Skripta Analýza el. obvodů programem

ign/Make Root
nebo
pravé tlačítko myši: Make Root

aktivace profilu
aktivovat jméno profilu +
menu: PSpice/Make Active
nebo
pravé tlačítko myši: Make Active
název projektu
schéma obsahující 2 stránky
(aktivní)
neaktivní schéma
dvě různá nastavení analýzy
aktivní profil
Analýza elektronických obvodů programem PSpice 11
Každý projekt sestává z jednoho nebo více „schémat“ a každé schéma z jedné nebo více
„stránek“. Schéma představuje samostatný elektrický obvod, jehož zapojení je nakresleno na
více stránkách. Pro spojení uzlů mezi stránkami se používají off-page konekory (viz dále).
V projektu může být aktivní vždy jen jedno schéma. To je pak označeno lomítkem vedle
názvu (SCHEMATIC1 na Obr. 3.2). Pro nastavení aktivního schématu použijeme pravé
tlačítko nad jeho jménem a volbu Make Root.
Nastavení požadované analýzy, tzv. simulační profil, se vždy vztahuje k aktivnímu
schématu. V projektu můžeme definovat více profilů, Obr. 3.2. Aktivní profil lze nastavit
volbou Make Active. Simulace je vždy prováděna s aktivním schématem a podle nastavení
aktivního profilu. Neaktivní prvky nemají na výsledky vliv.
3.2 Kreslení schématu
3.2.1 Editace
Knihovnu prvků otevřeme nabídkou Place/Part (klávesa P), Obr. 3.3. Je vhodné
aktivovat všechny knihovny. Tlačítkem Add Library otevřeme dialogové okno pro výběr
knihoven (souborů .olb). Vybereme všechny (označíme první soubor a pak při stisknuté
klávese Shift poslední soubor). Aktivní knihovny se pak objeví v poli Libraries. Tuto akci je
nutné provést pouze jednou pro daný projekt. Do pole Part napíšeme jméno požadovaného
prvku a stiskneme Enter nebo OK. Při psaní jména prvku automaticky probíhá hledání
v seznamu. Je možné použít znak * a ? podobně jako při práci se soubory. Např. BC*
vyhledá všechny tranzistory, jejichž jméno začíná na BC. Obnovení seznamu se dosáhne
zadáním znaku *.

Obr. 3.3: Okno pro výběr prvku

Následující tabulka uvádí základní příkazy pro kreslení schématu. Lišta s ikonami se
standardně nachází na pravé straně okna programu.
aktivní knihovny
12 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně


Tabulka 3.2: Příkazy pro kreslení schématu
příkaz menu kl. zkratka ikona
otevření knihovny Place/Part P

kreslení vodiče Place/Wire W

pojmenování vodiče (uzlu) Place/Net Alias N

propojení křižujících se vodičů Place/Junction J

rotace prvku Edit/Rotate R
zrcadlení kolem svislé osy Edit/Mirror/Horizontally H
zrcadlení kolem vodorovné osy Edit/Mirror/Vertically V
vložení referenčního uzlu
(vybrat prvek 0/SOURCE)
Place/Ground G


3.2.2 Nastavení parametrů součástek
Dvojitým kliknutím levého tlačítka na součástku se otevře okno pro zadávání
parametrů, Obr. 3.4. Parametry jsou organizovány do tabulky (podobně jako u Excelu).
Z důvodu zvýšení přehlednosti je vhodné pomocí pravého tlačítka myši nad tabulkou a
volbou Pivot otočit tabulku tak, aby jednotlivé parametry tvořily řádky. Filtr nastavíme na
hodnotu Orcad-Pspice. Tím se zobrazí jen parametry, které mají souvislost se simulací.

