Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию

Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

______________________________________________________________

А.А. Миндеева

Моделирование схем в системе OrCAD

Лабораторный практикум

Утверждено редакционно-издательским советом института

в качестве методических указаний

Москва 2006

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Предисловие

Бурные темпы развития интегральных схем ставят перед разработчиком задачи вы- полнения проектных работ в укороченные сроки. Однако при сокращении сроков проек- тирования сложность схем предъявляет повышенные требования к точности моделирова- ния характеристик, определяющих функциональные возможности схемы в диапазоне работоспособности. В связи с этим последнее время стали актуальны автоматизированные системы, позволяющие выполнить схемотехническое проектирование на РС.

Наиболее известной и часто используемой является автоматизированная система про- ектирования OrCAD.

В систему входят следующие программы:

∙Schematics – графический редактор принципиальных схем, который одновременно

является управляющей оболочкой для запуска основных модулей системы на всех стадиях работы с проектом; текстовый и графический редакторы для описания структурной и электрической схем;

∙StmEd – редактор входных сигналов (аналоговых и цифровых);

∙PSpice – программа схемотехнического моделирования;

∙Probe – программа графического отображения, обработки и документирования ре- зультатов моделирования;

∙библиотеки символов и макромоделей элементов.

Первая версия программы PSpice для IBM PC, созданная в 1984 г. корпорацией MicroSim, позволяла моделировать исключительно аналоговые устройства. Рассчитывались переходные процессы при действии различных входных сигналов, их спектры, режимы по постоянному току, частотные характеристики, спектральные плотности внутренних шу- мов и другие характеристики нелинейных и линеаризованных аналоговых устройств. В 1989 г. выпущена версия PSpice 4.0, позволяющая моделировать и смешанные аналого- цифровые устройства.

Уже в следующем, 1990 г., создана версия пятого поколения, обеспечивающая не только текстовый, но и графический ввод принципиальных схем в среде Windows, и одно- временно сменившая название – теперь программа PSpice входит в состав программной системы Design Center.

Следующее поколение системы Design Center 6.0 (январь 1994 г.) характеризуется очень интересной возможностью расчета паразитных эффектов, присущих реальной пе- чатной плате, и проведения моделирования с их учетом. В нее также включено средство проектирования программируемых логических матриц.

Очередная версия Design Center 6.1 (август 1994 г.) пополнилась модулем параметри- ческой оптимизации.

Впоследней версии 6.2 (апрель – декабрь 1995 г.) реализована возможность разработ- ки печатных плат, как в системах P-CAD.

Фирма OrCAD, основанная в 1985 г., в начале 1997 г. выпустила систему нового по- коления OrCAD 7.0 для Windows, в которой моделирование выполнялось с помощью про- граммы PSpice, а описание схемы – в графическом схемном редакторе OrCAD Сapture. В начале 1998 г. фирма OrCAD поглотила фирму MicroSim, и в ноябре была выпущена но- вая система OrCAD 9.0, объединившая одной интегрированной оболочкой все перечис- ленные модули. В марте 2000 г. фирма OrCAD, преобразованная в отделение Cadence PCB System Division фирмы Cadence Designe Systems, выпускает версию OrCAD 9.2, в которую включает второй редактор принципиальных схем Schematics.

Врезультате пользователи получили первую на IBM PC систему сквозного проекти- рования печатных плат. Разработчики интегральных схем использовали эту систему толь- ко на этапе схемотехнического моделирования.

Данный лабораторный практикум направлен на развитие у студентов практического опыта в схемотехническом проектировании. В нем раскрыты возможности системы про-

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

ектирования при моделировании как цифровых, так и аналоговых схем, представлены схемы моделирования для получения различных характеристик и изложены способы оп- ределения основных параметров, характеризующих работу схем.

Влабораторных работах №№ 1 – 3 описание схем выполняется в текстовом редакторе для лучшего усвоения правил входного языка программы PSpice.

Все последующие работы выполняются в графическом редакторе.

Вкаждой лабораторной работе по полученным характерным зависимостям определя- ются параметры схемы.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Лабораторная работа № 1. Исследование характеристик пассивных элементов при постоянных и импульсных

воздействиях

Цель работы: приобретение практических навыков при моделировании статических и динамических характеристик схем, состоящих из пассивных элементов.

Продолжительность работы – 4 ч.

Теоретические сведения

К пассивным элементам схемы относятся резисторы, конденсаторы и индуктивности. Для исследования характеристик элементов будем пользоваться программой схемотехни-

ческого моделирования – PSpice (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis for PC).

