Московский авиационный институт

(государственный технический университет)

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

ПО КУРСУ

«УЗЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ»

Методические указания созданы на основе:

Крючков В.В., Следков Ю.Г. Моделирование электронных устройств: Учебное пособие. – М.: Изд-во МАИ, 2007. – 84 с: ил.

ВВЕДЕНИЕ

Моделирование электрических процессов в силовых преобразовательных устройствах позволяет существенно сократить цикл проектирования. Особенно эффективным моделирование оказывается в устройствах, на выходе которых формируются сложные многоимпульсные регулируемые напряжения, изменение параметров которых в реальных экспериментальных образцах требует больших материальных и временных затрат.

Моделирование электрических процессов осуществляется с помощью программы PSpice, основу которой составляет программа SPICE2, созданная в калифорнийском университете Беркли в начале 1970-х годов. Функциональные возможности программы SPICE и ее быстродействие стали стандартом для программ, моделирующих аналоговые устройства. Отсюда и название программы – Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis – программа моделирования с акцентом на интегральные схемы.

Программа PSpice использует те же алгоритмы и форматы представления входных и выходных данных, что и SPICE2. Дополнительно в ней создан графический постпроцессор Probe для графического представления результатов моделирования с использованием графических возможностей персонального компьютера. Кроме того, добавлена программа создания математических моделей полупроводниковых компонентов Model Editor (в ранних версиях называемая Parts). Следовательно, о PSpice можно говорить как о программном комплексе или системе моделирования аналоговых устройств.

Первая версия PSpice позволяла моделировать только аналоговые устройства. С ее помощью можно рассчитывать переходные процессы при воздействии различных входных сигналов, проводить спектральный анализ, рассчитывать режимы по постоянному току, частотные характеристики и многие другие характеристики нелинейных и линеаризованных аналоговых устройств. Однако следующие версии программы PSpice, начиная с версии 3.05, позволяют моделировать устройства сопряжения аналоговых и цифровых устройств, а, начиная с версии 4.0, и смешанные аналого-цифровые и цифро-аналоговые устройства.

Первые версии PSpice не имели никакой управляющей оболочки, поэтому файлы, описывающие электрические соединения в схемах, создавались и просматривались с помощью редактора Norton Commander, а запуск соответствующих программ (утилит) осуществлялся подсоединением приготовленных входных, или полученных выходных файлов к соответствующим ехе-файлам.

Система моделирования, входящая в программу OrCAD 9.2 (более ранние версии назывались MicroSim и DesignLab), позволяет осуществлять графический ввод электрических схем, автоматически создавая необходимые текстовые файлы, что существенно упрощает создание схем моделей и анализ полученных результатов моделирования.

Основные виды анализа, которые можно проводить с помощью программы PSpice:

1. Расчет по постоянному току.

2. Расчет по переменному току (частотный анализ).

3. Расчет переходных процессов (расчет во временной области).

Последний вид анализа является наиболее важным и информативным при моделировании электронных схем.

Структура системы моделирования

Структура системы моделирования электрических процессов в схемах показана на рис. 1.

Рис. 1

Система состоит из следующих основных программ (утилит).

Schematics – графический редактор, предназначенный для создания графического изображения схем моделей из элементов, содержащихся в библиотеках системы. Одновременно он является управляющей оболочкой всей системы, из которой можно запускать все основные программы (утилиты) системы. Часто Schematics называют графическим препроцессором.

PSpice – программа моделирования аналоговых и смешанных цифро-аналоговых и аналого-цифровых устройств.

StmEd – редактор входных сигналов (аналоговых и цифровых); сигналы можно задавать как с помощью текстовых файлов, так и в графическом виде.

Probe – программа (утилита) для графического отображения, обработки, анализа и печати результатов моделирования.

Model Editor – программа (утилита) для создания моделей полупроводниковых устройств и определений подсхем с помощью расчета параметров моделей полупроводниковых приборов (в ранних версиях называлась Parts).

PSpice Optimizer – программа оптимизации параметров моделируемого устройства.

В библиотеках (Libraries) содержится текстовая информация о параметрах моделей элементов (*.lib) и их графических символах (*.slb).

Моделирование электронных схем производится в несколько этапов:

1. Составление принципиальной схемы устройства: ввод на рабочий стол программы Schematics компонентов (резисторов, конденсаторов, полупроводниковых приборов, источников питания и сигналов и т.д.), их соединение между собой проводниками, задание параметров компонентов.

2. Выбор вида анализа, задание необходимых параметров.

3. Выполнение анализа.

4. Исследование результатов моделирования.

5. При необходимости, коррекция принципиальной схемы с целью получить желаемые свойства исследуемого устройства.

Ввод схемы модели

Общий вид управляющей оболочки (графического редактора) Schematics показан на рис. 2.

Рис. 2

В табл. 1 приведены действия с мышью при вводе изображения схемы.