Obr. 3.4: Nastavení parametrů prvků

V tabulce je možné nastavovat hodnoty parametrů a eventuelně jejich viditelnost. Pokud je
některý parametr viditelný ve schématu lze jeho hodnotu změnit přímo dvojitým kliknutím
levého tlačítka. Pro zadání číselných hodnot je možné použít přípony (velikost písmen
nerozhoduje). Za číslo resp. příponu je možné připsat označení fyzikální jednotky.


filtr
Analýza elektronických obvodů programem PSpice 13
F P N U M K MEG G T
10
-15
10
-12
10
-9
10
-6
10
-3
10
3
10
6
10
9
10
12

femto piko nano mikro mili kilo mega giga tera

Příklad: 2k, 1.1uF, 1kHz, 1H

Kromě numerické hodnoty může být parametr určen výrazem uzavřeným do složených
závorek { }. Povolené operátory a funkce jsou v příloze. S výjimkou funkčních zdrojů musí
být hodnota výrazu známa před začátkem simulace. Není možné např. definovat odpor
rezistoru závislý na napětí. Ve výrazu je možné použít parametr, který lze případně rozmítat
nebo krokovat (kap. 5.6.1). Jeho deklarace se provádí pomocí pseudosoučástky PARAM,
kterou umístíme do schématu (k ničemu se nepřipojuje). Otevřeme parametry prvku a pomocí
tlačítka New Row nebo New Column (podle orientace tabulky) zadáme jméno proměnné a
její hodnotu.
1. 2.
Obr. 3.5: Přidání globální proměnné do pseudosoučástky Param

Pomocí tlačítka Display v okně pro nastavování parametrů nastavíme Name and Value, aby
se proměnná zobrazila přímo ve schématu.

Příklad 3.1 Vytvoření modelu potenciometru pomocí parametru.
Parametr p představuje relativní natočení potenciometru v intervalu (0, 1). Hodnota
rezistoru R1 je {10k*p}, rezistoru R2 pak {10k*(1-p)}. Při deklaraci byl p nastaven na
0,5. Při případném rozmítání nesmí nikdy nastat případ, že hodnota některého rezistoru bude
nulová.

{10k*(1-p)}R1
R2 {10k*p}
PARAMETERS:
p
0.5


14 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

3.2.3 Konektory
Konektory jsou speciální součástky umožňující „bezdrátové“ propojení. Ke spojení
dojde mezi konektory se stejným jménem. Typickým příkladem použití je rozvod
napájecího napětí u složitějších obvodů. Editor nabízí v paletě nástrojů tyto možnosti:

Place/Power (F) konektory pro rozvod napájecího napětí. Vodiče označené konektory
se stejným jménem se vzájemně propojí. Na zvoleném tvaru značky nezáleží, propojení se
uskuteční na základě stejného jména.

Place/Groung (G) zemní konektory. Mají stejnou funkci jako napájecí. Výjimku
tvoří zemní konektor se jménem “0“ , který představuje referenční uzel pro simulátor.

Place/Off-Page Connector konektory pro spojení mezi stránkami schématu.

Příklad 3.2 Použití konektoru VCC_ARROW pro rozvod napájecího napětí
operačních zesilovačů.
+
3
-
2
V+
8
V-
4
OUT
1
U1A
TL072/301/TI
V1
15V
V2
-15V
0 0
Vcc Vee
Vcc
Vee


3.2.4 Zásady pro kreslení schémat
null Všechny zdroje (napájecí i budící) se musí definovat ve schématu jakoby se jednalo o
skutečné zapojení pro měření v laboratoři.
null PSpice požaduje, aby každý uzel měl definovanou stejnosměrnou cestu k referenčnímu
uzlu 0. Z toho vyplývá, že alespoň jeden uzel obvodu musí být referenční, definovaný
značkou 0 (důležité je jméno “0“).
null Volně ponechaný vývod součástky způsobí obvykle chybu.
null Častou příčinou chyb je několik součástek umístěných nad sebou tak, že se překrývají.
null Významné uzly obvodu (vstup, výstupy,...) bychom měli pojmenovat. V postprocesoru
pak máme k dispozici napětí uzlu jako proměnnou v(jméno uzlu).

