Роберт Хайнеманн - Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE

• Название: Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE
• Автор: Роберт Хайнеманн
• Издательство: ДМК Пресс
• Жанр: Программы
• Год: 2008
• ISBN: 978-5-94074-436-8

PSPICE определяет промышленный стандарт программ-имитаторов и является самым популярным пакетом моделирования для OS/Windows как у профессионалов, так и у любителей по всему миру. Эта книга — лучшее на сегодняшний день учебное пособие по PSPICE. Курс построен по принципу «от простого к сложному». Первая часть посвящена основам работы с программой. В ней говорится о том, как строить и редактировать чертежи электронных схем, находить нужную информацию в выходном файле, моделировать цепи постоянного и переменного тока, строить диаграммы любой сложности, исследовать частотные характеристики схем. Во второй части подробно рассказывается о различных видах анализов, выполняемых с помощью PSPICE (анализ переходных процессов, параметрический анализ и т.д.). Также в ней содержится руководство по цифровому моделированию и использованию программы-осциллографа PROBE. Третья и четвертая части включают сведения об использовании PSPICE для расчета электрических цепей и цепей регулирования. Описывается, как создать и модифицировать модели компонентов схем.

Книга адресована пользователям различного уровня подготовки: в первую очередь инженерам и конструкторам, профессиональным разработчикам промышленных изделий (электронных схем, технологического оборудования, автомобилей и т.д.), студентам радиотехнических специальностей, а также радиолюбителям.

Прилагаемый к книге компакт-диск содержит рабочие версии программы PSPICE, подробный справочник по PSPICE (на английском языке), библиотеки компонентов, необходимые для работы с книгой, и учебные упражнения.

---

Шаг 3 Щелкните по кнопке с изображением большой буквы V, с которой вы познакомились в ходе второго урока (с ее помощью вы вызывали индикаторы потенциалов в рабочих точках) — см. рецепт 2 в главе 2. Теперь программа PSPICE показывает вам логические состояния (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Цифровая схема с индикаторами логических состояний

Шаг 4 Попробуйте другие комбинации входных напряжений и путем моделирования установите соответствующие им логические состояния.

Программа PSPICE проделывает это просто замечательно, но и вы, проявив немного терпения, сделали бы не хуже. Логический анализ, проводимый компьютером, только тогда сможет произвести на вас должное впечатление, когда вы используете в своей схеме одновременно и цифровые, и аналоговые компоненты.

Допустим, нам нужно дополнить схему, изображенную на рис. 10.1, таким образом, чтобы при формировании сигнала высокого уровня (лог. 1) на выходе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (X-OR) загоралась красная лампочка (5 В/200 Ом). Сопротивление 200 Ом для выхода ТТЛ-схемы — довольно внушительная нагрузка. Необходимо исследовать, сможет ли элемент X-OR подавать такое напряжение, которого будет достаточно, чтобы следующий за ним логический элемент ИЛИ D15A воспринял его как сигнал высокого уровня (лог. 1). В ТТЛ-технике для этого требуется напряжение как минимум 2 В.

Шаг 5 Дополните свою схему, установив в ней резистор сопротивлением 200 Ом на выходе логического элемента X-OR (рис. 10.3), и сохраните ее под именем DIGI2.sch. Затем проведите моделирование этой схемы, установив такую комбинацию входных напряжений, которая позволила бы ожидать сигнала высокого уровня (лог. 1) на выходе элемента X-OR. После щелчка по кнопке с изображением большой буквы V чертеж должен приобрести такой же вид, как на рис. 10.3.

Рис. 10.3. Цифровая схема с дополнительным резистором

Взглянув на рис. 10.3, вы можете заметить, каким интересным качеством обладает PSPICE при одновременном моделировании аналоговых (резисторы, конденсаторы, транзисторы, источники напряжения аналогового сигнала и т.п.) и цифровых (логические элементы) компонентов. В тех местах, где узловые пункты связывают исключительно цифровые компоненты, моделирование выявляет цифровые состояния (1 или 0). Там, где на узле находится хотя бы один аналоговый компонент, выдаются значения напряжения. Видно, что напряжение на выходе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (X-OR) как раз немногим выше двух вольт. Значит, этот резистор может быть подключен напрямую, то есть без дополнительных формирователей.

Шаг 6 Уменьшите сопротивление резистора до 180 Ом, сохраните схему под именем DIGI3.sch и с помощью моделирования убедитесь, что при таком сопротивлении напряжение уже не преодолевает TTЛ-границу равную 2 В. Напряжения, имеющие значения от 0.8 до 2 В, в технике выполнения ИС в базисе ТТЛ считаются неопределенными состояниями. Обратите внимание: неопределенное состояние логического элемента X-OR приводит к тому, что выход, где установлена метка out, также принимает неопределенное состояние, которое программа PSPICE обозначает как X (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Цифровая схема, где выход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ D18A перегружен и не может передать сигнал достаточно высокого уровня

10.1.1. Упражнение на цифровое моделирование схемы

Протестируйте «интеллект» программы PSPICE, выбрав для схемы с недопустимым сопротивлением R=180 Ом такую комбинацию входных напряжений, которая создаст сигнал логической единицы на выходе элемента ИЛИ-НЕ и, следовательно, несмотря на неопределенное состояние элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, обеспечит ясный сигнал выхода (лог. 1). Поймет ли это PSPICE?