Таблица 1

Кнопка	Действие	Результат
Левая	Один щелчок	Выбор
Левая	Двойной щелчок	Окончание режима
Левая	Shift + один щелчок	Выбрать (отменить выбор) одного или нескольких элементов
Правая	Один щелчок	Прервать режим
Правая	Двойной щелчок	Повторить предыдущее действие

Пассивные компоненты. Пассивными компонентами электрической схемы являются резисторы, конденсаторы и дроссели. Большинство этих элементов при использовании в реальных схемах являются почти идеальными. Поэтому при моделировании электрических схем их можно принимать идеальными. Резистор, конденсатор и дроссель являются зарезервированными компонентами PSpice и описываются символами Rxxx, Lxxx и Сххх, где ххх – любое сочетание латинских букв и цифр, используемых для полного описания компонента.

Для описания параметров элементов используются базовые электрические величины – вольты (V), амперы (А), омы (Ohm), фарады (F) и генри (Н). Величины элементов можно задавать либо десятичными числами, либо числами с плавающей точкой, например 3.14, 0.179, либо 1.2е-6, 7.5е3. Кроме того, существуют специальные обозначения различных степеней 10 (табл. 2).

Таблица 2

10-12	10-9	10-6	10-3	10-3	10-6	10-9	10-12	10-15
Т	G	Мeg	k	m	u	n	p	f
Тера	Гига	Мега	кило	милли	микро	нано	пико	фемто

В программе "Мега" нужно обозначать как Meg, а кило – малой буквой k.

По первому символу программа сама различает, какой элемент введен в модель. Поэтому величины пассивных компонентов, а также источников напряжения и тока можно задавать только символом, приведенным в табл. 2, опуская размерность. Например: 10u, 4.7Meg и т.п. Причем, между числом и символом не должно быть пробела.

Имена компонентов. Имена компонентов начинаются с букв, зарезервированных для них в программе.

Первая буква обозначения указывает на тип устройства (компонента), который будет описан. Как правило, эти буквы соответствуют стандартным обозначениям компонентов электрических схем, например R – резистор, С – конденсатор, Q – биполярный транзистор и т.д. Оставшиеся символы имени компонента могут быть как буквами (прописными и строчными), так и цифрами.

Кроме того, можно использовать нижнюю черту "_" и знак доллара "$". Максимальная длина имени компонента может составлять 80 символов.

Независимые источники. При создании модели электрической схемы в нее необходимо включать источники энергии. В качестве таких источников используются независимые источники постоянного напряжения (с фиксированным напряжением), или источники постоянного тока (обеспечивающие протекание фиксированного тока – стрелкой показано направление протекания тока) – VDC, VSRC, IDC, ISRC (рис. 3). Они описываются по тем же правилам, что и пассивные компоненты, т.е. Vxxx – источник напряжения, либо Ixxx – источник тока.

Рис. 3

Источники VSRC и ISRC можно использовать для любых видов анализа. Для этого необходимо задействовать соответствующий параметр DC, АС или TRAN. Их параметры изменяются с помощью окна, аналогичного представленному на рис. 10. Напряжение или ток источников VDC и IDC изменяется в окне Set Attribute Value, вызываемом двойным щелчком мыши по 0V или 0А. У источников тока стрелкой показано направление протекания тока.

По общепринятому соглашению ток вытекает из положительного вывода источника, протекает по схеме и втекает в отрицательный вывод источника. Когда требуется вывести ток, протекающий через какой-либо элемент, то "через" означает, что ток втекает в первый (положительный) вывод элемента и вытекает из второго (отрицательного) вывода. Следовательно, ток источника напряжения может быть выведен как отрицательный, поскольку ток, втекающий в узел, считается положительным, а вытекающий – отрицательным. В случае источника напряжения ток вытекает из положительного узла.

При вводе схемы необходимо помнить, что каждый элемент схемы имеет условный положительный вывод (1), в который в первый момент времени втекает ток, и условный отрицательный вывод (2), из которого ток вытекает (рис. 2,а). Поэтому положительный вывод источника питания (условный в случае источника переменного напряжения или тока) необходимо всегда соединять с положительным выводом элемента. В противном случае результаты могут быть некорректными.

Любой элемент можно вращать против часовой стрелки (Ctrl+R) (команда меню Edit/Rotate – рис. 2,б) или отобразить зеркально (Ctrl+F) (команда меню Edit/Flip – рис. 2,в) относительно условного вывода 1, предварительно выбрав его (табл. 1). Если после вращения элемента на экране остались лишние линии, то можно выполнить обновление экрана либо нажатием (Ctrl+L), либо командой меню View/Redraw.

ЗАДАНИЕ 1.

Нарисуем схему модели, показанной на рис. 2,г. Сначала введем модель простого источника постоянного напряжения VSRC.

1. Выбрать пункт меню Draw/Get New Part, либо комбинацией клавиш Ctrl+G, либо с помощью кнопки на панели инструментов (рис. 2) вызвать диалоговое окно Part Browser и в поле Part Name напечатать VSRC (рис. 4,а). Либо с помощью кнопки Libraries вызвать список библиотек, выбрать библиотеку source.slb и в ней источник постоянного напряжения VSRC (рис. 4,б).

2. Один раз щелкнуть левой кнопкой мыши, чтобы установить элемент.

