САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА. 2.1. Изучите методические указания к лабораторной работе, литературу /1, с
2.1. Изучите методические указания к лабораторной работе, литературу /1, с. 98 – 276; 5, с. 41 - 98/, повторите лекционный материал по теме "Структуры баз данных в САПР", "Модели компонентов для схемотехнического моделирования".
2.2 Внимательно прочтите нижеизложенный материал.
Моделирование с помощью PSpice. Составление задания на моделирование
1. Структура текстового задания на моделирование
Задание на моделирование для программы PSpice заносится в текстовые файлы.
Знание их форматов при графическом вводе схемы не обязательно, но желательно, так как:
· значительно облегчает поиск ошибок при отладке схемы;
· позволяет создавать шаблоны новых символов компонентов;
· позволяет составлять текстовые описания макромоделей (иногда это проще,
чем рисовать их схемы замещения).
При графическом вводе схем как с помощью программы PSpice Schematics, так и с помощью OrCAD Capture, создаются три файла задания с одним и тем же именем и различными расширениями имени: *.NET (таблица соединений), *.ALS (список подключения цепей к выводам компонентов) и *.CIR (список директив моделирования). При моделировании в PSpice непосредственно загружается файл *.CIR, в котором имеются ссылки на остальные файлы. Для его составления вручную на бумаге сначала рисуется принципиальная схема моделируемого устройства и присваиваются имена всем ее узлам (при графическом вводе этого делать не обязательно). Имена узлов могут быть целыми числами от 0 до 9990 или алфавитно-цифровыми символами длиной не более 131 символа. В качестве этих символов используются буквы латинского алфавита от А до Z, цифры 0, 1, ..., 9 и знаки «$», «_», «*», «/», «%». Стандартное обозначение ряда узлов приведено в табл.1.
Таблица 1. Глобальные узлы
| Имя узла | Напряжение / уровень | Описание |
| 0B | Аналоговая «земля» | |
| $G_CD4000_VDD | 5 В | Источник питания к-МОП ИС |
| $G_CD4000_VSS | 0B | Источник питания к-МОП ИС |
| $G_DPWR | 5B | Источник питания ТТЛ ИС |
| $G_DGND | 0B | Источник питания ТТЛ ИС |
| $G_ECL_10K_VEE | -5,2 В | Источник питания ЭСЛ 10К ИС |
| $G_ECL_10K_VCCl | 0B | Источник питания ЭСЛ 10К ИС |
| $G_ECL_10K_VCC2 | 0 B | Источник питания ЭСЛ 10К ИС |
| $G_ECL_100K_VEE | -4,5 В | Источник питания ЭСЛ 100К ИС |
| $G_ECL_100K_VCC1 | 0B | Источник питания ЭСЛ100К ИС |
| $G_ECL_100K_VCC2 | 0 B | Источник питания ЭСЛ 100К ИС |
| $D_HI | «1» | Логическая «1» |
| $D_LO | «0» | Логический «0» |
| $D_X | «X» | Неопределенное логическое состояние X |
| $D_NC | — | Не подключенный к схеме вывод цифрового компонента |
Логические состояния цифровых узлов $D_HI, $D_LO, $D_X поддерживаются постоянными независимо от того, с чем они соединены. Узел $D_NC применяется для обозначения неиспользуемых выводов (аббревиатура NC означает Not Connected — нет подключения), чтобы при проверке схемы они не включались в список ошибок.
При ссылке на цифровые имена узлов они заключаются в круглые скобки, например V(6) — потенциал узла 6. Имена узлов в виде алфавитно-цифровых символов при ссылках на них заключаются в квадратные скобки [ ], чтобы отличить их от имен компонентов. Например, потенциал узла IN обозначается как V([IN]), a V(I2) — напряжение на источнике тока 12. Заметим, что в программе Probe при ссылке на алфавитно-цифровые имена узлов квадратные скобки не нужны, они отсутствуют и в выходном файле с расширением *.OUT.
В программе существует соглашение, что все узлы, имена которых начинаются с символов $G_, являются глобальными, например узел $G_POS.