Как вы уже выяснили, лампа с сопротивлением 200 Ом не приводит цифровую схему к неопределенным состояниям, однако хорошим решением это не назовешь, поскольку лампа с номинальным напряжением 5 В при напряжении около 2 В, которое предоставляется на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, будет работать всего лишь как коптилка. Кроме того, игнорируется требование о соблюдении в ТТЛ-схемах запаса помехоустойчивости в размере 0.4 В. То есть на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ должно быть напряжение как минимум 2.4 В.

Шаг 7 Дополните свою схему, установив в ней в качестве формирователя транзистор BC548B (рис. 10.5), и сохраните ее под именем DIGI4.SCH. Заново проведите моделирование. В результате изображение на вашем экране должно соответствовать образцу на рис. 10.5.[34]

Рис. 10.5. Смешанная аналого-цифровая схема с индикаторами логических состояний на чисто цифровых узлах и аналоговых напряжений на смешанных аналого-цифровых узлах

10.1.2. Упражнение на определение наименьшего сопротивления

Допустимый ток коллектора BC548B составляет ICmax=200 мА. Определите, какое наименьшее сопротивление должна иметь лампочка при таком токе коллектора, чтобы ее можно было приводить в действие с помощью схемы, изображенной на рис. 10.5. Проведите моделирование схемы с данным сопротивлением и выясните, насколько при этом удовлетворительна ее работа. Если необходимо, внесите в схему соответствующие изменения.

10.2. Динамическое цифровое моделирование: временные диаграммы

Когда требуется исследовать временную зависимость цифровых процессов, на помощь проектировщику приходит программа-осциллограф PROBE. Однако для успешной работы в PROBE необходимо умение ориентироваться в тех обозначениях, которые программа PSPICE присваивает узлам моделируемых вами схем. Вы имели возможность убедиться в этом, начиная с ваших самых первых опытов работы в PROBE.

10.2.1 Обозначения узлов и отображение цифровых состояний в PROBE

Чтобы выяснить, какие обозначения программа PSPICE присваивает узлам цифровых и смешанных аналого-цифровых схем, возьмем в качестве примера аналого- цифровую схему с двумя инверторами (рис. 10.6).

Рис. 10.6. Смешанная аналого-цифровая схема

Шаг 8 Начертите эту схему и сохраните ее в папке Projects под именем DIGI5.sch. Проведите анализ переходных процессов в интервале времени от 0 до 2 мс с шириной шага вычислений 0.2 мкс (поле Step Ceiling). По завершении моделирования откройте список диаграмм (окно Add Traces). Чтобы легче было работать с этим списком, удалите из него обозначения токов и величин, которые программа PSPICE рассчитала в узлах подсхем, сняв флажки рядом с опциями Currents и Subcircuits Nodes в центральной части окна Add Traces (рис. 10.7).

Рис. 10.7. Окно Add Traces с указанным содержанием списка диаграмм

Для того чтобы полностью разобраться в списке диаграмм, ваших прежних знаний будет недостаточно. К счастью, вам это и не понадобится, если вы воспользуетесь одним несложным приемом: установите в тех местах своей схемы, которые представляют для вас интерес, особые метки, иными словами, дадите узлам собственные обозначения.

Шаг 9 Установите на схеме, изображенной на рис. 10.6, такие метки, чтобы входной узел назывался in, выходной — out, а узел между двумя инверторами — middl.

Как вы помните, чтобы установить метку на каком-либо сегменте проводки, нужно двойным щелчком мыши по этому месту открыть окно Set Attribute Value и ввести в нем желаемое имя. Если вы сделали все правильно, то ваша схема должна выглядеть так, как показано на рис. 10.8.

Рис. 10.8. Схема с узлами, снабженными метками

Шаг 10 Проведите моделирование этой схемы с теми же установками для анализа, какие были выполнены на предыдущем шаге, затем откройте окно Add Traces и деактивизируйте в нем опции указания токов Currents, узлов подсхем Subcircuits Nodes и альтернативных имен Alias Names. В итоге ваш список диаграмм должен быть таким, как на рис. 10.9.

Рис. 10.9. Содержание списка диаграмм после моделирования схемы, узлы которой были снабжены метками

Если вы, путем поочередной активизации одной из опций Analog или Digital, будете давать PROBE установку отражать в списке диаграмм либо только аналоговые, либо только цифровые величины, то вам станет ясен принцип указания данных моделирования подобного рода:

• аналоговые напряжения обозначаются по-прежнему (V(out), V(in), V(R1:1)), при моделировании схем с цифровыми компонентами к ним добавляются только обозначения цифровой «массы» V($G_DGND) и цифрового напряжения питания V($G_DPWR);

• для узлов, на которых расположены как аналоговые, так и цифровые компоненты, наряду с указанием аналоговых напряжений есть также указание цифровых состояний. Их имена состоят из имени соответствующей метки и окончания $AtoD или $DtoA;