В качестве небольшой демонстрации широких возможностей PROBE в этом уроке мы исследуем с вами последовательную цепь, содержащую резистор, катушку индуктивности и конденсатор. Вы научитесь развертывать диаграммы PROBE, увеличивать их отдельные фрагменты, а также определять точные значения на диаграмме с помощью двух курсоров. Кроме того, вы узнаете, как можно располагать диаграммы PROBE друг под другом, сохраняя при этом их временную соотнесенность.

Шаг 1 Начертите изображенную ниже схему электрической цепи, состоящей из последовательного соединения резистора, катушки индуктивности и конденсатора, и сохраните ее под именем RLC.sch (рис. 6.1). При частоте f=11.254 кГц эта электросхема находится в резонансе.

Рис. 6.1. Схема электрической цепи, состоящей из последовательного соединения резистора, катушки индуктивности и конденсатора 

 

6.1. Масштабирование координатной сетки Y

Если при заданной частоте в рассматриваемой последовательной цепи наступает электрический резонанс, вы, как хороший знаток теории, естественно, ожидаете, что при этом напряжения на конденсаторе и на катушке индуктивности должны быть равны по значению и в сумме давать ноль, поскольку фазы их колебаний противоположны. Соответственно, напряжение на активном сопротивлении R1 должно быть равным полному входному напряжению.

Шаг 2 Проверьте, совпадут ли ваши ожидания с действительностью: проведите анализ переходного процесса (Transient Analysis) вашей цепи, а затем представьте графически полученные данные о полном напряжении и напряжении на активном сопротивлении. Установки: Final Time — 600 мкс, Step Ceiling — 200 нс (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Электрическая цепь, где R 1 =1 кОм; полное напряжение и напряжение на активном сопротивлении R 1

Как вы того и ожидали, после короткого переходного процесса полное входное напряжение находится на активном сопротивлении R1. Теория в очередной раз подтверждается. К сожалению, изображая кривые обоих напряжений, программа PROBE не использовала для этого всю рабочую поверхность экрана сверху донизу. Но вы можете внести в изображение соответствующие изменения, так как программа PROBE позволяет пользователю самому определять масштаб координатных осей.

Шаг 3 Для этого откройте в PROBE меню Plot, в котором содержатся опции, позволяющие вносить изменения в графическое отображение результатов моделирования (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Меню Plot

Шаг 4 Выберите опцию Y Axis Settings…, после чего откроется одноименное окно, показанное на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Окно Y Axis Settings с установками для масштабирования оси координат Y

Шаг 5 Измените изображаемый в PROBE интервал, отметив в разделе Data Range (Диапазон данных) опцию User Defined (Определяемый пользователем), при этом опция Auto Range (Автоматически выбирать диапазон) будет деактивизирована. Затем задайте диапазон значений от -1 В до 1 В. Тем самым вы приведете в соответствие изображаемый в PROBE интервал с имеющимися у вас значениями напряжений. Закройте окно Y Axis Settings, щелкнув по кнопке OK, и оцените изменения, произошедшие на вашей диаграмме. Теперь она должна выглядеть так, как это показано на рис. 6.5: изменение масштаба оси Y позволило развернуть диаграмму на весь экран.

Рис. 6.5. Электрическая цепь с развернутой на весь экран диаграммой

Теперь диаграмма отображается на экране наиболее оптимально. Для большей наглядности к кривым, представленным на рис. 6.5, в качестве нулевой линии стоит добавить потенциал точки «земли» V(0), который вы можете найти в списке диаграмм в окне Add Traces.

 

6.2. Применение математических к результатам моделирования

Теперь вам, естественно, хотелось бы графически представить в PROBE напряжения на катушке UL и конденсаторе UC. Но как можно отобразить эти напряжения, если PROBE рассчитывает только узловые потенциалы, то есть напряжения по отношению к «земле»? PROBE предлагает вам очень изящное решение данной проблемы. Вы наверняка помните правую часть окна Add Traces, где было перечислено целое множество математических операций. Любые из этих операций можно использовать применительно к величинам, содержащимся в левой части окна Add Traces. Такая операция, как «минус», позволяет, например, вычислить напряжение как разницу двух потенциалов.

Шаг 6 Для вычисления напряжения на конденсаторе (UL) откройте окно Add Traces и найдите в списке диаграмм названия двух необходимых узловых потенциалов.

Шаг 7 Чтобы получить разность двух потенциалов, щелкните мышью поочередно по строкам V(L1:1) и V(L1:2). Таким образом, обозначения обоих потенциалов будут один за другим отправлены в строку Trace Expression. Теперь вам остается только поставить между ними знак «минус» (рис. 6.6). Вы можете сделать это, нажав клавишу «минус» на своей клавиатуре либо щелкнув по соответствующему значку в правой части окна Add Traces.

Рис. 6.6. Окно Add Traces

Шаг 8 Подтвердите ввод в строке Trace Expression щелчком по кнопке OK и будьте готовы приятно удивиться: на экране появится тот же RLC-контур, что и на рис. 6.1. Он находится в электрическом резонансе. R1=1 кОм: полное напряжение и напряжения на активном сопротивлении R, и на катушке L1 (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Диаграмма напряжения на катушке RLC-контура, где R 1 =1 кОм

Напряжение на катушке опережает ток на 90° и имеет амплитуду, соответствующую 2/3 входного напряжения. Для того чтобы вам было легче разобраться в диаграмме, напечатанной в черно-белом цвете, мы снабдили отдельные кривые специальными символами, позволяющими отличать их друг от друга. Вы помните, что эти символы можно активизировать через меню PROBE Tools→Options…→Use Symbols→Always.

Аналогично тому, как вы создали диаграмму напряжения на катушке, представьте теперь графически и напряжение на конденсаторе.

Шаг 9 Составьте в окне Add Traces выражение для определения разности потенциалов на правом и левом выводе С1 и выведите на экран PROBE диаграмму полного напряжения и напряжений на всех трех компонентах цепи (рис. 6.8). R1=1 кОм: полное напряжение и напряжения на активном сопротивлении R1, катушке L1 и конденсаторе С1.

Рис. 6.8. Диаграмма полного напряжения и напряжений на всех компонентах RLC-контура

 

6.3. Одновременное изображение диаграмм в отдельных системах координат

На рис. 6.8 в одной системе координат изображены четыре диаграммы. Этот метод подходит для двух или даже трех диаграмм, однако, если требуется большее количество, то ориентироваться в них становится довольно непросто. В таких случаях в электротехнике принято располагать отдельные диаграммы друг над другом, сохраняя их временную соотнесенность. Это можно сделать и в PROBE. Для того чтобы расположить четыре диаграммы, изображенные на рис. 6.8, друг над другом, каждую в своей системе координат, действуйте следующим образом.

Шаг 10 Прежде всего, удалите с открытого в данный момент экрана PROBE (см. рис. 6.8) все напряжения за исключением нулевой линии V(0) и полного напряжения V(U1:+). Чтобы удалить диаграмму, сначала нужно щелкнуть по ее имени (имена диаграмм располагаются внизу окна PROBE), которое будет выделено красным цветом. После этого вы можете удалить маркированную диаграмму, нажав на клавишу Delete.

Шаг 11 Выберите в меню Plot опцию Add Plot (Добавить систему координат), после чего на экране PROBE появится еще одна система координат. 

Шаг 12 Откройте окно Add Traces, отправьте в строку Trace Expression напряжение резистора V(R1:2), а также постоянное напряжение величины 0 (V(0)) и щелкните по кнопке OK в подтверждение того, что выбранные вами величины должны быть отображены в новой, созданной вами системе координат (рис. 6.9).

Рис. 6.9. Полное напряжение и напряжение на резисторе R 1 последовательной цепи, находящейся в электрическом резонансе

Теперь вам необходимо создать третью систему координат и отобразить в ней напряжение на катушке. Для этого выполните следующие шаги.

Шаг 13 Создайте третью систему координат, выбрав пункт меню Plot→Add Plot.

Шаг 14 Откройте окно Add Traces и отправьте в строку Trace Expression напряжение на катушке: V(L1:1)-V(L1:2).

Шаг 15 Добавьте также к содержимому строки Trace Expression нулевую линию V(0) и подтвердите все введенное щелчком по кнопке OK (рис. 6.10).

Рис. 6.10. Полное напряжение и напряжение на резисторе и катушке

Шаг 16 Повторите всю процедуру с самого начала для того, чтобы вызвать на экран диаграмму напряжения на конденсаторе (рис. 6.11).

Рис. 6.11. Полное напряжение и напряжения на всех компонентах; R 1 =1 кОм

Если общая картина кажется вам слишком мелкой, то воспользуйтесь опцией Page Setup (Параметры станицы) в меню File. Эта опция служит для установки параметров размещения диаграммы PROBE на странице перед тем, как вывести ее на печать. Проведя соответствующую настройку окна Page Setup, вы можете расположить свою диаграмму во весь лист формата А4. Книжная ориентация страницы задается опцией Portrait, а альбомная — опцией Landscape (рис. 6.12).

Рис. 6.12. Вид распечатанной диаграммы

Теперь предположим, что вас интересует, как изменяются напряжения на компонентах последовательной цепи при изменении активного сопротивления R1.

Такая постановка вопроса имеет большое значение в электронике. Но тогда вам пришлось бы заново провести моделирование вашей схемы, на этот раз с измененным значением R1, а затем создать новую диаграмму по образцу, изображенному на рис. 6.11. При мысли, что предстоит проделать еще раз всю работу по созданию диаграммы, вам наверняка стало не по себе. Программа PROBE поможет справиться и с этой задачей.

Для того чтобы после каждого моделирования не проводить одни и те же настройки окна PROBE, выполните описанные ниже шаги.

Шаг 17 Выберите в меню Analysis опцию Probe Setup… После этого откроется окно Probe Setup Options (Опции предварительной установки PROBE) с тремя вкладками (рис. 6.13).

Рис. 6.13. Окно Probe Setup Options с установками для автоматического запуска PROBE и повторения предыдущих настроек

Такая предварительная установка программы PROBE избавит вас от выполнения рутинной работы и сэкономит немало времени.

Шаг 18 Используйте предварительную установку PROBE при создании диаграммы исследуемой вами последовательной цепи, состоящей из резистора, катушки и конденсатора, с измененным значением сопротивления R1=100 Ом. Для этого:

• выберите на вкладке Probe Startup опцию Restore Last Probe Session (Восстановить последний сеанс работы PROBE);

• замените в схеме последовательной цепи резистор R1=1 кОм на R1=100 Ом;

• запустите процесс моделирования.

В результате вы должны получить схему, показанную на рис. 6.14.

Рис. 6.14. Электрическая цепь с полным напряжением и напряжением на всех компонентах; R 1 =100 Ом

 

6.4. Масштабирование координатной оси X

Во многих случаях исследование электрической цепи проводят, когда она находится в стационарном состоянии, то есть после завершения переходного процесса. Прочитав этот раздел, вы научитесь чертить диаграммы изменения напряжений в уменьшенном временном интервале между 0.4 и 0.6 мкс. Таким образом, на диаграмме будут представлены примерно два последних смоделированных периода.

Шаг 19 Для того чтобы переформатировать ось координат X, откройте в PROBE меню Plot и выберите в нем опцию X Axis Settings (рис. 6.15).

Рис. 6.15. Окно X Axis Settings

Шаг 20 Укажите в окне X Axis Settings, какой фрагмент диаграммы вас интересует, задав начальную и конечную координаты для масштабирования оси X, а затем закройте это окно с помощью кнопки OK. На рис. 6.16 показано, как при заданном временном интервале от 0.4 до 0.6 мкс программа PROBE отобразила соответствующий фрагмент диаграммы, изображенной на рис. 6.14.

Рис. 6.16. Фрагмент диаграммы, изображенной на рис. 6.14; временной интервал от 0.4 до 0.6 мкс

 

6.5. Увеличение фрагментов диаграмм

 

С одним из методов создания в PROBE увеличенных фрагментов диаграмм вы уже познакомились: с помощью окон X Axis Settings и Y Axis Settings вы можете увеличить любой интересующий вас фрагмент до размеров всей рабочей поверхности экрана. Помимо этого, в PROBE есть также специальные опции для увеличения, уменьшения и выделения фрагментов, которые в большинстве случаев позволяют гораздо быстрее добиться желаемого результата. С подобными опциями вы знакомы еще по редактору SCHEMATICS. И теперь вы наверняка уже догадались, что речь идет об опциях, находящихся в меню View и, соответственно, о четырех кнопках с изображенными на них увеличительными стеклами.

Для того чтобы увеличить какой-либо фрагмент вашей диаграммы, действуйте следующим образом.

Шаг 21 Активизируйте в меню View опцию Area или щелкните по третей слева кнопке с увеличительным стеклом и символом фрагмента. После этого курсор превратится в крест.

Шаг 22 Подведите курсор-крест к левому верхнему углу увеличиваемого фрагмента вашей диаграммы и не отпускайте клавишу мыши.

Шаг 23 Удерживая клавишу мыши, переместите курсор в правый нижний угол выделяемого фрагмента.

Шаг 24 Отпустите клавишу мыши. Интересующий вас фрагмент диаграммы будет теперь изображен во весь форматный лист экрана PROBE.

В любой момент вы можете вернуться к исходному изображению, выбрав команду View→Fit либо щелкнув по соответствующей этой команде кнопке, действие которой вам известно еще по редактору SCHEMATICS.

 

6.5.1. Упражнение на масштабирование диаграмм

Шаг 25 Потренируйтесь увеличивать фрагменты диаграммы с помощью опций View→Area и View→Fit. Заодно поэкспериментируйте и с опциями увеличения и уменьшения View→In и View→Out, а также с соответствующими этим командам кнопками.

 

6.5.2. Задания на построение диаграмм

Задание 6.1. Проведите анализ переходных процессов для изображенной на рис. 6.17 схемы параллельного соединения, состоящего из резистора, катушки и конденсатора, при частоте f=6 кГц. Здесь катушка индуктивности с ее активным и реактивным сопротивлением заменена последовательным соединением резистора и индуктивности. По завершении переходного процесса выведите на экран диаграммы полного напряжения и токов на каждом компоненте для одного периода повторения импульсов, представив каждую величину в отдельной системе координат. На всех диаграммах должен быть изображен один и тот же временной интервал.

Рис. 6.17. Эквивалентная схема реальной параллельной цепи

Задание 6.2. Проведите анализ AC Sweep для схемы частотного фильтра из задания 5.3 и выведите на экран PROBE диаграммы частотных характеристик выходного напряжения для амплитуды и положения по фазе. Представьте обе диаграммы в отдельных системах координат, сохранив при этом их соотнесенность по частоте. Выберите для каждой диаграммы логарифмический масштаб оси частоты, а для диаграммы частотной характеристики амплитуды и оси координат напряжения задайте логарифмический масштаб.

Задание 6.3.* Представьте на трех расположенных одна над другой диаграммах временные характеристики мощности для всех трех компонентов схемы электрической цепи, состоящей из последовательного соединения резистора, катушки и конденсатора (см. рис. 6.1).

 

6.6. Курсор программы-осциллографа PROBE

 

Наверняка в ходе этого учебного курса вам уже не раз хотелось точно определить пару значений для какой-либо одной точки на диаграмме, созданной в PROBE. До сих пор в таких случаях вам приходилось выяснять координаты точки на диаграмме с помощью линейки, измеряя их прямо на экране, или довольствоваться приблизительными вычислениями «на глазок». PROBE предлагает вам воспользоваться двумя курсорами, которые вы можете устанавливать в интересующих вас местах диаграммы, после чего в индикаторном окне будут появляться их точные координаты.

Обращению с курсором PROBE вы научитесь на примере уже хорошо вам знакомой схемы последовательной цепи, содержащей резистор и конденсатор, сохраненной вами под именем RC_TRANS.sch. 

Шаг 26 Откройте в редакторе SCHEMATICS схему RC_TRANS.sch (рис. 6.18).

Рис. 6.18. Схема последовательной цепи; R=100 Ом и С=2 мкФ 

Шаг 27 Проведите анализ переходного процесса схемы RC_TRANS.sch с синусоидальным переменным напряжением с амплитудой VAMPL=1 В и частотой f=2 кГц. Укажите время моделирования 2 мс, чтобы можно было рассмотреть два периода входного напряжения. Задайте PSPICE рассчитать как минимум 1000 значений, то есть в поле Step Ceiling (Ширина шага) введите 1u (1 мкс).

Шаг 28 По завершении моделирования выведите на экран PROBE диаграмму напряжений Uполн(t) и Uc(t) — см. рис. 6.19.

Рис. 6.19. Результаты анализа переходного процесса последовательной цепи

Теперь, чтобы определить отдельные пары значений, вы можете воспользоваться курсором PROBE применительно к любой из двух диаграмм, изображенных на рис. 6.19.

Шаг 29  Активизируйте курсор PROBE, щелкнув по кнопке с изображением стилизованной диаграммы .

После вызова курсора на экране PROBE произошли некоторые изменения (рис. 6.20). Теперь на экране открылось новое окно, окно курсора. В нем вы видите текущие координаты обоих курсоров PROBE, обозначенных A1 и A2. Оба курсора находятся сейчас в точке отсчета вашей диаграммы с координатами 0.000/0.000, то есть в точке 0 мс/0В.

Рис. 6.20. Экран PROBE с напряжениями в схеме последовательной цепи после активизации курсора

Шаг 30 А теперь щелкните левой клавишей мыши в любом месте рабочего окна PROBE. 

В точке, на которую вы указали щелчком мыши, устанавливается курсор, принимающий при этом форму перекрестия пунктирных нитей (рис. 6.21). В окне курсора вы можете видеть координаты того места, где установлен курсор, с точностью до третьего знака после запятой. К какой из двух диаграмм, изображенных на экране PROBE, должны относиться показания курсора, вы можете определить, щелкнув по символу соответствующего графика, находящемуся в левом нижнем углу окна PROBE (рис. 6.22).

Рис. 6.21. Диаграмма последовательной цепи с установленным курсором A1

Рис. 6.22. Пунктирная рамка означает, что в настоящий момент все операции с курсором относятся к диаграмме V(U1:+)

Если теперь нажать на правую клавишу мыши, то будет активизирован второй курсор. При необходимости вы можете подчинить второй курсор другой диаграмме. Чтобы определить, к какой диаграмме должны относиться показания второго курсора, щелкните правой клавишей мыши по одному из символов в левом нижнем углу окна PROBE (рис. 6.23).

Рис. 6.23. Курсор 1 закреплен за диаграммой V(U1:+), курсор 2 подчинен диаграмме V(C1:2)

 

6.6.1. Упражнения по работе с курсорами

Шаг 31 Поэкспериментируйте с курсорами PROBE. Обратите внимание, что курсоры отличаются друг от друга типом пунктирных линий и маркировок символов.

Шаг 32 Проверьте точность показаний курсоров, определив с их помощью максимальное значение входного напряжения (ведь точное значение вам заведомо известно). Убедитесь, что при установке курсора в верхнюю точку графика V(U1:+) координата по оси Y в окне курсора будет равна 1.

Шаг 33 Теперь увеличьте как можно больше область диаграммы вокруг максимального значения полного напряжения, а затем с помощью курсора определите значение максимума. Насколько точны показания курсора?

С помощью трех кнопок, расположенных справа от кнопки активизации курсора, вы можете перемещать курсор к следующему относительному максимуму, к следующему относительному минимуму и к следующей точке перегиба. Чтобы при работе с опциями автоматического поиска у вас не возникало никаких проблем, помните, что диаграммы могут иметь несколько относительных максимумов, минимумов или точек перегиба. Прежде чем щелкнуть по одной из этих кнопок, вы должны сообщить программе, в каком направлении следует осуществлять поиск. Направление поиска задается путем кратковременного нажатия на клавишу → или ←. Если при этом удерживать нажатой клавишу Shift, то при последующем щелчке по соответствующей кнопке поиска вы сможете переместить второй курсор в точки относительных максимумов, минимумов, а также в точки перегиба.

 

6.6.2. Упражнения по вычислению координат

Шаг 34 Проверьте, как работают опции поиска каждого из двух курсоров.

Шаг 35 Отметьте, что в окне курсора указывается не только положение обоих курсоров, но также и разница их координат.

Шаг 36 Определите разницу между двумя пиками входного напряжения: установите первый курсор (А1) в точку максимального значения, второй курсор (А2) в точку минимального значения полного напряжения, а затем считайте разницу этих двух напряжений из окна курсора.

Шаг 37 Чему равно напряжение на конденсаторе во второй точке минимума, расположенной под первой точкой максимума? (Напряжение укажите в вольтах.)

Шаг 38 Установите оба курсора таким образом, чтобы по разнице их координат можно было узнать длительность периода повторения импульсов напряжения.

Шаг 39 Установите курсор в любой точке диаграммы, а затем щелкните по второй справа кнопке, соответствующей команде Mark Label (Установить метку). В точке, где находится курсор, появится метка с указанием ее координат. Пометьте таким образом еще одно место на диаграмме. Выясните, как можно удалять с диаграммы ненужные больше метки.

Выполняя упражнения, вы наверняка выяснили, что полученные результаты не соответствуют истинным значениям. Дело в том, что максимумы и минимумы, которые определяет курсор PROBE, являются не теоретическими (точными) предельными значениями диаграмм, а всего лишь самыми высокими или, соответственно, самыми низкими, вычисленными в процессе моделирования. Даже если среди вычисленных значений находилась бы точная точка экстремума, это было бы случайностью. Чтобы повысить точность вычисления предельных значений, задайте большее количество контрольных точек.

Шаг 40 Щелкните по кнопке, где изображена кривая красного цвета с белыми точками. С помощью этой кнопки вызывается индикация рассчитанных контрольных точек. Взглянув на увеличенный фрагмент диаграммы в области максимального значения (рис. 6.24), вы сможете убедиться, что в месте теоретического максимального значения не расположено ни одной контрольной точки. Отметьте для себя также и тот факт, что PROBE соединяет рассчитанные точки прямыми линиями.

Рис. 6.24. Фрагмент диаграммы в области вокруг максимального значения входного напряжения

 

6.6.3. Задание на закрепление материала

Задание 6.4. Загрузите на экран редактора SCHEMATICS схему последовательной цепи RLC.sch (рис. 6.1) и проведите для нее анализ AC Sweep в диапазоне частот 100 Гц–1 МГц. По окончании моделирования выведите на экран PROBE диаграмму частотных характеристик тока I и напряжений UL и UC на катушке и конденсаторе:

1. Исследуйте влияние величины сопротивления R на характеристики I, UL и UC.

