Самосадный Автоматизированное проектирование устройств систем сбора-обработки Ч2 2015

осуществления одних и тех же видов расчетов, задаваемых разными операторами. Температура, в принципе, может изменяться как оператором .STEP, так и оператором .TEMP и .DC. В

этой связи в PSpice-расчетах принято правило: нельзя совмещать в одном задании операторы

.STEP, .TEMP, .MC, .WCASE, .DC, изменяющие одни и те же параметры.

Итак, можно использовать оператор .STEP для изучения изменения характеристик схемы в зависимости от вариации параметров компонентов. В частности, можно изучать смещение частоты среза фильтра в зависимости от изменения величины емкости конденсатора. С использованием оператора .STEP можно задавать изменение емкости, а путем использования оператора .AC исследовать семейство АЧХ и ФЧХ или с помощью .TRAN изучать изменение формы сигналов, вызванные вариацией указанной емкости.

Практическая работа со схемой проекта TB2

Рассмотрим работу со схемой проекта TB2 при проведении параметрического анализа. Схема TB2 полностью повторяет TB, однако используются новые настройки профиля. Настройки Primary Sweep, задающие изменение температуры для анализа DC Sweep представлены на рис. 3.22.

Рис. 3.22. Настройка профиля Primary Sweep схемы TB2 для DC-анализа

Изменения в настройках профиля Primary Sweep касаются увеличения шага варьирова-

ния температуры до 10 °C. Это сделано для упрощения анализа выводимых результатов Вместо Secondary Sweep вводится параметрический анализ, как представлено на рис.

3.23, где задается список параметров из двух значений.

71

Рис. 3.23. Настройка профиля Parametric Sweep схемы TB2

Вариация двух значений TC1 также осуществляется для упрощения анализа выводимых результатов.

Содержательная часть задания на моделирование для этого профиля представлена ниже.

*Analysis directives:

.DC LIN TEMP -50 150 10

.STEP RES Rbreak(TC1) LIST 0.001, 0.01

.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)

.INC ".\tb2-SCHEMATIC1.net"

**** INCLUDING tb2-SCHEMATIC1.net ****

**** RESUMING tb2-schematic1-profile1.sim.cir ****

.END

В результате выполнения расчетов получены графические результаты, как показано на рис.3.24.

72

Рис. 3.24. Графические результаты расчетов схемы TB2 при варьировании температуры от -

50 °C до 150 °C и изменении TC1 модели резистора

Как представлено на рис. 3.24, графики градуировочных кривых для двух значений ТС1 совпали. При моделировании с указанной вариацией TC1 никаких предупреждающих сообщений о несовместимости не выводится, расчеты завершаются нормально, графики выводятся в Probe. Вместе с тем вывода семейства кривых (2 кривые), как в случае с вложенными циклами для схемы TB не получается. Это можно отнести к особенностям работы используемой версии САПР.

В результате расчетов получены следующие табличные данные в выходном текстовом файле, как представлено ниже.

TEMP V(RIGHT,LEFT)

-5.000E+01 3.130E+00 -4.000E+01 2.519E+00 -3.000E+01 1.993E+00 -2.000E+01 1.536E+00 -1.000E+01 1.135E+00

0.000E+00 7.803E-01

1.000E+01 4.645E-01

2.000E+01 1.813E-01

3.000E+01 -7.389E-02

4.000E+01 -3.052E-01

5.000E+01 -5.157E-01

6.000E+01 -7.082E-01

7.000E+01 -8.848E-01

8.000E+01 -1.047E+00

9.000E+01 -1.198E+00

1.000E+02 -1.337E+00

1.100E+02 -1.466E+00

1.200E+02 -1.587E+00

1.300E+02 -1.700E+00

1.400E+02 -1.805E+00

1.500E+02 -1.904E+00

TEMP V(RIGHT,LEFT)

-5.000E+01 3.130E+00 -4.000E+01 2.519E+00 -3.000E+01 1.993E+00 -2.000E+01 1.536E+00 -1.000E+01 1.135E+00

0.000E+00 7.803E-01

1.000E+01 4.645E-01

2.000E+01 1.813E-01

3.000E+01 -7.389E-02

4.000E+01 -3.052E-01

5.000E+01 -5.157E-01

6.000E+01 -7.082E-01

7.000E+01 -8.848E-01

8.000E+01 -1.047E+00

9.000E+01 -1.198E+00

1.000E+02 -1.337E+00

1.100E+02 -1.466E+00

1.200E+02 -1.587E+00

1.300E+02 -1.700E+00

1.400E+02 -1.805E+00

1.500E+02 -1.904E+00

Как видно из этих двух таблиц, данные совпали, то есть фактически никакой вариации параметров в зависимости от изменения TC1 при проведении расчетов не было.