Součástí pracovní plochy je okno Session Log, kde lze hledat různá chybová hlášení při
vytváření netlistu. Lze je zobrazit např.volbou Window/Session Log.
Analýza elektronických obvodů programem PSpice 15
4 Postprocesor Probe
4.1 Popis ovládání
4.1.1 Spolupráce s editorem schématu
Pokud schéma obsahuje markery, tak po skončení simulace jsou příslušné veličiny.
Nevýhodou je, že všechny průběhy mají společnou osu Y, tj. společné měřítko. Proto se
nedoporučuje používat markery pro současné zobrazení veličin s řádově rozdílnými číselnými
hodnotami. Pokud schéma neobsahuje markery, tak je po skončení simulace pouze načten
datový soubor a zobrazí se prázdný graf. Při ručním spuštění Probe je data možné otevřít
volbou File/Open a uzavřít File/Close. Volbou File/Append je možné současně načíst více
datových souborů do jednoho grafu. Podmínkou je, že tyto soubory musí vzniknout simulací
stejného obvodu.
Jestliže datový soubor obsahuje více analýz, tak při jeho otevření musíme zvolit typ
analýzy. V průběhu práce jde totéž udělat volbou Plot/AC|DC|Transient.

4.1.2 Práce s grafy
Okno grafu je rozděleno na analogovou a digitální část. Pokud datový soubor
neobsahuje číslicová data, tak digitální část není přístupná a naopak. Každý graf může mít
jednu až tři osy Y, přičemž každá má samostatné měřítko. V případě existence více os je
aktivní označena symbolem „>>“, který lze přesouvat myší. Do této osy se přidává nová
křivka volbou Trace/Add Trace (Insert).

0s 2us
1 V(U5:Y) I(R1)
1.0V -4.0mA
-8.0mA1.0V
2
označení aktivní osy Y
definiční vzorec křivky
grafický symbol pro
identifikaci křivky
číslo osy Y do které
křivka patří

Obr. 4.1: Levý spodní okraj grafu v Probe

Pod grafem je uveden seznam vzorců pro jednotlivé kreslené křivky. Vedle vzorce je barevný
grafický symbol, v případě vícenásobné analýzy soubor symbolů pro každou dílčí křivku.
Dvojitým poklepáním na barevný symbol (ne na vzorec) se zobrazí informace o křivce.

Zadávání a editace křivek
Volbou Trace/Add (Insert) se přidá nová křivka do aktivní osy. V okně pro zadávání
křivek jsou zobrazeny proměnné (tj. napětí a proudy) a též dostupné funkce, které můžeme
16 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

použít ve výrazech. Do pole Trace Expression (resp. Trace Command u starších verzí)
napíšeme výraz, který se má kreslit. Povolené funkce a operátory pro analogovou a digitální
část jsou v příloze.
Pro editaci objektů slouží menu Edit. Křivku vybereme pomocí kliknutí levým
tlačítkem na vzorec pod grafem, ostatní objekty kliknutím na ně.

Změna nastavení os a grafů
Standardně se otevře jeden graf, tj. jedna osa X. Volbou Plot/Add Plot to Window
přidáme nový graf (novou osu X). Nově vytvořené grafy mají stejnou osu X jako předchozí.
Pokud požadujeme jinou osu, tak musíme nejdříve volbou Plot/Unsynchronize X Axis
povolit rozdílné osy X. Volbou Plot/Delete Plot smažeme aktivní graf, tj. ten, jehož některá
osa Y je aktivní (symbol „>>“). Novou osu Y přidáme volbou Plot/Add Y Axis. Tato osa je
automaticky označena jako aktivní. Mazání aktivní osy se provádí volbou Plot/Delete Y
Axis.
Volbou Plot/Axis Settings nebo dvojitým kliknutím na některou osu (vně grafu) se
otevře okno pro nastavení parametrů rozdělené na záložky.