Глобальные узлы используются в схемах, имеющих макромодели. Глобальные узлы с одинаковыми именами автоматически соединяются в основной цепи и во всех макромоделях. С их помощью удобно прокладывать цепи питания, синхронизации и т.п. (узел «земля» 0 всегда является глобальным). Глобальные узлы с произвольными именами назначаются с помощью директивы .GLOBAL.
После именования узлов составляют задание на моделирование, которое заносится в файл. Имя файла произвольное, в качестве расширения имени рекомендуется использовать *.CIR, воспринимаемое программой PSpice по умолчанию.
Первая строка файла — строка заглавия, которая затем выводится в виде заголовка в выходном файле.
Строки комментариев содержат символ «*» в первой позиции. Конец любой строки после знака «;» также воспринимается как комментарий.
Последняя строка файла .END. Порядок ввода промежуточных строк значения не имеет, за небольшим исключением:
строка описания функции .FUNC должна быть помещена до ссылки на нее;
директива .OPTIONS NOECHO запрещает запись в выходной файл расположенной после нее части описания схемы.
Строка продолжения начинается с символа «+» в первой позиции, максимальная длина строки 132 символа. Число пробелов между операторами в строке произвольное. Пробелы и запятые или знаки равенства эквивалентны.
Внимание!
Программа PSpice не различает прописные и строчные буквы. Предложения входного языка программы PSpice делятся на описания компонентов и директивы.
Описанием компонента считается любая строка, не начинающаяся с символа «.»
(кроме первой строки и строк комментариев и продолжений). Описание компонента имеет следующую структуру:
<имя компонента> <номера двух или более узлов> [<имя модели>] < числовые данные >
Имя компонента состоит из последовательности символов латинского алфавита и цифр, общая длина имени не должна превосходить 13Г символ (рекомендуется не более 8 символов). Первый символ — одна из букв латинского алфавита от А до Z, далее в любом порядке — алфавитно-цифровые символы и знаки $, _, *, /, %.
Первый символ имени компонента определяет его тип, например R1, ROUT, Q12 (табл.2). При графическом вводе схем пользователь может вводить первый символ имени компонента по своему усмотрению, так как графические редакторы при составлении текстового описания схемы для передачи его в PSpice к именам всех компонентов в соответствии с табл. 4.2 автоматически добавят префиксы — это выполняется в соответствии с так называемыми шаблонами символов компонентов TEMPLATE. Поэтому на схемах компоненты можно именовать, не придерживаясь приведенных в табл. 2 правил (они должны быть учтены при составлении шаблонов символов). Например, транзисторы всех типов можно согласно ЕСКД именовать как V1, V2, V3..., а при составлении текстового описания схемы биполярный транзистор получит имя Q_V1, полевой — J_V2, МОП - транзистор -- M_V3 и т.д.
Таблица2. Первые символы имен компонентов
| Первый символ имени | Тип компонента |
| В | Арсенид-галлиевый полевой транзистор (GaAsFET) с каналом n-типа |
| С | Конденсатор |
| D | Диод |
| Е | Источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН) |
| F | Источник тока, управляемый током (ИТУТ) |
| G | Источник тока, управляемый напряжением (ИТУН) |
| Н | Источник напряжения, управляемый током (ИНУТ) |
| I | Независимый источник тока |
| J | Полевой транзистор с управляющим р-n-переходом (JFET) |
| К | Связанные индуктивности и линии передачи, ферромагнитные сердечники |
| L | Индуктивность |
| М | МОП-транзистор (MOSFET) |
| N | Аналого-цифровой преобразователь на входе цифрового устройства |
| О | Цифроаналоговый преобразователь на выходе цифрового устройства |
| Q | Биполярный транзистор |
| R | Резистор |
| S | Ключ, управляемый напряжением |
| Т | Линия передачи |
| V | Независимый источник напряжения |
| W | Ключ, управляемый током |
| Y | Цифровое устройство |
| X | Макромодель (операционный усилитель, компаратор напряжения, регулятор напряжения, стабилизатор напряжения и др.) |
| Z | Статически индуцированный биполярный транзистор (IGBT) |
Заметим, что помимо перечисленных выше компонентов схем в состав моделируемого устройства могут входить и не электронные элементы (электрические машины, системы автоматического управления и др.), оформленные в виде макромоделей.