2. Какое значение следует задать для сопротивления R, чтобы UL и UC не достигали резонансных значений? Насколько велика при этом ширина полосы частот (при спаде до 70% от Imax)?

 

6.7. Кнопки программы-осциллографа PROBE

Рис. 6.25. Элементы управления программы PROBE

На рис. 6.25 показаны элементы управления программы PROBE, а соответствующие им функции описаны в табл. 6.1.

Таблица 6.1. Функции редактора PROBE

 

6.8. Руководство к действию 

Рецепт 1. Изменить масштабирование осей координат X и Y

Масштабирование оси координат X:

1. Откройте в PROBE меню Plot и выберите опцию X Axis Settings, чтобы открыть одноименное окно (см. рис. 6.15).

2. Отметьте в этом окне в разделе Data Range (Диапазон данных) опцию User Defined (Определяемый пользователем).

3. Задайте начальную и конечную координаты интервала значений, который следует отобразить на оси X (см. рис. 6.15).

4. Закройте окно щелчком по кнопке OK.

Масштабирование оси координат Y:

1. Откройте в PROBE меню Plot и выберите в нем опцию Y Axis Settings, чтобы открыть одноименное окно (см. рис. 6.4).

2. Отметьте в этом окне в разделе Data Range опцию User Defined.

3. Задайте начальную и конечную координаты интервала значений, который следует отобразить на оси Y (см. рис. 6.4).

4. Закройте окно щелчком по кнопке OK.

Рецепт 2. Вывести на экран PROBE диаграмму напряжения как разницу двух узловых потенциалов

1. Откройте окно Add Traces, щелкнув по кнопке .

2. Щелкните по имени первого потенциала и тем самым отправьте его в строку Trace Expression, находящуюся в нижней части окна Add Traces (см. рис. 6.6).

3. Щелкните по имени второго потенциала, чтобы и его отправить тем же способом в строку Trace Expression.

4. Поставьте между двумя потенциалами в строке Trace Expression знак минуса, нажав соответствующую клавишу либо щелкнув по знаку «-» в правой части окна Add Traces (см. рис. 6.6).

5. Щелкните по кнопке OK.

Рецепт 3.  Удалить диаграмму с экрана PROBE

1. Маркируйте диаграмму, которую следует удалить, щелкнув по ее имени в строке, расположенной в нижней части экрана PROBE.

2. Нажмите на клавишу Delete.

Рецепт 4. Вывести на экран PROBE вторую диаграмму, расположив ее над уже имеющейся

1. Выберите в меню Plot опцию Add Plot, чтобы вызвать на экран PROBE еще одну систему координат.

2. Откройте окно Add Traces и отправьте в строку Trace Expression имя диаграммы, которую следует отобразить в новой, только что созданной системе координат.

3. Подтвердите свой выбор щелчком по кнопке OK.

Рецепт 5. Запуск PROBE с установками последнего сеанса работы

1. Щелкните в меню Analysis по строке Probe Setup…. После этого откроется окно Probe Setup Options. Выберите на вкладке Probe Startup опции Restore Last Probe Session и Automatically Run Probe After Simulation (см. рис. 6.13).

2. Щелкните по кнопке OK.

Внимание! Если в ходе предварительной установки PROBE вы активизировали опцию Restore Last Probe Session , то эта настройка распространится и на все последующие варианты вашей схемы, в которые будут вноситься какие-либо изменения, поскольку вы сохраняете их под одним и тем же именем. Однако если вам потребуется смоделировать совсем другую схему, то, вполне возможно, настройки последнего сеанса работы в PROBE не будут соответствовать вашим новым задачам. В таких случаях на экране появляется сообщение об ошибке. Вывод: после того как вы завершили серию подобных анализов, деактивизируйте опцию Restore Last Probe Session, чтобы потом не создавать себе лишних хлопот.

Рецепт 6 . Изменить масштаб изображения в PROBE

Увеличить фрагмент диаграммы:

1. Выберите в меню View опцию Area или щелкните по соответствующей этой команде кнопке .

2. Установите курсор, принявший теперь форму креста, в левый верхний угол фрагмента диаграммы, который необходимо увеличить.

3. Удерживая клавишу мыши нажатой, переместите курсор в правый нижний угол выделяемого фрагмента.

4. Отпустите клавишу мыши.

Вернуть увеличенному фрагменту диаграммы прежний вид: выберите в меню View команду Fit или щелкните по соответствующей этой команде кнопке .

Увеличение:

1. Команда View→In или щелчок по кнопке .

2. Щелкнуть мышью по фрагменту, который следует увеличить.

Уменьшение:

1. Команда View→Out или щелчок по кнопке .

2. Щелкнуть мышью по фрагменту, который следует уменьшить.

Рецепт 7. Активизировать курсор программы-осциллографа PROBE

Первый способ: выберите меню команду Tools→Cursor→Display.

Второй способ: щелкните по соответствующей этой команде кнопке .

Рецепт 8. Закрепление курсоров за диаграммами, выведенными на экран

1. Закрепите сначала первый курсор за одной из диаграмм. Для этого выберите в левом нижнем углу окна PROBE символ нужной вам диаграммы и щелкните по нему левой клавишей мыши (см. рис. 6.22).

2. Затем подчините второй курсор этой же или другой диаграмме: щелкните правой клавишей мыши по символу нужной вам диаграммы, расположенному в левом нижнем углу окна PROBE (см. рис. 6.23).

3. Теперь вы сможете управлять первым курсором с помощью левой клавиши мыши, а вторым курсором — с помощью правой клавиши.

Если оба курсора подчинены одной и той же диаграмме, то соответствующий ей символ заключается в штрихованную рамку (см. рис. 6.22).

Внимание! Оба курсора имеют форму перекрестия пунктирных линий, но у первого пунктир более частый. Если вы подчинили курсоры разным диаграммам, то узнать, какой курсор к какой диаграмме относится, вы можете по символу перед именем диаграммы: рамка будет выполнена тем пунктиром, который закреплен за этой диаграммой (см. рис. 6.23).

Рецепт 9. Управление курсором и установка метки

Переместить курсор 1 из фактического положения вправо (влево) к ближайшему максимальному значению: нажмите клавишу → или ← и щелкните по кнопке .

Переместить курсор 1 из фактического положения вправо (влево) к ближайшему минимальному значению: нажмите клавишу → или ← и щелкните по кнопке .

Переместить курсор 1 из фактического положения вправо (влево) к ближайшей точке перегиба: нажмите клавишу → или ← и щелкните по кнопке .

Переместить курсор 1 из фактического положения к абсолютному минимальному/максимальному значению: воспользуйтесь кнопкой .

Переместить курсор 2 из фактического положения вправо (влево) к ближайшему максимальному/минимальному значению/ближайшей точке перегиба: нажмите и удерживайте клавишу Shift, дальше см. соответствующую процедуру для курсора 1.

Переместить курсор в следующую контрольную точку: щелкните по кнопке .

Установить метку с координатами в месте расположения курсора: установите курсор и щелкните по кнопке, соответствующей команде Mark Label .

 

Во втором уроке вы познакомились с обычным анализом цепи постоянного тока. При этом все конденсаторы рассматриваются как прерывания электрической цепи, все катушки индуктивности — как короткие замыкания. Нелинейные компоненты, например диоды или транзисторы, заменяются на их сопротивление постоянному току в рабочей точке. Созданная по такому принципу схема замещения содержит только одни активные сопротивления. Анализ цепи постоянного тока выявляет узловые потенциалы полученной схемы замещения.

В ходе анализа DC Sweep проводят целую серию простых анализов цепи постоянного тока, варьируя при этом с небольшими интервалами какую-нибудь одну величину схемы, например температуру или значение сопротивления определенного резистора. Программа PSPICE позволяет проводить анализ DC Sweep со следующими изменяемыми переменными:

• температура;

• параметры электрической цепи (например, сопротивления);

• источники напряжения;

• источники тока;

• модельные параметры.

Как видите, перед пользователем программы PSPICE открываются такие широкие возможности анализа схемы, какие не могли бы предложить даже прекрасно оснащенные лаборатории. Только вдумайтесь, какую экономию времени, сил и, разумеется, средств обещает перспектива провести, не отходя от компьютера и всего лишь за один сеанс работы, анализ рабочих характеристик транзисторной схемы в диапазоне температур от -70 °С до +150 °С. В прошлом инженерам-проектировщикам приходилось проводить целые серии дорогостоящих испытаний, чтобы выяснить, будет ли функционировать схема с транзисторами, у которых коэффициенты усиления по току имеют рассеяние больше, чем ±100%. Интерактивное моделирование проясняет такие вопросы с минимальными затратами.

Но и на этом возможности анализа цепи постоянного тока в PSPICE не исчерпываются. Одновременно с основным анализом (Main Sweep) можно также проводить так называемый «вложенный» (дополнительный) анализ (Nested Sweep) для еще одной изменяемой переменной. Это позволяет выводить на экран PROBE целые семейства кривых, например семейство выходных характеристик транзистора.

 

7.1. Источник напряжения в качестве изменяемой переменной

 

Чтобы оценить возможности программы PSPICE, сейчас вы с помощью анализа цепи постоянного тока (изменяемой переменной будет служить источник напряжения) еще раз решите задачу, поставленную перед вами в задании 2.4. Однако на этот раз вы сделаете все гораздо элегантнее.

Шаг 1 Загрузите на экран SCHEMATICS смешанную резисторную электросхему с двумя источниками напряжения, которую вы сохранили в папке Projects под именем 2_U.sch (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Смешанная резисторная электросхема с двумя источниками напряжения

Шаг 2 Откройте окно Analysis Setup и установите флажок рядом с кнопкой DC Sweep… (Анализ цепи постоянного тока…) — см. рис. 7.2.

Рис. 7.2. Окно Analysis Setup с активизированным анализом цепи постоянного тока DC Sweep

Шаг 3 Щелкните по кнопке DC Sweep…, чтобы открыть окно DC Sweep, показанное на рис. 7.3.

Рис 7.3. Окно DC Sweep с установками для проведения анализа цепи постоянного тока

Вверху слева в окне DC Sweep в списке Swept Variable Туре (Тип изменяемой переменной) находится список возможных переменных. Чтобы выбрать нужную переменную, достаточно маркировать соответствующее окошко. В данном случае в качестве изменяемой переменной был выбран источник напряжения (Voltage Source). Вверху справа в поле Name вводится имя изменяемой переменной. В нижней части окна указывается интервал значений, в котором в ходе анализа будет изменяться выбранная переменная, и масштаб. Масштаб может быть линейным или логарифмическим. Активизировав опцию Value List (Список значений), вы можете ввести в поле Values отдельные значения для интересующих вас контрольных точек.

Шаг 4 Заполнив окно DC Sweep по образцу на рис. 7.3, вы тем самым зададите изменение напряжения источника UB2 от 0 до 20 В. Масштабная единица (поле Increment) составит 1 мВ. Подтвердите свой выбор, щелкнув по кнопке OK. После этого вы вернетесь к окну Analysis Setup. Закройте его с помощью кнопки Close и запустите анализ DC Sweep, щелкнув по кнопке желтого цвета.

После того как PSPICE закончит моделирование, на экране автоматически откроется окно PROBE, если, конечно, вы активизировали предварительно в окне Probe Setup Options опцию Automatically Run Probe After Simulation. В противном случае вам придется запустить PROBE «собственноручно», выбрав в меню Analysis команду Run Probe.

Шаг 5 Откройте в PROBE окно Add Traces и выведите на экран диаграмму тока -I(R4). (Помните о правилах установки знака перед величинами в программе PSPICE: все токи считаются в прямом направлении, то есть от вывода 1 к выводу 2. Это значит, что в данном случае расчет тока производился снизу вверх. Вам же нужно вывести диаграмму тока, рассчитанного в обратном направлении, поэтому в строке Trace Expression перед именем I(R4) вам надо будет поставить знак «минус»).

На диаграмме, выведенной на экран PROBE, вы прекрасно можете видеть, как изменяется ток, проходящий через резистор R4, при изменении напряжения UB2. Теперь с помощью этой диаграммы вы легко ответите на вопрос задания 2.4, где спрашивалось, при каком напряжении UB2 ток I4 будет равен нулю. Ответ: приблизительно при 17 В. Однако вам, как человеку требовательному, наверняка нужны более точные результаты.

Шаг 6 Добавьте к своей диаграмме нулевую линию (как на рис. 7.4), введя в строку Trace Expression значение 0 и подтвердив ввод щелчком по кнопке OK.

Рис. 7.4. Диаграмма, отражающая изменение тока, с нулевой линией

Имея нулевую линию на диаграмме, намного легче определить искомое значение напряжения для нулевого тока I4, но и такая точность все еще недостаточна.

Шаг 7 Активизируйте курсор PROBE (рис. 7.5) и определите напряжение, обращающее ток I4 в  ноль, как можно более точно.

Рис. 7.5. Диаграмма тока с активизированным курсором PROBE

Шаг 8 Сравните конечный результат с тем, что вы получили, когда выполняли задание 2.4.

 

7.1.1. Упражнение по проведению DC-анализа

Выполните для схемы с параметрами, описанными в задании 2.7, анализ DC Sweep.

 

7.2. Источник постоянного тока в качестве изменяемой переменной

Согласно теории о построении электрических цепей, любой источник напряжения с заданным напряжением истока Uq и заданным внутренним сопротивлением R можно заменить на соответствующий источник тока Iq с параллельным сопротивлением Rp, оказывая при этом то же действие на остальную часть электрической цепи. Для Rp нужно задать значение, равное значению Ri, а значение Iq должно быть таким, чтобы оба источника имели одинаковый ток короткого замыкания. На рис. 7.6 показана цепь с источником напряжения Ri=1 кОм и U=10 В и источником тока с R=1 кОм и I=10 мА. Оба этих источника за пределами зажимов не должны отличаться друг от друга по своим характеристикам.

Рис. 7.6. Цепь с источником напряжения и источник тока

Перед проведением первого теста оба источника будут нагружены одинаковым нагрузочным резистором RH=4.7 кОм. После этого мы выполним для полученных таким образом схем источников два анализа DC Sweep: для первого источника в качестве изменяемой переменной будет варьироваться напряжение истока в диапазоне значений от Uq=0 В до Uq=100 В, а для второго — ток истока в диапазоне значений от Iq=0 мА до Iq=100 мА. По завершении первого анализа мы вызовем на экран PROBE диаграмму напряжения на резисторе RH, а затем сравним ее с аналогичной диаграммой, которую получим после проведения второго анализа. Если верить теории, обе диаграммы напряжения на резисторе RH должны полностью совпадать.

Шаг 9 Начертите схему источника напряжения с напряжением истока Uq=10 В и внутренним сопротивлением Ri=1 кОм (рис. 7.7) и сохраните эту схему в папке Projects под именем U_I.sch.

Рис. 7.7. Источник напряжения с внутренним сопротивлением R i =1 кОм и напряжением истока U q =10 В; сопротивление нагрузки R H =4.7 кОм

Шаг 10 Откройте окно Analysis Setup, установите флажок перед кнопкой DC Sweep… и затем откройте окно DC Sweep (рис. 7.8). В качестве изменяемой переменной будет варьироваться напряжение истока Uq в диапазоне значений от 0 В до 100 В.

Рис. 7.8. Окно DC Sweep

Шаг 11 Выполните в этом окне необходимые настройки по образцу на рис. 7.8 и запустите моделирование вашей схемы. По завершении выведите на экран диаграмму, изображенную на рис. 7.9.

Рис. 7.9. Диаграмма изменения напряжения на нагрузочном резисторе R H при изменении напряжения истока от U q =0 В до U q =100 В

Шаг 12 А теперь создайте в редакторе SCHEMATICS схему эквивалентного по значению источника тока с параллельным сопротивлением Rp=1 кОм и током истока I=10 мА. Используйте при проектировании этой схемы источник тока типа IDC из библиотеки SOURCE.slb. Разверните источник тока на 180° (при позиционировании дважды нажмите комбинацию клавиш Ctrl+R), чтобы ток мог проходить через резистор нагрузки Rp сверху вниз (рис. 7.10). Сохраните схему в папке Projects под именем I_U.sch. Согласно теории, данный источник тока и источник напряжения, изображенный на рис. 7.7, должны быть эквивалентны по значению.

Рис. 7.10. Источник тока с параллельным сопротивлением R p

Шаг 13 Снова откройте окно DC Sweep и выполните, по образцу на рис. 7.11, все необходимые приготовления для проведения анализа DC Sweep. В качестве параметра взят источник тока I изменяющийся в диапазоне значений от 0 до 100 мА.

Рис. 7.11. Окно DC Sweep с настройками для проведения анализа

Шаг 14 Запустите процесс моделирования и выведите на экран PROBE диаграмму напряжения на нагрузочном резисторе RH (рис. 7.12). Результат, представленный на этом рисунке, аналогичен показанному на рис. 7.9.

Рис. 7.12. Диаграмма изменения напряжения на нагрузочном резисторе R H при изменении тока истока I q от 0 до 100 мА

Проведенный вами тест со всей наглядностью показал, что обе диаграммы напряжения на нагрузочном резисторе RH, полученные вами в ходе анализа источника тока и источника напряжения, абсолютно идентичны. Похоже, теория не ошибается. Однако окончательно удостовериться в истинности теоретических высказываний вы сможете только тогда, когда будет доказано, что оба этих источника имеют одинаковые характеристики даже при различных значениях сопротивления RH. Это вы сделаете, выполнив задание 7.1. Но прежде вам предстоит еще научиться тому, как моделировать и выводить на экран PROBE семейства кривых. Семейства кривых создаются с помощью анализа Nested Sweep, что дословно переводится как «вложенный анализ». С проведением такого анализа вы познакомитесь в разделах 7.4 и 7.5.

 

7.3. Температура компонентов в качестве изменяемой переменной

У обычных резисторов при повышении температуры увеличивается сопротивление. Температурная зависимость описывается уравнением Rтепл=Rхол*(1+α*Δν).

Температурный коэффициент α — величина постоянная для каждого материала. Для никеля, например, α=6.7*10-3 1/K (кельвин). Если же положительный, то речь идет о ptc-резисторе, если же коэффициент α отрицательный, тогда мы имеем дело с ntc-резистором. Помимо обычных резисторов программа PSPICE содержит также специальные резисторы, температурные коэффициенты которых особенно просто устанавливать и даже изменять, то есть использовать в качестве переменных в ходе проведения анализа схем. Они называются Rbreak и находятся в библиотеке BREAKOUT.slb.

Шаг 15 Начертите изображенную ниже схему термоизмерительного мостика. Для этого загрузите на экран SCHEMATICS два резистора типа Rbreak из библиотеки BREAKOUT.slb и два обычных резистора R из библиотеки ANALOG.slb. Сохраните эту схему в папке Projects под именем TERMOBRIDG.sch (рис. 7.13).

Рис. 7.13. Схема термоизмерительного мостика с резисторами типа Rbreak и R

Для того чтобы задать желаемый температурный коэффициент (в PSPICE они называются ТС (Temperature Coefficient)), вам необходимо изменить имитационную модель Rbreak.

Изменение модели Rbreak, производится следующим образом.

Шаг 16 Щелкните мышью по схемному обозначению одного из двух резисторов типа Rbreak. Этот компонент схемы будет маркирован красным цветом.

Шаг 17 Откройте меню Edit, выберите строку Model… (Модель). Откроется окно Edit Model (Редактировать модель), посредством которого можно вызывать и изменять модели компонентов типа Break (рис 7.14).

Рис. 7.14. Окно Edit Model

Шаг 18 Щелкните по кнопке Edit Instance Model  (Text)… (Редактировать модель образца), чтобы открыть редактор моделей программы PSPICE, куда уже загружена текущая модель Rbreak (рис. 7.15). В этом редакторе можно изменять модельные параметры моделей из библиотеки BREAKOUT.slb.

Рис. 7.15. Редактор моделей программы PSPICE

Шаг 19 Вставьте под строкой R=1 строку ТС1=0.0067 (рис. 7.16). Тем самым вы присваиваете этому резистору температурную характеристику никеля (α=6.7*10-3).

Рис. 7.16. Редактор моделей программы PSPICE с моделью резистора типа Rbreak

Шаг 20 Закройте редактор моделей, щелкнув по кнопке OK. Теперь эта измененная модель стала доступной для всех резисторов типа Rbreak, содержащихся в вашей схеме.

Для того чтобы измерительный мостик нормально функционировал, вам нужно еще задать обоим резисторам Rbreak значение сопротивления для стандартной температуры измерения. Значение сопротивления для резистора типа Rbreak устанавливается, как и для обычного резистора, в окне его атрибутов.

Шаг 21 Откройте окно атрибутов (рис. 7.17) одного из двух резисторов типа Rbreak, дважды щелкнув по символу резистора.

Рис. 7.17. Диалоговое окно атрибутов резистора типа Rbreak

Шаг 22 Установленное по умолчанию значение сопротивления 1k (1 кОм) вполне подходит для данного моста. Следовательно, оставьте значение сопротивления таким, какое оно есть, и вызовите его индикацию на чертеж вашей схемы. Для этого щелкните по строке VALUE=1k, затем по кнопке Change Display и выберите в окне Change Attribute из списка What to Display опцию Value Only. Затем выведите на свой чертеж индикатор значения и для другого резистора, взятого вами из библиотеки BREAKOUT.slb. После этого ваша схема должна быть похожа на изображенную на рис. 7.18.

Рис. 7.18. Готовая схема термоизмерительного мостика

Теперь ваша схема термоизмерительного мостика готова. Можно приступать к проведению предварительной установки для запланированного анализа DC Sweep, где в качестве изменяемой переменной будет использоваться температура окружающей среды.

Шаг 23 Откройте окно Analysis Setup и активизируйте анализ DC Sweep, установив флажок рядом с соответствующей кнопкой. Затем откройте окно DC Sweep и проведите предварительную установку для анализа цепи постоянного тока, при котором в качестве изменяемой переменной будет варьироваться температура в диапазоне значений от -50 °С до 150 °С с шагом 0.1 °С (рис. 7.19).

Рис. 7.19. Окно DC Sweep с установками для проведения анализа цепи постоянного тока

Шаг 24 Завершите предварительную установку анализа щелчком по кнопке OK и запустите процесс моделирования. В первый раз перед началом моделирования схемы с новой моделью программа PSPICE сообщит вам о том, что ей придется создать новый индексный файл для библиотеки компонентов TERMOBRIDG.lib. Даже если PSPICE обозначит свое сообщение как Warning (Предупреждение), у вас нет никаких причин для беспокойства. Вы можете преспокойно закрыть окно Message Viewer (Окно просмотра сообщений). По завершении моделирования выведите на экран PROBE диаграмму напряжения в ветви вашего моста V(R3:1)-V(R4:2). В результате вы должны получить на экране PROBE такое же изображение, как на рис. 7.20.