Это можно отнести к особенностям работы используемой версии САПР, не обеспечи-

вающей нормальнее расчеты при параметрическом анализе с использованием ТКС для резисторов (см. описание оператора .STEP, примечание 1) к опции “ Sweep variable name”).

Краткие итоги.

Осуществлен анализ DC Sweep для вариации температуры схемы TB2, при этом использовалось параметрическое задание варьирования коэффициента TC1 для одного из резисторов схемы. Графические и текстовые результаты расчетов показывают, что нормальная вариация параметров TC1 не осуществлялась. Это можно отнести к особенностям работы используемой версии САПР, не обеспечивающей подобные расчеты.

Задача 1

Для схемы TB2 требуется провести указанные выше расчеты и проверить возможность осуществления расчетов с использованием вариации TC1 в рамках параметрического анализа на Вашей версии САПР.

Задача 2

Для схемы TB2 требуется провести расчеты с получением градуировочных кривых и

табличных выходных данных в диапазоне температур от -50 °C до 150 °C и значении ТКС резистора R3 TC1=0,01. При этом в рамках Parametric Sweep («параметрического задания

параметров») должно варьироваться напряжение источника V1 от 9 В до 11 В с шагом 1 В, имитируя нестабильность по напряжению источника возбуждения моста.

В задании на моделирование должна присутствовать директива .STEP, определяющая изменение величины напряжения источника V1. Директивы задания на моделирование при этом должны содержать следующие строки:

74

*Analysis directives:

.DC LIN TEMP -50 150 10

.STEP LIN V_V1 9 11 1

Практическая работа со схемой проекта A_Filt

Для схемы проекта A_Filt (см. Приложение 3, раздел 4) проведем AC-анализ и TRAN-

анализ с вариацией резистора Rfb.

Настройка профиля General Settings для AC-анализа показана на рис. 3. 25.

Рис. 3.25. Настройка профиля General Settings для AC-анализа схемы A_Filt

Настройка профиля Parametric Sweep для AC-анализа показана на рис. 3. 26.

Рис. 3.26. Настройка профиля Parametric Sweep для AC-анализа схемы A_Filt

Необходимо обратить внимание, что варьирование параметров резистора и расчет харак-

теристик ведется с использованием задания глобальных параметров, то есть с использованием операторов .PARAM и .STEP с использованием ключевого слова PARAM.

Содержательная часть задания на моделирование для этих настроек профиля представлена ниже.

*Analysis directives:

.AC DEC 201 0.1 10MEG

.NOISE V([OUT]) V_VSig 100

75

.STEP PARAM RFB LIST 0.1, 1K, 10K, 27K

.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)

.INC ".\a_filt-SCHEMATIC4.net"

****INCLUDING a_filt-SCHEMATIC4.net ****

*source A_FILT

**** RESUMING a_filt-schematic4-ac.sim.cir ****

.END

Результаты расчетов для AC-анализа и краткий анализ результатов представлены в При-

ложении 3.

Настройка профиля General Settings для анализа TRAN показана на рис. 3. 27.

Рис. 3.27. Настройка профиля General Settings для анализа TRAN схемы A_Filt

Настройки Output File Options..показаны на рис. 3. 28.

Рис. 3.28. Настройка Output File Options.. для анализа TRAN схемы A_Filt

76

Настройка профиля Parametric Sweep для анализа TRAN показана на рис. 3. 29.

Рис. 3.29. Настройка профиля Parametric Sweep для анализа TRAN схемы A_Filt

Содержательная часть задания на моделирование для этих настроек профиля представлена ниже.

*Analysis directives:

.TRAN 0 361.45us 0 1ns

.FOUR 8300 V([V1]) V([OUT])

.STEP PARAM RFB LIST 0.1, 1K, 10K, 27K

.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)

.INC ".\a_filt-SCHEMATIC4.net"

****INCLUDING a_filt-SCHEMATIC4.net ****

*source A_FILT

**** RESUMING a_filt-schematic4-tran.sim.cir ****

.END

Результаты расчетов для анализа TRAN и краткий анализ результатов представлены в Приложении 3.