Номера узлов подключения компонента к схеме перечисляются в определенном порядке, установленном для каждого компонента (см. ниже). Имя модели компонента не является обязательным параметром. В заключение указываются численные значения параметров компонента. В программе PSpice осуществляется масштабирование чисел с помощью суффиксов, приведенных в табл. 3.
Таблица 3. Масштабные коэффициенты
| Суффикс | Масштабный коэффициент | Наименование |
| f | 10- 15 | Фемто |
| Р | 10- 12 | Пико |
| п | 10- 9 | Нано |
| U | 10- 6 | Микро |
| mil | 25,4*10 -6 | Мил (0,001 дюйма) |
| m | 10- 3 | Милли |
| k или К | 10 3 | Кило |
| MEG | 10 6 | Мега |
| G | 109 | Гига |
| Т | 10 12 | Тера |
| С | Признак целого числа тактов цифровых сигналов | |
| Примечание. В программе PSpice прописные и строчные буквы не различаются |
Допускается к масштабным суффиксам дописывать буквенные символы для улучшения наглядности обозначений. Так, сопротивление 5,1 кОм может быть записано несколькими способами: 5100, 5.1К, 5.1КОМ, 5.1КОНМ, 5.1е3, 0.0051еЗК. При этом допускается присоединять суффикс и к числам, представленным в форме с плавающей точкой, как в последнем примере.
Суффикс MIL используется при задании геометрических размеров МОП-транзисторов.
Сопротивления, емкости и индуктивности должны быть постоянными величинами (зависимость от времени или от токов и напряжений, как в программе Micro-Cap, к сожалению, не допускается). Они могут быть как положительными, так и отрицательными величинами. Исключение составляет анализ переходных процессов, где отрицательные значения емкостей и индуктивностей могут привести к ошибкам в расчете. В любом случае нулевые значения параметров компонентов не допускаются.
При наличии ошибок, обнаруженных при трансляции схемы и при выполнении моделирования, на экран и в выходной файл *.OUT выводятся сообщения о них.Помимо числовых значений в предложениях входного языка программы могут использоваться идентификаторы параметров, которые заключаются в фигурные скобки { }. Например, постоянное напряжение источника питания может быть задано с помощью параметра
VPOWER: VP 6 0 DC {VPOWER}
Внутри фигурных скобок допускаются символы арифметических выражений, например: С2 5 4 {CLOAD*2.5}
Это не допускается при задании:
· параметров NL, F, LEN, R, L, G и С линии передачи;
· температурных коэффициентов резистора TCI, TC2 в его описании (в модели резистора эти выражения допускаются);
· параметров линейно-ломаного сигнала PWL;
· полиномиальных коэффициентов зависимых источников типа Е, F, G, H;
· в именах узлов и параметрах директив .AC, .DC и др.
Выражение должно помещаться на одной строке длиной не более 131 символа (громоздкие выражения целесообразно оформлять в виде функций с помощью директивы .FUNCTION). Кроме арифметических выражений допускается использование стандартных функций, приведенных в табл.4.
Таблица 4.4. Обозначения стандартных функций
| Функция | Определение | Комментарий | Наличие в программе Probe |
| ABS(x) | Абсолютное значение х | Да | |
| ACOS(x) | Арккосинус х | Результат в радианах | Нет |
| ARCTAN(x) | Арктангенс х | Результат в радианах | Да |
| ASIN(x) | Арксинус х | Результат в радианах | Нет |
| ATAN(x) | Арктангенс х | Результат в радианах | Да |
| ATAN2(y,x) | Арктангенс у/х | Результат в радианах | Нет |
| COS(x) | Косинус х | х в радианах | Да |
| COSH(x) | Косинус гиперболический х | х в радианах | Нет |
