Самосадный Автоматизированное проектирование устройств систем сбора-обработки Ч2 2015

Рис. 5.27. Окно Specification со списком целевых функций или выражений программы

PSPICE OPTIMIZER

В окне (см. рис. 5.27) показана целевая функция CFr, как существующая, на самом деле она пока не создана и не описаны ее параметры. Все это будет сделано на следующем шаге. Нажатием кнопки Add открывается окно (таблица, меню) для задания и редактирования параметров переменной. Внесем изменения для переменной СFr как показано на рис. 5.28.

Рис.5. 28. Окно Edit Specification для редактирования параметров целевых функций про-

граммы PSPICE OPTIMIZER

Для выполнения процесса оптимизации воспользуемся возможностью использования

стандартных целевых функций постпроцессора PROBE. Для поиска нужной частоты используем целевую функцию CenterFreq, зададим ее параметры CenterFreq(V(Out),4) в строке Evaluate и назовем имя функции CFr. Укажем на вид анализа AC. Укажем желаемое значение функции 100 кГц (100kHz) в окне Target, в окне Range укажем достаточно узкий диапазон

допустимых значений функции 0,1. Обязательно, в явном виде укажем файлы профиля моделирования и настроек постпроцессора PROBE, используемые для данного проекта (при проведении оптимизации).

Выйдем из окна редактирования и вернемся в окно настроек и отображения результатов процесса оптимизации программы PSPICE OPTIMIZER. Запуск процесса оптимизации осу-

ществляется по команде Tune>Auto>Start. По этой команде начинаются вычисления. Если запрашивается подтверждения возможности использования текущего файла графических

131

результатов *.dat можно воспользоваться и подтвердить это. В результате выполнения оптимизации будут получены результаты, отображаемые в окне настроек и отображения результатов процесса оптимизации (см. рис. 5.29).

Рис. 5.29. Окно настроек и отображения результатов процесса оптимизации программы PSPICE OPTIMIZER с полученными результатами

Как представлено в окне настроек и отображения результатов процесса оптимизации было достигнуто значение функции CFr равное 100 кГц (100kHz) при значении переменной LFr равном 3.39187 мкГн (3.39187uH) со среднеквадратичным отклонением (погрешностью)

4.634e-001 (в пределах заданного диапазона 0.1). Указанный результат достигнут на 9 итерации 13-го по счету варианта расчета.

По команде Edit>Update Schematics (Обновление схемы) программы PSPICE OPTIMIZER, в исходную схему вносятся изменения по результатам проведения оптимиза-

ции. В нашем случае меняется текущее значение величины индуктивности L2 на 3.39187 мкГн (3.39187uH). Дальнейшие расчеты проводятся уже с этим оптимизированным значением.

Запустим расчет AC Sweep с новым значением номинала индуктивности L2. Получим график АЧХ как показано ниже на рис. 5.30.

132

Рис. 5.30. АЧХ схемы колебательного контура после оптимизации величины индуктивности

L2=3.39187 мкГн

Легко можно заметить, что при использовании в схеме проекта RLC_OPT компонента L2 с величиной индуктивности L2=3.39187 мкГн резонансная частота становиться 100 кГц. Проверим это по курсору постпроцессора. После поиска экстремума для кривой V(Out) получаем значение курсора, как показано на рис. 5.31.

Рис. 5. 31. Координаты курсора после поиска экстремума кривой V(Out) на графике АЧХ схемы колебательного контура после оптимизации величины индуктивности L2=3.39187

мкГн

Из показаний координат курсора становится понятным новое значение коэффициента усиления в резонансе около 58.

В нашем случае программой PSPICE OPTIMIZER создается файл задания на оптимизацию RLC_OPT-SCHEMATIC1.OPT. Это обычный текстовый файл, содержащаяся в нем ин-

формация представлена ниже.

* Version 1.1 @status @specs

est 0 0

spec "CFr" 1 1

sim "rlc_opt-SCHEMATIC1-Profile1.sim" 0 0 "CenterFreq(V(Out),4)" "rlc_opt- SCHEMATIC1-Profile1.prb"

isint 1 isconstr 0

int 2 100k 0.1 ext "" "" "" 1% @params

param LFr 1

val 1uH 1uH 1uH 10uH 0 @controls

delta 1%

133

threshold 0 cutback 0.25 maxiters 20 opt 0

auto 1

Обратите внимание на задание целевой функции в строках 6 и 7 файла RLC_OPTSCHEMATIC1.OPT .

Файл настройки постпроцессора PROBE rlc_opt-SCHEMATIC1-Profile1.prb имеет вид как представлено ниже.

