DC Sweep б)

Передбачувані вузлові напруги в деяких випадках очевидні, в інших випадках вимагають проведення деяких інженерних розрахунків.

Напруга у вузлі 7:

V (7) = V (1) - UБЕ2 = 9,3 В,

а напруга у вузлі 5 після виходу схеми в режим стабілізації:

V (5) = V (1) - UБЕ2- UБЕ3- UСТ1 = 1,8 В,

якщо початкова напруга джерела живлення V1 = 10 В, а напруга стабілізації стабілітрона D1 UСТ1 = 6,8 В.

Напруга у вузлі 2 буде визначатися типом обраного стабилитрона D2 і параметрами резисторів R3, R4:

V (2) = (UСТ2 + UБЕ5) (1 + R4 / R3) = 8 В,

де UСТ2 = 3.3 В - напруга стабілізації стабілітрона; R3 = R4 = 1k.

Тоді установка початкових наближень полягатиме в установці атрибуту VALUE = xxV.

Зауважимо, що чим у більшій кількості вузлів і чим точніше задані початкові наближення, тим швидше буде проведений аналіз схеми на етапі розрахунку статичного режиму.

Ще одне зауваження, що стосується проведення аналізу на постійному струмі. Зверніть увагу, що джерело струму, включений на виході стабілізатора, може бути лінійним незалежним (I) або джерелом струму, керованим напругою (G) [16, 17]. З по-міццю лінійного джерела струму можна досліджувати навантажувальну здатність стабілізатора напруги, використовуючи як варьируемой змінної струм через нього. Однак, зважаючи ідеальності цього джерела струму (вихідний опір прямує до нескінченності), при зміні струму навантаження не змінюватиметься опір навантаження і, як наслідок, практично не змінюватиметься петлеве посилення схеми, охопленої глибоким негативним зворотним зв'язком. Така ситуація неадекватна реальності. Тому в програмі Schematic за допомогою джерел напруги (Е), керованих власним струмом, і джерел струму (G), керованих власним напругою, можна імітувати резистор, тобто джерело струму набуває кінцеве внутрішній опір. Формат для запису нелінійних передавальних функцій в текстовому файлі виглядає наступним чином:

E <ім'я> <+ вузол> <- вузол> VALUE = {<вираз>}

G <ім'я> <+ вузол> <- вузол> VALUE = {<вираз>}.

Після ключового слова VALUE у фігурних дужках наводиться вираз, залежне від вузлових потенціалів, різниці вузлових потенціалів, струмів через незалежні джерела напруги та струму. Наприклад, для дослідження здатності навантаження стабілізатора напруги процедура імітації активного опору навантаження (змінного резистора) в текстовому файлі з розширенням * .cir виглядає наступним чином:

G1 2 0 VALUE = {V (2) * V (10) * 0.0125}.

Незалежне джерело напруги V2 включений між вузлами 10 і 0, початкове значення напруги якого - 0 В. У процесі виконання аналізу його напруга змінюється від 0 до 1 В з кроком 10 мВ (рис. 36б); таким чином здійснюється управління струмом залежного джерела струму G1. Ток залежного джерела є функція напруги у вузлі 2 (вихід СН) та керуючого напруги джерела напруги V1. За допомогою масштабного коефіцієнта (0,0125) вибирається абсолютне значення струму залежного джерела струму G1. Наприклад, якщо V (2) = 8,5 В, максимальна напруга джерела V2 становить 1 В, максимальний струм на виході G1 складе 106 мА.

При установці джерела струму типу G в схему в його атрибутах в рядку Template існує запис:

G ^ @ REFDES% 3% 4% 1% 2GAIN.

Символи% 3% 4 позначають вузли виходу цього джерела і вказують на те, що програма Schematics автоматично пронумерує ці вузли. Далі на місце тексту% 1% 2GAIN необхідно записати текст у форматі * .cir. В результаті рядок Template буде виглядати наступним чином:

G ^ @ REFDES% 3% 4 VALUE = {V (2) * V (10) * 0.0125}.

Далі приступають до моделювання. Задавши варіацію напруги джерела V1, переконуються в працездатності СН, перевіривши його статичний режим при початкових умовах, потім приступають до побудови графіків у програмі Probe.