Nastavení osy X:
Data Range Přepínání mezi automatickým a ručním nastavením rozsahu osy.
Scale Přepínání mezi lineárním a logaritmickým měřítkem.
Use Data Nastavení intervalu osy X pro integrační funkce: FFT, S(X), AVG(X),
RMS(X), MIN(X) a MAX(X).
Processing Options ⌧ Fourier - Provedení Fourierovy transformace dat grafu,
⌧ Performance Analysis - přepnutí vícenásobné analýzy, kap.4.2.4
Axis Variable Nastavení proměnné osy X. Používá stejné dialogové okno jako při zadávání
nové křivky (Trace/Add). Standardně je nastaveno: AC - frekvence, DC -
rozmítaná veličina, Transient - čas.

Nastavení osy Y:
Y Axis Number Volba čísla osy pokud jich je více.
Data Range Přepínání mezi automatickým a ručním nastavením rozsahu osy.
Scale Přepínání mezi lineárním a logaritmickým měřítkem.
Axis Title Nastavení názvu osy (používá se pro tisk).

V položce Tools/Options jdou nastavit různé parametry Probe. Jejich popis je v nápovědě
(F1) nebo v referenčním manuálu.

Kurzory
V grafech lze použít dva kurzory, které se zapínají volbou Tools/Cursor/Display (Ctrl-
Shift-C). Kurzor číslo 1 se ovládá levým tlačítkem myši, číslo 2 pravým tlačítkem. V grafu se
zobrazí tabulka udávající polohu obou kurzorů a rozdíl mezi nimi. Křivka, po které se kurzor
pohybuje se volí pomocí kliknutí příslušného tlačítka na barevný symbol odpovídající křivce
v levém spodním rohu nebo na název digitální křivky. Probe umožňuje hledat význačné body
Analýza elektronických obvodů programem PSpice 17
na křivce. Příkaz pro hledání se vždy týká kurzoru, se kterým se naposledy pohnulo, hledání
se provádí ve směru předchozího pohybu. Příkazy jsou přístupné pomocí položek menu
Trace/Cursor nebo ikonami:

Peak lokální maximum,
Trough lokální minimum,
Slope inflexní bod (maximální sklon křivky),
Min globální minimum,
Max globální maximum,
Point přesun kursoru na další datový bod,
Next/Previous Transition - přesun kursoru na následující číslicový přechod (událost).

4.2 Zpracování výsledků
4.2.1 Makra
Kromě standardních funkcí můžeme pro definici křivek použít vlastní funkce - makra.
Volbou Trace/Macros otevřeme editor pro jejich definici.
Formát: [(arg [,arg]*)] =
Příklad: ADD(A, B) = A+B
Volání: ADD(v(1),v(2))

V definici můžeme použít standardní funkce a operátory a již existující makra. Rekurzní
definice není dovolena. Před vyhodnocením makra se provádí jen textová expanze.

4.2.2 Fourierova transformace
Zobrazení grafu lze přepnout do Fourierovy transformace nebo zpět pomocí volby
Trace/Fourier. Pokud je na ose X čas, změní se na frekvenci a naopak. Před transformací
dojde k převzorkování průběhu. Počet vzorků je roven nejbližší mocnině 2 od aktuálního
počtu bodů, používá se kvadratická interpolace. Abychom dostali korektní výsledky pro
periodické průběhy, je třeba pro transformaci použít celistvý násobek periody v ustáleném
stavu. To lze dosáhnout omezením výstupu v nastavení časové analýzy
(Analysis/Setup/Transient) nebo omezit interval pro transformaci v X Axis Settings/Data
Range. Výsledkem FFT je komplexní spektrum, standardně je zobrazena amplituda. Pokud
máme časový graf přepnutý do FFT pak můžeme použít funkce pro komplexní čísla, např.
R(v(1)) zobrazí reálnou část spektra napětí V1.

