Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE (примечания)

Автор и издательство заранее признательны за любые отклики, комментарии, предложения и критику по этой книге.

Расположение кнопок зависит от разрешения экрана вашего монитора. Не исключено, что на вашем экране кнопки могут быть размещены в один ряд.

На рисунке в качестве образца изображена готовая электросхема. Но не вздумайте, полагаясь только на себя, тут же пытаться скопировать ее. Только шаг за шагом изучив все последующие действия, вы сможете в точности повторить на своем рабочем листе изображенную схему. При этом вы освоите все те приемы, без которых просто невозможна успешная работа с редактором проектирования схем SCHEMATICS.

Любой компонент можно изменить (переместить, удалить, скопировать, изменить его характеристики и т.п.), только если он выделен. Чтобы маркировать элемент, надо щелкнуть по нему мышью. Выделенные компоненты редактор SCHEMATICS помечает красным цветом, причем названия компонентов и их характеристики (атрибуты) заключаются в черную рамку.

От англ. rotate — вращать. – Прим. пер.

От англ. flip — переворачивать. — Прим. пер.

Одной из наиболее частых ошибок при работе с программой PSPICE является то, что пользователи забывают установить символ «земли». А между тем от точки соединения с «землей» зависят все вычисления. Без схемного обозначения «земли» обойтись никак нельзя!

Размер единицы измерения, например k для kilo или m для milli, следует ставить непосредственно за числовым значением и без всяких пробелов. В противном случае при моделировании PSPICE просто откажется правильно работать. И порой поиск подобной ошибки может стоить электронщику нескольких седых волос. То же самое относится и к единицам измерения. Указывать их совсем необязательно, ведь имитатор PSPICE все равно автоматически считает все напряжения в вольтах, все сопротивления в омах и т.д. Но программа позволяет в качестве комментария указывать единицы измерения сразу (без пробела) за числовым значением или, при необходимости, за размером единицы измерения (ввод 1kOhm в качестве атрибута резистора означает для PSPICE то же самое, что и 1k). Подробнее о единицах измерения и их размерах рассказано в разделе 1.4.

Имитатор можно запустить также, щелкнув по соответствующей этой команде желтой кнопке .

Правила Кирхгофа. — Прим. ред.

Если в процессе моделирования возникает ошибка, PSPICE автоматически открывает окно Message Viewer (Окно просмотра сообщений) с общей информацией о характере ошибки. Сведения, содержащиеся в выходном файле, зачастую более подробны.

Может быть, главное окно PSPICE по окончании моделирования не появляется на вашем экране. Тогда оно находится в уменьшенном до размеров иконки виде на панели объектов в нижней части экрана редактора SCHEMATICS. В этом случае вам нужно щелкнуть по иконке мышью, чтобы окно PSPICE раскрылось.

Узлу аналоговой «земли» неизменно присваивается имя 0. Остальные узлы нумеруются согласно порядку их расположения на схеме, причем нумерация всегда начинается с $N_0001.

Программа PSPICE автоматически определяет порядок следования строк сетевого списка в зависимости от порядка расположения компонентов схемы. Изменение порядка расположения компонентов повлияет и на условные имена узлов, и на порядок следования строк в сетевом списке.

После прочтения сообщения, содержащегося в окне Message Viewer, вы можете его закрыть (Двойным щелчком мыши на символе с изображением креста, находящемся в правом верхнем углу этого окна).

Sweep-анализ — это анализ схемы переменного тока в заданном частотном диапазоне. — Прим. ред.

Если в окне атрибутов находится указание SIMULATIONONLY, это означает, что данный компонент применяется только при моделировании электросхем, для проектирования печатных плат он не используется. У атрибута SIMULATIONONLY поле Value не заполняется.

Атрибутом PKGREF (Package Reference) задается однозначное имя (Reference Designator — англ. «ориентировочное название») для компонента, благодаря чему этот компонент отличается от других, ему подобных. PSPICE автоматически присваивает имена всем схемным обозначениям, давая, например, источникам напряжения имя U, за ним следует порядковый номер, который после каждого позиционирования автоматически увеличивается на единицу. Эти имена вы также можете изменять. Однако если для двух компонентов схемы будут выбраны одинаковые имена, при запуске процесса моделирования на экране появится сообщение об ошибке.

Подробнее о полях ввода в окне Transient вы сможете прочитать на следующих страницах.

Подробнее об индикаторах времени в окне PSPICE рассказано на следующей странице.

