Архангелский ПСпице и Десигн Центер Ч1 1996

ВВЕДЕНИЕ

11

Вопросам применения PSpice и Design Center при проектировании электронной аппаратуры посвящены многие отечественные и зарубежные публикации в периодических изданиях. Неплохое изложение возможностей PSpice 4 содержится в работе [1]. В настоящем пособии обобщены известные публикации, а также многолетний опыт автора по обучению как пользоваться пакетами PSpice и Design Center, накопленный в МИФИ, и опыт использования этих пакетов в реальном проектировании.

Первая часть данного учебного пособия содержит общее описание программ пакетов PSpice и Design Center, описание входного языка программы схемотехнического моделирования, используемых в ней моделей, методики моделирования схем различных классов. Моделирование цифровых и аналого-цифровых схем, идентификация моделей, работа с графическими редакторами и оболочками PSpice и Design Center изложены во второй части пособия [2]. Детальное описание отдельных операторов, систем параметров моделей, структуры некоторых файлов, диагностических сообщений перенесено в справочное пособие [3]. Это позволило при изложении материала не отвлекаться на отдельные детали, сосредоточившись на принципиальных методических вопросах работы с программами. В то же время овладение пакетом PSpice требует параллельного изучения данного учебного пособия и справочного пособия [3]. Методика применения PSpice в расчетах аналоговых устройств подробнее рассмотрена в лабораторном практикуме[4].

1. Ф У Н К Ц И О Н А Л Ь Н Ы Е В О З М О Ж Н О С Т И И

СТ Р У К Т У Р А P S P I C E

1.1.ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ МОДЕЛИРУЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ

Моделирующая программа PSpice позволяет моделировать электронную аппаратуру, состоящую их следующих элементов (в скобках даны буквенные обозначения этих элементов во входном языке PSpice): резисторы (R), конденсаторы (C), индуктивности (L), независимые источники напряжения (V) и тока (I), диоды (D), биполярные транзисторы (Q), МОП-транзисторы (M), полевые транзисторы с управляющим р-n переходом (J), арсенидгалиевые полевые транзисторы (B), взаимосвязанные индуктивности и трансформаторы (K), линии задержки (T), ключи, управляемые напряжением (S) и током (W). Имеются также широкие возможности по созданию макромоделей различных устройств, т.е. моделей, упрощенным образом описывающих поведение целого устройства или его фрагмента. При построении макромоделей широко используются такие элементы, как зависимые источники: источники тока, зависящие от напряжения (G) и тока (F), и источники напряжения, зависящие от напряжения (E) и тока (H).

Моделирование производится на электрическом уровне: рассчитываются токи и напряжения. Однако PSpice позволяет также в некоторых пределах осуществлять логическое моделирование несложных (а последние версии программы - и сложных) цифровых схем и смешанное электро-логическое моделирование аналого-цифровых схем, включая цифровые элементы (U) и их входные (N) и выходные (O) интерфейсы.

При описании моделируемого устройства можно широко использовать подсхемы (SUBCKT), подразумевая под ними повторяющиеся фрагменты схемы или, например, макромодели. При описании подсхемы обозначаются как самостоятельные элементы схемы (X). Это позволяет во многих случаях существенно сокращать описание схемы и использовать созданную один раз подсхему при моделировании различных устройств.

Параметры моделей элементов и подсхемы могут содержаться в библиотечных файлах. Использование готовых библиотек снимает с каждого конкретного пользователя тяжелую заботу об идентификации параметров

1.1. Общее описание моделирующей программы

13

моделей элементов и о разработке макромоделей типовых узлов, таких, например, как интегральные операционные усилители.

Создание макромоделей позволяет расширить область применения PSpice и моделировать устройства, содержащие помимо электронных элементов различные датчики, исполнительные механизмы и т.п. Таким образом, с помощью PSpice можно моделировать устройства автоматики, системы управления, измерительные устройства и, пользуясь электрическими аналогиями, практически любые не слишком сложные объекты, описываемые системами обыкновенных дифференциальных уравнений.

Максимальная сложность моделируемой схемы зависит от версии PSpice и от используемой вычислительной техники. Для версий ниже 4 или для персональных компьютеров с операционной системой MS DOS и с оперативной памятью 1 Мбайт схема может содержать не более 150 элементов. Применение операционных систем с виртуальной памятью (OS/2 для РС или аналогичные для VAX и рабочих станций) позволяет обойти ограничение на сложность схемы, но ценой значительного (в 5-20 раз) замедления расчета из-за постоянного обмена информацией между оперативной памятью и диском. Начиная с версии 4.04 PSpice позволяет использовать расширенную память и в этом случае сложность анализируемых схем может быть существенно увеличена (особенно в версии 5). Однако, надо иметь в виду, что реальные ограничения связаны не только с памятью, но и с затратами машинного времени на моделирование, которые для сложной схемы и при не очень высоком быстродействии компьютера могут стать непомерно большими.