Рис. 7.20. Диаграмма напряжения в ветви термоизмерительного мостика

Вы видите, что спроектированная вами схема термоизмерительного мостика вполне пригодна к использованию. Конечно, было бы совсем хорошо, если в результате мы имели бы абсолютную линейную зависимость между напряжением мостика и температурой окружающей среды, однако обычно такая точность не нужна. Например, для измерения температуры за пределами помещения характеристик этой рабочей схемы более чем достаточно. С заданными значениями она без проблем будет функционировать и в Арктике, и в Сахаре.

 

7.4. Сдвоенный анализ DC Sweep

По мере изучения этого раздела вы исследуете зависимость напряжения в схеме термоизмерительного мостика (см. рис. 7.13) от рабочей температуры при различных значениях температурного коэффициента ТС1, а затем представите результат этого двойного анализа в виде семейства кривых на одной общей диаграмме. Для выполнения подобных задач программа PSPICE предоставляет пользователям возможность наряду с основным анализом проводить так называемый «вложенный» (дополнительный) анализ (Nested Sweep) для еще одной изменяемой переменной.

Шаг 25 Снова загрузите на экран SCHEMATICS схему термоизмерительного мостика TERMOBRIDG.sch и откройте из окна Analysis Setup окно DC Sweep (рис. 7.21). Убедитесь, что в этом окне сохранены все ранее заданные вами установки (см. раздел 7.3 и рис. 7.19).

Рис. 7.21. Окно DC Sweep с установками для температуры в качестве изменяемого параметра

Внизу в окне DC Sweep расположена кнопка Nested Sweep…, с помощью которой вызывается окно DC Nested Sweep (Вложенный анализ цепи постоянного тока).

Шаг 26 Щелкните по кнопке Nested Sweep…, чтобы открыть окно DC Nested Sweep (рис. 7.22).

Рис. 7.22. Установки для температурного коэффициента в качестве дополнительного изменяемого параметра

Выберите в этом окне опцию Model Parameter (Модельный параметр), затем введите: в поле Model Туре (Тип модели) — Res, в поле Model Name (Название модели) — Rbreak, а в поле Parameter Name (Название параметра) — ТС1, так как температурный коэффициент ТС1 является параметром модели Rbreak, которая в свою очередь принадлежит к типу Res (Резистор).

Шаг 27 Выполните остальные установки согласно образцу на рис. 7.22. Таким образом, вы задаете линейное изменение (Sweep Туре) температурного коэффициента ТС1 от ТС1=0.0011/K до ТС1=0.0011/K. Затем активизируйте вложенный анализ Nested Sweep, установив флажок рядом с опцией Enable Nested Sweep (Разрешить вложенный анализ), и, щелкнув по кнопке Main Sweep… (Основной анализ), возвращайтесь к окну DC Sweep.

Шаг 28 Покиньте окно DC Sweep с помощью кнопки OK и вновь возвращайтесь к окну Analysis Setup. Проконтролируйте еще раз, чтобы в нем рядом с кнопкой DC Sweep был установлен флажок, и возвращайтесь обратно к редактору SCHEMATICS, щелкнув по кнопке Close.

Шаг 29 Запустите процесс моделирования и выведите на экран PROBE диаграмму, изображенную на рис. 7.23.

Рис. 7.23. Диаграмма, полученная в результате анализа схемы TERMOBRIDG.sch при изменении температуры и различных значений температурного коэффициента

 

7.5. Значение сопротивления в качестве изменяемой переменной

 

Теперь вы научитесь проводить анализ цепи постоянного тока DC Sweep, при котором в качестве изменяемой переменой будет использоваться значение сопротивления. В таких случаях значение сопротивления называется глобальным параметром (Global Parameter). При проведении анализа цепей переменного тока AC Sweep и анализа переходных процессов Transient Analysis этот термин используется, наряду со значением сопротивления, применительно еще к целому ряду других значений.

Анализ DC Sweep с использованием в качестве изменяемой переменной глобального параметра проводится несколько иначе, чем вы привыкли это делать на примере предыдущих анализов, где в качестве переменных выступали обычные параметры. Прежде вы могли выполнять всю предварительную установку для предстоящего анализа в пределах одного окна DC Sweep (иногда еще и в окне DC Nested Sweep). Для анализа DC Sweep с изменением глобального параметра, помимо вышеуказанных окон, необходимо определить изменяемые переменные еще в двух других местах. Всю эту процедуру вы изучите на примере проведения анализа последовательной цепи при изменении значения сопротивления одного из резисторов в диапазоне 0-20 кОм.

Шаг 30 Начертите схему последовательной цепи с двумя резисторами (рис. 7.24) и сохраните ее в папке Projects под именем PARAM1.sch.

Рис. 7.24. Последовательное соединение двух резисторов

Шаг 31 Двойным щелчком по значению сопротивления 10k откройте окно Set Attribute Value резистора R2. Удалите из строки значение 10k и вместо него введите для вашей переменной какое-нибудь имя (например, Rvar), которое вы должны заключить в фигурные скобки (рис. 7.25). Тем самым вы определяете R2 как параметр.

Рис. 7.25. Окно Set Attribute Value для резистора R2

Шаг 32 Закройте окно Set Attribute Value, щелкнув по кнопке OK. Отметьте, что значение резистора R2 на чертеже вашей схемы изменилось (рис. 7.26).

Рис. 7.26. Схема, где было изменено значение сопротивления резистора R 2

Шаг 33 Достаньте из библиотеки SPECIAL.slb элемент PARAM и установите его на своем рабочем листе, как показано на рис. 7.27.

Рис. 7.27. Чертеж схемы с псевдокомпонентом PARAMETERS

Шаг 34 Дважды щелкните по элементу PARAMETERS, после чего откроется окно его атрибутов (рис. 7.28). В этом окне вы должны будете еще раз зарегистрировать Rvar как параметр.

Рис. 7.28. Окно атрибутов элемента PARAMETERS с установками для регистрации Rvar как параметра

В окне атрибутов элемента PARAMETERS вам уже не нужно заключать имя Rvar в фигурные скобки. Что вы должны сделать обязательно, так это задать для вашего параметра какое-нибудь значение (здесь: 10k), потому что PSPICE позволяет регистрировать сколько угодно параметров, даже если вы потом не будете использовать их в качестве переменной для анализа. В таких случаях пусть и зарегистрированные, однако не выбранные в качестве переменной компоненты получают значение, указанное вами в окне атрибутов PARAMETERS.

Шаг 35 Закройте окно атрибутов. Теперь на вашем чертеже установлен символ PARAMETERS с указанием зарегистрированного параметра (рис. 7.29).

Рис. 7.29. Схема, для которой полностью проведена процедура регистрации R 2 как параметра

Шаг 36 Откройте окно DC Sweep. Ориентируясь на рис. 7.30, проведите необходимые настройки: в качестве изменяемого параметра будет использоваться значение сопротивления Rvar от 1 до 20 кОм с шагом в 1 Ом. Подтвердите все установки, щелкнув по кнопке OK.

Рис. 7.30. Окно DC Sweep с установками для проведения анализа цепи постоянного тока

Шаг 37 Запустите процесс моделирования и выведите на экран PROBE диаграмму напряжения на Rvar и диаграмму тока, проходящего через Rvar (рис 7.31).

Рис. 7.31. Напряжение на Rvar и ток, проходящий через Rvar

Диаграмма, изображенная на рис. 7.31, иллюстрирует то, что вам давно уже известно: когда сопротивление Rvar имеет нулевое значение, то значение тока, проходящего через Rvar, очень высоко, а напряжение на Rvar равно нулю. При очень высоких значениях Rvar ток, проходящий через Rvar, приближается к нулевому значению, а напряжение — к значению 10 В.

Разумеется, что при изменении Rvar также меняется и мощность, рассеиваемая на Rvar. Эту мощность вы сейчас графически представите.

Шаг 38 Удалите диаграммы тока и напряжения на Rvar, а также дополнительную ось координат Y (команда Plot→Delete Y Axis (Удалить ось Y)), чтобы подготовить экран PROBE для изображения диаграммы мощности. Затем откройте окно Add Traces и отправьте в строку Trace Expression произведение тока и напряжения на Rvar (рис. 7.32).

Рис. 7.32. Окно Add Traces с введенным выражением для расчета мощности, рассеиваемой на Rvar

Шаг 39 Выведите на экран диаграмму мощности, рассеиваемой на Rvar (рис. 7.33).

Рис. 7.33. Диаграмма мощности, рассеиваемой на Rvar, с ярко выраженным максимумом

Шаг 40 Активизируйте курсор PROBE, чтобы выявить точное положение максимума (рис. 7.34).

Рис. 7.34. Диаграмма зависимости мощности, рассеиваемой на Rvar, с курсором

Из теории вы знаете, что мощность достигает своего максимального значения тогда, когда значение Rvar равно значению R1. Это называется согласование по мощности. На рис. 7.34 показано, что мощность имеет максимальное значение при сопротивлении 2.2 кОм. Итак, результаты проведенного моделирования в точности подтверждают теорию.

Для того чтобы поупражняться в проведении анализа DC Sweep с использованием двух переменных, вы сейчас еще раз должны будете подтвердить на практике теоретическое положение, в соответствии с которым согласование по мощности происходит тогда, когда значения Rvar и R1 равны. В ходе предстоящего анализа в качестве основной переменной будет изменяться значение Rvar, в качестве дополнительной — значение R1.

Шаг 41 Проведите анализ DC Sweep в сочетании с анализом DC Nested Sweep. В ходе предварительной установки руководствуйтесь образцами на рис. 7.35 и 7.36. Сопротивления резисторов R1 и R2 зарегистрированы как параметры Ri и Rvar для проведения анализа DC Sweep с двумя изменяемыми переменными. Цель анализа — определить зависимость мощности, рассеиваемой на R2, от величины сопротивлений резисторов R2 и R1. По окончании моделирования выведите на экран PROBE диаграмму, изображенную на рис. 7.37.

Рис. 7.35. Чертеж схемы в редакторе SCHEMATICS

а)

б)

Рис. 7.36. Предварительная установка для проведения анализа цепи постоянного тока с основной (а) и дополнительной (б) переменными

Рис. 7.37. Диаграмма изменения мощности, рассеиваемой на Rvar; в зависимости от величины сопротивлений резисторов R 2 и R 1

Шаг 42 Поупражняйтесь в измерении максимумов семейства кривых (см. рис. 7.37) с помощью курсора и подтвердите, таким образом, еще раз, что точки максимумов соответствуют значениям Rvar=R1.

 

7.5.1. Задание на закрепление материала

Задание 7.1. Проведите для каждой из схем U_I.sch (Ri=1 кОм и Uq=10 В) и I_U.sch (Rp=1 кОм и Iq=10 мА) анализ DC Sweep, при котором в качестве дополнительной изменяемой переменной будет служить значение сопротивления нагрузки RH (от RH=1 кОм до RH=10 кОм), и тем самым окончательно докажите, что обе эти схемы действительно равнозначны, то есть что оба анализа дают одинаковые напряжения на RH. 

 

7.6. Руководство к действию

Рецепт 1 . Источник постоянного напряжения в качестве изменяемой переменной

1. Откройте окно Analysis Setup и установите флажок рядом с кнопкой DC Sweep… (см. рис. 7.2).

2. Щелкните по этой кнопке, чтобы открыть окно DC Sweep (см. рис. 7.3).

3. В окне выполните следующие настройки:

 • в списке Swept Variable Туре отметьте опцию Voltage Source;

 • в поле Name введите имя источника напряжения, значение которого выбрано в качестве изменяемой переменной (например, UB2);

 • в полях Start Value, End Value и Increment укажите интервал изменения значений и шаг (расстояние между контрольными точками);

 • в списке Sweep Туре выберите, как должны распределяться контрольные точки (если в последствии планируется линейное масштабирование оси координат X, то разумнее и контрольные точки распределять линейно, если же ось координат X будет масштабирована логарифмически, то и контрольные точки следует распределять логарифмически).

4. Закройте окно DC Sweep щелчком по кнопке OK.

5. Закройте окно Analysis Setup с помощью кнопки Close.

6. Запустите процесс моделирования (см. рецепт 1 в главе 2) и представьте полученные результаты в виде диаграммы PROBE (см. 4.3).

(См. раздел 7.1.)

Рецепт 2 . Источник постоянного тока в качестве изменяемой переменной

1. Откройте окно Analysis Setup и установите с помощью указателя мыши флажок рядом с кнопкой DC Sweep… (см. рис. 7.2).

2. Щелкните по этой кнопке (см. рис. 7.2), чтобы открыть окно DC Sweep (см. рис. 7.11).

3. В окне DC Sweep (см. рис. 7.11) выполните следующие настройки:

 • в списке Swept Variable Туре отметьте опцию Current Source;

 • в поле Name введите имя источника тока, значение которого выбрано в качестве изменяемой переменной (например, Iq);

 • в полях Start Value, End Value и Increment укажите интервал изменения значений и величину шага;

 • в списке Sweep Туре выберите, как должны распределяться контрольные точки (как правило, если в последствии планируется линейное масштабирование оси координат X, то разумнее и контрольные точки распределять линейно, если же ось координат X будет масштабирована логарифмически, то и контрольные точки следует распределять логарифмически).

4. Закройте окно DC Sweep щелчком по кнопке OK.

5. Закройте окно Analysis Setup с помощью кнопки Close.

6. Запустите процесс моделирования (см. рецепт 1 в главе 2) и представьте полученные результаты в виде диаграммы PROBE (см. раздел 4.3).

(См. раздел 7.2.)

Рецепт 3 . Температура окружающей среды в качестве изменяемой переменной

1. Откройте окно Analysis Setup и установите флажок рядом с кнопкой DC Sweep… (см. рис. 7.2).

2. Щелкните по этой кнопке, чтобы открыть окно DC Sweep (см. рис. 7.19).

3. В окне выполните следующие настройки:

 • в списке Swept Variable Туре выберите опцию Temperature;

 • в полях Start Value, End Value и Increment укажите интервал изменения значений и шаг;

 • в списке Sweep Туре выберите, как должны распределяться контрольные точки (если в последствии планируется линейное масштабирование оси координат X, то разумнее и контрольные точки распределять линейно, если же ось координат X будет масштабирована логарифмически, то и контрольные точки следует распределять логарифмически).

4. Закройте окно DC Sweep щелчком по кнопке OK.

5. Закройте окно Analysis Setup с помощью кнопки Close.

6. Запустите процесс моделирования (см. рецепт 1 в главе 2) и представьте полученные результаты в виде диаграммы PROBE (см. раздел 4.3).

(См. раздел 7.3.)

Рецепт 4. Модельный параметр в качестве изменяемой переменной

1. Откройте окно Analysis Setup и установите флажок рядом с кнопкой DC Sweep… (см. рис. 7.2).

2. Щелкните по этой кнопке, чтобы открыть окно DC Sweep (см. рис. 7.3).

3. В окне выполните следующие настройки:

 • в списке Swept Variable Туре выберите опцию Model Parameter;

 • в поле Name введите имя модельного параметра, который используется в качестве изменяемой переменной (например, ТС1);

 • в полях Start Value, End Value и Increment укажите интервал изменения значений и шаг;

 • в списке Sweep Туре выберите, как должны распределяться контрольные точки (если в последствии планируется линейное масштабирование оси координат X, то разумнее и контрольные точки распределять линейно, если же ось координат X будет масштабирована логарифмически, то и контрольные точки следует распределять логарифмически).

4. Закройте окно DC Sweep щелчком по кнопке OK.

5. Закройте окно Analysis Setup с помощью кнопки Close.

6. Запустите процесс моделирования (см. рецепт 1 в главе 2) и представьте полученные результаты в виде диаграммы PROBE (см. раздел 4.3).

(См. раздел 7.4.)

Рецепт 5. Сопротивление резистора (глобальный параметр) в качестве изменяемой переменной

1. Определите, значение какого резистора вы хотите изменять в ходе анализа. Дважды щелкните по текущему значению выбранного резистора, чтобы открыть окно Set Attribute Value (см. рис. 7.25).

2. Удалите из строки ввода текущее значение, введите вместо него какое-нибудь имя (например, Rvar) и заключите его в фигурные скобки (см. рис. 7.25).

3. Достаньте из библиотеки SPECIAL.slb элемент PARAM и установите его на своем рабочем листе (см. рис. 7.27).

4. Дважды щелкните по элементу PARAM, чтобы открыть окно его атрибутов (см. рис. 7.28).

5. Щелкните по строке Name 1 (Имя 1), чтобы отправить ее в верхнее поле Name. В поле Value введите имя, которое вы присвоили значению выбранного резистора в п. 2 (см. рис. 7.28). Подтвердите ввод щелчком по кнопке Save Attr.

6. Щелкните по строке Value 1 (Значение 1), чтобы отправить ее в верхнее поле Name. В поле Value введите значение сопротивления (например, 10k), которое PSPICE будет рассматривать как значение сопротивления данного резистора в том случае, если вы все же не активизируете его в качестве изменяемой переменной. Подтвердите ввод щелчком по кнопке Save Attr.

7. Закройте окно атрибутов элемента PARAM с помощью кнопки OK. Теперь на вашем чертеже появились имя и значение зарегистрированного параметра (см. рис. 7.29).

8. Откройте окно Analysis Setup и установите флажок рядом с кнопкой DC Sweep… (см. рис. 7.2).

9. Щелкните по этой кнопке, чтобы открыть окно DC Sweep (см. рис. 7.30).

10. В окне выполните следующие настройки:

 • в списке Swept Variable Туре выберите опцию Global Parameter (так в программе PSPICE называются значения сопротивления, емкости и т.п.);

 • в поле Name введите имя глобального параметра, который будет использоваться в качестве изменяемой переменной (например, Rvar);

 • в полях Start Value, End Value и Increment укажите интервал изменения значений и шаг;

 • в списке Sweep Туре выберите, как должны распределяться контрольные точки (если в последствии планируется линейное масштабирование оси координат X, то разумнее и контрольные точки распределять линейно, если же ось координат X будет масштабирована логарифмически, то и контрольные точки следует распределять логарифмически).

11. Закройте окно DC Sweep щелчком по кнопке OK.

12. Закройте окно Analysis Setup с помощью кнопки Close.

13. Запустите процесс моделирования (см. рецепт 1 в главе 2) и представьте полученные результаты в виде диаграммы PROBE (см. раздел 4.3).

(См. раздел 7.5.)

Рецепт 6. Провести сдвоенный анализ DC Sweep (с двумя изменяемыми переменными)

1. Проведите в окне DC Sweep предварительную установку основного анализа, следуя указаниям рецептов 1-5. Значения изменяемой переменной, выбранной для основного анализа, по окончании моделирования образуют на диаграмме PROBE ось координат X.

2. Щелкните по кнопке Nested Sweep…. Откроется окно DC Nested Sweep (см. рис. 7.22).

3. В окне выполните следующие настройки:

 • в списке Swept Variable Туре выберите изменяемую переменную, которая будет использоваться в качестве дополнительной (например, Temperature);

 • в списке Sweep Туре отметьте, как должны распределяться контрольные точки второстепенной переменной (при проведении вложенного анализа рациональнее выбрать линейное распределение контрольных точек или опцию Value List (Список значений), что позволит указать отдельные интересующие вас значения).

 • в полях Start Value, End Value и Increment укажите интервал изменения и шаг приращения значений дополнительной переменной. Если в списке Sweep Туре была выбрана опция Value List, то поле ввода Values в правой части окна автоматически становится активным, чтобы можно было ввести в него отдельные значения, которые должна принимать в ходе анализа выбранная переменная;

4. Активизируйте опцию вложенного анализа Nested Sweep, установив флажок рядом с ней (см. рис. 7.22).

5. Закройте окно DC Nested Sweep, щелкнув по кнопке OK.

6. Закройте окно Analysis Setup с помощью кнопки Close.

7. Запустите процесс моделирования (см. рецепт 1 в главе 2) и представьте полученные результаты в виде диаграммы PROBE (см. раздел 4.3).

(См. раздел 7.4.)

Рецепт 7. Приготовить спагетти под соусом Pesto alla Genovese

1. Положите в ступку 40 листьев базилика и 20 слегка обжаренных семян из шишек пинии.

2. В зависимости от дальнейших планов на день добавьте к содержимому ступки от 3 до 13 мелко порезанных зубчиков чеснока.

3. Все хорошо перетолките. Добавьте две столовые ложки тертого пармезанского сыра, немного посолите и перемешайте.

4. Выложите в миску полученную смесь и смешайте ее со стаканом нежнейшего оливкового масла.

5. Положите спагетти в кипящую, слегка подсоленную воду. Незадолго перед готовностью добавьте в соус Pesto три столовые ложки горячей воды, в которой варятся спагетти, и размешайте.

6. Слейте воду из кастрюли, в которой варились спагетти, и смешайте их с соусом Pesto.

7. Блюдо подавайте на стол горячим!

Рецепт 8 . Моделирование температурных характеристик резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности

Программа PSPICE позволяет изменять имитационные модели резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности таким образом, чтобы эти компоненты становились зависимыми от температуры. Для этого используются линейный (ТС1) и квадратичный (TC2) температурные коэффициенты. И тогда при заданной температуре компонента программа PSPICE вычисляет значение сопротивления по формуле

Rтепл = Rхол * (1 + TC1 * Δν + TC2 * Δν²),

где Δν — отклонение реальной температуры схемы νнаст от стандартной температуры измерения, равной по умолчанию 27 °С.

Аналогичные формулы используются и для расчета емкостей и индуктивностей.

Для того чтобы задать резистору линейную температурную характеристику, выполните следующие действия:

1. Замените в своей схеме, предварительно сохранив ее и присвоив таким образом какое-нибудь имя, все резисторы, которые должны зависеть от температуры, на резисторы типа Rbreak, находящиеся в библиотеке BREAKOUT.slb.

2. Щелкните по одному из резисторов типа Rbreak, после чего он будет выделен красным цветом.

3. Откройте в редакторе SCHEMATICS меню Edit.

4. Щелкните по строке Model… и откройте окно Edit Model (см. рис. 7.14).

5. Щелкните по кнопке Edit Instance Model (Text)…, чтобы открыть окно Model Editor (см. рис. 7.15).

6. Добавьте в редакторе моделей строку, в которой рядом с TC1 будет указан нужный вам температурный коэффициент (например, TC1=0.0067) — см. рис. 7.16.

7. Закройте редактор моделей, щелкнув по кнопке OK.