[DISPLAYS]

BEGIN DISPLAY LAST SESSION ANALYSIS AC_SWEEP

SYMBOL ALWAYS TRACECOLORSCHEME NORMAL BEGIN ANAPLOT 1

ACTIVE

XBASE

BEGIN XAXIS RANGEFLAG AUTO TYPE LOG

UNIT H BEGIN GRIDS AUTOMATIC

MAJORNUMBERS MAJORSTYLE LINES MAJORPATTERN SOLID MINORSTYLE LINES MINORPATTERN DOT END GRIDS

END XAXIS BEGIN YAXIS 1 ACTIVE RANGEFLAG AUTO TYPE LINEAR UNIT V

BEGIN GRIDS AUTOMATIC MAJORNUMBERS MAJORSTYLE LINES MAJORPATTERN SOLID MINORSTYLE LINES MINORPATTERN DOT END GRIDS

BEGIN TRACE V(IN) MARKERID 1 TRACEADDEXT

END TRACE V(IN) BEGIN TRACE V(OUT) MARKERID 2 TRACEADDEXT

END TRACE V(OUT) END YAXIS 1

END ANAPLOT 1

END DISPLAY LAST SESSION

Задача 1

Рассмотрите текст выходного файла. Познакомьтесь с текстом задания на моделирование. Проанализируйте данные файла, сделайте заключение о результатах изучения файла.

134

Задача 2

Подготовьте схему и настройки процесса оптимизации для вариации емкости C1 с целью получения резонансной частоты 100 кГц. Величина L2 должна оставаться неизменной и составлять 1 мкГн. Проведите оптимизацию, получите и объясните результаты.

Краткие итоги.

Итогом изучения материалов учебного задания 3 и решения поставленных задач является приобретение практических навыков проведения оптимизации схем с использованием программы PSPICE OPTIMIZER.

Подготовьте материалы по выполнению задания 3 для файла отчета.

Подведение итогов практических занятий по теме 4.

Подготовьте окончательный вариант файла отчета по выполненным заданиям. Сформулируйте вопросы (если они имеются). Представьте преподавателю результаты работы по теме в виде файла отчета, включая и список вопросов, если они имеются.

5.4 Рекомендации по выполнению задания

При выполнении заданий 1 и 2 не рекомендуется вносить какие-либо изменения в существующие файлы имеющихся стандартных библиотек компонентов. Всю работу с библиотеками и компонентами рекомендуется осуществлять для отдельных файлов в отдельных поддиректориях.

Внимание!

Возможности MODEL EDITOR, графический интерфейс, состав и особенности работы команд меняются от версии к версии САПР. Для обеспечения надлежащей работы с MODEL EDITOR Вашей версии САПР рекомендуется пользоваться технической документацией САПР.

135

6. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ, ТЕМА 5

Тема занятий: «Цифровое моделирование».

6.1.Учебное задание

1.Изучите возможности осуществления статического цифрового моделирования, осуществите статический логический анализ работы схем.

2.Изучите работу с цифровыми компонентами, источниками сигналов и осуществите динамическое цифровое моделирование

6.2.Рекомендации по использованию литературы

При выполнении учебного задания рекомендуется воспользоваться литературой, представленной в табл. 6-1, 6-2. Помимо этого, учебные материалы и рекомендации по изучению литературы представлены непосредственно в разделе 6.3 учебного пособия.

Таблица 6-1

Таблица 6-2

Литература, используемая при выполнении задания 2

Выполните задание 1

При выполнении задания 1 необходимо изучить основные понятия, связанные с особенностями работы программы расчета параметров при моделировании цифровых схем. Для этого требуется изучить материалы технической документации. Также рекомендуется изучить материалы раздела 4.3.1. книги [5]. Далее изучаются материалы книги [4] раздел 10.1. «PSPICE как статистический логический анализатор».

Практическая работа со схемой проекта DGT_STAT

Воспользуемся схемой 2NAND для практической работы со статическим анализом смешанной аналого-цифровой схемы. Видоизменим схему проекта 2NAND (см. тему 3), вместо элемента 2И-НЕ с использованием дискретных транзисторов поставим реальный компонент типа 2И-НЕ. Для этого из библиотеки EVAL выберем компонент 7400 (один из четырех вентилей). На выходе 7400 установим 7405 (инвертор с открытым коллектором, один из шести).

136

Для того, чтобы наблюдать изменение напряжения на выходе схемы, введем нагрузочное сопротивление RUp 1кОм. К входам компонента 7400 подключим источники сигналов V1 и V2. Будем варьировать напряжение источника V1, источник V2 в данном случае будет иметь постоянное выходное напряжение +5V.

