Самосадный Автоматизированное проектирование устройств систем сбора-обработки Ч2 2015

ванный на этом анализе расчет наихудшего случая по заданному критерию, определяемой опцией “function”.

При расчетах используются следующие аргументы и опции.

Опция “analysis” (вид анализа). В профиле выбирается автоматически как дополнительная настройка к указанному основному виду анализа (DC, AC или TRAN). Спецификация «вид анализа» в операторе .WCASE указывается DC, или AC, или TRAN. Таким образом определяется, для какого из видов анализа проводится анализ чувствительности и расчет наихудшего случая. Для этого вида анализа проводится многократный расчет при варьировании параметра модели компонентов. Все остальные виды анализа, указанные в задании на моделирование схемы, проводятся один раз при номинальных значениях параметров элементов.

Опция “output variable” (выходная переменная). В профиле это выбор настройки “Output Variable:”. Указывается, значения какой переменной определяются в процессе статистического анализа (к значениям какой переменной относится заданный критерий наихудшего

случая). Форма описания выходной переменной является обычной для PSpice-расчетов (см., например, оператор .PRINT).

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

Во всех трех видах анализа (DC, AC, TRAN), которые могут использоваться при расчете наихудшего случая, получается некоторая зависимость выходной переменной: от аргумента оператора DC, от частоты, от времени. На этих зависимостях (графиках кривых) и задается некоторый критерий задаваемый опцией “function”, определяющий качественные показатели работы схемы и служащий для формулировки понятия "наихудший случай" [3]. За основу принимаются параметры схемы, вычисляемое при первом «номинальном» проходе програм-

мы расчетов, далее вычисляются и сравниваются отклонения от номинального прохода

(nominal and subsequent runs).

«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 поро-

гового 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 .WCASE 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 обновленные параметры модели для анализа чувствительности при выводе данных в текстовый файл. На данные выводимые в постпроцессор PROBE эта опция не влияет.

•OUTPUT ALL. В профиле это выбор строки “Save data from each sensitivity run” набора опций “Worst-case/Sensitivity options”. Эта настройка управляет выводом результатов рас-

81

четов после первого (номинального) расчета. В целом вывод данных осуществляется под

управлением операторов: .PRINT, .PLOT и .PROBE. Если выбор данной опции отсутствует, то операторы .PRINT, .PLOT, .PROBE выдают результаты только номинального расче-

та и наихудшего расчета. При наличии опции в PROBE выдается вся информация о результатах расчетов.

•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 величи-

на> или <максимальная величина>) может быть задан символ "*", что означает "без ограничения".

•HI или LOW. В профиле это выбор опции “Worst-Case direction” окна Function, которое вызывается с использованием кнопки More Settings... Задает направление, по которому при расчетах производится изменение параметров расчетов (по отношению к номиналь-

ному значению). По умолчанию для значений «функции» YMAX и MAX используется HI, а для остальных - LOW.

•VARY <спецификация>. В профиле это выбор набора значений в строке “Vary devices that have ___ tolerances” набора опций “Worst-case/Sensitivity options”. Эта настройка опреде-

ляет, какие параметры моделей варьируются в процессе расчета. <спецификация> может принимать значения:

oDEV - варьируются только параметры, допуск на разброс которых описан как DEV (разброс параметров от компонента к компоненту);

oLOT - варьируются только параметры, допуск на разброс которых описан как LOT (разброс параметров от партии к партии компонентов);

oBOTH - варьируются параметры, имеющие описания или DEV, или LOT, или и то и другое (данная спецификация используется по умолчанию).

•DEVICES (list of device types) В профиле это выбор набора значений в строке “Limit devices to type(s):” набора опций “Worst-case/Sensitivity options”. По умолчанию в расчетах чувствительности и анализе работы схемы на наихудший случай участвуют все компоненты. По списку <список типов компонентов> задается список типов компонентов, параметры которых варьируются. Если требуется ограничиться только несколькими типами компонентов, следует задать эту опцию и сформировать <список типов компонентов>. В него

записываются без пробелов и других разделителей символы, обозначающие соответствующие типы компонентов.

Примечания.

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

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

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

4)Когда используются настройки параметров модели VARY BOTH расчеты чувствительности для параметров, с заданными спецификациями DEV и LOT, осуществляются для значений LOT. Далее, параметры увеличи-

ваются до максимального или минимального пределов (maximized or minimized) используя разбросы по LOT и DEV для анализа на наихудший случай.