8. Откройте окно атрибутов каждого из резисторов типа Rbreak (двойной щелчок мышью по схемному обозначению) и отредактируйте установленные для них по умолчанию значения сопротивлений при стандартной температуре измерения 27 °С.

Теперь все резисторы типа Rbreak, установленные в вашей схеме, имеют необходимую температурную характеристику. Если вы соберетесь чертить новую схему и захотите установить в ней резистор типа Rbreak, то он снова не будет иметь никакого температурного коэффициента, то есть, чтобы сделать его зависимым от температуры, вам потребуется опять повторить всю вышеуказанную процедуру.

 

Параметрический анализ (Parametric Sweep) расширит круг ваших возможностей по изображению семейств кривых. Вы уже научились, проводя анализ цепи постоянного тока, использовать наряду с основной переменной еще одну, дополнительную, и таким образом создавать семейства кривых. С помощью параметрического анализа вы сможете выводить на экран PROBE диаграммы семейств кривых не только для анализа цепи постоянного тока (DC Sweep), но и для анализа цепи переменного тока (AC Sweep), и для анализа переходных процессов (Transient Analysis). Навыки, приобретенные вами в проведении анализа DC Sweep одновременно с вложенным анализом Nested Sweep, помогут вам без особых трудностей овладеть и параметрическим анализом. Принципы проведения сдвоенного анализа DC Sweep и параметрического анализа практически одинаковы.

Параметрический анализ, как и вложенный, всегда используется в качестве дополнения к основному анализу (Main Sweep). То есть фактически это то же самое, с чем вы уже познакомились при изучении анализа DC Sweep. Термин «параметрический» взят из математики, где изменяемые переменные семейств кривых называются параметрами.

 

8.1. Параметрический анализ как дополнительный к анализу DC Sweep

 

У того, кто хорошо разбирается в анализе DC Sweep, возникает естественный вопрос, каково различие между сдвоенным анализом DC Sweep, знакомым вам по уроку 7, и анализом DC Sweep в сочетании с параметрическим, который является предметом рассмотрения в данном разделе. Отвечаем: разница между двумя этими анализами минимальная. Чтобы оценить, насколько минимально это различие, вы сейчас с помощью анализа DC Sweep + Parametric Sweep опишете характеристики схемы термоизмерительного мостика (см. рис. 7.18), для которой уже выполняли сдвоенный анализ DC Sweep (см. раздел 7.4 и рис. 7.23). И вы увидите, что диаграммы PROBE, полученные в результате двух этих анализов, не отличаются друг от друга.

Шаг 1 Откройте схему термоизмерительного мостика TERMOBRIDG.sch, которую вы поместили в папку Projects (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Схема термоизмерительного мостика

Шаг 2 Выполните такую же предварительную установку, которую вы использовали в разделе 7.4 для глобальной переменной, то есть задайте, что в качестве основной изменяемой переменной будет служить температура (от -50 °С до 150 °С с интервалами в 0.1 °С) — см. рис. 8.2.

Рис. 8.2. Окно DC Sweep с установками для изменения температуры

Шаг 3 Щелкните в окне DC Sweep по кнопке Nested Sweep…. Откроется окно DC Nested Sweep. Снимите флажок рядом с опцией Enable Nested Sweep, чтобы деактивизировать вложенный анализ Nested Sweep, так как при одновременном использовании вложенный и параметрический анализы конфликтуют друг с другом. 

Шаг 4 Возвращайтесь к окну DC Sweep, щелкнув по кнопке Main Sweep…. Подтвердите предварительную установку для основной переменной с помощью кнопки OK. Окно DC Sweep закроется, и вы вернетесь опять к окну Analysis Setup (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Окно Analysis Setup с выставленными флажками

Шаг 5 Убедитесь, что в окне Analysis Setup рядом с кнопкой DC Sweep… установлен флажок.

Шаг 6 А теперь установите флажок еще и рядом с кнопкой Parametric… (Параметрический анализ) — см. рис. 8.3.

Шаг 7 Щелкните по кнопке Parametric…. Откроется одноименное окно (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Окно Parametric

Как видите, окно Parametric трудно отличить от окон DC Sweep (см. рис. 8.2) и DC Nested Sweep (см. рис. 7.22).

Шаг 8 Выполните в окне Parametric все необходимые настройки, руководствуясь образцом на рис. 8.4, то есть используйте такую же предварительную установку, которую вы в свое время проводили в окне DC Nested Sweep. Подтвердите свой выбор с помощью кнопки OK и запустите процесс моделирования.

После того как программа завершит свои расчеты, за ходом которых вы можете наблюдать в окне PSPICE, на экране откроется окно Available Sections (Доступные секции). Здесь находится список кривых для всех значений вашего параметра (в данном случае, температурного коэффициента) — см. рис. 8.5.

Рис. 8.5. Окно Available Sections

Вы можете выбрать те кривые, которые программе PROBE следует отобразить на диаграмме, щелкая по ним мышью (они будут выделены синим цветом). Если вы оставляете это окно в том же виде, в каком оно было открыто, то тогда все кривые окажутся выделенными и, значит, выбранными для изображения в PROBE. Возможность выбирать отдельные кривые как раз и составляет единственное отличие между анализами DC Sweep + Parametric Sweep и DC Sweep + Nested Sweep. При подключении вложенного анализа DC Nested Sweep вы не можете отбирать отдельные кривые для отображения в PROBE.

Шаг 9 Выберите в окне Available Sections все кривые для отображения и щелкните по кнопке OK. Откроется пока еще пустое окно PROBE.

Откройте список диаграмм (команда Trace Add) и выведите на экран диаграмму напряжения в ветви моста (рис. 8.6), где будет показано семейство кривых для различных значений температурного коэффициента TC1.

Рис. 8.6. Диаграмма температурной зависимости напряжения в мостовой ветви термоизмерительного мостика

Эта диаграмма уже знакома вам по рис. 7.23. С помощью параметрического анализа вы получили тот же результат, что и при использовании вложенного анализа DC Nested Sweep.

 

8.1.1. Упражнение по проведению параметрического анализа

Шаг 10 Воспроизведите диаграмму, изображенную на рис. 7.31, с помощью параметрического анализа.

 

8.2. Сопротивление в качестве параметра

При изучении урока 5 вам пришлось изрядно потрудиться, чтобы, «вручную» изменяя значение R в RC-фильтре нижних частот, получить диаграмму, изображенную на рис. 5.18. С помощью параметрического анализа вы сможете сделать это гораздо быстрее и проще.

Вы снова будете создавать диаграмму семейства кривых для схемы RC-фильтра нижних частот. Однако полученная с помощью анализа AC Sweep + Parametric Sweep диаграмма будет намного лучше описывать зависимость частотной характеристики от значения сопротивления R, чем диаграмма, которую вы видели на рис. 5.18.

Шаг 11 Загрузите на экран SCHEMATICS схему RC-фильтра нижних частот, которую вы спроектировали при изучении урока 5 и сохранили в папке Projects под именем RC_AC.sch (рис. 8.7). Здесь R=100 Ом и С=2 мкФ, а в качестве источника напряжения использован источник типа VSIN.

Рис. 8.7. RC-фильтр нижних частот

Шаг 12 Установите, если это не было сделано ранее, источник напряжения на АС=1 V и вызовите индикацию данного атрибута на свой чертеж. Помните о том, что атрибуты, необходимые для анализа переходных процессов (FREQ, VOFF, VAMPL, TD, TF, PHASE), также нельзя оставлять без конкретных значений, хотя они и абсолютно не нужны для анализа AC Sweep.

Шаг 13 Зарегистрируйте сопротивление R как параметр с именем R_pass и внесите, таким образом, в свой чертеж изменения, показанные на рис. 8.8.

Рис. 8.8. Схема RC-фильтра нижних частот, где значение сопротивления зарегистрировано как параметр

Шаг 14 Сохраните измененную схему в папке Projects под именем RC_AC_P1.

Шаг 15 Проведите предварительную установку для основного анализа AC Sweep, в ходе которого будет исследована частотная характеристика фильтра нижних частот с переменным напряжением АС=1 В в диапазоне от f=10 Гц до f=1 МГц с логарифмическим распределением контрольных точек по 100 точек на каждую декаду (рис. 8.9).

Рис. 8.9. Установки для основной переменной

Закройте окно AC Sweep and Noise Analysis, щелкнув по кнопке OK, и активизируйте в окне Analysis Setup, в дополнение к анализу AC Sweep, параметрический анализ, установив флажок рядом с кнопкой Parametric… (рис. 8.10).

Рис. 8.10. Окно Analysis Setup с выставленными флажками AC Sweep… и Parametric…

Шаг 16 Щелкните по кнопке Parametric… и откройте окно Parametric. Проведите здесь предварительную установку для дополнительной переменной R_pass (то есть для значения сопротивления R, зарегистрированного вами как параметр), которая в ходе анализа будет изменяться в диапазоне значений от 100 Ом до 1 кОм с интервалами в 100 Ом (рис. 8.11).

Рис 8.11. Окно Parametric с установками для изменения значения сопротивления R_pass

Шаг 17 Закройте окно Parametric щелчком по кнопке OK. Затем закройте окно Analysis Setup с помощью кнопки Close и запустите процесс моделирования. По окончании выведите на экран PROBE семейство кривых напряжения на конденсаторе при изменении сопротивления R_pass (рис. 8.12).

Рис 8.12. Частотная характеристика фильтра нижних частот с сопротивлением R_pass в качестве параметра

Шаг 18 На рис. 8.13 показано, как будет выглядеть эта диаграмма при логарифмическом масштабировании оси координат Y.

Рис. 8.13. Частотная характеристика RC-фильтра нижних частот при логарифмическом масштабировании оси координат Y

 

8.3. Амплитуда напряжения в качестве параметра

 

Еще раз внимательно посмотрите на окно Parametric, изображенное на рис. 8.11. Вверху слева вы видите список возможных изменяемых переменных для дополнительного анализа. К сожалению, этот список составлен не вполне корректно. Опции Voltage Source и Current Source могут быть выбраны только при проведении анализа цепи постоянного тока DC Sweep + Parametric Sweep, они недоступны ни для анализа AC Sweep + Parametric Sweep, ни для анализа переходных процессов. Источники переменного напряжения не поддаются описанию с помощью одной единственной переменной, ведь тогда PSPICE не «знала» бы, что следует подразумевать под переменной Voltage Source: частоту, амплитуду, положение по фазе? Конечно, вы можете выбрать в качестве дополнительной переменной амплитуду источника переменного напряжения, но тогда вы должны определить ее как Global Parameter.

В качестве небольшого примера, который поможет вам разобраться во всех этих взаимосвязях, исследуем частотную характеристику RC-фильтра нижних частот для различных значений входного напряжения. Амплитуду входного напряжения определим как параметр для анализа AC Sweep + Parametric Sweep.

Шаг 19 Загрузите на экран SCHEMATICS схему RC.sch и, руководствуясь образцом на рис. 8.14, внесите в нее необходимые изменения. Таким образом вы подготовите ее к анализу AC Sweep + Parametric Sweep, для которого амплитуда источника напряжения будет определена как параметр с именем Amplit. На тот случай, если вы все же не будете проводить параметрический анализ значения Amplit, хотя и определили его как параметр, нужно установить для него атрибут AC=1V. Сохраните измененную схему в папке Projects под именем RC_AC_P2.sch (рис. 8.14).

Рис. 8.14. RC-фильтр нижних частот, для которого амплитуда источника напряжения U 1 определена как параметр

Шаг 20 Проведите в окне AC Sweep and Noise Analysis предварительную установку для основного анализа AC Sweep, в ходе которого будет исследована частотная характеристика фильтра нижних частот в диапазоне от f=10 Гц до f=999 кГц с логарифмическим распределением контрольных точек по 100 точек на каждую декаду (рис. 8.15).

Рис. 8.15. Предварительная установка для основной переменной анализа AC Sweep + Parametric Sweep

Шаг 21 Откройте окно Parametric и выполните в нем необходимые настройки для изменения амплитуды (поле Amplit) как глобального параметра (опция Global Parameter) — см. рис. 8.16.

Рис. 8.16. Установки для параметрического изменения амплитуды источника напряжения U 1

Убедитесь, что в окне Analysis Setup рядом с кнопками AC Sweep… и Parametric… установлены флажки (см. рис. 8.10), запустите процесс моделирования и выведите на экран PROBE диаграмму, которая должна совпасть с рис. 8.17.

Рис. 8.17. Частотная характеристика RC-фильтра нижних частот с амплитудой входного напряжения в качестве параметра

 

8.3.1. Упражнения по анализу частотных характеристик

 Загрузите на экран SCHEMATICS схему RLC_MIX1.sch, изображенную на рис. 5.19, если вы еще не удалили ее из папки Projects, либо начертите эту схему заново (рис. 8.18).

Рис. 8.18. LC_НЧ_фильтр с крутизной фронта 12 дБ на октаву

Шаг 22 С помощью анализа AC Sweep + Parametric Sweep создайте диаграмму частотной характеристики LС_НЧ_фильтр с сопротивлением резистора R1 в качестве параметра (рис. 8.19). При этом варьируйте значение омического сопротивления динамика R1 от 4 Ом до 12 Ом с интервалами в 1 Ом.

Рис. 8.19. Частотная характеристика LC_НЧ_фильтр с крутизной фронта 12 дБ и сопротивлением в качестве параметра

Шаг 23 Убедитесь в том, что частотная характеристика данного фильтра является оптимальной при значении сопротивления 8 Ом.

Шаг 24 Теперь установите для данного динамика сопротивление R1=4 Ом и варьируйте значение индуктивности L1 от 0.2 мГн до 2 мГн с интервалами в 0.2 мГн. При каком значении индуктивности фильтр работает наиболее оптимально? Какова граничная частота (то есть частота, при которой напряжение динамика падает до 70% от своего максимального значения) для «оптимального» значения индуктивности?

Шаг 25 Найдите «оптимальные» значения для L и С при значении омического сопротивления динамика RL=6 Ом, если граничная частота должна быть на уровне значения 1 кГц.

 

8.4. Параметрический анализ как дополнительный к анализу переходных процессов

Анализ переходных процессов (Transient Analysis) в сочетании с параметрическим анализом (Parametric Sweep) принадлежит к числу наиболее мощных инструментов, которые имеются в программе PSPICE. Однако вы будете удивлены тем, насколько легко его применять. Знаний, приобретенных вами к этому моменту, будет вполне достаточно, чтобы без особого труда освоить и анализ Transient Analysis + Parametric Sweep.

Напоминаем, что при проведении анализа Transient Analysis + Parametric Sweep вы не можете воспользоваться опциями Voltage Source и Current Source, находящимися в списке возможных переменных в окне Parametric. Эти изменяемые переменные предназначены только для параметрического анализа цепи постоянного тока DC Sweep + Parametric Sweep. Если вы намерены изменять в ходе анализа амплитуду, фазу, время задержки распространения сигнала, длительность фронта импульса или какую-либо другую характеристику источника тока или напряжения схемы, вы должны определить эти величины как Global Parameter и затем задать их изменение.

В качестве примера того, как проводится анализ Transient Analysis в сочетании с Parametric Sweep, исследуем переходную характеристику схемы LC_НЧ_фильтр, изображенной на рис. 8.18. Это задание вы уже выполняли в уроке 5. Но теперь, с использованием новых возможностей для анализа, решить задачу будет гораздо проще.

Шаг 26 Загрузите на экран SCHEMATICS схему RLC_MIX1.sch и замените установленный в ней источник напряжения типа VSIN на генератор импульсного напряжения типа VPULSE. Установите его атрибуты, руководствуясь образцом на рис. 8.20. Сохраните измененную схему в папке Projects под именем 12dB_IMP.sch.

Рис. 8.20. LC_НЧ_фильтр с генератором импульсного напряжения типа VPULSE

Подготовьте основной анализ, то есть анализ переходных процессов, в окне Transient, как это показано на рис. 8.21.

Рис. 8.21. Предварительная установка анализа переходных процессов для исследования переходной характеристики схемы LC_НЧ_фильтр

Шаг 27 Подготовьте чертеж своей схемы к параметрическому анализу сопротивления R1 в соответствии с образцом на рис. 8.22.

Рис. 8.22. Значение нагрузочного резистора как параметр для проведения анализа Transient

Шаг 28 Руководствуясь данными на рис. 8.23, проведите в окне Parametric предварительную установку параметрического анализа дополнительной переменной (сопротивление как глобальный параметр). Задайте изменение значения RH нагрузочного резистора R, от RH=4 Ом до RH=12 Ом с интервалами в 1 Ом.

Рис. 8.23. Заданное изменение значения R H

Шаг 29 Установите в окне Analysis Setup флажки рядом с кнопками Transient… и Parametric…, как показано на рис. 8.24.

Рис. 8.24. Окно Analysis Setup с выставленными флажками Transient… и Parametric…

Шаг 30 Запустите процесс моделирования и выведите на экран PROBE диаграмму, изображенную на рис. 8.25.

Рис. 8.25. Зависимость переходной характеристики схемы НЧ_фильтр от величины сопротивления

На диаграмме отчетливо видно, что фильтр оптимально, то есть наиболее быстро, работает только при одном единственном значении RH, и без выбросов достигает своего конечного состояния. Частотная характеристика фильтра также была оптимальной при одном единственном значении нагрузочного резистора (см. рис. 8.19), а именно для RH=8 Ом. Хочется надеяться, что значение сопротивления 8 Ом также окажется оптимальным и для переходной характеристики (импульсной характеристики).

Шаг 31 Увеличьте фрагмент диаграммы, изображённой на рис. 8.25, во фронтальной области импульса и определите значение сопротивления, при котором переходная характеристика фильтра является оптимальной (рис. 8.26).

Рис. 8.26. Увеличенный фрагмент диаграммы

Увеличенный фрагмент диаграммы ясно показывает, что переходная характеристика данного фильтра является наиболее оптимальной при подключении к динамику с сопротивлением около 6 Ом. 

Шаг 32 Увеличьте аналогичным образом другой фрагмент той же диаграммы, на этот раз в области затухания импульса, и убедитесь, что процесс затухания импульса данного фильтра является оптимальным также при значении сопротивления около 6 Ом.

Как выяснилось, частотная характеристика и импульсная характеристика частотных фильтров не оптимизируются одним и тем же значением сопротивления. Таким образом, вы вплотную столкнулись с центральной проблемой, возникающей при проектировании частотных фильтров: как найти компромисс между оптимальным процессом установления и затухания импульса и оптимальным разделением частоты. Частотные фильтры, сконструированные так, что их частотная характеристика оптимизирована за счет характеристики установления и затухания импульса, называют фильтрами с характеристикой Баттерворта. Частотные фильтры, переходная характеристика которых оптимизирована за счет частотной характеристики, называют фильтрами с характеристикой Бесселя.

 

8.5. Коэффициенты в качестве глобальных параметров

 

До сих пор вы называли глобальными параметрами только значения компонентов, то есть сопротивление резисторов, индуктивность катушек и емкость конденсаторов. Однако за понятием «глобальный» кроется гораздо больше. Один и тот же глобальный параметр можно установить в нескольких местах одной схемы и затем изменять его в ходе анализа.

Рассмотрим такой способ установления глобального параметра на примере схемы фильтра нижних частот RLC_MIX1.sch, изображенной на рис. 5.19. При этом исследуем влияние уровня импеданса на характеристику частотного фильтра, то есть выясним, как изменяется частотная характеристика, если R, L и С изменяются так, чтобы активное сопротивление R изменялось с тем же коэффициентом, что реактивные сопротивления XL и ХС. Для того чтобы увеличить XL и ХС на коэффициент k, нужно индуктивность L умножить на коэффициент k, а емкость С разделить на коэффициент k.

Шаг 33 Загрузите на экран SCHEMATICS схему RLC_MIX1.sch, подготовьте ее к проведению анализа AC Sweep + Parametric Sweep с параметром k (рис. 8.27) и сохраните измененную схему в папке Projects под именем 12dB_k.sch.

Рис. 8.27. Схема, подготовленная к анализу влияния уровня импеданса на частотную характеристику

Шаг 34 Установите источник напряжения на АС=1 В и проведите в окне AC Sweep and Noise Analysis предварительную установку для основного анализа AC Sweep, в ходе которого будет исследована частотная характеристика фильтра нижних частот в диапазоне от f=10 Гц до f=99 кГц с логарифмическим распределением контрольных точек по 100 точек на каждую декаду.

Шаг 35 Откройте окно Parametric и задайте изменение коэффициента k как глобального параметра. При этом варьируйте k от k=0.4 до k=2 с интервалами в 0.2.

Шаг 36 Установите в окне Analysis Setup флажки рядом с кнопками AC Sweep… и Parametric….

Шаг 37 Запустите процесс моделирования и выведите на экран PROBE диаграмму, показанную на рис. 8.28.

Рис. 8.28. Диаграмма с результатами моделирования схемы фильтра нижних частот при различных уровнях импеданса

Результат просто ошеломляющий. Выясняется, что при изменении уровня импеданса частотного фильтра, то есть если активные и реактивные сопротивления частотного фильтра изменяются на один и тот же коэффициент, частотная характеристика фильтра остается неизменной.

Выполнив задание 1, вы сможете установить, что и переходная характеристика частотного фильтра также не претерпевает никаких изменений, если изменять уровень полного сопротивления. 

 

8.5.1. Задание на закрепление материала

Задание 8.1. Проведите для схемы фильтра нижних частот с крутизной фронта 12 дБ, изображенной на рис. 8.22, анализ Transient Analysis + Parametric Sweep, чтобы исследовать ее переходную характеристику при различных уровнях импеданса.

Для этого выполните в окне Transient… такую же предварительную установку основного анализа, как на рис. 8.21. В качестве дополнительной переменной выберите параметр k, задав его в соответствии с образцом на рис. 8.27, чтобы уровень полного сопротивления фильтра оставался одинаковым при любых значениях k.

1. Выведите на экран PROBE диаграмму, изображенную на рис. 8.29.

Рис. 8.29. Переходная характеристика фильтра нижних частот с крутизной фронта 12 дБ при различных уровнях импеданса

2. Варьируя значение R, оптимизируйте фильтр таким образом, чтобы добиться оптимальной переходной характеристики для всех уровней импеданса. 

 

8.6. Руководство к действию 

Рецепт 1. Провести параметрический анализ

1. Проведите предварительную установку основного анализа. Выберите в качестве изменяемой переменной одну из следующих величин:

 • для анализа DC Sweep:

  - источник напряжения;

  - источник тока;

  - модельный параметр;

  - глобальный параметр;

  - температуру;

(см. рецепты 1-5 в главе 7)

 • для анализа AC Sweep:

  - частоту;

(см. рецепт 1 в главе 5)

 • для анализа переходных процессов:

  - время.