К моделям интерфейса А/D цифровых схем источник напряжения питания подключается автоматически, а для выходного нагрузочного резистора нужно задать источник питания в явном виде. Для этого воспользуемся источником постоянного напряжения VCC, формирующим +5V на выходе.

Проект сохраним под именем DGT_STAT, схема проекта представлена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Исходный вид схемы проекта DGT_STAT

Настроим профиль моделирования на проведение анализа Bias Point. Запустим расчеты и получим результаты. Вызовем индикацию узловых потенциалов (нажав кнопку V). Полученные результаты представлены на рис.6.2.

Рис. 6.2. Индикация расчетов (вариант 1) узловых потенциалов схемы DGT_STAT

На рис. 6.2 представлен вид схемы с узловыми потенциалами. На входах A и B имеются аналоговые сигналы 0V и 5.000V. Эти потенциалы вызывают формирование логической «1» на выходе компонента 7400. Обратите внимание на то, что это логический уровень, а не аналоговый сигнал. Между двумя цифровыми компонентами в цепи Y, где отсутствуют компоненты, способные формировать аналоговый сигнал (резисторы, конденсаторы и др.), форми-

руются цифровые логические уровни. На выходе схемы Out сформирован аналоговый сигнал с уровнем 124,1 мВ (124.1mV). В принципе это нулевой уровень логического сигнала (он

меньше 0,8В), но указан точно и более правильно и информативно для оценки работы по сопряжению цифровых схем с аналоговыми компонентами.

137

Задача

Проведите варьирование входных уровней, установите таблицу истинности для элемента И-НЕ схемы DGT_STAT. Варьируя входные уровни, установите предельные значения цифровых сигналов для входных элементов ТТЛ.

Необходимо выяснить максимальное значения уровня сигнала, который воспринимается ТТЛ-элементом, как логический «0».

Необходимо выяснить минимальное значения уровня сигнала, который воспринимается ТТЛ-элементом как логическая «1».

Далее необходимо оценить диапазон неопределенного состояния по выходам при вариациях напряжений входов.

Краткие итоги.

Итогом изучения материалов учебного задания 1 и решения поставленных задач является приобретение практических навыков проведения статического анализа поведения цифровых схем.

Подготовьте материалы по выполнению задания 1 для файла отчета.

Выполните задание 2

Перед выполнением практического задания необходимо детально изучить предложенные разделы технической документации. Дополнительно рекомендуется познакомиться с материалами книг [4] и [5].

Для выполнения практической работы по исследованию динамических характеристик цифровых схем можно воспользоваться схемами проектов DGT1 и DGT2.

Практическая работа со схемой проекта DGT1

Схема проекта DGT1 представляет собой включение счетчика 74161 для пересчета поступающих на вход CLK тактовых частот (деления тактовой частоты). Элемент 74161 представляет собой четырехразрядный двоичный счетчик с асинхронной установкой в состояние

логического нуля и имеет отечественный аналог К155ИЕ10. Схема включения счетчика представлена на рис. 6.5.

139

Рис. 6.5. Схема проекта DGT1

Работа схемы (см. рис. 6.5) заключается в формировании на выходах QA, QB, QC и QD бинарного 4-разрядного кода, соответствующего числу поступающих на вход CLK импульсов. По выходу RCO формируется сигнал переноса, индицирующий переполнение счетчика, то есть достижение значения счета 1111. Выход RCO может быть использован для наращивания разрядности счетчика. Входы разрешения, загрузки и сброса установлены в режим разрешения счета.

На вход счетчика подается тактовая частота (меандр) с периодом повторения 2 МГц.

Задача 1

Для схемы проекта DGT1 необходимо получить графики выходных цифровые сигналов по выходным линиям A, B, C, D и RCO. Требуется сравнить эти графики с графиком входной

тактовой частоты. Требуется получить графики выходных аналого-цифровых сигналов OUTAn, OUTBn, OUTCn, OUTDn, и OUTRCOn. Для аналого-цифровых сигналов требуется

получить графики токов, текущих через резисторы RUp1-5, а также результаты преобразования Фурье для графиков напряжений на выходах.

Объясните полученные результаты.

Задача 2

Необходимо изменить схему проекта DGT1 объединив по выходам микросхему U2 (Монтажное ИЛИ), с одним подтягивающим резистором к напряжению питания. Для модифицированной схемы проекта DGT1 получите график выходного сигнала, изучите его спектральный состав и текущие через нагрузочный резистор токи.

140