4.2.3 Hlášení o průběhu digitální simulace
Volbou View/Simulation Messages jde zobrazit okno s hlášením o chybách vzniklých
v průběhu simulace digitálního nebo smíšeného obvodu. Hlášení lze filtrovat podle úrovně
důležitosti. Volba Plot zobrazí detail průběhu s popisem chyby.
18 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně


Obr. 4.2: Hlášení o chybách v číslicové části obvodu

4.2.4 Vícenásobná analýza (Performance Analysis)
Vícenásobná analýza je prostředek pro kvalitativní zpracování výsledků krokování
parametru nebo analýzy Monte Carlo. Princip spočívá v odvození jediné hodnoty z každého
dílčího běhu a zobrazení těchto hodnot do grafu v závislosti na krokovaném parametru. Pro
analýzu Monte Carlo se zobrazí histogram.
Předpokládejme například, že je krokován parametr nějakého prvku pásmové propusti
(rezistor R). Mění se jak šířka pásma, tak střední frekvence.

f
K
R=20
R=50
R=100
R=200


vícenásobná
analýza


R
B

Obr. 4.3: Princip vícenásobné analýzy

Pomocí vícenásobné analýzy můžeme zobrazit závislost šířky pásma na krokovaném rezistoru
R. Základem je meřicí funkce (Measurement), jejímž vstupem je celý průběh (křivka) a
výstupem jediná hodnota, v našem případě šířka pásma.
Vícenásobnou analýzu zvolíme pomocí Trace/Performance Analysis. Zobrazí se
prázdný graf nebo histogram (pro Monte Carlo), kde musíme pomocí Trace/Add (Insert)
zadat příslušnou měřicí funkci. Druhou možnost představuje spuštění „průvodce“ volbou
Trace/Performance Analysis/Wizard, který uživatele provede celým nastavením.
Jednotlivé kroky jsou bohatě okomentovány.


!
Pokud je použita jednobodová analýza jako vnitřní smyčka krokování, pak se
parametrická analýza spustí automaticky a není nutné zadávat měřicí funkce protože
výsledkem dílčího běhu je jenom jeden bod.

Analýza elektronických obvodů programem PSpice 19
Definice měřicích funkcí
Textová definice měřicích funkcí může být uložena na třech místech:
1. Globální soubor (standardně pspice.prb, jméno je určeno položkou PRBFILE v souboru
pspice.ini), který je přístupný pro všechna schémata. Obsahuje řadu předdeklarovaných
maker a funkcí včetně jejich popisu. Uživatel by měl přednostně ukládat svoje funkce
do tohoto souboru.
2. Lokální soubor .prb který soubor obsahuje nastavení Probe pro daný datový
soubor (tj. schéma) a lokální definice maker a měřicích funkcí.
3. Uživatelský soubor. Při opětovném spuštění Probe není tento soubor automaticky
načten. Uživatel musí použít volbu Trace/Measurements/Load. Doporučuje se
používat příponu .prb pro jméno souboru.

Prostředek ke správě měřicích funkcí otevřeme volbou Trace/Measurements. V seznamu
jsou uvedené měřicí funkce načtené z globálního a
lokálního souboru.
New Definice nové měřicí funkce. Po zvolení této
položky musíme určit soubor kam bude funkce
uložena a otevře se textový editor, kde doplníme
definici těla funkce a návratové hodnoty. Při uzavírání
editoru se kontroluje správnost definice. Popis syntaxe
je uveden dále v této kapitole.
Copy Kopíruje zvolenou měřicí funkci pod novým
jménem do jiného souboru.
View Zobrazí definici zvolené měřicí funkce.
Edit Editování již existující funkce.
Delete Odstranění funkce.
Eval Nástroj pro ověření činnosti zvolené
vyhledávací funkce. Musíme zadat argumenty funkce a Probe zobrazí
nalezené body a návratovou hodnotu. Pokud je zobrazen svazek křivek, tak
se vyhodnocení provádí pouze na první. O případných chybách během
vyhodnocení je podána informace.
Load Načtení definic měřicích funkcí z uživatelského souboru. Globální a lokální
soubor je načítán automaticky.