Расчеты или, точнее, проходы расчетов (multiple runs) при проведении данного вида анализа осуществляются при изменении параметров. В отличие от расчетов с использованием оператора .MC, оператор .WCASE определяет порядок расчетов с изменением только одного параметра за проход (run). Сначала проводится заданный вид анализа при номинальных значениях параметров. Затем осуществляется многократный расчет при изменении каждый раз

82

одного параметра модели компонента. На основании этих расчетов вычисляются коэффициенты чувствительности заданного критерия к каждому параметру моделей и по ним определяется наихудшее сочетание параметров. И в заключении рассчитывается схема для этого наихудшего сочетания параметров.

Одновременно проводить расчеты по операторам .MC и .WCASE нельзя.

Команда (оператор, директива) .DISTRIBUTION (user-defined distribution)

Оператор .DISTRIBUTION обеспечивает проведение статистического анализа с задавае-

мым пользователем законом распределения. Зависимость, задаваемая по команде

.DISTRIBUTION определяет закон или кривую распределения (distribution curve) с относительной вероятностью появления случайных чисел, служащих для выбора отклонений параметров моделей при PSpice-расчетах.

Примечание.

В некоторых версиях САПР директива .DISTRIBUTION используется только для анализа по методу Мон- те-Карло.

При расчетах используются следующие аргументы и опции.

Набор (<deviation> <probability>).

Описание закона распределения в операторе .DISTRIBUTION состоит из пар значений <deviation> <probability> (<отклонение> и <относительная вероятность>). Может быть ука-

зано до 100 таких пар.

Величины <отклонение> лежат в пределах от -1 до 1, что соответствует диапазону рабочих значений генератора случайных чисел. Каждое следующее значение величины <отклонение> должно быть не меньше предыдущего, но может быть равно ему.

Величины <относительная вероятность> представляют собой относительные значения вероятностей и должны быть положительными или равными нулю.

Name. (Имя).

Заданное в операторе .DISTRIBUTION имя может при желании быть задано как имя закона распределения по умолчанию с помощью опции DISTRIBUTION оператора .OPTIONS.

Примечание.

В одном задании на моделирование может быть несколько операторов .DISTRIBUTION, определяющих разные законы распределения с разными именами.

Практическая работа со схемой проекта A_Filt

Для схемы проекта A_Filt (см. Приложение 3, раздел 5) проведем статистический анализ работы схемы как дополнение к AC-анализу и TRAN-анализу. Схема и результаты расчетов

представлены в приложении 3.

Настройка профиля General Settings для AC-анализа показана на рис. 3. 30.

83

Рис. 3.30. Настройка профиля General Settings для AC-анализа схемы A_Filt

Настройка профиля Monte Carlo/Worst Case для AC-анализа и проведения расчетов по методу Монте-Карло показана на рис. 3. 31.

Рис. 3.31. Настройка профиля Monte Carlo/Worst Case для AC-анализа ФНЧ при расчетах по методу Монте-Карло

Остальные настройки профиля (см. More Settings) по умолчанию.

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

*Analysis directives:

.AC DEC 501 0.1 1000MEG

.NOISE V([OUT]) V_VSig

.MC 200 AC V([OUT]) YMAX OUTPUT EVERY 20

.OPTIONS DISTRIBUTION GAUSS

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

.INC ".\a_filt-SCHEMATIC5.net"

**** INCLUDING a_filt-SCHEMATIC5.net ****

84

Необходимо обратить внимание, что выбор гауссова распределения параметров осуществляется с использованием директивы .OPTIONS, как представлено в строке:

.OPTIONS DISTRIBUTION GAUSS

Также необходимо обратить внимание на использование моделей резисторов и конденсаторов с использованием задания разброса параметров: DEV=5% и DEV=10%.

Настройка профиля Monte Carlo/Worst Case для AC-анализа и проведения расчетов на наихудший случай показана на рис. 3. 32.

Рис. 3.32. Настройка профиля Monte Carlo/Worst Case для AC-анализа ФНЧ при расчетах на наихудший случай

Директивы управления заданием для настроек профиля на рис. 3. 32 (для AC-анализа, см. рис. 3.30) представлены ниже.

85

*Analysis directives:

.AC DEC 501 0.1 1000MEG

.NOISE V([OUT]) V_VSig

.WCASE AC V([OUT]) YMAX VARY BOTH HI

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

.INC ".\a_filt-SCHEMATIC5.net"

Итогом рассмотрения полученных при расчетах характеристик является заключение о необходимости повышения точности резисторов и конденсаторов для поддержания требуемых характеристик схемы ФНЧ.

Задача 1

Проведите все расчеты как представлено в приложении 3, раздел 5 для схемы проекта A_Filt, установите и подтвердите допустимый уровень точности для используемых в схеме резисторов и конденсаторов.

