Программа PSpice. 
Электротехника (теория электрических цепей)

Функциональные воз м о ж н о — с т и п р о г р, а м м ы. Программа PSpice с помощью директив управления заданием на моделирование (табл. 11.2.2) позволяет выполнить анализ режима цепи по постоянному току в рабочей точке, расчет частотных характеристик, расчет переходных процессов при воздействии сигналов различной формы, статистические испытания по методу Монте-Карло и др.

Структура задания на моделирование. Задание на моделирование представляет собой текстовый файл. Имя файла произвольное, рекомендуемое расширение имени — .cir, которое воспринимается программой PSpice по умолчанию для ее запуска.

При графическом вводе схем с помощью программы Schematics создаются три файла задания с одним и тем же именем и тремя расширениями имени:

• • файлы с расширениями имени. net и. als являются соответственно списком соединений схемы и списком соответствий номеров выводов компонентов именам подсоединенных к ним цепей. Они используются при создании файла с расширением .cir;
• • файл с расширением .cir является непосредственным заданием на моделирование для программы PSpice, представляет собой текстовый файл, который создается автоматически, но соответствующей команде задания.

Задание на моделирование может быть еоставлено пользователем с помощью текстового редактора. В этом случае исходными данными для составления задания служит принципиальная схема исследуемой цепи (или устройства) с нанесенными на нее именами узлов и значениями параметров компонентов. Именами узлов могут быть:

• • целые числа от 0 до 9990. При ссылке на узел его имя заключается в круглые скобки. Например, потенциал узла 23 обозначается как V (23);
• • алфавитно-цифровые символы, в качестве которых

используются буквы латинского алфавита от, А до Z, цифры 0, 1, …, 9 и знаки /, %. Имена узлов дополнительно заключаются в квадратные скобки, например потенциал узла IN — V (|IN|). Это сделано для того, чтобы отличить имена узлов от имен компонентов: напряжение на конденсаторе С2 обозначается V (C2).

Общей точке схемы, или узлу земля, всегда присваивается номер 0.

Структура файла задания:

• • первая строка, или строка заглавия, которая выводится как заголовок в выходном файле. В ней может быть помещен любой текст, не содержащий кириллицу;
• • строки комментариев, начинающиеся с символа * (звездочка). Конец любой строки после знака; (точка с запятой) также воспринимается как комментарий. В комментариях допускается кириллица;
• • строки описания отдельных компонентов схемы (сопротивлений, емкостей, индуктивностей, источников сигналов и др.);
• • строки, содержащие описание директив управления заданием;
• • последняя строка файла должна содержать директиву .END — окончание задания.

Максимальная длина строки задания составляет 132 символа. При переносе строка продолжения начинается с символа «+» в первой позиции. Число пробелов между операторами в строке произвольное. Пробелы и занятые или знаки равенства эквивалентны. Возможно объедение нескольких заданий в один файл. Каждое новое задание начинается со своего заголовка и заканчивается директивой .END.

Особенности оформления:

• • порядок ввода промежуточных строк (за некоторым исключением) может быть любым;
• • прописные и строчные буквы программой воспринимаются одинаково;
• • число пробелов между операторами в строке произвольное;
• • пробелы и запятые или знаки равенства эквивалентны;
• • строка продолжения начинается с символа + в первой позиции.

Описание компонента. Строки с описанием компонента не должны начинаться с символа. (точка). Описание компонента имеет следующую структуру:

[] + .

Имя компонента состоит из нескольких символов (допускается до 131 символа) латинского алфавита и цифр. Первым символом имени является одна из букв латинского алфавита от, А до Z, определяющая тип компонента. Далее в любом порядке следуют алфавитно-цифровые символы и знаки $, *, /, %.

Номера узлов перечисляются в определенном порядке, установленном для каждого компонента.

Имя модели компонентов, указанное в квадратных скобках, не является обязательным параметром.

Числовые данные определяют значения параметров компонента. Для масштабирования чисел используются следующие суффиксы: F = 10 Ч Р = 1(И², N = 1(И, U = 1(И, MIL = = 25,4−10 6, М = Ю-з, к = 103, MEG = 10⁶, G = 10⁹, Т = 10¹². Для наглядности обозначений допускается к масштабным суффиксам дописывать буквенные символы. Так, сопротивление 5,1 кОм может быть записано несколькими способами: 5100, 5.1 К, 5.1КОМ, 5.1КОНМ, 5.1ЕЗ, 0.0051ЕЗК.

Помимо численных значений в предложениях входного языка программы могут использоваться идентификаторы параметров, которые заключаются в фигурные скобки: {имя идентификатора}. Например, постоянное напряжение источника питания, включенного между узлами 6—0, может быть задано с помощью идентификатора параметра VPOWER: VP 6 0 DC {VPOWER}. Внутри фигурных скобок допускаются символы арифметических выражений, например: С2 5 4 {CLOAD*2.5}, а также такие стандартные функции, как натуральный и десятичный логарифм, тригонометрические функции и др.