(см. рецепт 1 в главе 4).

2. Определите значение, предусмотренное в качестве дополнительной переменной, как параметр в двух местах на чертеже своей схемы:

 • дважды щелкните по текущему значению выбранной величины, чтобы открыть окно Set Attribute Value. Присвойте этому параметру имя и заключите его в фигурные скобки (например, замените значение сопротивления 100 Ом именем {R_Tiefpass} — см. рис. 8.8);

 • достаньте из библиотеки SPECIAL.slb компонент PARAM и установите его на своем рабочем листе. Дважды щелкните по элементу, чтобы открыть окно его атрибутов. Введите для атрибута Name 1 присвоенное параметру имя, например R_Tiefpass (на этот раз без фигурных скобок). Для атрибута Value 1 укажите определенное значение, например 100, которое будет использоваться программой в том случае, если при моделировании данный параметр (Name 1, Value 1) не будет выбран вами в качестве изменяемой переменной, так как вы решите изменять другой параметр (Name 2, Value 2) — см. рис. 8.8.

3. Выведите на экран окно Analysis Setup. Щелкните по кнопке Parametric…, чтобы открыть окно Parametric (см. рис. 8.11).

4. Выполните в этом окне необходимые настройки (см. рис. 8.11), затем щелкните по кнопке OK.

5. В появившемся окне Analysis Setup установите флажок как рядом с кнопкой основного анализа (например, DC Sweep…), так и рядом с кнопкой дополнительного анализа (кнопка Parametric…), чтобы выполнялись оба этих анализа.

6. Закройте окно Analysis Setup, щелкнув по кнопке Close.

7. Запустите процесс моделирования.

8. После завершения моделирования выберите в окне Available Sections (см рис. 8.5) необходимые кривые (как правило, для отображения требуются все имеющиеся в наличии кривые, в таком случае можно, ничего не меняя в содержании этого окна, просто щелкнуть по кнопке OK).

9. Откройте список диаграмм (команда Trace→Add), выберите необходимы для отображения величины и выведите их на экран PROBE.

(См. раздел 8.2.)

 

9.1. Анализ Фурье

 

Программа PSPICE может также проводить анализы Фурье (спектральные анализы) и определять с их помощью частотные спектры заданных сигналов. В следующем разделе мы рассмотрим это на примере двух сигналов: сначала с прямоугольным симметричным переменным напряжением частотой f=1 кГц и затем с выходным напряжением транзисторного усилителя.

 

9.1.1. Частотный спектр прямоугольного напряжения

Шаг 1 Начертите, используя источник напряжения типа VPULSE, схему для выработки прямоугольного напряжения, изображенную на рис. 9.1. Сохраните эту схему в папке Projects под именем FOURIER1.sch и запустите процесс ее моделирования, задав такие же параметры анализа переходных процессов, как показано на рис. 9.2.

Рис. 9.1. Электросхема для выработки прямоугольного переменного напряжения

Рис. 9.2. Окно Transient с предварительными установками для анализа

Шаг 2 По окончании моделирования выведите на экран PROBE диаграмму, изображенную на рис. 9.3.

Рис. 9.3. Пятнадцать периодов прямоугольного переменного напряжения с частотой f=1 кГц

Вы можете прямо из программы PROBE запустить анализ Фурье для любой изображенной на ее экране временной функции. При выполнении анализа Фурье программа PSPICE исходит из того, что рассчитываемая при моделировании функция периодически повторяется независимо от того, какую ее часть вы в данный момент отобразили на экране PROBE. То есть вы обязательно должны следить за тем, чтобы для исследуемой функции был смоделирован или только один период, или целочисленное кратное количество периодов. В нашем случае с помощью анализа переходных процессов (см. рис. 9.3) было проведено моделирование ровно пятнадцати периодов колебания, следовательно, полученные данные без всяких ограничений подходят для корректного анализа Фурье.

Шаг 3 Запустите анализ Фурье (на низкоскоростных компьютерах его выполнение зачастую занимает много времени) с помощью кнопки .

После того как вы приведете в соответствие оси координат частоты (команда Plot→X Axis Settings), должна получиться диаграмма с результатами проведенного анализа, аналогичная той, которую вы видите на рис. 9.4.

Рис. 9.4. Спектр Фурье прямоугольного переменного напряжения с частотой f=1 кГц

Кнопка FFT позволяет не только производить запуск анализа Фурье, но и переключаться по его завершении от изображения временного диапазона к частотной области и наоборот.

Шаг 4 Щелкните несколько раз по кнопке FFT, чтобы понять, как можно с ее помощью переходить от одной диаграммы к другой.

Порой вычисления, которые проводит PSPICE в ходе анализа Фурье, длятся так долго, что у пользователя появляется достаточно времени, чтобы предаться мечтам о более быстром процессоре. И это несмотря на то, что в настоящее время PSPICE для выполнения таких расчетов использует алгоритм Fast Fourier Transformation (FFT), то есть алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ). А ведь еще десять лет назад, во времена 286-ых процессоров с тактовой частотой 12 МГц, проведение подобных анализов было доступно только тем электронщикам, которые имели доступ к супердорогим ЭВМ.

Для того чтобы ускорить расчеты, можно, конечно, провести анализ Фурье в уменьшенном временном интервале. Теоретически, для выполнения анализа Фурье достаточно и одного единственного периода колебаний. На рис. 9.5 представлен результат анализа уже исследованного вами прямоугольного переменного напряжения (был использован временной интервал всего одного периода — проведено моделирование от 0 до 1 мс). Рассчитанные PSPICE контрольные точки распределены с интервалом в 1/1 мс=1 кГц. На диаграмме, изображенной на рис. 9.4, расстояние между контрольными точками анализа составляет примерно 1/(15×1 мс)=66.6 Гц.

Рис. 9.5. Результат Фурье-анализа схемы, изображенной на рис. 9.1

По вашему желанию программа PSPICE может представить данные анализа Фурье и в табличной форме, записав их в выходной файл. Однако тогда вам необходимо заранее (еще при проведении предварительной установки анализа переходных процессов) выставить флажок рядом с опцией Enable Fourier (Разрешить анализ Фурье). Установки, показанные на рис. 9.6, предполагают, что будет произведен расчет данных двадцати высших гармоник напряжения на резисторе V(R1:2), а результаты станут отображаться в выходном файле в табличной форме.

Рис. 9.6. Окно Transient с установками для отображения результатов анализа в табличной форме

Шаг 5 Проведите предварительную установку анализа переходных процессов по образцу на рис. 9.6 и запустите процесс моделирования схемы. По завершении моделирования откройте выходной файл и найдите в нем результаты спектрального анализа:

FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE

V($N_0001)

DC COMPONENT = -9.900990E-03

HARMONIC FREQUENCY FOURIER    NORMALIZED PHASE       NORMALIZED

NO       (HZ)      COMPONENT  COMPONENT  (DEG)       PHASE (DEG)

1        1.000E+03 1.273E+00  1.000E+00 -8.911E-01   0.000E+00

2        2.000E+03 1.981E-02  1.556E-02 -9.178E+01  -9.089E+01

3        3.000Е+03 4.246Е-01  3.334Е-01 -2.673Е+00  -1.782Е+00

4        4.000Е+03 1.984Е-02  1.558Е-02 -9.356Е+01  -9.267Е+01

5        5.000Е+03 2.549Е-01  2.002Е-01 -4.455Е+00  -3.564Е+00

6        6.000Е+03 1.989Е-02  1.562Е-02 -9.535Е+01  -9.446Е+01

7        7.000Е+03 1.823Е-01  1.431Е-01 -6.238Е+00  -5.347Е+00

8        8.000Е+03 1.996Е-02  1.567Е-02 -9.713Е+01  -9.624Е+01

9        9.000Е+03 1.419Е-01  1.115Е-01 -8.020Е+00  -7.129Е+00

10       1.000Е+04 2.004Е-02  1.574Е-02 -9.891Е+01  -9.802Е+01

11       1.100Е+04 1.163Е-01  9.135Е-02 -9.802Е+00  -8.911Е+00

12       1.200Е+04 2.015Е-02  1.583Е-02 -1.007Е+02  -9.980Е+01

13       1.300Е+04 9.861Е-02  7.745Е-02 -1.158Е+01  -1.069Е+01

14       1.400Е+04 2.028Е-02  1.593Е-02 -1.025Е+02  -1.016Е+02

15       1.500Е+04 8.566Е-02  6.727Е-02 -1.337Е+01  -1.248Е+01

16       1.600Е+04 2.043Е-02  1.605Е-02 -1.043Е+02  -1.034Е+02

17       1.700Е+04 7.578Е-02  5.951Е-02 -1.515Е+01  -1.426Е+01

18       1.800Е+04 2.060Е-02  1.618Е-02 -1.060Е+02  -1.051Е+02

19       1.900Е+04 6.800Е-02  5.340Е-02 -1.693Е+01  -1.604Е+01

20       2.000Е+04 2.080Е-02  1.634Е-02 -1.078Е+02  -1.069Е+02

TOTAL HARMONIC DISTORTION = 4.603781Е+01 PERCENT

JOB CONCLUDED

TOTAL JOB TIME 2.31

Если вы активизируете анализ Фурье в окне Transient, то программа PSPICE автоматически берет за основу для проведения спектрального анализа последний из смоделированных периодов. В этом случае вам уже не приходится самому выбирать для анализа переходных процессов целое число импульсов.

Согласно теории, преобразование Фурье прямоугольного напряжения с амплитудой 1 В вычисляется по формуле:

Сравнив результаты анализа Фурье, представленные выше, с полученными путем теоретических расчетов, вы сможете убедиться, что они практически одинаковы.

 

9.1.2. Частотный спектр выходного напряжения

Частотный спектр прямоугольного напряжения прекрасно известен в электротехнике, и, чтобы его определить, вовсе не требуется прибегать к помощи PSPICE. Использовать удивительные возможности опции Fourier Analysis имеет смысл только тогда, когда требуется установить частотный спектр напряжения, характеристика которого не описывается одним законченным математическим выражением, например спектр (искаженного) выходного напряжения усилительного каскада.

Мерой искажений напряжения является коэффициент гармоник. Он определяется как соотношение действующего значения высших гармоник напряжения к действующему значению собственно напряжения. Анализ Фурье позволяет рассчитать коэффициент гармоник усилителя. В следующем разделе мы выявим коэффициент гармоник усилительного каскада.

Шаг 6 Начертите в редакторе SCHEMATICS усилительный каскад, изображенный на рис. 9.7, используя в нем источник напряжения типа VSIN. Сохраните свой чертеж в папке Projects под именем FOURIER2.sch. Проведите моделирование этой схемы во временном интервале при f=1 кГц, чтобы рассмотреть пятнадцать периодов повторения синусоиды, и выведите на экран PROBE диаграмму, представленную на рис. 9.8.

Рис. 9.7. Транзисторный усилитель в схеме с общим эмиттером

Рис. 9.8. Выходное напряжение транзисторного усилителя

После пяти периодов процесс установления импульса завершается. Однако даже невооруженным глазом видно, что верхняя полуволна шире, чем нижняя. Выходное напряжение искажено: усилитель «дребезжит».

Шаг 7 Ограничьте область используемых данных до стационарного состояния, то есть до временного интервала от 5 до 15 мс (последовательность команд Plot→X Axis Settings→Restricted→5ms–15ms) и создайте диаграмму частотного спектра, изображенную на рис. 9.9.

Рис. 9.9. Частотный спектр выходного напряжения схемы с общим эмиттером

На диаграмме вы видите, что только первая верхняя гармоника приводит к искажению выходного напряжения. С помощью курсора PROBE вы можете измерить амплитуду основной гармоники и первой верхней гармоники и вычислить таким образом их действующие значения. Все это можно сделать гораздо проще, если перед моделированием в ходе предварительной установки анализа переходных процессов потребовать, чтобы программа PSPICE дополнительно провела анализ Фурье. И тогда вы без всякого труда сможете получить необходимые значения амплитуды из выходного файла:

DC COMPONENT = -2.698580Е-05

HARMONIC FREQUENCY FOURIER   NORMALIZED PHASE      NORMALIZED

NO       (HZ)      COMPONENT COMPONENT  (DEG)      PHASE (DEG)

1        1.000Е+03 1.048E+00 1.000E+00 -1.646E+02  0.000E+00

2        2.000E+03 7.991E-02 7.621E-02  1.179E+02  2.825E+02

3        3.000E+03 3.187E-03 3.040E-03  5.325E+01  1.179E+02

4        4.000E+03 8.811E-05 8.404E-05  4.517E+01  2.098E+02

5        5.000E+03 5.822E-06 5.552E-06  4.206E+01  2.067E+02

6        6.000Е+03 1.132Е-06 1.080Е-06 -1.719Е+02 -7.339Е+00

7        7.000Е+03 7.756Е-07 7.398Е-07  3.489Е+01  1.995Е+02

8        8.000Е+03 4.743Е-07 4.524Е-07 -7.568Е+01  8.893Е+01

9        9.000Е+03 2.368Е-06 2.259Е-06 -1.450Е+02  1.959Е+01

10       1.000Е+04 1.725Е-06 1.645Е-06  1.691Е+02  3.337Е+02

TOTAL HARMONIC DISTORTION = 7.627497Е+00 PERCENT

В выходном файле вы найдете уже рассчитанное значение общего гармонического искажения (Total Harmonic Distortion). Общее гармоническое искажение — мало употребительная в Европе величина для измерения искажения. Она определяется как отношение действующего значения всех высших гармоник к действующему значению основной гармоники. Пока гармоническое искажение, как во всех хоть сколько-нибудь пригодных усилительных схемах, меньше 10%, коэффициент гармоник и «общее гармоническое искажение» численно почти равны.

Итак, схема с общим эмиттером, изображенная на рис. 9.7, имеет коэффициент гармоник приблизительно 7.6%. Такое сильное искажение звука не пожелаешь даже уху своего злейшего врага. Средство борьбы против искажений, которое электронщики применяют в подобных случаях, называется отрицательная обратная связь (ООС). Если в схеме с общим эмиттером для отрицательной обратной связи (по переменному току) установить эмиттерный резистор (рис. 9.10), то искажения значительно уменьшатся (рис. 9.11, 9.12), хотя при этом уменьшится и коэффициент усиления.

Рис. 9.10. Схема с общим эмиттером, в которой для уменьшения искажений установлена отрицательная обратная связь

Рис. 9.11. Выходное напряжение схемы с общим эмиттером с отрицательной обратной связью

Рис. 9.12. Частотный спектр схемы с общим эмиттером с отрицательной обратной связью

Благодаря установлению отрицательной обратной связи коэффициент искажения уменьшается до 1%, что подтверждается данными выходного файла:

FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE V($N_0004)

DC COMPONENT = -3.520974E-05

HARMONIC FREQUENCY FOURIER   NORMALIZED PHASE      NORMALIZED

NO       (HZ)      COMPONENT COMPONENT  (DEG)      PHASE (DEG)

1        1.000E+03 1.482E-00 1.000E+00 -1.702E+02  0.000E+00

2        2.000E+03 1.534E-03 1.035E-02  1.032E+02  2.735E+02

3        3.000E+03 3.412E-05 2.302E-04 -1.634E+02  6.824E+00

4        4.000E+03 1.288E-06 8.691E-06 -1.536E+02  1.665E+01

5        5.000E+03 1.371E-06 9.254E-06  1.649E+02  3.352E+02

6        6.000E+03 8.473E-07 5.718E-06 -1.710E+02 -7.219E-01

7        7.000E+03 5.626E-07 3.797E-06  1.748E+02  3.450E+02

8        8.000E+03 5.465E-07 3.688E-06 -1.613E+02  8.972E+00

9        9.000E+03 8.091E-07 5.460E-06 -1.717E+02 -1.479E+00

10       1.000E+04 5.062E-07 3.416E-06 -1.701E+02  1.594E-01

TOTAL HARMONIC DISTORTION = 1.035459E+00 PERCENT

 

9.2. Шумы

Статистические процессы в полупроводниках и резисторах приводят к возникновению мельчайших напряжений, которые принято называть шумами. Когда шумовые напряжения появляются в усилительных схемах, то, естественно, они тоже усиливаются и могут стать настолько значительными, что, попадая, к примеру, в динамики музыкальной установки, «режут» нам слух. Поэтому одним из наиболее важных критериев качества усилителя является величина отношения полезного сигнала к шумовому сигналу на выходе усилителя. Такое отношение (рассчитываемое логарифмически) обозначают как отношение сигнал/шум. В программе PSPICE анализ шумов называется Noise Analysis и является составной частью анализа AC Sweep.

Чтобы понять, как проводится анализ шумов, исследуем шумовую характеристику транзисторного усилителя в схеме с общим эмиттером.

Шаг 8 Начертите схему с общим эмиттером, изображенную на рис. 9.13, и сохраните ее в папке Projects под именем NOISE1.sch.

Рис. 9.13. Схема с общим эмиттером, где рабочая точка стабилизируется путем установления отрицательной обратной связи по току

Смоделируем поведение этой схемы в диапазоне частот от 10 Гц до 1000 МГц.

Шаг 9 Откройте окно AC Sweep and Noise Analysis (рис. 9.14 и 9.15) и выполните необходимые установки в требуемом частотном диапазоне. Не забудьте установить флажок рядом с кнопкой AC Sweep… в окне Analysis Setup.

Рис. 9.14. Окно AC Sweep and Noise Analysis с установками для проведения анализа AC Sweep

Рис. 9.15. Окно AC Sweep and Noise Analysis с установками для проведения анализа шумов

В нижней части окна AC Sweep and Noise Analysis расположен раздел Noise Analysis. В поле Output Voltage (Выходное напряжение) вы должны указать, в каком месте вашей схемы следует произвести расчет шумов. Допустим, вас интересует шумовая характеристика нагрузочного резистора R4, то есть напряжение V(R4:2). В поле ввода I/V нужно указать источник, для которого PSPICE вычислит эквивалентный входной шум. Это будет то напряжение шумов, какое должен генерировать данный источник, чтобы создавать в идеальной, свободной от шумов схеме такое же шумовое напряжение на выходе, как и в анализируемой схеме. В поле I/V надо обязательно ввести имя источника, иначе на экране появится сообщение об ошибке. В поле ввода Interval вы можете указать, с какими интервалами следует записывать в выходной файл подробные сведения о выходном шуме. Если вы введете в это поле, например, число 100, то в выходной файл будет записываться каждый сотый результат анализа. Это значит, что при расчете 100 контрольных точек на декаду в выходном файле окажется как раз один результат на декаду.

Шаг 10 Завершите установку параметров анализа шумов в окне AC Sweep and Noise Analysis по образцу на рис. 9.15, затем закройте это окно с помощью кнопки OK, запустите процесс моделирования и по его окончании выведите на экран PROBE диаграмму частотной характеристики выходного напряжения V(R4:2) — см. рис. 9.16.

Рис. 9.16. Частотная характеристика схемы с общим эмиттером

Диаграмма, изображенная на рис. 9.16, еще ничего не говорит о шумовой характеристике схемы. Вам еще только предстоит вызвать соответствующую диаграмму из окна Add Traces. С большой долей уверенности можно предположить, что шум будет значительно меньше, чем полезный сигнал. Поэтому вряд ли удастся хорошо рассмотреть их соотношение, представив обе диаграммы на одной оси координат Y, то есть на оси с общим масштабированием.

Создайте на своей диаграмме вторую ось координат Y (команда Plot Add Y Axis), а затем откройте окно Add Traces (рис. 9.17).

Рис. 9.17. Содержание окна Add Traces после проведения анализа AC Sweep, включающего анализ шумов

Теперь в списке диаграмм появился целый ряд новых обозначений, которых раньше, при проведении обычных анализов AC Sweep, вы не встречали. Все эти новые обозначения начинаются с буквы N (то есть Noise, шум). За ними скрываются диаграммы, по которым вы можете выяснить, какой вклад вносят в полный шум отдельные резисторы и параметры транзистора. Под именем V(ONOISE) находится самый важный результат анализа шумов — спектральное распределение шумового напряжения в том месте, которое при предварительной установке было определено вами как выход.

Шаг 11 Отправьте обозначение V(ONOISE) в строку Trace Expression и щелкните по кнопке OK. Теперь на экране PRPOBE вы должны получить такую же диаграмму, как на рис. 9.18.

Рис. 9.18. Частотная характеристика и выходной шум схемы с общим эмиттером

Посмотрев на эту диаграмму, специалист сразу определит: шум в данной схеме, хотя его частотные компоненты и меньше полезного сигнала почти в 2000 раз, в целом настолько сильный, что будет создавать значительные звуковые помехи. Следовательно, необходимо выявить основную причину возникновения шума, а затем изменить схему таким образом, чтобы он уменьшился. В выходном файле вы найдете подробные данные относительно того, какой вклад вносят в полный шум резисторы и параметры транзистора (см. листинг). Например, из таблицы для частоты f=100 кГц вы узнаете, что значительное влияние на возникновение шумов оказывает внутреннее сопротивление источника напряжения. И здесь у разработчиков есть немало возможностей для оптимизации.

FREQUENCY = 1.000Е+05 HZ

**** TRANSISTOR SQUARED NOISE VOLTAGES (SQ V/HZ)

     Q_V1

RB   0.000E+00

RC   1.424E-22

RE   0.000E+00

IBSN 1.412E-14

IС   4.326E-16

IBFN 0.000E+00

TOTAL 1.455E-14

**** RESISTOR SQUARED NOISE VOLTAGES (SQ V/HZ)

      R_R1      R_R4      R_R5      R_Ri      R_R3      R_R2

TOTAL 3.748E-18 3.749E-18 1.154E-24 3.965E-14 1.468E-14 2.643E-15

 

9.3. Анализ эффективности моделирования

Чтобы провести анализ производительности схемы, ее не нужно специально для этого «сажать под ток». В ходе анализа производительности обрабатываются только те данные, которые уже имеются: полученные в результате параметрического анализа и выведенные на экран PROBE в виде семейства кривых. Анализ производительности позволяет оценить эту информацию с новой точки зрения. Для каждого значения параметра с каждой кривой, изображенной на диаграмме семейства кривых в PROBE, считывается заранее заданное значение, например максимальное значение кривой. Затем полученные таким образом значения представляются в зависимости от значения (изменения) параметра в виде диаграммы. Таким образом, параметр предшествующей диаграммы семейства кривых на диаграмме, получаемой в результате соответствующего анализа производительности, всегда изображается на оси координат X.