На малюнку 37 наведено графіки вихідної напруги і коефіцієнта стабілізації СН при додаванні додаткової осі Y з іншим масштабом. Вираз для коефіцієнта стабілізації записується «за визначенням».

Далі, задавши варіацію джерела V2, можна побудувати графік залежності вихідної напруги СН від зміни напруги у вузлі 10, а потім зробити заміну змінних - по осі Х буде відкладатися струм через залежний джерело струму G1 (рис. 38).

Зверніть увагу: вихідний опір має негативне значення. Це означає, що із зростанням струму навантаження напруга на виході СН знижується. Але це і означає, що вихідний опір СН насправді має позитивний знак.

Рис. 37 - Залежність вихідної напруги СН при зміні вхідного () і коефіцієнт стабілізації ()

Рис. 38 - Залежність вихідної напруги при зміні струму навантаження () і вихідний опір () СН

4.2 Моделювання схеми по змінному струмі (AC Sweep)

Особливості моделювання схеми на змінному струмі наведемо на прикладі дослідження підсилювача напруги на операційному підсилювачі ?А741 (рис. 39).

Рис. 39 - Схема досліджуваного підсилювача а) і завдання на моделювання в режимі AC Sweep б)

Результати моделювання схеми малюнка 39 наведені на малюнку 40.

Зверніть увагу на те, що характеристики побудовані в логарифмічному масштабі. У цьому випадку вираз DB (V (out)) означає, що на екран виведено графік АЧХ підсилювача (крива, зазначена знаком), охопленого ООС АЗ = 20lg [V (out) / V (in +)], оскільки напруга V (in +) = 1 В. На цій же осі побудований графік ЛАЧХ підсилювача без зворотного зв'язку (крива, зазначена знаком ?), який являє собою наступне математичний вираз:

,

оскільки ОУ посилює різницю напруг між входами.

На іншій осі побудована фазова характеристика разомкнутого підсилювача як різниця фаз між фазами вихідної напруги і різницею вхідних (крива ¦). Якби була вказана траса P (V (out), був би побудований графік фазової характеристики замкнутого підсилювача по відношенню до генератора напруги вхідного сигналу V3!

Рис. 40 - Результати моделювання підсилювача напруги схеми малюнка 39

4.3 Моделювання перехідних процесів (Transient)

Перехідні процеси завжди розраховуються з моменту часу t = 0 до моменту <кінцевий час>, заданого в режимі Transient. Якщо аналіз схем, в яких використовуються зовнішні сигнали, зазвичай не представляє труднощів, то дослідження генераторних схем не завжди завершується успішно.

Розглянемо в якості конкретного прикладу особливості розрахунку перехідного процесу в генераторі пилкоподібної напруги (рис. 41) [18].

Період коливань цього генератора орієнтовно можна оцінити з виразу:

T »(U0 + UБЕ2) R3C1 / (U0- UБЕ6),

де U0 = ER2 / (R2 + R1);

E - напруга джерела живлення V1.

Амплітуду UПпілообразного напруги, що знімається з конденсатора С1, можна представити як:

UП @ (U0 + UБЕ2) - Uост,

де UОСТ- залишкову напругу на відкритих і насичених транзисторах Q2-Q4.

Рис. 41 - Генератор пилкоподібної напруги на основі аналога одноперехідного транзистора

Спочатку розраховуємо режим генератора по постійному струму відповідно до завдання, попередньо визначивши параметри елементів для частоти коливань 6-10 кГц і амплітуди пилоподібного напруги 5 В (струм колектора транзистора Q1 виберемо близько 1 мА).

В результаті розрахунку в вихідному файлі (* .out) створюється таблиця вузлових потенціалів. Натискання на піктограммувизивает поява карти потенціалів на екрані (рис. 41):

V (1) = 10, V (2) = 5.25, V (3) = 4.575, V (4) = 9.325,

V (5) = 0.67697, V (6) = 3.9.

Якщо після розрахунку режиму по постійному струму відразу перейти до розрахунку перехідних процесів, то генератор, що знаходиться в одному з стійких станів рівноваги, що не збудиться. Можна запропонувати два способи запуску математичної моделі генератора пилкоподібної напруги (і будь-яких інших генераторів).