| DDT(x) | Производная dx/dt | Применяется только при анализе переходных процессов | Да* |
| EXPM | Экспонента числа х | Да | |
| W(t,x,y) | х, если t — истинно, у, если t — ложно | t — булева переменная, оператор отношений | Нет |
| IMGU(x) | Мнимая часть х | Да | |
| LIMIT(x, min, max) | min, если x<min, max, если х>тах, х, если min<x<max | Ограничитель с линейной областью | Нет |
| LOG(x) | Натуральный логарифм х | Да | |
| LOGIO(x) | Десятичный логарифм х | Да | |
| M(x) | Модуль х | Эквивалентно ABS(x) | Да |
| MAX(x,y) | Максимум х,у | Да | |
| MIN(x,y) | Минимум х,у | Да | |
| P(x) | Фаза х | Равна 0 для вещественных чисел | Да |
| PWR(x,y) | Степенная функция |х| у | Да | |
| PWRS(x,y) | + |x| у , если x;<0 -|х| у , если х>0 | Нет | |
| R(x) | Действительная часть х | Да | |
| SDT(x) | Интеграл f x(t)dt | Применяется только при анализе переходных процессов | Да** |
| SGN(x) | Знак х | Да | |
| SIN(x) | Синус х | х в радианах | Да |
| SINH(x) | Синус гиперболический х | х в радианах | Нет |
| STP(x) | 1, если х > 0, 0, если х < 0 | Нет | |
| SQRT(x) | корень из х | Да | |
| TABLE (x,x1,y1,...) | Табличная зависимость функции у от х | Задаются координаты точек (xi, yi), в промежуточных точках используется линейная аппроксимация | Нет |
| TAN(x) | Тангенс х | х в радианах | Нет |
| TANH(x) | Тангенс гиперболический х | х в радианах | Нет |
| * В программе Probe эта функция имеет обозначение d(x) ** В программе Probe эта функция имеет обозначение S(A:) |
Выражения могут содержать математические операции, перечень которых приведен в табл. 5.
Таблица 4.5. Математические операции
| Символ операции | Назначение |
| Арифметические операции | |
| + | Сложение |
| - | Вычитание |
| * | Умножение |
| / | Деление |
| Логические операции (для функции IF и описания моделей цифровых компонентов в булевых выражениях) | |
| - | Логическое отрицание |
| | | Логическое ИЛИ |
| - | Логическое исключающее ИЛИ |
| & | Логическое И |
| ** | Бинарный оператор |
| Операции отношений (для функции IF) | |
| == | Равно |
| != | Не равно |
| > | Больше |
| >= | Больше или равно |
| < | Меньше |
| <= | Меньше или равно |
Директивы моделирования начинаются с символа «.» в первой позиции.
Директивы моделирования
Программа PSpice рассчитывает следующие характеристики электронных цепей:
· режим цепи по постоянному току в «рабочей точке» (Bias Point);
· режим по постоянному току при вариации источников постоянного напряжения или тока, температуры и других параметров цепи (DC Sweep);
· чувствительность характеристик цепи к вариации параметров компонентов в режиме по постоянному току (Sensitivity);
· малосигнальные передаточные функции в режиме по постоянному току (Transfer Function);
· характеристики линеаризованной цепи в частотной области при воздействии одного или нескольких сигналов (AC Sweep);
· спектральную плотность внутреннего шума (Noise Analysis);
· переходные процессы при воздействии сигналов различной формы (Transient Analysis);
· спектральный анализ (Fourier Analysis);
· "статистические испытания по методу Монте-Карло и расчет наихудшего случая (Monte Carlo/Worst Case);
· многовариантный анализ при вариации температуры (Temperature) и других параметров (Parametric).
С помощью модуля PSpice Optimizer выполняется параметрическая оптимизация. Каждому виду расчета соответствует определенная директива. Их полный перечень приведен в табл.6.