77

Задача 3

Для схемы пассивного ФНЧ с выбранной Вами частотой среза в диапазоне 1-100 кГц (см. задачу в разделе 2.3.3) получите характеристики при варьировании с использованием директивы .STEP: независимого источника, резистора или конденсатора. Получение характеристик проводите на основе примера проектирования активного фильтра, как представлено в приложении 3, раздел 4.

Данную задачу можно считать продолжением задачи в разделе 2.3.3.

Задача 4

Проверьте необходимость и оправданность оптимизации схемы формирователя аналогового сигнала на входе в АЦП по направлению снижения уровня собственных шумов схемы (см. задачу в разделе 2.3.4). Получение характеристик проводите на основе примера проектирования активного фильтра, как представлено в приложении 3, раздел 4.

Краткие итоги.

На основе изучения материалов задания 2 темы и проведенного практического моделирования можно сформулировать следующие основные выводы:

•параметрический анализ является важным дополнением к основным видам ана-

лиза DC Sweep, AC Sweep и Transient;

•для проведения параметрического (а точнее - многовариантного) анализа обязательно должна использоваться директива .STEP а не .PARAM, как может показаться на первый взгляд;

•с помощью параметрического (многовариантного) анализа можно более успешно, чем в случае с использованием вложенных циклов, идентифицировать графические результаты;

•по директиве .STEP варьируются почти все переменные за редким исключением, (в ряде версий САПР, например, нельзя варьировать температурный коэффициент TC1 для резисторов).

Подготовьте материалы по выполнению задания 2 для файла отчета.

3.3.3. Статистический анализ

Приступите к выполнению задания 3. Изучите основные сведения о порядке и правилах проведения статистического анализа (Statistical analyses), связанного с учетом разброса вели-

чин компонентов, а также сведения о получении результатов расчетов. Особое внимание следует уделить описанию и условиям применения директив .MC и .WCASE.

При выполнении пункта задания 3 необходимо освоить статистический анализ как дополнительный вид анализа к анализам DC Sweep, AC Sweep и Transient.

Команда (оператор, директива) .MC (Monte Carlo analysis)

Оператор .MC обеспечивает расчет по методу Монте-Карло изменения параметров схе-

мы за счет разброса величин компонентов. Проводится многократный расчет схемы с выбранным видом анализа (DC, AC или Transient).

При расчетах используются следующие аргументы и опции.

Опция “#runs value” (объем выборки). В профиле это выбор настройки “Number of Runs:” набора опций “Monte Carlo options”. Эта опция задает количество расчетов схемы с

вариациями параметров (величин). Для вывода в выходной текстовый файл лимитирующим значением является 2000, а для вывода в PROBE - 400.

78

Примечания.

1)В ряде версий САПР лимитирующим значением для вывода в PROBE является 100.

2)При количество расчетов схемы меньшем 100 - 200 точность метода Монте-Карло низкая. Это противоре-

чие можно разрешить, выводя для последующего просмотра результаты не всех серий расчетов (см. ниже опцию OUTPUT EVERY <N>) [3].

Опция “analysis” (вид анализа). В профиле выбирается автоматически как дополнительная настройка к указанному основному виду анализа (DC, AC или TRAN).

Опция “output variable” (выходная переменная). В профиле это выбор настройки “Output Variable:”. Указывается, значения какой переменной определяются в процессе статисти-

ческого анализа. Форма описания выходной переменной является обычной для PSpiceрасчетов (см., например, оператор .PRINT).

Опция “function” (функция, назначение расчетов). В профиле это выбор настроек окна “Function”, которое вызывается с использованием кнопки More Settings...

Примечания.

1)В PROBE можно построить как отдельные кривые для различных вариантов расчетов, так и семейства кривых. Чтобы иметь возможность проводить сравнительную оценку получающихся кривых при варьировании параметров, вводится некоторый численный критерий – «функция или соответствие назначению расчетов»,

характеризующий соответствие каждой кривой, установленному выбору. При выводе результатов статистического расчета программа PSpice-расчетов сортирует варианты расчета по заданному значению «функции»

[3].

2)При проведении расчетов в соответствии с требованиями директивы .MC, значение «функции» влияет на характер обработки получаемых результатов и выводимую информацию, но не затрагивает основы самого статистического метода [3].