1. Перед початком аналізу в режимі Transient за допомогою стандартного символу IC задаються початкові значення вузлових потенціалів і (або) початкові значення напруг на конденсаторах (і струми через індуктивності при їх наявності в схемі), відмінні від значень в стані рівноваги. Далі в завданні вказується директива розрахунку перехідного процесу, при цьому потрібно скасувати розрахунок по постійному струмі, так як він вже заданий за допомогою стандартних символів IC.

Якщо автоколебания не виникли, рекомендується зменшити крок інтегрування, наприклад, в десять разів, вказавши його конкретне значення у відповідному пункті меню Analysis / Transient.

2. Імітуючи включення напруги живлення, задавати джерело напруги у вигляді або кусочно-лінійної функції (одиничного стрибка), або імпульсної функції з лінійним переднім фронтом і тривалістю в кілька наносекунд і тривалістю плоскої вершини, більше або дорівнює кінцевому часу аналізу.

Крім того, якщо генератор симетричний (наприклад симетричний мультивібратор), необхідно ввести незначну асиметрію плечей (достатньо 1%), так як математична модель такого мультивібратора абсолютно симетрична!

Результати моделювання схеми генератора пилкоподібної напруги, наведені на малюнку 42, досить добре узгоджуються з розрахунковими аналітичними викладками.

Рис. 42 - Вихідна напруга генератора пилкоподібної напруги

Природно, що наводяться приклади не вичерпують різноманіття питань, які можуть виникнути при використанні програми PSPICE. Абсолютно не порушені питання моделювання цифрових схем.

Бібліографічний список

1. Активні RC-фільтри на операційних підсилювачах / пер. з англ .; під ред. Г.Н. Алексакова. - М .: Енергія, 1974. - 64 с.

2. Алексенко А.Г. Застосування прецизійних аналогових мікросхем / А.Г. Алексенко, Е.А. Коломбет, Г.І. Стародуб. - М .: Радио и связь, 1985. - 256 c.

3. Аналогові та цифрові інтегральні мікросхеми: довід. посібник / Н.А. Барканов [и др.]; під ред С.В. Якубовського. - 2-е вид., Перераб. і доп. - М .: Радио и связь, 1984. - 432 с.

4. Анісімов В.І. Операційні підсилювачі з безпосереднім зв'язком каскадів / В.І. Анісімов, М.В. Капітонов, Ю.М. Соколов, М.М. Прокопенко. - Л .: Енергія, 1979. - 168 с.

5. Джерела вторинного електроживлення / під ред. Ю.І. Конєва. - М .: Радио и связь, 1983. - 280 с., Іл. (Проектування РЕА на інтегральних мікросхемах).

6. Model of BD329. Philips Semiconductor. Product specification (електронний ресурс). - URL: http://www.philips.com/_Models.

7. Ногін В.Н. Аналогові електронні пристрої: навч. посібник для вузів / В.М. Ногін. - М .: Радио и связь, 2010. - 304 с.

8. Полупрововодніковие прилади: діоди, тиристори, оптоелектронні прилади: Довідник / під заг. ред. М.М. Горюнова. - 2-е вид., Перераб. - М .: Вища школа, 2008. - 744 с.

9. Разевіг В.Д. Застосування програм P-CAD і Pspise для схемотехнічного моделювання на ПЕОМ. В 4 вип. Вип. 2. Моделі компонентів аналогових пристроїв / В.Д. Разевіг. - М .: Радио и связь, 2009. - 70 с.

10. Разевіг В.Д. Система наскрізного проектування електронних пристроїв DesingLab 8.0 / В.Д. Разевіг. - М .: СОЛОН-Р, 2008. - 704 с.

11. Синтез активних RC-ланцюгів. Сучасний стан та проблеми / за ред. А.А. Ланне. - М .: Связь, 2010. - 296 с.

12. Соклофф С. Аналогові інтегральні схеми: пров. з англ. / С. Соклофф. - М .: Світ, 2008. - 583 с.

13. Старченко Є.І. PSpice користувачеві: посібник / Є.І. Старченко. - Шахти: Изд-во ЮРГУЕС, 2009. - 37 с.

14. Старченко Є.І. Базові матричні кристали. Схемотехніка типових аналогових мікроелектронних пристроїв: посібник з вивчення теоретичної частини дисципліни «Аналогові електронні пристрої» / Є.І. Старченко, В.Г. Манжула. - Шахти: Штібен, 2010. - 61 с.

15. Степаненко І.П. Основи теорії транзисторів і транзисторних схем / І.П. Степаненко. - М .: Енергія, 2007. - 615 с.