Программа PSpice располагает набором встроенных моделей компонентов, составляющих ее элементный базис. Сиисок встроенных типовых моделей приведен в табл. 11.2.1 [53].

Модели полупроводниковых приборов описываются большим количеством параметров, которые задаются с помощью директивы.MODEL.

Директивы п р о г р, а м м ы. Строки с директивой управления заданием программы PSpice начинаются с символа. (точка), за которой следует символическое имя. В табл. 11.2.2 представлены используемые в программе директивы.

С правилами составления описаний компонентов и директив можно ознакомиться в работе [53].

Графический постпроцессор Probe. Общие сведения. Программа Probe предназначена для обработки и графического вывода результатов моделирования, полученных с помощью программы PSpice. Если в задание на моделирование включена директива. Probe, то результаты моделирования заносятся в файл с расширением имени. dat. В этом файле содержатся сведения об ошибках, которые могут быть выведены в виде сообщений. Ошибки подразделяются на фатальные (FATAL), серьезные (SERIUS), информационные (INFO) и предупреждения (WARNIGN). При фатальной ошибке моделирование прекращается. Перечень переменных, данные которых заносятся в файл, устанавливается по команде (Analysis/Probe Setup) программы Schematics. Данные из файла с расширением. dat обрабатываются программой Probe и выводятся на экран монитора в виде графиков. Программа Probe способна выполнять обработку данных, включая сложные арифметические и алгебраические вычисления, взятие интегралов, преобразование Фурье, измерение параметров импульсов, частотных характеристик и т. п. При моделировании аналого-цифровых устройств графики переходных процессов в аналоговой и цифровой части схемы выводятся на одном экране с одинаковым масштабом по времени. На графики можно наносить произвольные надписи и графические символы и выводить их на принтер или плоттер.

Переменные. В программе Probe используются следующие типы переменных: аналоговые — Analog, цифровые — Digital, напряжения — Voltages, токи — Currents, спектральная плотность напряжения выходного шума — Noise (V²/Hz), напряжения внутренних узлов макромоделей — Subcircuit Nodes. При вводе переменных символы в верхнем и нижнем регистрах не различаются, за исключением масГО ГО со.

штабных суффиксов m = К) и М = 10 ⁶. В программе Probe отсутствуют суффиксы MEG и MIL. Остальные суффиксы имеют те же значения, что и в программе PSpice. Для простановки единиц размерности на осях координат используют следующие обозначения: V — вольты; А — амперы; W — ватты; d — градусы; s — секунды; II — герцы. При этом определено W = VxA, V = W/A, А = W/V, поэтому при построении графика по выражению V (5)*Ш (М13) ось ординат будет автоматически размечена в ваттах. Формат переменных такой же, как в программе PSpice, за небольшими исключениями. В качестве независимых переменных в режиме DC (см. табл. 11.2.1) выступает напряжение или ток варьируемого источника, в режиме АС — частота, а в режиме TRAN — время. Размерность вертикальной оси графика устанавливается автоматически в соответствии с типом имени переменной. Например, в режиме АС при построении графика модуля напряжения V (l) ось Y получит размерность в вольтах, фазы этого напряжения VP (1) — в градусах, а группового времени запаздывания VG (1) — в секундах. На график можно вывести не только значения отдельных переменных, но и выражения заданного набора математических операций.

Рассмотрим основные особенности работы с программой Probe.

Запуск программы. Программа может запускаться автоматически (иод управлением Schematics) одновременно с началом моделирования, после завершения моделирования или автономно после появления основного экрана программы.

Вывод графиков. После выбора режима на экран выводится координатная сетка графика, по горизонтальной оси которого откладывается независимая переменная, соответствующая выбранному режиму. Программа Probe обеспечивает режимы построения графиков передаточной функции по постоянному току, частотных характеристик, переходных процессов. Если входной файл PSpice содержит задание на моделирование нескольких схем или одной схемы при нескольких значениях варьируемых параметра, файл данных для Probe состоит из нескольких секций (видов расчета). В этом случае имеется возможность построения графиков всех вариантов расчета (предлагается только при вариации параметров схемы или температуры) или выбора из выводимого на экран списка только тех данных, графики которых должны быть построены. После выбора того или иного режима на экран выводится координатная сетка графика, по горизонтальной оси которого откладывается независимая переменная, соответствующая выбранному режиму. Предоставляются возможности:

• • вывода зависимостей выходных переменных или арифметических выражений, содержащих эти переменные;
• • редактирования имени переменных и математических выражений;
• • автоматического масштабирования координатных осей, установки логарифмического или линейного масштаба по координатным осям;
• • вывода несколько кривых на один график, каждая из которых выделяется цветом (а при выводе на принтер — значком);
• • добавления кривой на графике, удаление одного или всех графиков;
• • вывода части графика в заданном диапазоне значений переменных;
• • изменения имени переменной, откладываемой по оси X;
• • установки диапазона переменных, но оси X для вычисления преобразования Фурье и других функций.