3. Один раз щелкнуть правой кнопкой мыши, чтобы выйти из режима установки элемента.

Теперь установим резисторы.

1. Вызвать диалоговое окно Part Browser и в строке ввода напечатать R, либо найти в списке библиотек библиотеку analog.slb.

2. Однократно щелкнуть левой кнопкой мыши, чтобы установить R1 и еще раз, чтобы ввести R2. Комбинацией клавиш (Ctrl R) вращать резистор R2 так, чтобы его вывод 1 оказался наверху. Однократно щелкнуть правой кнопкой мыши для завершения режима ввода.

а)	б)

Рис. 4

Нужно помнить, что все расчеты программа PSpice проводит относительно "земли", которая всегда является нулевым (0) узлом схемы. Поэтому в схему следует поместить символ "земли", выбрав в окне Part Browser библиотеку port.slb, а в ней – элемент AGND, либо AGND и поместить его так, как показано на рис. 2,г.

Для соединения элементов между собой проводниками выберите пункт меню Draw/Wire (Ctrl+W), либо нажмите кнопку рисования проводников (рис. 2). Курсор примет форму карандаша.

Один раз нажмите левую кнопку в месте начала проводника и сделайте двойной щелчок в месте его окончания. Курсор примет первоначальную форму. Для возобновления режима рисования проводов сделайте двойной щелчок правой кнопкой мыши или нажмите клавишу пробела.

При рисовании схем необходимо помнить, что в схеме не должно быть неподсоединенных выводов. Если такие выводы будут, то появится сообщение об ошибке – так называемых "висячих" (неподсоединенных) узлах или выводах (Floating pin... или Node ... is floating).

Все узлы (места соединения двух и более элементов) схемы должны иметь имена (номера). Программа Schematics назначает номера автоматически в процессе ввода соединительных проводников. Формат номера – $N_xxxx, где xxxx – цифры, начиная от 0001. Этот номер не показывается на схеме, что затрудняет её анализ.

Для упрощения анализа результатов проводникам, соединяющим элементы, можно присвоить номера или буквенные обозначения. Для этого нужно дважды щелкнуть левой кнопкой мыши по соответствующему проводнику и в появившемся диалоговом окне Set Attribute Label в поле LABEL поставить необходимую цифру или букву.

Вывод результатов моделирования. Таблицы и графики. При моделировании схемы производится расчет потенциалов всех узлов, токов всех элементов, а также дополнительных параметров. Эти данные сохраняются в выходном файле с расширением .out. Если расчет сложен, размер файла может быть в сотни мегабайт. Очень часто многие параметры не нужны для анализа схемы. Чтобы не перегружать выходной файл лишними данными, можно указать только необходимые. Это делается с помощью пробников потенциала и тока (рис. 2). Пробники устанавливаются на те узлы и элементы схемы, данные которых нам нужны. Далее выбираем Analyses / Probe setup / Data collection и указываем выводить только заданные параметры (рис. 5).

Рис. 5

Результаты расчетов выводятся в выходной файл .out. Для схемы рис. 8 они выглядят следующим образом:

Rvar V(2) I(R_R2)

1.000E+03 5.000E+00 5.000E-03

2.000E+03 6.667E+00 3.333E-03

3.000E+03 7.500E+00 2.500E-03

4.000E+03 8.000E+00 2.000E-03

5.000E+03 8.333E+00 1.667E-03

6.000E+03 8.571E+00 1.429E-03

7.000E+03 8.750E+00 1.250E-03

8.000E+03 8.889E+00 1.111E-03

9.000E+03 9.000E+00 1.000E-03

1.000E+04 9.091E+00 9.091E-04

Теперь схема готова к моделированию.

Сохраняем схему под именем divider.sch.

Необходимо помнить, что полный путь к папке, в которой сохраняется файл схемы, должен содержать только латинские буквы, цифры, знак подчеркивания «_». Русские буквы, пробелы и другие специальные символы недопустимы!

Например:

D:/3O315/DIVIDER

Папку можно создать в диалоговом окне Сохранения файла нажатием правой кнопки мыши и выбором Создать –> Папку. Ввести имя папки (3O315). Если нужно, создать вложенную папку (вложенные папки) (DIVIDER). Сохранить файл (divider.sch).

В процессе работы программа создает дополнительные служебные файлы в выбранной (или созданной) папке. Эти файлы имеют различные расширения, а их имена такие же, как у файла .sch (в нашем случае – это имя divider).

Обозначим точку схемы, в которой необходимо рассчитать режим по постоянному току. Для этого в окне Part Browser наберем VIEW и поместим этот символ так, как показано на рис. 2,г.

Запустим программу моделирования клавишей F11 или кнопкой Запуск моделирования (рис. 2). После окончания расчета над символом появится значение напряжения (в нашем случае 5V). То же напряжение появится и в выходном файле, который можно просмотреть либо из окна РSpice, вызвав пункт меню View/Output File, либо из Schematics, вызвав пункт меню Analysis/Examine Output. В выходном файле это выглядит следующим образом:

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 10.0000 ( 2) 5.0000