«Функция» может принимать следующие значения:

•YMAX – ищется абсолютная величина наибольшего отклонения формы каждой кривой от номинальной;

•MAX – ищется максимальное значение каждой кривой;

•MIN – ищется минимальное значение каждой кривой;

•RISE_EDGE (<value>) – ищется первый момент пересечения кривой заданного порогового значения <value> (с результатом выше порога). На кривой должен быть, по крайней мере, один участок, на котором переменная хотя бы в одной точке была бы

меньше или равна заданному пороговому значению, а в последующей следующей точке – больше; выходной список значений (output value) начинается с точки, в которой кривая легла выше порога <value>;

•FALL_EDGE(<value>) – ищется первый момент пересечения кривой заданного порогового значения <value> (с результатом ниже порога). На кривой должен быть, по крайней мере, один участок, на котором переменная хотя бы в одной точке была бы больше или равна заданному пороговому значению, а в последующей следующей

точке – меньше; выходной список значений (output value) начинается с точки, в которой кривая легла ниже порога <value>.

Опция [option]. В операторе .MC могут использоваться одна или несколько следующих необязательных опций.

•LIST . В профиле это выбор строки “List model parameter values in the output file for each run” окна Function, которое вызывается с использованием кнопки More Settings... Выбор предписывает печатать перед каждым вариантом расчета значения случайных параметров элементов, используемые в данном варианте.

•OUTPUT <output type>. В профиле это редактирование/выбор в строке “Save data from” набора опций “Monte Carlo options”. Эти настройки управляют выводом результатов расчетов после первого (номинального) расчета. В целом вывод данных осуществляется под управлением операторов: .PRINT, .PLOT и .PROBE. Если данная опция отсутствует (вы-

79

бор <none>), то операторы .PROBE, .PRINT, .PLOT выдают результаты только номинального расчета. При наличии опции характер выдачи определяется спецификацией <output type> (тип вывода), которая может принимать значения:

o ALL - печатать результаты всех расчетов;

o FIRST <N> - печатать результаты первых N расчетов;

o EVERY <N> - печатать результаты каждого N-го расчета;

o RUNS <N> - проводить анализ и печатать результаты только для указанных в списке номеров расчетов (эту опцию можно использовать при повторных просчетах, когда требуется подробнее проанализировать какие-то конкретные из полученных кривых [3]). Допускается использовать до 25 величин в списке.

•RANGE (<low value>, <high value>). В профиле это редактирование/выбор строки “Evaluate only when the sweep variable is I the range:” окна Function, которое вызывается с ис-

пользованием кнопки More Settings... Задает ограничения на диапазон изменения аргумента (параметра DC, частоты при AC-анализе, времени при Transient-расчетах) при расчете «функции» “function”. В качестве <low value> или <high value> (<минимальная величина> или <максимальная величина>) может быть задан символ "*", что означает "без ограничения".

Примечания.

1)Задание настроек «функции» “function” и всех опций [option], за исключением «OUTPUT <output type>» не

влияют на результаты выводимые в постпроцессор PROBE и используются для вывода данных в выходной текстовый файл.

2)Если значения RANGE не используются «функция» “function” рассчитывается во всем диапазоне возможных величин. Это эквивалентно записи RANGE(*,*).

3)Пример записи YMAX RANGE(*,.5) определяет, что ищется абсолютная величина наибольшего отклонения формы каждой кривой от номинальной в диапазоне ≤ 5.

4)Пример записи MAX RANGE(-1,*) определяет, что ищется максимальное значение каждой кривой для значений аргумента ≥ -1.

Опция [SEED=value] (начальное число при генерации псевдослучайных чисел). В профиле это ввод чисел в строке “Random number seed:” набора опций “Monte Carlo options”.

Задается начальное значение датчика случайных чисел. По умолчанию значение SEED равно 17533 и может задаваться нечетным числом в пределах от 1 до 32767.

Примечание.

Практически во всех случаях значение по умолчанию начального числа при генерации псевдослучайных чисел обеспечивает получение одинаковых результатов расчетов при последовательном запуске программы расчетов.

При проведении анализа по директиве .MC первый расчет проводится при номинальных значениях всех параметров компонентов. Последующие расчеты ведутся с изменениями тех параметров моделей, для которых заданы допуски DEV и LOT для каждого параметра модели (см. оператор .MODEL).

Внимание!

При расчетах по методу Монте-Карло учитываются настройки операторов:

.OPTIONS (опция DISTRIBUTION);

. DISTRIBUTION;

. MODEL (спецификации DEV и LOT).

Команда (оператор, директива) .WCASE (sensitivity/worst-case analysis)

Оператор .WCASE обеспечивает анализ чувствительности схемы при выбранном виде анализа (DC, AC или Transient) к разбросу параметров моделей компонентов, а также осно-

80