!
Je důležité se vždy přesvědčit, že měřicí funkce pracuje správně, tj. zkoumaná křivka
má průběh, se kterým se počítalo při vytváření funkce. K tomu účelu je nejlépe použít
volbu Trace/Measurements/Eval.

Zobrazení výsledku měřicích funkcí pro jednu křivku
Volbou Trace/Evaluate Measurement máme možnost zobrazit výsledek měřicí
funkce pod oknem grafu.


Obr. 4.4: Editor měřicích funkcí
20 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Syntaxe měřicích funkcí
Měřicí funkce vrací hodnotu výrazu získaného z funkčních hodnot grafu v bodech, které
byly nalezeny a označeny pomocí vyhledávacích příkazů v těle měřicí funkce. Tyto body jsou
označeny jako 1, 2, ..... Příslušné x-ové souřadnice jsou x1, x2, ... a y-ové souřadnice jsou y1,
y2, ....

goal_function_name(1, 2, ..., n, subarg1, subarg2, ..., subargm) = marked_point_expression
{
1| search_commands_and_marked_points_for_expression_1;
2| search_commands_and_marked_points_for_expression_2;
.
n| search_commands_and_marked_points_for_expression_n;
}

(1, 2, ..., n ) Tyto argumenty jsou při volání funkce nahrazeny křivkami (tj. výrazy
z proměnných v obvodu) na které se bude aplikovat vyhledávání. Každé
číslo 1, 2, ... n odpovídá skupině vyhledávacích a značkovacích příkazů
označených pomocí návěští 1|, 2|, atd. v těle funkce.
(subarg1, subarg2, ..., subargm) - Volitelné argumenty pomocí kterých můžeme v měřicí
funkci použít uživatelem specifikované konstanty.
marked_point_expression - Výraz pro výpočet návratové hodnoty měřicí funkce. Má stejný
formát jako standardní výrazy v Probe s následujícími výjimkami:
1. Označené body (x1, y3, ...) jsou použity jako proměnné namísto napětí a
proudů.
2. Je k dispozici nová funkce MPAVG která počítá průměrnou hodnotu z y
mezi dvěma označenými body. MPAVG(x1, x2[,fraction])
[fraction] - relativní centrovaná část intervalu mezi x1 a x2.
3. Vícebodové funkce d(), s(), AVG(), RMS(), MIN() a MAX() nejsou
povoleny.
4. Komplexní funkce M(), P(), R(), IMG() a GD() nejsou povoleny. Pokud
je argument funkce komplexní číslo, automaticky se uvažuje jeho modul.
search_commands_and_marked_points_for_expression_n - Příkazy pro vyhledání a označení
bodů na zkoumané křivce. Jsou rozděleny do sekcí 1|, 2|, atd. podle křivky.
Za posledním příkazem sekce musí být středník, uvnitř ne.

Formát vyhledávacího příkazu:

search [direction] [/start_point/] [#consecutive_points#] [(range x [,range y])] [for]
[repeat:]

[direction] Určení směru kterým se bude hledat. Možné směry jsou: FORWARD
nebo BACKWARD. Standardní hodnota je FORWARD.

[/start_point/] Bod ze kterého se začíná hledat. Pokud se neuvede tak při prvním
hledání se začíná od počátku a další hledání začíná od posledně
nalezeného bodu. Možnosti:
^ nebo BEGIN počáteční bod prohledávaného intervalu,
$ nebo END koncový bod prohledávaného intervalu,
Analýza elektronických obvodů programem PSpice 21
xn výr