С помощью программы PSpice моделируется схема неограниченных размеров, так как максимальный размер схемы определяется исключительно объемом памяти РС (примерно 1 Мб на каждые 100 транзисторов или 400 вентилей).

Для подготовки схемы к моделированию необходимо с помощью текстового или гра- фического редактора создать входной файл с расширением .Cir.

При работе с программой разнообразная информация о схеме и результатах модели- рования записывается в отдельные файлы с различными расширениями (табл.1).

Одной из возможностей программы PSpice является моделирование схем в режиме постоянного тока:

в «рабочей точке»; при изменении источников постоянного напряжения или тока, температуры и других

параметров; по проверке чувствительности характеристик схем к изменениям параметров компо-

нентов.

Таблица 1

Назначение файлов, создаваемых в результате работы программы PSpice

Анализ схемы по постоянному току для определения рабочей точки выполняется с за- короченными индуктивностями и разомкнутыми емкостями. Анализ по постоянному току

выполняется до анализа переходных процессов в схеме для определения начальных условий переходного процесса и до анализа по переменному току для малосигнальных моделей с тем, чтобы определить линеаризованные малосигнальные модели приборов.

Анализ по постоянному току может быть использован для определения характеристи- ки схемы по постоянному току: для этого описывается независимый источник напряжения или тока и задается шаг изменения входной переменной, при котором вычисляется значе-

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

ние выходной переменной. Также возможно в рамках анализа по постоянному току опре- делить чувствительность выходных переменных к изменениям параметров схемы.

Решения анализа схемы по постоянному току получаются как результат итерационно- го процесса, и хотя алгоритм, реализованный в программе, является надежным, в некото- рых случаях он не дает сходимости. Отсутствие сходимости в этом случае обычно являет- ся результатом ошибки при задании соединений в схеме, значений элементов или значений параметров моделей. При моделировании триггерных схем необходимо исполь-

зовать принудительную установку начального состояния схемы с помощью директивы

.NODESET.

Входной формат для программы PSpice является форматом свободного описания, т.е. нет жестких требований к последовательности записи входной информации. Всем элементам

иузлам электрической схемы присваиваются имена, которые содержат буквенно- цифровые символы. В качестве символа используются только латинские буквы от A до Z

ицифры от 0 до 9, а также знаки ($ _ * / %). Только первые восемь символов имени будут

Таблица 2

Буквенные обозначения масштабных коэффициентов

использованы программой при трансляции данных. В качестве разделителей для обо- значений применяются пробелы, число которых может быть произвольным. Для продол- жения записи данных на другой строке необходимо записать знак плюс (+) в первой пози- ции следующей строки. Чтение строки продолжения в этом случае будет выполняться со второй позиции. В начале строки комментариев во входном файле ставится символ *.

При описании могут использоваться числа:

целые (155);

с плавающей точкой (3.345);

отрицательные (–155; –3.345);

целые или с плавающей точкой с масштабным коэффициентом, соответствующим степени числа (1Е-15; 2.314Е3);

целые или с плавающей точкой с буквенным масштабным обозначением (1F; 2.314K), приведенным в табл.2.

Символы, следующие сразу за числом и не являющиеся масштабным обозначением, игнорируются. Следовательно, символы 5 и 5V являются одним и тем же числом.

Задание

Лабораторная работа выполняется по подгруппам (табл.3).

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

1. Проверить закон Ома для R1 в схеме на рис.1. Для этого необходимо описать схе- му, задать режим анализа по постоянному току и рассчитать зависимость IR1 от V1, задав изменение напряжения в некотором диапазоне.

V1 R1

Рис.1. Схема моделирования для получения вольт-амперной характеристики

резистора

2. Описать схему резистивного делителя (рис.2) и рассчитать влияние нагрузочного сопротивления Rн на выходное напряжение VOUT.

R1

Рис.2. Схема моделирования для получения зависимости выходного напряжения рези-

стивного делителя от нагрузочного сопротивления

3. Описать схему RC-интегратора (рис.3) и при воздействии входного прямоугольного импульсного сигнала получить переходную характеристику. Импульсный источник имеет следующие параметры: V1 = 0 B, V2 = 5 B, TD = .1 мкс, TR = 10 нс, TF = 10 нс, TW = .1 мкс, TPER = .3 мкс.

C1

VOUT

V1 R1

Рис.3. Схема моделирования переходной характеристики пассивного интегратора

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com