Таблица 4.6. Директивы моделирования
| Имя | Назначение |
| Расчет стандартных характеристик | |
| .АС | Расчет частотных характеристик |
| .DC | Расчет режима по постоянному току |
| .FOUR | Спектральный анализ |
| .NOISE | Расчет уровня внутреннего шума |
| .OP | Передача в выходной файл параметров схемы, линеаризованной в окрестности рабочей точки |
| .SENS | Расчет малосигнальных чувствительностей в режиме по постоянному току |
| .TF | Расчет малосигнальных передаточных функций в режиме по постоянному току |
| .IRAN | Расчет переходных процессов.Управление выдачей результатов |
| .PLOT | Представление результатов расчета в выходном файле в виде графиков, построенных в текстовом режиме |
| Представление результатов расчета в выходном файле в виде таблиц | |
| .PROBE | Передача данных в графический постпроцессор Probe |
| .VECTOR | Создание файла с результатами моделирования цифровых устройств |
| .WATCH | Выдача промежуточных результатов анализа на экран программы PSpice в текстовом виде |
| .WIDTH | Назначение длины строк выходного файла |
| Многовариантный анализ | |
| .STEP | Вариация параметров |
| .TEMP | Назначение температуры окружающей среды |
| Вспомогательные файлы, определение функций и параметров | |
| .END | Конец задания |
| .FUNC | Определение функции |
| .INC | Включение во входной файл другого файла |
| .LIB | Подключение библиотеки моделей компонентов |
| .PARAM | Определение глобальных параметров |
| Статистический анализ | |
| .МС | Статистический анализ по методу Монте-Карло |
| .WCASE | Расчет наихудшего случая |
| Модели устройств | |
| .ENDS | Конец описания макромодели |
| .DISTRIBUTION | Табличное определение закона распределения случайных величин |
| .MODEL | Описание моделей компонентов |
| .SUBCKT | Начало описания макромодели |
| Задание начальных условий | |
| .IC | Задание начальных условий |
| .LOADBIAS | Считывание из файла узловых потенциалов схемы |
| .NODESET | Задание узловых потенциалов по постоянному току на начальной итерации |
| .SAVEBIAS | Запись в файл узловых потенциалов схемы |
| Прочие директивы | |
| .ALIASES | Начало списка соответствий имен выводов графических обозначений компонентов именам цепей схемы, к которым они подключены |
| .ENDALIASES | Конец списка соответствий |
| .EXTERNAL | Спецификация внешних портов |
| .OPTIONS | Установка параметров и режимов работы программы |
| .STIMLIB | Задание имени файла с описанием внешних воздействий |
| .STIMULUS | Задание внешних воздействий |
| .TEXT | Задание текстовых переменных, текстовых выражений или имен файлов, используемых в описании цифровых устройств |
| * | Комментарий |
| ; | Комментарий в конце строки |
| + | Продолжение строки |
Директивы моделирования задаются в схемном редакторе PSpice Schematics по команде Analysis>Setup или выбором пиктограммы. В раскрывшемся меню (см. рис. 3.49) выбирают нужный вид анализа (помечая его крестиком в графе Enabled) и щелчком мыши по панели с именем вида анализа раскрывают меню задания параметров моделирования.
При работе с OrCAD Capture аналогичные директивы моделирования задаются/редактируются по командам PSpice>New/Edit Simulation Profile.
Приведенное ниже описание директив моделирования будем иллюстрировать изображением диалоговых окон PSpice Schematics. Этого достаточно для понимания их ввода в OrCAD Capture.
Обратим внимание, что в меню схемных редакторов задаются не все возможные директивы программы PSpice. He вошедшие в меню директивы (.LIB, .INC и др.) задаются с помощью атрибутов, присваиваемых на схеме специальным символам из библиотеки Special.sib, каждой директиве — отдельный символ.
2.3 Проверьте свою готовность к лабораторной работе, ответив на вопросы:
1) что такое узел электрической принципиальной схемы?
2) что такое статический режим работы устройства?
3) как создавать новый файл в программе OrCAD Capture?
4) какие типы моделей компонентов исполььзуются в программе PSpise?
ХОД ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
3.1 Создать новый проект для моделирования в программе OrCAD Capture.
3.2 В программе OrCAD Capture нарисовать электрическую принципиальную схему, заданную преподавателем.
3.3 Произвести моделирование схемы по постоянному току.
3.4 Произвести моделирование схемы по переменному току.
Литература
1. В.Д. Разевиг. Система проектирования OrCAD 9.2.
Солон-Р Москва • 2001.
2. Антонов А. П. Язык описания цифровых устройств AlteraHDL. Практический курс. — М.: «РадиоСофт», 2001.
3. Бибило П. Н. Основы языка VHDL. — М.: «Солон-Р», 2000.
4. Кузнецова С.А., Нестеренко А.В., Афанасьев А.О.. OrCAD 10. Проектирование печатных плат / под ред. А.О. Афанасьева – М. Горячая линия – Телеком. 2005 – 454с., ил.
5. Р. Хайнеман. PSpise. Моделирование работы электронных схем. – М.: Издательство ДМК. 2005 – 357с., ил.