В качестве примера исследуем схему параллельного колебательного контура (рис. 9.19). Этот контур, в котором катушка индуктивности заменена последовательным соединением катушки чистой индуктивности с резистором активного сопротивления, вполне соответствует реальному. В ходе предстоящего анализа выясним, как резонансное сопротивление данного контура (то есть импеданс колебательного контура при резонансе) и ширина полосы частот резонансной кривой зависят от катушечного сопротивления R1.

Рис. 9.19. Эквивалентная схема реального параллельного колебательного контура

Основой для проведения анализа производительности послужит, учитывая особенности запланированного исследования, анализ AC Sweep с сопротивлением R1 в качестве параметра.

Шаг 12 Чтобы предоставить для анализа производительности необходимые данные, сначала проведите анализ AC Sweep + Parametric Sweep. Для этого выполните следующие действия:

1. Начертите в редакторе SCHEMATICS схему, изображенную на рис. 9.19. Установите в ней источник напряжения типа VSIN. Сохраните эту схему в папке Projects под именем RLC_PAR.sch.

2. Установите атрибуты источника напряжения VSIN, как показано на рис. 9.20. Остальные атрибуты оставьте без изменений.

Рис. 9.20. Атрибуты источника напряжения VSIN

3. Проведите предварительную установку анализа AC Sweep по образцу на рис. 9.21.

Рис. 9.21. Предварительная установка для анализа AC Sweep

4. Проведите предварительную установку параметрического анализа для изменения в качестве параметра эквивалентного последовательного сопротивления R_damp, в соответствии с рис. 9.22 и 9.23.

Рис. 9.22. Чертеж схемы параллельного колебательного контура

Рис. 9.23. Предварительная установка параметрического анализа

5. Создайте на экране PROBE диаграмму частотной характеристики импеданса колебательного контура (Z=U/I) для значений активного последовательного сопротивления R_damp от 2 Ом до 20 Ом — см. рис. 9.24.

Рис. 9.24. Частотная характеристика импеданса в схеме параллельного колебательного контура

Только теперь вы можете приступить непосредственно к анализу производительности. Вам необходимо выявить в каждой кривой семейства кривых, то есть для каждого значения параметра R_damp, одно значение соответствующей кривой по определенным критериям поиска. В данном случае надо найти для каждого значения R_damp величину соответствующего максимума импеданса колебательного контура. В PROBE имеется целый ряд небольших программ, с помощью которых можно осуществлять поиск интересующих точек на отдельных кривых, изображенных на диаграмме семейства кривых. Такие поисковые программы называются Goal Functions (Целевые функции). Среди них есть и целевая функция для поиска на кривой точки максимума.

Шаг 13 Удалите диаграмму семейства кривых, изображенную на рис. 9.24, с экрана PROBE (для этого нужно щелкнуть по ее имени в нижней части экрана PROBE и нажать клавишу Delete) и активизируйте опцию Performance Analysis (Анализ производительности), щелкнув на панели инструментов PROBE по кнопке  .

После этого ось координат X будет масштабирована в соответствии с имеющимися в наличии значениями параметра R_damp.

Шаг 14 Откройте окно Add Traces (команда Trace Add) — см. рис. 9.25.

Рис. 9.25. Окно Add Traces со списком поисковых функций

На первый взгляд открывшееся окно по своему содержанию не отличается от тех окон Add Traces, которые вы видели уже не один десяток раз, например от окна, изображенного на рис. 9.17. Но, приглядевшись внимательнее, вы увидите, что правая часть этого окна изменилась. Там, где прежде располагался список математических операций, теперь перечислены целевые функции.

С помощью поля Functions or Macros (Функции или макросы) вы можете выбрать, что следует отображать в этой части окна: целевые функции или математические операции.

Одна из целевых функций называется Max(1), она позволяет находить на кривой точку максимума.

Шаг 15 Щелкните мышью по функции Max(1) и отправьте ее в строку Trace Expression. В скобках пометьте, что вам необходимо найти максимальное значение импедансов (V(U1:+)/I(U1)) — см. рис. 9.26.

Рис. 9.26. Выражение для определения максимальных значений кривых импеданса в строке Trace Expression

Шаг 16 Щелкните по кнопке OK, чтобы запустить поиск максимумов и затем отобразить их на экране PROBE. В результате вы должны получить диаграмму, изображенную на рис. 9.27.

Рис. 9.27. Диаграмма зависимости полного резонансного сопротивления параллельного колебательного контура от активного сопротивления катушки

Целевая функция для определения ширины полосы частот называется Bandwith(1, db_level). Аналогично тому, как вы уже делали это при поиске максимума, в строке Trace Expression нужно ввести вместо единицы выражение, диаграмму которого вы намерены исследовать. Вместо db_level вы должны указать, на каком уровне децибелов должны находиться обе границы полосы частот. Чаще всего специалистов по технике связи интересует полоса частот с уровнем 3 дБ, то есть вместо db_level вам нужно ввести цифру 3.

Шаг 17 Введите в строку Trace Expression необходимое выражение, как показано на рис. 9.28, и создайте на экране PROBE диаграмму, изображенную на рис. 9.29.

Рис. 9.28. Выражение для определения полосы частот в строке Trace Expression

Рис. 9.29. Зависимость полосы частот от величины эквивалентного последовательного сопротивления

 

9.4. Вспомогательные средства для расчёта рабочей точки

 

Помимо уже рассматривавшихся видов анализа программа PSPICE включает инструменты для проведения еще трех редко используемых анализов, которые иногда могут пригодиться для расчета рабочей точки схемы. Результаты каждого из этих анализов записываются в выходной файл.

 

9.4.1. Анализ данных рабочей точки

При каждом анализе программа PSPICE выявляет данные об используемой в схеме рабочей точке (Bias Point). Эти данные вы можете найти в выходном файле под заголовком Small Signal Bias Solution. В основном там содержится информация об узловых потенциалах и токах, проходящих через используемые источники напряжения (для сравнения см. рис. 2.13). Начиная с 8-й версии в PSPICE появилась возможность быстро и точно моделировать поведение цепи постоянного тока (см. урок 2). Благодаря этому стало гораздо проще получить необходимую и к тому же еще более качественную информацию.

Если вы активизируете в окне Analysis Setup опцию Bias Point Detail (Анализ данных рабочей точки), дополнительная информация о рабочей точке будет записана в выходной файл под заголовком Operating Bias Information (Оперативная информация о рабочей точке). В основном туда будут занесены данные о выявленных для рабочей точки малосигнальных параметрах используемых в схеме электронных компонентов.

 

9.4.2. Анализ передачи тока в режиме малого сигнала

В ходе анализа передачи постоянного тока в режиме малого сигнала программа PSPICE определяет малосигнальное усиление, входное и выходное сопротивление схемы по переменному току в рамках DC-анализа. При этом, как и всегда при анализе цепи постоянного тока, все конденсаторы рассматриваются как прерывания электрической цепи, а все катушки индуктивности — как короткие замыкания. Характеристики вымеряются вокруг рабочей точки.

Чтобы выполнить этот анализ, нужно установить в окне Analysis Setup флажок рядом с кнопкой Transfer Function… (Функция передачи), а затем, щелкнув по ней, открыть окно Transfer Function (рис. 9.30).

Рис. 9.30. Окно Transfer Function

В поле Output Variable вы должны указать выходное напряжение. К сожалению, в окне Transfer Function нельзя вводить знак «минус», с помощью которого вы прежде описывали напряжения как разницу соответствующих потенциалов. Здесь оба узла должны быть разделены запятой и заключены в скобки. В поле Input Source (Источник входного напряжения) нужно указать источник входного напряжения.

 

9.4.3. Анализ чувствительности выходного напряжения цепи постоянного тока к разбросам параметров компонентов 

Анализ чувствительности позволяет установить, какое влияние оказывают изменения отдельных параметров схемы на выходное напряжение. Таким образом, вы можете выяснить, какие компоненты следует выбрать с как можно меньшими допусками, чтобы гарантированно обеспечить необходимую характеристику вашей схемы. Результат этого анализа будет помещен в выходном файле под заголовком DC Sensitivity Analysis.

Для того чтобы провести анализ чувствительности (Sensitivity Analysis), выполните следующие действия:

1. Откройте окно Analysis Setup.

2. Установите флажок рядом с кнопкой Sensitivity….

3. Щелкнув по этой кнопке, откройте окно Sensitivity Analysis (рис. 9.31).

Рис. 9.31. Окно Sensitivity Analysis с установками для проведения анализа чувствительности двух напряжений

4. Введите в поле Output Variable(s) (Выходная(-ые) переменная(-ые)) обозначение напряжения, чувствительность которого к изменениям значений компонентов схемы вы хотели бы исследовать. Если вас интересует несколько напряжений, разделите их в поле ввода с помощью пробела.

5. Закройте окно Sensitivity Analysis, щелкнув по кнопке OK.

6. Закройте окно Analysis Setup, щелкнув по кнопке Close.

7. Запустите процесс моделирования и по его окончании найдите результаты анализа в выходном файле под заголовком DC Sensitivity Analysis.

 

9.5. Вероятностный анализ методом Монте-Карло

До сих пор вы исходили из того, что компоненты проектируемых схем действительно имеют свои номинальные значения, что, к примеру, резистор, рядом с которым установлен индикатор значения 1 Ом, на самом деле имеет значение 1 Ом. Однако это предположение далеко от реальности, так как все компоненты, устанавливаемые в электронных схемах, естественно, имеют допуски. Зачастую искусство проектирования как раз и заключается в умении так составить схему, чтобы она функционировала не только в лаборатории со специально, вручную подобранными компонентами, но и в условиях массового производства. Сейчас при изготовлении электронных схем компоненты размещаются на печатных платах с помощью установок автоматического монтажа. К тому же разрабатываемые схемы должны позволять как можно большие допуски, чтобы сократить расходы на их производство. Учитывая все это, спроектировать схему, отвечающую требованию «бездефектного производства», без предварительного моделирования практически невозможно.

Программа PSPICE позволяет приписывать допуски параметрам компонентов. И тогда в ходе одного анализа Монте-Карло одна и та же схема может моделироваться («прогоняться») до двадцати тысяч раз: каждый раз с новым набором параметров, заданным по принципу случайной выборки. Затем отдельные результаты оцениваются программой PSPICE по тем критериям, которые вы заранее оговариваете во время предварительной установки анализа. Например, определяется максимальное отклонение напряжения от его номинального значения, то есть от того значения, какое имело бы это напряжение, если бы все компоненты точно соответствовали своим номинальным параметрам.

Диаграммы, создаваемые на основе результатов анализа Монте-Карло, особенно наглядны, когда, к примеру, на одной общей диаграмме изображаются результаты всех прогонов, совершенных при моделировании схемы, то одного взгляда бывает достаточно, чтобы определить чувствительность схемы к допускам компонентов. На одну диаграмму PROBE могут быть одновременно выведены данные о 399 прогонах анализа Монте-Карло.

Программа PSPICE позволяет проводить анализ Монте-Карло в сочетании с анализом DC Sweep, AC Sweep и с анализом переходных процессов. В ходе моделирования первый прогон анализа Монте-Карло всегда является «номинальным», то есть при нем все компоненты имеют свои номинальные значения.

PSPICE предоставляет в ваше распоряжение все необходимые инструменты для установки разброса значений. Так, например, вы можете выбрать функцию распределения. По умолчанию программа PSPICE предлагает равномерное распределение (опция Uniform) в рамках заданного диапазона допуска. Также возможно Гауссово распределение (опция Gaussian) или любое другое, определяемое пользователем (опция User Defined). Это открывает фантастические возможности перед профессиональными разработчиками, занимающимися проектированием схем для массового производства. Однако в учебном курсе достаточно будет рассмотреть только равномерное распределение параметров разброса, уже установленное в PSPICE по умолчанию.

Еще одна хитрость этого анализа состоит в том, что вы можете выбирать, следует ли в процессе моделирования варьировать каждый параметр, которому присвоено значение разброса, независимо от других или нужно изменять вместе группу параметров, например группу резисторов сопротивлениями 1 Ом. Такая возможность очень важна при моделировании интегральных схем. В этом случае характеристике допуска присваивается кодовое обозначение LOT, например LOT=5%. В нашем учебном курсе мы не будем пользоваться кодовым обозначением LOT. В приводимых примерах все параметры определяются независимо друг от друга, что является разумным при использовании отдельных (дискретных) компонентов. В этом случае допуск получает кодовое обозначение TOL, например TOL=5%.

В качестве примера исследуем с помощью вероятностного анализа Монте-Карло схему активного фильтра с высокой крутизной фронта. Такие схемы чрезвычайно чувствительны к разбросам параметров компонентов.

Шаг 18 Начертите схему активного полосового фильтра, изображенную на рис. 9.32, и сохраните свой чертеж в папке Projects под именем BP_AKT.sch. Обратите внимание на то, какой «трюк» был использован при ее проектировании, чтобы не слишком загромождать чертеж шинами питания. Зажимные компоненты, которые здесь применены, называются Bubble и находятся в библиотеке PORT.slb. Если дважды щелкнуть мышью по одному их таких компонентов, откроется окно, где вы можете дать компоненту имя (здесь: V+ и V-). Компоненты Bubble с одинаковыми именами считаются электрически связанными друг с другом.

Рис. 9.32. Схема активного полосового фильтра с двумя операционными усилителями uA741

Шаг 19 Создайте на экране PROBE диаграмму частотной характеристики, изображенную на рис. 9.33, с помощью обычного анализа AC Sweep.

Рис. 9.33. Частотная характеристика активного полосового фильтра

Эта частотная характеристика имеет такие крутые фронты, что знаток наверняка задастся вопросом, сохранит ли эта схема свои качества даже при небольших разбросах параметров компонентов.

Шаг 20 Задайте всем резисторам 1% допуска. Для этого действуйте следующим образом:

1. Маркируйте все резисторы, поочередно щелкая по ним и удерживая при этом клавишу Shift.

2. Выберите в меню Edit опцию Attributes….

3. В окне, которое затем откроется (рис. 9.34), вы должны подтвердить свое намерение одновременно изменить атрибуты всех маркированных компонентов (глобально).

Рис. 9.34. Окно, где следует подтвердить намерение глобально редактировать атрибуты

4. Откроется окно Global Edit Attributes (рис. 9.35).

Рис. 9.35. Окно Global Edit Attributes для одновременного редактирования нескольких атрибутов

5. Какие атрибуты являются общими для маркированных компонентов (ведь это непременное условие для того, чтобы вы смогли изменить их все вместе), вы узнаете, щелкнув по кнопке Browse… и открыв окно Select Attribute (рис 9.36).

Рис. 9.36. Окно Select Attribute с указанием доступных для одновременного изменения атрибутов

6. Отметьте строку TOLERANCE= (Допуск) и подтвердите свой выбор щелчком по кнопке OK. После этого вновь откроется окно Global Edit Attributes.

7. Введите в поле Value требуемое значение допуска, в данном случае 1% (рис. 9.37), и подтвердите ввод, щелкнув по кнопке OK. Теперь на чертеже появился индикатор только что установленного вами допуска.

Рис. 9.37. Окно Global Edit Attributes с установленными для всех резисторов допусками в размере 1%

Шаг 21 Аналогичным образом задайте для всех конденсаторов допуск 2%.

Шаг 22 Откройте окно Analysis Setup, установите флажок рядом с кнопкой Monte Carlo/Worst Case… (Анализ Монте-Карло/Наихудшего случая) и щелкните по ней. Откроется окно Monte Carlo or Worst Case с установками для проведения анализа Монте-Карло (рис. 9.38).

Рис. 9.38. Окно Monte Carlo or Worst Case

Шаг 23 Проведите в этом окне предварительную установку, как показано на рис. 9.38. В ходе моделирования будет проведено десять прогонов анализа Монте-Карло (опция МС Run) на основе анализа AC Sweep (опция Analysis Туре). Все настройки в разделе Function оставьте без изменения. Они имеют значение только для выходного файла и в данный момент не представляют для вас интереса. В поле Output Var вы должны ввести, какую величину следует понимать как выход. Это также нужно только для выходного файла, тем не менее, если в поле не будет указано никакого значения, PSPICE откажется проводить анализ Монте-Карло. Выберите в списке MC Options (Опции анализа Монте-Карло) опцию All, чтобы вам были предоставлены данные всех десяти прогонов как в PROBE, так и в выходном файле.

По окончании предварительной установки убедитесь, что все сделано так, как нужно, и подтвердите выполненные настройки щелчком по кнопке OK. Проверьте еще раз, активизированы ли в окне Analysis Setup режимы анализов АС Sweep и Монте-Карло, и затем запустите процесс моделирования.

После того как PSPICE завершит вычисления, откроется окно Available Sections, в котором можно выбирать для отображения на экране PROBE результаты интересующих вас прогонов анализа Монте-Карло. В данном случае вам требуются все имеющиеся данные, поэтому просто щелкните по кнопке OK.

Шаг 24 А теперь выведите на экран диаграмму частотной характеристики выходного напряжения полосового фильтра для всех десяти прогонов анализа Монте-Карло (рис. 9.39).

Рис. 9.39. Поведение схемы BP_AKT.sch в ходе анализа Монте-Карло

Результат не то чтобы грандиозный, но, кажется, фильтр все же рабочий. Конечно, 1% и 2% очень низкие для допусков значения, и дальнейшее уменьшение возможно, только если точно подгонять резисторы и «вручную» выбирать конденсаторы.

Наряду с анализом Монте-Карло в программе PROBE можно выполнить стохастический эквивалент анализа производительности: на экране будет показано статистическое распределение величин, которые извлекаются из каждого отдельного прогона анализа Монте-Карло с помощью целевых функций. В качестве примера изобразим в виде гистограммы статистическое распределение ширины полосы на уровне 3-dB десяти полученных выше кривых.

Шаг 25 Чтобы создать гистограмму статистического распределения ширин полос частот на уровне 3-dB, действуйте следующим образом:

1. Удалите с экрана PROBE все диаграммы.

2. Активизируйте опцию Performance Analysis, щелкнув на панели инструментов PROBE по кнопке .

3. Откройте окно Add Traces, отправьте в строку Trace Expression функцию Bandwith(1, db_level) и в скобках введите Bandwith (V(R7:1.3). Щелкните по кнопке OK, и на вашем экране будет создана гистограмма, структура которой аналогична изображенной на рис. 9.40 (с вашими статистическими данными диаграмма будет выглядеть иначе).

Рис. 9.40. Гистограмма статистического распределения полос частот на уровне 3-dB

Разумеется, нельзя ожидать подробной статистики после всего десяти прогонов анализа Монте-Карло, однако вам не возбраняется увеличить их количество до 399, чтобы создать более совершенную гистограмму. Чем больше прогонов вы потребуете сделать в ходе анализа Монте-Карло, тем тоньше будут столбцы и тем больше их будет отображено. Число столбцов вы можете установить, выбрав в меню PROBE Options строку Number of Histogram Divisions (Количество столбцов гистограммы).

Теперь вкратце рассмотрим опции окна Monte Carlo or Worst Case (см. рис. 9.38), которыми вы еще не пользовались:

• YMAX — определяет максимальную разницу между «номинальным прогоном» и отдельными прогонами (MC Runs). Результаты можно получить только в выходном файле;

• MAX — определяет максимальное значение (относительный максимум) отдельных прогонов MC Runs, а также отклонение отдельных максимальных значений от максимального значения «номинального прогона». Результаты можно получить только в выходном файле;

• MIN — функция, аналогичная опции MIN. Результаты можно получить только в выходном файле;

• RISE — определяет первое превышение границы (при нарастании фронта), заданной в поле ввода Rise/Fall (Нарастание/Спад). Результаты можно получить только в выходном файле;

• FALL — действует аналогично RISE, но только при спаде фронта. Результаты можно получить только в выходном файле;

• LIST — записывает параметры всех прогонов MC Runs в выходной файл;

• SEED — стартовая позиция (начальное число) генератора случайных чисел. 1≤SEED≤32767. Если вы ничего не вводите в поле SEED (Начальное число), то по умолчанию устанавливается начальное число 1753. Одинаковые значения в этом поле при одинаковых анализах всегда дают одинаковые «случайные» числа. Поэтому, если вы хотите использовать новый набор значений параметров, предварительно измените значение в поле SEED;

• ALL — выявляет все данные;

• FIRST — предоставляет только результаты первых прогонов MC Runs и ровно стольких, сколько вы запросили в поле Value;

• EVERY — предоставляет результаты каждого N-прогона MC Run. При этом N соответствует значению, которое вы ввели в поле Value;

• RUN — предоставляет результаты только указанных в поле Value прогонов анализа Монте-Карло;

• RANGE: (Lo/Hi) — диапазон изменяемой переменной, внутри которого следует осуществлять поиск YMAX, MAX и MIN.

Напоследок приведем небольшой пример того, как можно изменять параметры компонентов, если они не доступны через меню атрибутов (как было показано выше на примере резисторов и конденсаторов).

Исследуем схему с общим эмиттером, изображенную на рис. 9.10, для того случая, когда усиление тока транзистора рассеивается на ±50%.

Сначала надо маркировать транзистор (чтобы он окрасился в красный цвет), затем открыть меню Edit и выбрать в нем строку Model…. Откроется окно Edit Model, где нужно щелкнуть по кнопке Edit Instance Model (Text)… (Редактировать модель образца…). Откроется редактор моделей с параметрами транзистора. Рядом с усилением тока Bf следует в качестве дополнения ввести допуск Dev=50% (рис. 9.41). Программа PSPICE автоматически присваивает этой модели новое имя (BC548B-X). Созданная модель действительна только в данной схеме (то есть локально). Она сохраняется в той же директории, что и чертеж и под тем же именем, но с расширением файла .lib. Новую модель можно присвоить и другим транзисторам той же схемы. Для этого нужно маркировать изменяемый компонент, затем открыть окно Edit Model и щелкнуть в нем по кнопке Change Model Reference… (Изменить ориентировочное название модели…). В открывшемся окне вы можете ввести новое имя модели. Такой способ позволяет, например, присвоить модель BC548B-X транзистору BC548B.

Рис. 9.41. Редактор моделей с моделью BC548B; усиление тока Bf имеет разброс ±50%

Анализ Монте-Карло с измененным транзистором показал удовлетворительные результаты (рис. 9.42). Разброс усиления тока, благодаря сильной отрицательной обратной связи, не оказывает заметного влияния на частотную характеристику схемы.