16. Титце У. Напівпровідникова схемотехніка: пров. з нім. / У. Титце, К. Шенк. - М .: Світ, 2008. - 586 с.

17. Шило В.Л. Лінійні інтегральні схеми в радіоелектронної апаратури / В.Л. Шило. - 2-е вид., Перераб. і доп. - М .: Радянське радіо, 2009. - 386 с.

18. Шкрітек П. Довідник з звукової схемотехнике: пров. з нім. / П. Шкрітек. - М .: Світ, 2010. - 446 с.

19. Старченко Є.І. Принципи проектування низьковольтних прецизійних аналогових перемножителя напруги / Є.І. Старченко // Альтернативні природно возобновляющиеся джерела енергії та енергозберігаючі технології, екологічна безпека регіонів: Виїзна сесія Секції енергетики Відділення енергетики, машинобудування і процесів управління РАН: матеріали сесії, Єсентуки, 12-15 квітня 2008. У 2 ч. Ч. 2 / за ред . Я.Б. Данилевича. - Шахти: Изд-во ЮРГУЕС, 2008. - С. 155-163.

20. Pat. 4,322,688 US. Cascode Fid-Forward amplifier / G. Kennet Schltzhauer, 2010.

21. Карелін В.С. Проектування важільних і зубчато-важільних механізмів: довідник / В.С. Карелін. - М .: Машинобудування, 2009. - 184 с.

22. Пат. № 2287892. Російська Федерація, МПК 7 H0 3А 3/45. Перетворювач напруга-струм / Старченко Є.І., Гавлицький О.І .; заявник та патентовласник Південно-Рос. держ. ун-т економіки і сервісу. №2005114551 / 09; заявл. 13.05.09 р .; опубл. 20.11.09, Бюл. № 32. - 6 с.

23. Пат. № 2287892. Російська Федерація, МПК 7 H0 3А 3/45. Перетворювач напруга-струм / Старченко Є.І., Гавлицький О.І .; заявник та патентовласник Південно-Рос. держ. ун-т економіки і сервісу. № 2006109624/09; заявл. 27.03.08 р .; опубл. 27.09.08, Бюл. № 27. - 6 с.

24. Хайнеман, Р. Візуальне моделювання електронних схем в PSPICE: пров. з нім. / Р. Хайнеман. - М .: ДМК Пресс, 2008. - 336 с.

25. Старченко Є.І. Аналогові перемножувача напруги: монографія / Є.І. Старченко. - Шахти: Изд-во ЮРГУЕС, 2009. - 57 с.

Авіація і космонавтика
Автоматизація та управління
Архітектура
Астрологія
Астрономія
Банківська справа
Безпека життєдіяльності
Біографії
Біологія
Біологія і хімія
Біржова справа
Ботаніка та сільське господарство
Валютні відносини
Ветеринарія
Військова кафедра
Географія
Геодезія
Геологія
Діловодство
Гроші та кредит
Природознавство
Журналістика
Зарубіжна література
Зоологія
Видавнича справа та поліграфія
Інвестиції
Інформатика
Історія
Історія техніки
Комунікації і зв'язок
Косметологія
Короткий зміст творів
Криміналістика
Кримінологія
Криптологія
Кулінарія
Культура і мистецтво
Культурологія
Логіка
Логістика
Маркетинг
Математика
Медицина, здоров'я
Медичні науки
Менеджмент
Металургія
Музика
Наука і техніка
Нарисна геометрія
Фільми онлайн
Педагогіка
Підприємництво
Промисловість, виробництво
Психологія
Психологія, педагогіка
Радіоелектроніка
Реклама
Релігія і міфологія
Риторика
Різне
Сексологія
Соціологія
Статистика
Страхування
Будівельні науки
Будівництво
Схемотехніка
Теорія організації
Теплотехніка
Технологія
Товарознавство
Транспорт
Туризм
Управління
Керуючі науки
Фізика
Фізкультура і спорт
Філософія
Фінансові науки
Фінанси
Фотографія
Хімія
Цифрові пристрої
Екологія
Економіка
Економіко-математичне моделювання
Економічна географія
Економічна теорія
Етика

8ref.com

© 8ref.com - українські реферати


енциклопедія  бефстроганов  рагу  оселедець  солянка