Задача 2

Для одной из схем, используемой при проведении DC-анализа проведите статистический анализ как дополнительный вид анализа к DC Sweep. Требуется подтвердить работоспособность схемы и установить требуемую точность резисторов и конденсаторов.

Краткие итоги.

На основе изучения материалов задания 3 темы и проведенного практического моделирования схем можно сформулировать следующие основные выводы:

•статистический анализ является важным дополнением к основным видам ана-

лиза DC Sweep, AC Sweep и Transient;

•для проведения статистического анализа могут использоваться директивы:

.OPTIONS (опция DISTRIBUTION);. DISTRIBUTION; .MODEL (спецификации DEV и

LOT);

•с помощью статистического анализа можно осуществлять оценку возможности сохранять работоспособность схем и поддерживать требуемый уровень параметров схем при работе с реальными компонентами, для которых необходимо учитывать разброс их параметров, возникающий при изготовлении компонентов или/и возникающий за счет учета условий эксплуатации (например, вариации емкости конденсаторов в зависимости от температуры).

Подготовьте материалы по выполнению задания 3 для файла отчета.

Подведение итогов практических занятий по теме 2.

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.

3.4 Рекомендации по выполнению задания

При выполнении пункта задания 1 обратите внимание на то, что при проведении DC Sweep анализа в некоторых версиях САПР перестает нормально работать отображение на схеме напряжений в узлах цепи и токов компонентов. В лучшем случае отображается, например действующие токи и потенциалы для последнего рассчитанного значения источника

86

при варьировании его параметров. При этом действующее (введенное в атрибутах значение величины напряжения не учитывается). Иногда могут быть проблемы даже с выводом значений токов, напряжений и мощности (значения не отображаются). Для нормальной работы в режиме отображения токов, напряжений и мощности на схеме рекомендуется перейти в настройках профиля на вид анализа Bias Point и проводить расчеты для этого вида анализа.

Внимание!

Демо-версии пакета программ могут не поддерживать в полном объеме проведение расчетов шумов, спектральный и статистический анализ. В этом случае рекомендуется отказаться от проведения данного вида анализа или пользоваться полной версией САПР.

При работе с мостом из терморезисторов необходимо иметь в виду следующее. Не обязательно ставить в плечо моста один резистор-датчик, достаточно часто используют и включение двух резисторов, используемых в качестве датчиков в разные плечи моста. Для остальных резисторов (не датчиков температуры) также неплохо бы внести некие изменения их номиналов в зависимости от температуры. Хорошо, если все резисторы находятся при одинаковых температурах. Однако, достаточно часто, на практике, их температуры могут отличаться. Отдельная вариация температур для каждого компонента в PSpice-расчетах не предусмотрена. Для решения этих проблем можно попытаться внести коррективы в модели обычных резисторов или даже заменить их на другие компоненты, включая ABM, комбинацию зависимых источников и пр. Использование источника напряжения в качестве питания моста не совсем корректно. По современным представлениям более правильным считается установка генератора тока, подобные прецизионные источники выпускаются в интегральном исполнении.

При выполнении заданий 1-3 и анализа результатов рекомендуется обратить внимание на содержание книги [4]. Представленные там рецепты могут помочь в осуществлении практических расчетов (наверное, за исключением рецепта 7).

При работе с вложенными циклами получение качественных графических результатов является делом весьма проблематичным. В этом случае можно попытаться получить текстовые значения в выходном файле.

При выполнении заданий по теме 2 необходимо помнить следующее. Параметры схем могут изменяться операторами: .DC, .STEP, .MC и .WCASE. Чтобы в подобных случаях не возникало недоразумений, в PSPICE принято правило: нельзя совмещать в одном задании на моделирование операторы, изменяющие одни и те же параметры. Поэтому операторы .MC и

.WCASE всегда несовместимы друг с другом, а операторы .DC и .STEP несовместимы в некоторых случаях. Например, можно совместить в задании оператор .MC и операторы .DC или .STEP, изменяющие напряжение каких-либо источников. Но эти операторы нельзя объединить, если .DC или .STEP изменяют параметры резистора [3].

Внимание!

При выполнении заданий по теме 2 возможно придется редактировать свойства компонентов и вводить новые переменные и параметры. Часть из них впоследствии будет сложно или невозможно удалить. В этом случае необходимо помнить о возможности прямого редактирования файла prefprop.txt или копирования его заранее подготовленной резервной копии. Рабочая версия файла находится в поддиректории \CAPTURE рабочей директории пакета САПР.