Рис. 9.42. Выходное напряжение схемы с общим эмиттером после десяти прогонов анализа Монте-Карло

 

9.6. Анализ наихудшего случая

 

Анализ наихудшего случая тесно связан с анализом Монте-Карло. Здесь также делается попытка определить поведение электронной схемы, когда ее компонентам предписаны допуски. Особенность анализа наихудшего случая (в программе PSPICE он называется Worst Case) состоит в том, что он пытается установить максимально возможное отклонение какой-либо величины от номинального случая. Как правило, с помощью анализа наихудшего случая действительно удается смоделировать самый неблагоприятный вариант работы схемы. И в этом смысле анализ Worst Case имеет преимущество над анализом Монте-Карло, так как второй этого делать не умеет. Но иногда бывает так, что анализ наихудшего случая непростительно приукрашивает истинное положение вещей и лживо подсовывает вам «наихудший случай», намного уступающий реальному положению вещей. В таких ситуациях вы сможете вывести анализ наихудшего случая «на чистую воду», только если станете проверять выявленные в ходе анализа Worst Case наихудшие случаи с помощью анализа Монте-Карло.

Учитывая, что при исследовании допусков вам все равно нужно будет проводить оба анализа, то есть смысл сначала выполнить анализ Монте-Карло, так как его результаты всегда верны. И только после этого вы можете попытаться с помощью анализа наихудшего случая определить «экстремальную» характеристику исследуемой схемы. Поэтому, излагая материал данного раздела, мы будем исходить из того, что вы уже знакомы с анализом Монте-Карло.

 

9.6.1. Общее представление об анализе наихудшего случая

Прежде чем приступить к проведению анализа наихудшего случая, вы, конечно же, должны начертить схему и указать ее параметры допуска (для сравнения см. раздел 9.5). Кроме того, вы должны определить, что, собственно, следует понимать под понятием «наихудший». Для этого в ваше распоряжение предоставляется целый ряд декларативных возможностей, которые можно выбрать в разделе Function в окне Monte Carlo or Worst Case. Пять имеющихся там функций описаны в списке на стр. 202-203. В окне, изображенном на рис. 9.43, выбрана функция YMAX. С ее помощью в ходе анализа наихудшего случая будет выявлено, какое максимальное отклонение от номинального случая (когда все компоненты имеют свои номинальные значения) следует ожидать от величины, которая во время предварительной установки в поле Output Var была определена как выход. В окне на рис. 9.43 в разделе Direction выбрано направление Hi. При такой настройке в ходе анализа будет выявлено максимальное отклонение от номинального случая, происходящее в направлении снизу вверх. Если бы была выбрана функция МАХ, то тогда исследовались бы максимальные значения выходной величины и определялось самое большое отклонение от максимума при номинальных параметрах в направлении снизу вверх (Hi) или сверху вниз (Lo).

Рис. 9.43. Окно Monte Carlo or Worst Case с установками для проведения анализа наихудшего случая

Выбор функции DEV оправдан только тогда, когда вы установили допуски только с кодовым обозначением TOL (для сравнения см. раздел 9.5).

После запуска моделирования программа PSPICE сначала выполняет «номинальный прогон» и определяет результат, при котором параметры компонентов имеют свои номинальные значения. Затем для каждого снабженного допуском параметра проводится анализ чувствительности. При этом все параметры имеют свои номинальные значения кроме того, влияние которого в данный момент исследуется. Выполняя прогон за прогоном, PSPICE постепенно выясняет для каждого параметра, в каком направлении его следует изменить, чтобы он стремился к наихудшему случаю (в соответствии с заданным направлением Hi или Lo). В заключение проводится «прогон наихудшего случая», когда все параметры имеют граничные в области своего допуска значения, то есть значения, которые позволяют ожидать наихудшего случая.

Теперь вы понимаете, что анализ наихудшего случая выдает достоверный результат только тогда, когда для всех параметров выходная величина монотонно изменяется при монотонном изменении параметра. Иными словами: если параметры оказывают на выходную величину самое большое влияние в момент, когда находятся на одной из границ своего допуска. Сверх этого, отдельные параметры, что касается их тенденции к наихудшему случаю, не могут оказывать взаимного влияния друг на друга. Остается только удивляться, что при таких серьезных ограничениях анализ наихудшего случая, тем не менее, чаще всего выявляет реальный наихудший случай. Но абсолютной гарантии относительно правильности результата нет. Вы сможете быть уверены в полученных данных только тогда, когда все результаты анализа Монте-Карло с большим количеством прогонов MC Runs останутся в пределах границ (Hi и Lo) наихудшего случая.

Если вы отметите в окне Monte Carlo or Worst Case опцию List, то в выходном файле будет содержаться подробная информация, например, о вкладе отдельных параметров схемы в общую чувствительность схемы к допускам компонентов. Сведения такого рода могут оказаться для вас незаменимыми, если вы целенаправленно и с наименьшими затратами намереваетесь устранить излишнюю чувствительность.

 

9.6.2. Определение наихудшего случая активного фильтра

В качестве примера анализа наихудшего случая исследуем частотную характеристику активного фильтра, изображённого на рис. 9.32. Выясним, какими будут наихудшие случаи в направлениях снизу вверх (Hi) и сверху вниз (Lo). Вслед за этим на диаграмме в PROBE сравним полученные данные с результатом анализа Монте-Карло (рис. 9.39). Все результаты анализа Монте-Карло должны находиться внутри границ Worst Cases, чтобы вы смогли довериться установленным программой PSPICE наихудшим случаям.

Создание общей диаграммы, отражающей результаты анализа Worst Case (Hi), анализа Worst Case (Lo) и прогонов Монте-Карло, осуществляется с помощью опции PROBE Append (см. рецепт 6 в главе 5). Так как PSPICE всегда сохраняет данные только последнего моделирования, вам нужно будет дать своей схеме разные имена, если вы хотите использовать в PROBE набор данных, полученных в результате разных анализов одной и той же схемы.

Шаг 26 Если вы хотите создать диаграмму с изображением прогонов анализа Монте-Карло внутри границ наихудшего случая, действуйте следующим образом:

1. Загрузите на экран схему BP_AKT.sch с уже установленными допусками.

2. Сохраните эту схему под каким-нибудь новым именем (например, под именем BP_AKTMC) и проведите анализ Монте-Карло. Рассмотрите полученный результат в PROBE (см. рис. 9.39).

3. Теперь сохраните схему под каким-нибудь другим именем (например, под именем BP_AKT_HI) и проведите анализ наихудшего случая в направлении Hi. После запуска PROBE выберите из предложенных диаграмм изображение прогонов Nominal Run (первая сверху диаграмма в окне Available Sections) и Worst Case Run (последняя диаграмма в том же окне) и рассмотрите полученный результат в PROBE (рис. 9.44).

Рис. 9.44. Результат анализа наихудшего случая частотной характеристики активного полосового фильтра: «номинальный прогон» и «прогон наихудшего случая» с самым большим отклонением вверх

4. Опять сохраните схему еще под каким-нибудь другим именем (например, под именем BP_AKT_LO) и проведите анализ наихудшего случая в направлении Lo. После запуска PROBE выберите из предложенных диаграмм изображение прогонов Nominal Run (первая сверху диаграмма в окне Available Sections) и Worst Case Run (последняя диаграмма в том же окне) и рассмотрите полученный результат в PROBE (рис. 9.45).

Рис. 9.45. Результат анализа наихудшего случая частотной характеристики активного полосового фильтра: «номинальный прогон» и «прогон наихудшего случая» с самым большим отклонением вниз

5. Воспользовавшись опцией PROBE Append (см. рецепт 6 в главе 5), объедините результаты, полученные в пунктах 2-4. Ваша диаграмма частотной характеристики активного фильтра (см. рис. 9.32) после успешного завершения работы должна быть аналогична той диаграмме, которую вы видите на рис. 9.46. Здесь изображены оба «прогона наихудшего случая» с самым большим отклонением вверх и вниз, а также двадцать прогонов анализа Монте-Карло со статистически установленными значениями разброса резисторов и конденсаторов.

Рис. 9.46. Результат анализа допусков; частотная характеристика активного полосового фильтра

 

9.7. Руководство к действию

Рецепт 1. Провести Фурье-анализ процесса

1. Выведите на экран PROBE диаграмму процесса (например, напряжения), частотный спектр которого вам необходимо установить с помощью анализа Фурье.

2. Убедитесь, что вы смоделировали ровно один период этого процесса, либо целое число периодов. В случае, если было смоделировано не целое число периодов, нужно ограничить диапазон данных, которые будут использованы для спектрального анализа (команда PROBE Plot→X Axis Settings→Restricted).

3. Запустите анализ Фурье с помощью кнопки .

4. После того как программа PROBE завершит вычисление Фурье-спектра и изобразит результат в виде диаграммы, вы сможете с помощью все той же кнопки FFT переключаться от изображения временного диапазона к частотной области и наоборот (то есть переходить от одной диаграммы к другой).

(См. раздел 9.1.1, рис. 9.4 и 9.5.)

Рецепт 2. Записать результат Фурье-анализа Фурье в выходной файл

1. Отметьте в окне предварительной установки анализа переходных процессов опцию Enable Fourier (см. рис. 9.6).

2. Укажите в поле ввода Center Frequency (Центральная частота) частоту основной волны.

3. Введите в поле Number of Harmonics (Количество гармоник) число высших гармоник, данные расчетов которых вам необходимо получить.

4. Введите в поле Output Vars имя величины, Фурье-спектр которой вас интересует.

5. Щелкните по кнопке OK.

(См. раздел 9.1.2.)

Рецепт 3. Провести анализ чувствительности

1. Откройте окно Analysis Setup, установите флажок рядом с кнопкой Sensitivity… (Анализ чувствительности…) и щелкните по ней. Откроется окно Sensitivity Analysis.

2. Введите в поле Output Variable(s) обозначение напряжения, чувствительность которого вам необходимо установить. В случае, если вас интересует несколько напряжений, то вы должны разделить их в поле ввода с помощью пробела (рис. 9.31).

3. Закройте окно Sensitivity Analysis, щелкнув по кнопке OK.

4. Закройте окно Analysis Setup, щелкнув по кнопке Close.

5. Запустите процесс моделирования и по его окончании найдите результаты анализа в выходном файле под заголовком DC Sensitivity Analysis.

Рецепт 4. Изобразить на диаграмме в PROBE выходной шум электронной схемы

1. Начертите в редакторе SCHEMATICS схему, которую необходимо проанализировать.

2. Проведите предварительную установку для анализа AC Sweep в том частотном диапазоне, составляющие шума которого вас интересуют.

3. Активизируйте анализ шумов, установив флажок рядом с опцией Noise Analysis в окне AC Sweep and Noise Analysis (см. рис. 9.15).

4. Укажите в окне AC Sweep and Noise Analysis в поле Output Voltage то место, где необходимо определить шум вашей схемы. В поле ввода I/V укажите источник, который должен создавать эквивалентный входной шум. В нижнем поле ввода Interval пометьте, с какими интервалами следует записывать результаты анализа в выходной файл.

5. Закройте окно AC Sweep and Noise Analysis с помощью кнопки OK.

6. Запустите процесс моделирования и выведите на экран PROBE диаграмму частотной характеристики спектральной плотности шумов V(ONOISE) — см. рис. 9.16-9.18.

(См. раздел 9.2.)

Рецепт 5. Провести анализ передачи тока в режиме малого сигнала

1. Активизируйте в окне Analysis Setup анализ передачи, установив флажок рядом с кнопкой Transfer Function…. Затем щелчком по этой кнопке откройте окно Transfer Function (рис. 9.30).

2. В поле ввода Output Variable укажите выходное напряжение. Если вы собираетесь исследовать напряжение между двумя узлами, то обязательно отделите обозначения этих узлов друг от друга с помощью запятой! Например: при вводе V(N1:out,R3:2) в ходе анализа будет выявлено напряжение между выходом компонента N1 и правым выводом резистора R3.

3. В поле Input Source введите имя источника входного напряжения.

4. Закройте окно Transfer Function с помощью кнопки OK.

5. Запустите процесс моделирования схемы и по его окончании найдите результат в выходном файле под заголовком Small Signal Characteristics.

Рецепт 6 . Провести анализ производительности

1. Проведите параметрический анализ как дополнительный к анализу DC Sweep, AC Sweep либо к анализу переходных процессов и таким образом создайте в PROBE семейство кривых.

2. Удалите с экрана PROBE все изображенные на нем диаграммы и щелкните в уже пустом окне по кнопке , находящейся на панели инструментов PROBE.

Теперь на ось X нанесены координаты параметра (см. раздел 9.3).

3. Откройте окно Add Traces (команда Trace→Add) и отправьте требуемую целевую функцию (см. рецепты 7 и 8) в строку Trace Expression — см. раздел 9.3 и рис. 9.28.

4. Введите аргументы этой целевой функции (см. раздел 9.3).

5. Запустите анализ производительности, щелкнув по кнопке OK.

Рецепт 7. Активизировать целевую функцию

1. Щелкните по кнопке , чтобы вызвать анализ производительности.

2. Откройте окно Add Traces (команда Trace→Add). Теперь в правой части этого окна перечислены все доступные вам целевые функции.

3. Щелчком по одной из целевых функций вы можете отправить ее в строку Trace Expression и там отредактировать.

(См. раздел 9.3 и рис. 9.25.)

Рецепт 8. Разобраться в назначениях целевых функций программы PROBE

1. Откройте, находясь в PROBE, меню Trace.

2. Щелкните мышью по строке Goal Functions…. На экране откроется окно Goal Functions.

3. В указанном окне приведен перечень всех имеющихся в вашем распоряжении целевых функций. Щелкните по той из них, которая вас интересует.

4. Щелкните по кнопке View, чтобы открыть окно выбранной вами функции с описанием ее характеристик, принципа работы и руководства по ее применению.

Если вы приобрели уже достаточно опыта в обращении с целевыми функциями, то можете попробовать запрограммировать свою собственную. Для этого щелкните в окне Goal Functions по кнопке New (Новая).

Рецепт 9. Присвоить параметру компонента допуск

Для сопротивления резистора, емкости конденсатора и индуктивности катушки:

1. Дважды щелкните мышью по схемному обозначению компонента, параметру которого необходимо присвоить допуск. Откроется окно его атрибутов.

2. Один из атрибутов, перечисленных в этом окне, называется TOLERANCE. Щелкните по нему, чтобы отправить в поле Name, а в поле Value введите требуемый допуск, например 5%. Щелкните по кнопке Save Attr и закройте окно атрибутов с помощью кнопки OK.

Для компонентов, в окне атрибутов которых отсутствует атрибут TOLERANCE:

1. Щелчком мыши маркируйте компонент (он должен выделиться красным цветом).

2. Откройте меню Edit и выберите в нем строку Model…. Откроется окно Edit Model. Щелкните по кнопке Edit Instance Model (Text)….

3. Откроется редактор моделей, где будут перечислены все параметры данной модели. Найдите среди них параметр(-ы), которому(-ым) необходимо присвоить допуск. Установите текстовый курсор рядом со значением параметра и введите (после пробела) значение допуска, например Dev=5%.

4. Программа PSPICE автоматически изменит имя данного компонента (путем добавления сочетания «-Х» к старому имени).

5. Закройте редактор моделей, щелкнув по кнопке OK. Созданная модель действительна только в пределах чертежа, находящегося в данный момент в окне редактора SCHEMATICS. Вы можете присвоить эту модель и другому компоненту той же схемы, для чего сначала нужно его маркировать, затем открыть окно Edit Model и щелкнуть в нем по кнопке Change Model Reference…. В окне, которое после этого откроется, вы можете ввести новое имя модели, например BC548B-X.

Рецепт 10. Присвоить одинаковый допуск нескольким резисторам, конденсаторам и/или катушкам индуктивности одновременно

1. Маркируйте несколько компонентов, для которых нужно установить одинаковый допуск. Для этого нажмите клавишу Shift и, удерживая ее, щелкните поочередно по схемному обозначению каждого из выделенных компонентов.

2. Выберите в меню Edit опцию Attributes….

3. В окне, которое затем откроется (см. рис. 9.34), щелкните по кнопке Yes, чтобы подтвердить свое намерение глобально редактировать атрибуты.

4. Откроется окно Global Edit Attributes (см. рис. 9.35).

5. Щелкните по кнопке Browse…, и на экране появится окно Select Attribute (рис. 9.36).

6. Щелкните по строке TOLERANCE= и подтвердите свой выбор с помощью кнопки OK. После этого вновь откроется окно Global Edit Attributes.

7. Введите в поле Value требуемое значение допуска, например 1%, и подтвердите ввод, щелкнув по кнопке OK. Теперь на чертеже появились индикаторы только что установленного вами допуска.

Рецепт 11. Создать в PROBE гистограмму статистического распределения результатов анализа Монте-Карло

1. Удалите с экрана PROBE все диаграммы.

2. Активизируйте опцию Performance Analysis, щелкнув на панели инструментов PROBE по кнопке ).

3. Откройте окно Add Traces, отправьте в строку Trace Expression функцию Bandwith(1, db_level). Введите в скобках атрибуты функции и уровень децибелов, например: Bandwith(V(R7:1.3). Щелкните по кнопке OK.

Рецепт 12. Изобразить в PROBE оба прогона анализов наихудшего случая Worst Case Runs вместе с прогонами анализа Монте-Карло на одной общей диаграмме

1. Выведите на экран SCHEMATICS схему с уже установленными допусками.

2. Сохраните эту схему под каким-нибудь новым именем (например, под именем BP_AKTMC) и проведите анализ Монте-Карло. Рассмотрите полученный результат в PROBE (см. рис. 9.39).

3. Снова сохраните ту же схему под каким-нибудь другим именем (например, под именем BP_AKT_HI) и проведите анализ наихудшего случая в направлении Hi. После запуска PROBE выберите из предложенных диаграмм изображение прогонов Nominal Run (первая сверху диаграмма в окне Available Sections) и Worst Case Run (последняя диаграмма в окне) и рассмотрите полученный результат в PROBE (см. рис. 9.44).

4. Еще раз сохраните схему под каким-нибудь другим именем (например, под именем BP_AKT_LO) и проведите анализ наихудшего случая в направлении Lo. После запуска PROBE выберите из предложенных диаграмм изображение прогонов Nominal Run (первая сверху диаграмма в окне Available Sections) и Worst Case Run (последняя диаграмма в окне Available Sections) и рассмотрите полученный результат в PROBE (см. рис. 9.45).

5. Воспользовавшись опцией PROBE Append (см. рецепт 6 в главе 5), объедините результаты, полученные в пп. 2-4. После успешного завершения работы ваша диаграмма частотной характеристики должна быть аналогична диаграмме на рис. 9.46. Сравните полученные в ходе трех анализов результаты.

Рецепт 13. Провести анализ Монте-Карло

1. Откройте окно Analysis Setup, установите флажок рядом с кнопкой Monte Carlo/Worst Case… и щелкните по ней. Откроется окно Monte Carlo or Worst Case (см. рис. 9.38).

2. В разделе Analysis выберите опцию Monte Carlo и укажите в поле MC Runs, какое количество прогонов следует провести в ходе анализа.

3. В разделе Analysis Туре укажите, какой анализ лежит в основе прогонов Монте-Карло.

4. В поле ввода Output Var укажите выходную величину.

5. Заполните раздел Function. О значении различных функций вы сможете узнать из списка на стр. 202-203.

6. Заполните раздел МС Options. Значение различных опций анализа Монте- Карло указано в списке на стр. 202-203.

7. Закройте окно Monte Carlo/Worst Case… с помощью кнопки OK и запустите процесс моделирования.

8. После запуска PROBE на экране появится окно Available Sections. Если вы не хотите изображать в PROBE некоторые прогоны анализа Монте-Карло, то тогда в этом окне снимите с них голубые маркировки.

9. Щелкните по кнопке OK.

Рецепт 14. Провести анализ наихудшего случая

1. Откройте окно Analysis Setup, установите флажок рядом с кнопкой Monte Carlo/Worst Case… и щелкните по ней. Откроется окно Monte Carlo or Worst Case (см. рис. 9.43).

2. Под заголовком Analysis выберите опцию Worst Case.

3. Под заголовком Analysis Туре укажите, какой анализ лежит в основе анализа наихудшего случая.

4. В поле Output Var введите выходную величину.

5. Заполните раздел Function. О значении различных функций вы сможете узнать из списка на стр. 202-203.

6. В разделе WCase Options выберите необходимые опции. Установка опции Output All гарантирует, что в PROBE и в выходном файле будут отображены все данные. Опция List обеспечивает запись подробной информации только в выходной файл. Опцию DEV вы должны выбрать, когда параметрам установлены допуски типа TOL (это нормальный случай).

7. В разделе Direction выберите направление, в котором должен осуществляться поиск максимального отклонения от номинального прогона. При выборе опции Hi поиск будет осуществляться в направлении снизу вверх, при выборе опции Lo — сверху вниз.

8. В поле ввода Devices вы можете указать отдельные элементы, влияние которых необходимо исследовать. Если это поле остается пустым, то учитываются все компоненты (нормальный случай).

9. Закройте окно Monte Carlo or Worst Case… с помощью кнопки OK и запустите процесс моделирования.

После запуска PROBE на экране появится окно Available Sections. Самая первая диаграмма в этом окне изображает номинальный прогон, последняя — прогон наихудшего случая.

 

Если о цифровом моделировании рассказывать так же подробно, как о работе с редактором SCHEMATICS или проведении анализов, на это потребовалась бы отдельная книга. Однако за предыдущие девять уроков вы приобрели столько опыта и уверенности в обращении с программой PSPICE, что вам будет вполне достаточно предлагаемой информации, чтобы самостоятельно продолжить освоение цифрового моделирования. По всем возникающим вопросам обращайтесь к полному оригинальному справочнику по программе PSPICE, который находится на компакт-диске, прилагаемом к этой книге.

 

10.1. PSPICE как статический логический анализатор

 

Шаг 1 Начертите в редакторе SCHEMATICS схему, изображенную на рис. 10.1. Необходимые компоненты вы найдете в библиотеке EVAL.slb. Редактор для установления метки (out) можно открыть, дважды щелкнув мышью по соответствующему участку проводки. Сохраните готовую схему в папке Projects под именем DIGI1.sch.

Рис. 10.1. Логическая схема с различными компонентами цифровой техники

Вы можете на выбор настроить источники постоянного напряжения U1, U2 и U3 на ТТЛ-уровень низкого сигнала (L=0 В) или высокого сигнала (H=5 В). Тогда программа PSPICE проведет логический анализ этих напряжений.

Шаг 2 Установите все источники напряжения U1, U2 и U3 на уровень высокого сигнала, то есть на 5 В. Откройте окно Analysis Setup и снимите установленные в нем флажки, чтобы деактивизировать все без исключения анализы. Затем с помощью кнопки желтого цвета запустите моделирование. Сейчас программа PSPICE производит такие расчеты, которые она выполняет в процессе любого моделирования, в том числе расчеты логических состояний. Однако PSPICE не показывает результаты их вычисления автоматически. Чтобы вызвать на экран индикаторы логических состояний, нужно специально их запросить.