Управление построением графиков. С помощью команд реализуются следующие возможности:

• • размещение на одном экране графиков в отдельных координатных сетках с одинаковым масштабом, но оси X и произвольным по оси Y;
• • удаление с экрана выбранной координатной сетки вместе с построенными графиками. Оставшиеся координатные сетки масштабируются и заполняют весь экран;
• • активизация одной из координатных сеток, в которой в данный момент строятся графики. Слева от активной координатной сетки устанавливается метка SEL";
• • разрешение (запрещение) нанесения на различные графики специальных графических символов (кружки, ромбики и др.);
• • разрешение (запрещение) маркирования выводимых точек на графиках.

Макросы. При построении графиков можно использовать макросы, например: NORM (A) = (А — - MIN (A))/(MAX (A) — MIN (A)). В этом случае выражение NORM (V (3)) вызовет построение нормированного графика переменной V (3). Имеется возможность создания новых и редактирования существующих макросов. В макросах доиускаются ссылки на другие макросы. Макросы редактируются в текстовом редакторе.

Целевые функции. Перечень целевых функций помещается в диалоговом окне. Они используются для расчета по значениям в заданных точках. Результаты расчетов отображаются на графике. Например, с помощью целевой функции Bandwidth (l, db_level) = x2-xl рассчитывается полоса пропускания АЧХ на уровне -3 дБ.

Электронный курсор. Программа Probe обеспечивает считывание координат точек на графиках с помощью двух электронных курсоров. Курсоры могут быть связаны с одной или двумя кривыми и управляются манипулятором «мышь»: левая клавиша управляет первым курсором, правая — вторым. Текущие значения координат курсоров и их разность выводятся непрерывно в нижней правой части экрана. Имеются команды управления положением курсора. С их помощью можно перемещать курсор к следующему пику или впадине кривой, максимуму или минимуму, к точке следующего отсчета и т. п., а также осуществлять поиск определенной точки и перемещение в нее курсора.

Преобразование Фурье. С помощью специальной команды вычисляется быстрое преобразование Фурье всех функций, графики которых как функции времени выведены на экран. Спектр процесса представляет собой комплексную величину. Ее модуль, фаза, действительная и мнимая части выводятся на экран по тем же правилам, что и в режиме АС. При выводе на экран частотной характеристики рассчитывается обратное преобразование Фурье, т. е. импульсная характеристика.

Изменение имени переменной по оси X. Такая необходимость возникает при построении фазового портрета, годографа, характеристики нелинейного элемента по известному воздействию и отклику. По умолчанию по оси X откладывается независимая переменная, в качестве которой в режиме DC выступает напряжение или ток варьируемого источника, в режиме АС — частота, а в режиме TRAN — время. Размерность вертикальной оси графика устанавливается автоматически в соответствии с типом имени переменной. Например, в режиме АС при построении графика модуля напряжения V (l) ось Y получит размерность в вольтах, фазы этого напряжения VP (1) — в градусах, а группового времени запаздывания VG (1) — в секундах. Специальная команда позволяет изменить имя переменной по оси X, после чего на экран будет выводиться требуемая из указанных выше зависимостей.

Параметрические зависимости. При проведении многовариантного анализа имеется возможность построения зависимости целевой функции от варьируемого параметра или температуры. Например, для усилителя можно построить зависимость резонансной частоты (целевая функция) от емкости контура (варьируемый параметр). Программа Probe предоставляет ручной способ построения параметрических зависимостей и с помощью Мастера.

Построение гистограмм. Такая возможность обеспечивается для целевых функций после проведения статистического анализа по методу Монте-Карло. По оси Y откладывается вероятность в процентах, по оси ординат параметр целевой функции. Ниже гистограммы приводятся среднее, минимальное и максимальное значения целевой функции, ее среднеквадратическое отклонение и другие величины.

Нанесение меток на графики. Метками являются текстовые символы и графические примитивы (отрезки линии, линейно-ломаные линии, стрелки, прямоугольники, окружности, эллипсы). Метки наносятся и удаляются с помощью мыши по определенным правилам.

Сохранение атрибутов экрана. К сохраняемым атрибутам относятся число координатных сеток на экране, выбор линейного или логарифмического масштаба по осям X и Y и т. д. Такая возможность предусмотрена для автоматической установки атрибутов при последующих запусках программы Probe.

Вывод графиков на печать. Печать графиков на принтере или плоттере производится с помощью команд меню File по общепринятому правилу (выбор типа принтера/плоттера, ориентации листа бумаги, размеров полей, шрифта и т. д.). При выводе на печать графика с несколькими зависимостями временные диаграммы выделяются различными значками. Содержимое текущего окна можно путем копирования в буфер передать в другие программы (графические и текстовые редакторы), а затем распечатать.