87

4. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ, ТЕМА 3

Тема занятий: «Формирование начальных воздействий и обработка результатов».

4.1.Учебное задание

1.Изучите возможности обработки результатов, а также примените на практике наиболее

характерные решения по обработки результатов и преобразованию данных в постпроцес-

соре PROBE.

2.Изучите особенности использования макросов и целевых функций для получения и обработки результатов вычислений в постпроцессоре PROBE.

3.Изучите возможности формирования начальных воздействий, а также примените на прак-

тике наиболее характерные решения по формирования сигналов начальных воздействий, создаваемых и модифицируемых с помощью редактора входных сигналов Stimulus Editor.

4.2.Рекомендации по использованию литературы

При выполнении учебного задания рекомендуется воспользоваться литературой, представленной в табл. 4-1, 4-2, 4-3. Помимо этого, учебные материалы и рекомендации по изучению литературы представлены непосредственно в разделе 4.3 учебного пособия.

Таблица 4-1

88

4.3. Порядок выполнения задания

Выполните задание 1

При выполнении пункта задания 1 необходимо изучить особенности обработки сигналов в постпроцессоре PROBE и освоить практическую работу по осуществлению преобразования и формирования сигналов в постпроцессоре PROBE. Перед началом проведения расчетов необходимо познакомиться с особенностями работы с программой PROBE, описанными в технической документации и изучить описание директивы .PROBE. Также рекомендуется познакомиться с материалами книг [4] и [5]. При изучении материалов необходимо помнить, что к изучению макросов и целевых функций мы вернемся в следующем пункте задания. Необходимо также иметь в виду, что в книгах [4] и [5] описывается программа PROBE и уста-

навливается связь с расчетами, характерными для САПР на основе использования редактора

SCHEMATICS.

Измерение амплитуды в децибелах

Проведите расчеты для схемы активного фильтра проекта A_Filt. Этот проект представ-

лен в приложении 3 и использовался в темах 1 и 2. Получите АЧХ схемы для сигналов на выходе схемы, как показано на рис. 4.1.

Рис.4.1. АЧХ схемы A_Filt

АЧХ, в виде как представлено на рис.4.1 трудно использовать, например, для измерения, крутизны характеристики.

Для удобства определения характеристик, принятых для описания работы фильтров, требуется представление амплитуды сигнала или усиления сигнала в децибелах. Для напряжений отношение двух сигналов в децибелах определяется по формуле:

где:

V1 – преобразуемая величина напряжения ([В]);

V2, [В] – величина, относительно которой вычисляется логарифм соотношения напряжений V1/V2, в нашем случае может принимать значение 1 В или 1∙10-6 В.

Хотя децибел используют для определения отношения двух сигналов, в технической литературе часто вводят абсолютные величины, имея в виду использование в качестве V2 неких «эталонных» или опорных амплитуд сигналов. Часто в качестве опорных значений используют величины в 1 В или 1 мкВ. В этом случае получают значения в децибел-вольтах или децибел-микровольтах. Обычно обозначение в децибел-вольтах (дБВ) или (dBV) использу-

89

ют, не указывая единицу измерений «вольт», то есть дБ или dB. Для обозначения децибелмикровольт используют сокращение дБмкВ или, с учетом применения в САПР – dBuV.

В постпроцессоре PROBE значение в дБ можно задавать следующим образом. Для гра-

фика, представленного на рис. 4.1 выполним команду: Trace>Add Trace.. По этой команде открывается окно Add Traces. В нижней части окна расположена строка “Trace Expression:”,

в редакционное поле которой можно набрать выражение DB(V(OUT)), как показано на рис.

4.2.

Рис.4.2. Окно Add Traces с набранным выражением DB(V(OUT))

После нажатия кнопки OK появляется АЧХ, где значение нормированной амплитуды или усиления (коэффициента усиления) представлено в децибелах, см. рис. 4.3.

Рис.4.3. АЧХ схемы A_Filt с величиной амплитуды по оси Y в дБ

Из АЧХ, как представлено на рис. 4.3, в постпроцессоре PROBE можно легко установить

следующие параметры схемы.

Частота среза (cutoff frequency).

Частоту среза можно установить с помощью курсора Probe (“Probe Cursor”). Частота f- 3dB, при которой по оси Y находится величина -3 дБ является частотой среза fC. В нашем слу-

чае fC≈8,3 кГц.

Полоса пропускания (Band Width, BW; bandwidth; pass band).

Для ФНЧ полоса пропускания сигнала BW определяется как диапазон частот от нижних частот (вблизи 0) до частоты среза fC = f-3dB. В нашем случае fC≈8,3 кГц.

90