Шаг 3 Щелкните по кнопке с изображением большой буквы V, с которой вы познакомились в ходе второго урока (с ее помощью вы вызывали индикаторы потенциалов в рабочих точках) — см. рецепт 2 в главе 2. Теперь программа PSPICE показывает вам логические состояния (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Цифровая схема с индикаторами логических состояний

Шаг 4 Попробуйте другие комбинации входных напряжений и путем моделирования установите соответствующие им логические состояния.

Программа PSPICE проделывает это просто замечательно, но и вы, проявив немного терпения, сделали бы не хуже. Логический анализ, проводимый компьютером, только тогда сможет произвести на вас должное впечатление, когда вы используете в своей схеме одновременно и цифровые, и аналоговые компоненты.

Допустим, нам нужно дополнить схему, изображенную на рис. 10.1, таким образом, чтобы при формировании сигнала высокого уровня (лог. 1) на выходе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (X-OR) загоралась красная лампочка (5 В/200 Ом). Сопротивление 200 Ом для выхода ТТЛ-схемы — довольно внушительная нагрузка. Необходимо исследовать, сможет ли элемент X-OR подавать такое напряжение, которого будет достаточно, чтобы следующий за ним логический элемент ИЛИ D15A воспринял его как сигнал высокого уровня (лог. 1). В ТТЛ-технике для этого требуется напряжение как минимум 2 В.

Шаг 5 Дополните свою схему, установив в ней резистор сопротивлением 200 Ом на выходе логического элемента X-OR (рис. 10.3), и сохраните ее под именем DIGI2.sch. Затем проведите моделирование этой схемы, установив такую комбинацию входных напряжений, которая позволила бы ожидать сигнала высокого уровня (лог. 1) на выходе элемента X-OR. После щелчка по кнопке с изображением большой буквы V чертеж должен приобрести такой же вид, как на рис. 10.3.

Рис. 10.3. Цифровая схема с дополнительным резистором

Взглянув на рис. 10.3, вы можете заметить, каким интересным качеством обладает PSPICE при одновременном моделировании аналоговых (резисторы, конденсаторы, транзисторы, источники напряжения аналогового сигнала и т.п.) и цифровых (логические элементы) компонентов. В тех местах, где узловые пункты связывают исключительно цифровые компоненты, моделирование выявляет цифровые состояния (1 или 0). Там, где на узле находится хотя бы один аналоговый компонент, выдаются значения напряжения. Видно, что напряжение на выходе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (X-OR) как раз немногим выше двух вольт. Значит, этот резистор может быть подключен напрямую, то есть без дополнительных формирователей.

Шаг 6 Уменьшите сопротивление резистора до 180 Ом, сохраните схему под именем DIGI3.sch и с помощью моделирования убедитесь, что при таком сопротивлении напряжение уже не преодолевает TTЛ-границу равную 2 В. Напряжения, имеющие значения от 0.8 до 2 В, в технике выполнения ИС в базисе ТТЛ считаются неопределенными состояниями. Обратите внимание: неопределенное состояние логического элемента X-OR приводит к тому, что выход, где установлена метка out, также принимает неопределенное состояние, которое программа PSPICE обозначает как X (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Цифровая схема, где выход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ D18A перегружен и не может передать сигнал достаточно высокого уровня

 

10.1.1. Упражнение на цифровое моделирование схемы

Протестируйте «интеллект» программы PSPICE, выбрав для схемы с недопустимым сопротивлением R=180 Ом такую комбинацию входных напряжений, которая создаст сигнал логической единицы на выходе элемента ИЛИ-НЕ и, следовательно, несмотря на неопределенное состояние элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, обеспечит ясный сигнал выхода (лог. 1). Поймет ли это PSPICE?

Как вы уже выяснили, лампа с сопротивлением 200 Ом не приводит цифровую схему к неопределенным состояниям, однако хорошим решением это не назовешь, поскольку лампа с номинальным напряжением 5 В при напряжении около 2 В, которое предоставляется на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, будет работать всего лишь как коптилка. Кроме того, игнорируется требование о соблюдении в ТТЛ-схемах запаса помехоустойчивости в размере 0.4 В. То есть на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ должно быть напряжение как минимум 2.4 В.

Шаг 7 Дополните свою схему, установив в ней в качестве формирователя транзистор BC548B (рис. 10.5), и сохраните ее под именем DIGI4.SCH. Заново проведите моделирование. В результате изображение на вашем экране должно соответствовать образцу на рис. 10.5.

Рис. 10.5. Смешанная аналого-цифровая схема с индикаторами логических состояний на чисто цифровых узлах и аналоговых напряжений на смешанных аналого-цифровых узлах

 

10.1.2. Упражнение на определение наименьшего сопротивления

Допустимый ток коллектора BC548B составляет ICmax=200 мА. Определите, какое наименьшее сопротивление должна иметь лампочка при таком токе коллектора, чтобы ее можно было приводить в действие с помощью схемы, изображенной на рис. 10.5. Проведите моделирование схемы с данным сопротивлением и выясните, насколько при этом удовлетворительна ее работа. Если необходимо, внесите в схему соответствующие изменения.

 

10.2. Динамическое цифровое моделирование: временные диаграммы

 

Когда требуется исследовать временную зависимость цифровых процессов, на помощь проектировщику приходит программа-осциллограф PROBE. Однако для успешной работы в PROBE необходимо умение ориентироваться в тех обозначениях, которые программа PSPICE присваивает узлам моделируемых вами схем. Вы имели возможность убедиться в этом, начиная с ваших самых первых опытов работы в PROBE.

 

10.2.1 Обозначения узлов и отображение цифровых состояний в PROBE

Чтобы выяснить, какие обозначения программа PSPICE присваивает узлам цифровых и смешанных аналого-цифровых схем, возьмем в качестве примера аналого- цифровую схему с двумя инверторами (рис. 10.6).

Рис. 10.6. Смешанная аналого-цифровая схема

Шаг 8 Начертите эту схему и сохраните ее в папке Projects под именем DIGI5.sch. Проведите анализ переходных процессов в интервале времени от 0 до 2 мс с шириной шага вычислений 0.2 мкс (поле Step Ceiling). По завершении моделирования откройте список диаграмм (окно Add Traces). Чтобы легче было работать с этим списком, удалите из него обозначения токов и величин, которые программа PSPICE рассчитала в узлах подсхем, сняв флажки рядом с опциями Currents и Subcircuits Nodes в центральной части окна Add Traces (рис. 10.7).

Рис. 10.7. Окно Add Traces с указанным содержанием списка диаграмм

Для того чтобы полностью разобраться в списке диаграмм, ваших прежних знаний будет недостаточно. К счастью, вам это и не понадобится, если вы воспользуетесь одним несложным приемом: установите в тех местах своей схемы, которые представляют для вас интерес, особые метки, иными словами, дадите узлам собственные обозначения.

Шаг 9 Установите на схеме, изображенной на рис. 10.6, такие метки, чтобы входной узел назывался in, выходной — out, а узел между двумя инверторами — middl.

Как вы помните, чтобы установить метку на каком-либо сегменте проводки, нужно двойным щелчком мыши по этому месту открыть окно Set Attribute Value и ввести в нем желаемое имя. Если вы сделали все правильно, то ваша схема должна выглядеть так, как показано на рис. 10.8.

Рис. 10.8. Схема с узлами, снабженными метками

Шаг 10 Проведите моделирование этой схемы с теми же установками для анализа, какие были выполнены на предыдущем шаге, затем откройте окно Add Traces и деактивизируйте в нем опции указания токов Currents, узлов подсхем Subcircuits Nodes и альтернативных имен Alias Names. В итоге ваш список диаграмм должен быть таким, как на рис. 10.9.

Рис. 10.9. Содержание списка диаграмм после моделирования схемы, узлы которой были снабжены метками

Если вы, путем поочередной активизации одной из опций Analog или Digital, будете давать PROBE установку отражать в списке диаграмм либо только аналоговые, либо только цифровые величины, то вам станет ясен принцип указания данных моделирования подобного рода:

• аналоговые напряжения обозначаются по-прежнему (V(out), V(in), V(R1:1)), при моделировании схем с цифровыми компонентами к ним добавляются только обозначения цифровой «массы» V($G_DGND) и цифрового напряжения питания V($G_DPWR);

• для узлов, на которых расположены как аналоговые, так и цифровые компоненты, наряду с указанием аналоговых напряжений есть также указание цифровых состояний. Их имена состоят из имени соответствующей метки и окончания $AtoD или $DtoA;

• для узлов, на которых находятся исключительно цифровые компоненты, выдаются только цифровые состояния. В их обозначениях также используются имена меток.

Шаг 11 Выведите на экран PROBE аналоговые узловые потенциалы входного V(in) и выходного напряжений V(out) — см. рис. 10.10. В середине, между двумя инверторами, расположен чисто цифровой узел. Поэтому значения напряжения на нем нет.

Рис. 10.10. Временная диаграмма входного и выходного напряжения

Шаг 12 В дополнение к аналоговым напряжениям выведите на экран три цифровых состояния: in$AtoD, middlee и out$DtoA (рис. 10.11).

Рис. 10.11. Аналоговые напряжения и цифровые состояния

Вы видите, что теперь экран PROBE разделен на две части: в нижней отображаются аналоговые напряжения, в верхней представлены цифровые состояния. При желании вы можете изменять пропорции двух этих частей.

Шаг 13 Откройте в PROBE меню Plot и щелкните по строке Digital Size… (Размер цифровой части). Выделите для изображения цифровой части 15% всего экрана, чтобы привести его в соответствие с рис. 10.12.

Рис. 10.12. Экран PROBE с увеличенной аналоговой частью

 

10.2.2. Изображение неопределённых состояний в PROBE

[35]

В этом разделе вам снова понадобится то изображение, которое вы получили после выполнения предыдущего шага (см. рис. 10.12), чтобы точнее исследовать области перехода между цифровыми состояниями. Для этого вам потребуется отобразить одну из областей перехода в сильно увеличенном виде. Вам уже известны два способа увеличить фрагмент изображения в PROBE: либо внести необходимые изменения в масштаб оси координат X, вызвав из меню Plot окно X Axis Settings, либо выбрать и увеличить интересующий вас фрагмент с помощью кнопки с увеличительным стеклом. Эти способы годятся и для увеличения масштаба фрагмента цифровой части экрана PROBE. Хотя кнопка с увеличительным стеклом работает там несколько иначе.

Шаг 14 Выведите на экран изображение, как на рис. 10.12, и затем, чтобы увеличить фрагмент цифровой части, действуйте следующим образом:

1. Щелкните по кнопке с изображением увеличительного стекла, соответствующей команде View Area (см. рецепт 6 в главе 6). Курсор превратится в крест.

2. Установите курсор-крест внутри цифровой части где-нибудь на левом крае области, которую хотите увеличить, и, удерживая левую клавишу мыши, переместите его к правому краю увеличиваемой области.

3. Отпустите клавишу мыши и насладитесь видом увеличенного фрагмента.

4. Повторите процедуру, если полученного увеличения недостаточно.

5. Чтобы вернуть изображение к первоначальному состоянию, надо щелкнуть по кнопке с увеличительным стеклом (см. рецепт 6 в главе 6).

Шаг 15 С помощью только что освоенных возможностей изменения масштаба цифровой части добейтесь, чтобы изображение на вашем экране было аналогично рис. 10.13.

Рис. 10.13. Увеличенный фрагмент изображения

На рис. 10.13 видно, как в PROBE показываются неопределенные исходные состояния ТТЛ-компонентов в области от 0.8 В до 2 В: в цифровой части экрана эта область обозначается с помощью параллелограмма, в аналоговой части - стабилизированным напряжением от 0.8 В до 2 В.

Шаг 16 Еще больше увеличьте масштаб вашей диаграммы (рис. 10.14) и убедитесь в том, что при моделировании учитывается также и время распространения сигнала. Выясните, как можно связывать курсоры с различными цифровыми диаграммами. В технической литературе обычно указывается, что продолжительность хода сигнала через два инвертора должна составлять около 15-20 нс. Соответствует ли это значение результату, полученному при моделировании?

Рис. 10.14. Сильно увеличенный фрагмент изображения для определения времени распространения сигнала

 

10.2.3. Источники напряжения в цифровых схемах 

Для формирования входных сигналов (возбуждающих импульсов) в цифровых схемах в PSPICE предусмотрены специальные источники напряжения, которые хранятся в библиотеке SOURCE.slb: 

  одноразрядный источник входных сигналов;

  источник входных сигналов для 4-разрядной информационной шины; 

  источник входных сигналов для 8-разрядной информационной шины;

  источник входных сигналов для 16-разрядной информационной шины;

  генератор тактовых импульсов с регулируемой частотой следования;

  входной сигнал из файла;

  входной сигнал из редактора входных сигналов; 

  постоянный сигнал логической единицы;

  постоянный сигнал логического нуля;

  неопределенное состояние.

Следующие примеры познакомят вас с применением важнейших из перечисленных выше источников входного сигнала.

Пример 1. Формирование одноразрядного входного сигнала

Шаг 17 Загрузите на экран SCHEMATICS схему, которую вы сохранили в папке Projects под именем DIGI5.sch. Удалите источник напряжения VPULSE и установите вместо него генератор входных сигналов STIM1. После этого ваша схема должна соответствовать образцу на рис. 10.15.

Рис. 10.15. Цифровая схема с двумя инверторами с генератором входных сигналов типа STIM1 

Шаг 18 Откройте окно атрибутов источника входных сигналов (рис. 10.16), дважды щелкнув мышью по его символу.

Рис. 10.16. Окно атрибутов источника входных сигналов STIM1

Это окно атрибутов позволяет задавать шестнадцать команд. Каждая команда состоит из названия одной временной точки и соответствующего ей логического состояния, которые отделяются друг от друга пробелом. Таким образом, вы можете точка за точкой определить необходимую последовательность импульсов. При указании логических состояний в строке Value допускаются обозначения, приведенные в табл. 10.1. 

Таблица 10.1. Обозначение логических состояний

Обозначение	Значение	Изображение в PROBE
0	Сигнал логического нуля	#image258.jpg
1	Сигнал логической единицы	#image259.jpg
R	Нарастание фронта (Rise)	#image260.jpg
F	Спад фронта	#image261.jpg
X	Неопределенное состояние	#image262.jpg
Z	Высокоимпедансное состояние	#image263.jpg

Шаг 19 Определите входной сигнал по образцу на рис. 10.17, проведите моделирование схемы в интервале времени от 0 до 5 мс и выведите на экран PROBE диаграмму, изображенную на рис. 10.18 (входной сигнал здесь был определен в соответствии с рис. 10.15).

Рис. 10.17. Последовательное формирование входного сигнала генератора возбуждающих импульсов STIM1

Рис. 10.18. Диаграмма, созданная в PROBE в результате моделирования схемы, изображенной на рис. 10.15

Пример 2. Подача входного сигнала на информационную шину с тремя линиями передачи данных

Шаг 20 Загрузите на экран SCHEMATICS схему, изображенную на рис. 10.5, которую вы сохранили в папке Projects под именем DIGI4, и замените установленные в ней источники входных сигналов информационной шиной. Информационные шины прокладываются тем же способом, как и обычный проводной монтаж. Предназначенный для этого чертежный карандаш активизируется с помощью кнопки, находящейся на панели инструментов справа от кнопки для черчения простых проводов. Свяжите с информационной шиной также и отдельные провода, ведущие к цифровым модулям (рис. 10.19).

Рис. 10.19. Цифровая схема, находящаяся на одной информационной шине

Шаг 21 В качестве источника сигнала будет использован 4-разрядный генератор входных сигналов типа STIM4. Такой источник обязательно должен быть соединен со всеми четырьмя линиями передачи данных. Для этой цели вам понадобится установить резистор-эквивалент нагрузки RDummy. Создайте схему по образцу на рис. 10.19 и сохраните ее под именем DIGI_BUS.sch.

Шине и четырем ее линиям передачи данных нужно присвоить имена. Имя информационной шины должно включать в себя имена используемых линий передачи с указанием в квадратных скобках их количества.

Шаг 22 Дважды щелкните мышью по любому месту информационной шины. Откроется окно Set Attribute Value. Назовите свою шину D[3-0] и введите это обозначение в строку LABEL (рис. 10.20). Таким образом, линии передачи данных будут называться D0, D1 и D3 соответственно.

Рис. 10.20. Имя информационной шины в окне Set Attribute Value

После того как вы подтвердите введенное имя щелчком по кнопке OK, имя информационной шины появится на вашем чертеже.

Шаг 23 Теперь вам нужно снабдить линии передачи данных соответствующими метками. Сделайте это, взяв за образец первоначальный вариант схемы (рис. 10.5). Назовите линию передачи данных, которая обеспечивалась питанием за счет источника U1, — именем D0; линию, питавшуюся от источника U2, — именем D1; третью линию назовите D2. Необходимо также подсоединить к шине и линию D3. Она будет обеспечивать питанием резистор-эквивалент нагрузки RDummy. В результате ваш чертеж должен выглядеть так, как показано на рис. 10.21.

Рис. 10.21. Цифровая схема с именами, присвоенными шине и линиям передачи данных

Шаг 24 Остается провести настройку источника входных сигналов. Откройте окно его атрибутов и введите следующие значения:

• TIMESTEP=оставить без ввода;

• COMMAND1=0m 0101;

• COMMAND2=1m 0100;

• COMMAND3=2m 0F10;

• COMMAND4=3m 0011;

• COMMAND5=4m 0101;

• COMMAND6=4.5m ZZZZ;

• COMMAND7-16=оставить без ввода;

• WIDTH=4 — это разрядность информационной шины;

• FORMAT=1111 — 4-разрядный двоичный формат, возможен также ввод в шестнадцатеричной (4) и в восьмеричной (3) системах счисления;

• остальные атрибуты остаются без изменений.

Шаг 25 Запустите моделирование в интервале времени от 0 до 5 мс и выведите на экран PROBE диаграмму, изображенную на рис. 10.22.

Рис. 10.22. Результат моделирования цифровой схемы

Добавьте еще несколько диаграмм в цифровую часть экрана PROBE и затем активизируйте курсор PROBE, щелкнув по кнопке с изображением стилизованной диаграммы (см. рецепт 6 в главе 7). Обратите внимание, что для каждой точки, в которую вы устанавливаете курсор, слева от цифровой части указываются логические состояния, а в окне курсора, как и прежде, выдаются аналоговые данные (рис. 10.23).

Рис. 10.23. Изображение логических состояний с помощью курсора

 

10.3. Руководство к действию

Рецепт 1. Провести статический логический анализ

1. Установите на входах источники постоянного напряжения VDC (5 В для сигнала логической единицы, 0 В для сигнала логического нуля).

2. Откройте окно Analysis Setup и деактивизируйте все анализы.

3. Запустите процесс моделирования (см. рецепт 1 в главе 2).

4. Щелкните по кнопке с изображением большой буквы V (см. рецепт 2 в главе 2) и выведите с ее помощью на чертеж схемы индикаторы логического уровня узлов (см. рис. 10.2).

(См. раздел 10.1.)

Рецепт 2. Сформировать цифровой входной сигнал с одним разрядом

1. Разместите на чертеже схемы генератор входных сигналов типа STIM1.

2. Откройте окно атрибутов источника STIM1 (см. рис. 10.17).

3. Введите в командные строки необходимые комбинации времени состояния. Оставляйте пробел между указаниями времени и состояния!

(См. раздел 10.2.3.)

Рецепт 3. Подача входных сигналов на информационную шину

1. Разместите на чертеже соответствующий источник входных сигналов (STIM4, STIM8 или STIM16).

2. Откройте окно атрибутов установленного источника и введите в командные строки необходимые моменты времени и соответствующие им битовые комбинации. (См. пример 2.)

Рецепт 4. Начертить информационную шину

1. Щелкните по кнопке с изображением карандаша , предназначенной для черчения информационных шин.

2. Щелкните левой клавишей мыши, предварительно установив курсор-карандаш в том месте, откуда требуется начать чертить информационную шину.

3. Отпустите клавишу мыши и переместите курсор к концу шины или к месту предполагаемого изгиба.

4. Щелчком мыши зафиксируйте место изгиба или конец шины.

5. Продолжите черчение шины либо выйдите из режима черчения, нажав правую клавишу мыши.

Внимание! Режим прокладывания информационных шин ничем не отличается от режима обычного проводного монтажа.

Рецепт 5. Присвоить имя информационной шине (установить метку)

1. Дважды щелкните по одному из сегментов шины. Откроется окно Set Attribute Value (рис. 10.22).

2. Введите в строку LABEL необходимое имя, например D (от data bus). В квадратных скобках укажите количество линий передачи данных. Таким образом, имя шины D[3-0] будет означать, что она содержит линии D3, D2, D1 и D0. D3 соответствует самому старшему разряду (MSB) в командной строке для формирования входного сигнала, a D0 - самому младшему (LSB).

(См. пример 2.)

Рецепт 6. Присвоить имена отдельным линиям передачи данных (установить метки)

Всем линиям передачи данных, отходящим от одной информационной шины, необходимо присвоить такие имена, чтобы они позволили однозначно определить их принадлежность к данной шине (для сравнения см. рецепт 5).

Для этого надо привести в соответствие имена линий с именем шины, на которой они расположены (для сравнения см. рис. 10.23):

1. Дважды щелкните по линии, которой требуется присвоить имя. Откроется окно Set Attribute Value.

2. Введите в поле VALUE необходимое имя.

3. Щелкните по кнопке OK.

(См. пример 2.)

Рецепт 7 . Изменить масштаб изображения в цифровой части экрана PROBE

1. Щелкните по кнопке с изображением увеличительного стекла , соответствующей команде View Area.

2. Подведите курсор в цифровой части экрана PROBE к левому краю области увеличения и, нажав и удерживая левую кнопку мыши, переместите курсор к правому краю увеличиваемой области.

3. Отпустите кнопку мыши.

4. При необходимости повторите эту процедуру несколько раз.

5. Чтобы вернуться к первоначальному изображению, щелкните по кнопке .

(См. раздел 10.2.1.)

Рецепт 8. Определить необходимую последовательность импульсов

1. Откройте окно атрибутов источника входных сигналов (см. рис. 10.17), дважды щелкнув мышью по его символу.

2. Введите нужные команды. Каждая команда состоит из названия одной временной точки и соответствующего ей логического состояния.

(См. пример 1.)