Ваше окно PROBE имеет черный фон. Для печати это неудобно, поэтому в книге черный фон был изменен на белый. О том, как можно настроить цвета экрана таким образом, чтобы они были похожи на иллюстрации книги, вы сможете узнать из приложения.

В том случае, если обозначения токов и напряжений вызывают у вас какие-либо трудности, вам следует еще раз перечитать раздел 2.2, где говорится о сетевом списке и об альтернативных обозначениях.

В январе 1988 года произошло объединение компаний MicroSim (моделирование) и OrCAD (проектирование) под именем OrCAD. В свою очередь фирма OrCAD в июне 1999 года вошла в компанию CADENCE, предложившую автотрассировщик SPECCTRA. Таким образом, CADENCE сейчас обладает комплексным пакетом, содержащим все составные части (каждая из которых является лидером на рынке электронных цифровых анализаторов (EDA)), необходимые для автоматизированного проектирования электронных схем.

В PSPICE не предусмотрено использование единиц измерения. Программа автоматически воспринимает все напряжения в вольтах и все токи в амперах, поэтому отображение значений тока и напряжения на диаграмме с одним общим масштабированием оси Y, в принципе, возможно. Однако в этом случае диаграмма тока оказалась бы такой маломасштабной, что ее практически не было бы видно.

Наверняка у вас возник вполне резонный вопрос, почему бы сразу не задать в качестве верхней границы значение 1 МГц. Объяснение следующее: если вы масштабируете координатную ось X логарифмически, то PROBE чертит на диаграмме целые декады. При заданном значении 1 МГц как раз начинается новая декада, для которой вы рассчитали бы всего одну единственную точку. Однако вся декада была бы расположена на оси X, несмотря на то что в ней практически нечего изображать. Иными словами, это привело бы к пустой трате места.

Если сейчас у вас есть более срочные дела, можете пока пропустить раздел 5.3. Однако помните о его существовании и впоследствии, когда возникнет такая необходимость, прочитайте.

Файлы с расширением .dat, в которых содержатся диаграммы PROBE, занимают чрезвычайно много места на жестком диске компьютера. Поэтому время от времени стоит удалять ненужные вам dat-файлы.

При указании границ выделяемого фрагмента вы должны щелкнуть обязательно внутри области расположения диаграммы. В противном случае на экране появится сообщение об ошибке Can't zoom any further (He могу масштабировать дальше).

Тем же описанным здесь способом изменяются модели всех компонентов из библиотеку BREAKOUT.slb.

Если вам при проектировании другой схемы снова понадобится термозависимый резистор, то вы должны будете повторить вышеуказанную процедуру. Редактор SCHEMATICS запомнил измененную модель только для схемы TERMOBRIDG.sch. Измененная модель находится в папке Projects в файле с именем TERMOBRIDG.lib.

Установленная в PSPICE по умолчанию температура составляет 27 °С. По этому значению, заданному для стандартной температуры окружающей среды, можно догадаться, что родиной программы PSPICE является штат Калифорния. Если вас не устраивает это значение, вы можете изменить его в окне, вызываемом командой Analysis→Setup→Temperature. Изменение будет действительно только для открытой в данный момент схемы. Не перепутайте рабочую температуру с номинальной температурой TNOM, которую можно устанавливать в окне, выводимом на экран по команде Analysis→Setup→Options. PSPICE рассматривает температуру TNOM как температуру, при которой измерялись термозависимые параметры имитационных моделей, используемых в вашей схеме. Температура TNOM по умолчанию также имеет значение 27 °С.

В случае, если вы по каким-то причинам не хотите моделировать целочисленное кратное количество периодов, то тогда перед проведением анализа Фурье ограничьте область данных, которые будут использованы для спектрального анализа. Чтобы это сделать, нужно открыть из меню PROBE Plot окно X Axis Settings и, активизировав опцию Restricted (Ограниченный), указать диапазон данных, сокращенный до целого числа периодов.

Объем книги не позволяет рассмотреть каждую из всех доступных в PROBE целевых функций. Вы сможете найти описание некоторых из них, открыв меню Trace и щелкнув по строке Goal Functions… (Целевые функции…), в результате чего на экране появится список всех имеющихся целевых функций. Если выделить в этом списке интересующую вас строку и затем щелкнуть по кнопке View, то на экране откроется окно с описанием выбранной функции. Строки, помеченные звездочками (*), являются строками комментария и содержат что-то вроде руководства к пользованию данной функцией. В фигурные скобки заключена собственно поисковая программа. Программировать целевые функции не очень сложно. Если вы проявите немного терпения, то сами сможете это делать, немного познакомившись с уже имеющимися образцами. Полный список и комментарии ко всем доступным в PROBE целевым функциям вы найдете также в файле MSIM.PRB.

Способность моделировать смешанные аналоговые и цифровые схемы является отличительной особенностью программы PSPICE. Такое моделирование называется Mixed-Mode Simulation. Благодаря этому программа PSPICE имеет значительное превосходство перед другими логическими анализаторами.

Выходы многих триггеров, счетчиков и других компонентов цифровой техники имеют неопределенные состояния непосредственно после подачи напряжения. Но иногда бывает нужно, чтобы к началу моделирования эти выходы уже имели определенные состояния. В таком случае вы можете задать соответствующую настройку, щелкнув в окне Analysis Setup по кнопке Digital Setup….

Во всех предлагаемых здесь примерах атрибут TIMESTEP будет оставаться незаполненным. Ввод значения для него необходим только в тех случаях, когда серия импульсов определяется не точка за точкой, а задается путем замкнутого программирования. Чтобы этому научиться, вам нужно будет обратиться к оригинальному справочнику по программе PSPICE, который находится на прилагаемом к книге компакт-диске.

Владельцы полной версии избавлены от этих проблем, так как могут дополнительно приобрести принятые в Европе схемные обозначения в фирме Hoschar.

В окне, изображенном на рис. Ч3.9, путь к файлу SAMPLE.lib указан для того случая, когда программа PSPICE установлена на диске Е. Если на вашем компьютере для этого используется другой диск, запись должна быть иной. В остальном вы должны ввести точно такой же путь, как на рис. Ч3.9.

Результаты сопоставления данных измерения с данными, полученными при моделировании, вы найдете в табл. 12.2. При желании вы можете пока пропустить страницы с описанием сложных анализов, проведенных с помощью PSPICE, в ходе которых были получены данные для сравнения. Не опасайтесь, что это помешает вашей дальнейшей работе с книгой.

Очевидно, измерительные приборы, с помощью которых в 1993 году измерялись эти значения, еще не обладали достаточной степенью точности. Поэтому в журнале Elektor были опубликованы лишь приблизительные данные по гармоническим искажениям (<0.005%) и отношению сигнал/шум (>99 дБА). Это максимум, на что были способны тогдашние приборы. Сегодня существуют более чувствительные приборы. Поэтому гармонические искажения были измерены заново.

К этому результату следует относится с осторожностью. Амплитуды высших гармоник настолько малы, что возникает вопрос, под какой границей эти амплитуды потонут в «шуме» неточных вычислении.

К сожалению, демонстрационная версия позволяет устанавливать только два, а в очень простых схемах — три тиристора. Причина в том, что для описания поведения тиристоров в программе PSPICE была использована очень дорогостоящая модель. Для многих исследований в области энерготехники это является существенным ограничением. В spicelab есть упрощенный вариант тиристора, благодаря чему в схемах, моделируемых в демонстрационной версии, можно устанавливать до шести таких элементов.

Трансформатор, использованный в этой схеме, находится в библиотеке ANALOG.slb и называется XFRM_LINEAR. Он имеет линейную В-Н-характеристику, то есть без учета насыщения железа сердечника. Атрибутами трансформатора XFRM_LINEAR являются значения индуктивности L_>1 и L_>2, а также коэффициент связи Coupling. В энерготехнике коэффициенты связи у трансформаторов имеют значения чуть меньше единицы, например 0.99. Для значений индуктивности действует отношение: L_>1/L_>2=N_>1²/N_>2². Таким образом, трансформатор, установленный в схеме на рис. 13.1, с заданными значениями L_>1=576 мГн и L_>2=16 мГн, имеет передаточное отношение N_>1/N_>2²=6/1. Программа PSPICE позволяет включать в схемы также трансформаторы и с нелинейными характеристиками. Чтобы правильно их использовать, необходимо хорошо знать классификацию магнитных сердечников.

Использованные в этой схеме компоненты трехфазного тока V3Phase, Schalt3Phase и символы для защитного проводника РЕ, нейтрального проводника N и комбинированного защитно-нейтрального проводника PEN находятся в библиотеках MISC.slb и SAMPLE.lib. Переключатели трехфазного тока срабатывают в тот момент времени, который установлен атрибутом t_Start. Этот атрибут определяет момент выключения. В качестве атрибутов источника трехфазного тока устанавливаются амплитуда (Ampl), частота (FREQU) и положение по фазе при включении (Delay).