PSpice позволяет проводить следующие основные виды анализа (в скобках указаны соответствующие операторы входного языка):

♦расчет рабочей точки с подробной распечаткой режимов элементов (.OP);

♦расчет по постоянному току зависимостей режима схемы от величины входных сигналов, параметров моделей, температуры (.DC);

♦частотный анализ (.AC);

♦анализ шумов (.NOISE);

♦анализ чувствительности по постоянному току (.SENS);

♦расчет передаточных малосигнальных функций (.TF);

♦расчет переходных процессов (.TRAN);

♦фурье-преобразование результатов расчета переходных процессов

(.FOUR);

♦расчет схемы на наихудший случай с учетом разброса параметров элементов (.WCASE);

♦статистический анализ разброса параметров методом Монте-Карло (.MC);

14	1. Функциональные возможности и структура PSpice

♦расчет зависимостей характеристик схемы от параметров моделей элементов и от температуры (.STEP).

1.2. СТРУКТУРА ПАКЕТА PSPICE И ОСНОВНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ФАЙЛЫ

Моделирующая программа является основной программой пакета. Загрузочный файл ее - PSPICE1.EXE. В Design Center у моделирующей программы могут быть и другие имена: PSPICE.EXE или WPSPICE.EXE (в варианте для Windows). Кроме того, моделирующая программа может содержать ряд оверлейных файлов, расширяющих ее возможности и делающих доступными те или иные опции:

♦поведенческое моделирование аналоговых элементов (Analog Behavional Modeling), очень удобное при создании макромоделей;

♦расчет разброса параметров схемы методами Монте-Карло и на наихудший случай;

♦цифровое моделирование, позволяющее включать в моделируемую схему не очень сложные цифровые элементы;

♦использование цифровых файлов, позволяющих обмениваться информацией с внешними программами логического моделирования и таким образом осуществлять смешанное моделирование некоторых классов аналого-цифровых схем;

♦возможность видоизменять модели элементов путем модификации соответствующих процедур (файлы исходных текстов процедур на языке Си).

К моделирующей программе, начиная с PSpice 5, относятся также вспомогательные файлы PSPICE.IFF и PSPICE.DEV.

Помимо основной моделирующей программы в состав пакета PSpice входят:

♦постпроцессор графической обработки результатов моделирования Probe (файлы PROBE.EXE, PROBE.DEV, PROBE.MSG, PROBE.DSP);

♦программа идентификации параметров моделей элементов Parts (файлы

PARTS.EXE, PARTS.HLP, PARTS.DEV, PARTS.MSG);

♦редактор входных сигналов StmEd (файлы STMED.EXE, STMED.HLP, STMED.MSG);

♦управляющая оболочка: PSHELL для PSpice (файлы PS.EXE, PSHELL.EXE, PSpice.HLP) или PSCHED для Design Center для Windows (файлы PSCHED.EXE, PDESIGN.EXE, PSCHED.HLP ); оболочка

1.2. Структура пакета PSpice и основные информационные файлы

15

PSCHED включает в себя графический препроцессор SHEMATICS для изображения схем;

♦программа SETUPDEV.EXE, формирующая рассмотренные далее файлы настройки .DEV (эта программа введена только начиная с PSpice 5);

♦вспомогательные программы редактирования библиотек для Design Center (файлы MODTOMDT.EXE, LC.EXE, LX.EXE);

♦программа синтеза фильтров FILTER DESIGN (только в Design Center, в настоящем пособии не рассматривается).

Помимо указанных файлов, в состав пакета могут входить файлы библиотек подсхем и параметров моделей, обычно имеющие расширение

.LIB, и ряд других файлов. Кроме того, в Design Center в зависимости от версии может быть еще ряд других программ.

Все указанные файлы могут размещаться в одной или нескольких директориях на любом диске. Лучше их размещать не в той директории, в которой работают пользователи, а еще лучше на диске, защищенном от случайного стирания. Для облегчения запуска программ полезно загрузочные модули размещать в директории, путь к которой установлен в файле AUTOEXEC.BAT. Это условие обязательно для оверлейных файлов; иначе их придется копировать в текущую директорию, из которой идет работа, чтобы программа Pspice1 смогла их найти.

Программы пакета обмениваются друг с другом файлами. Упрощенная схема обмена показана на рис.1.1. На ней не приведены только управляющая оболочка и графический препроцессор, которые взаимодействуют со всеми остальными программами. Файлы, указанные на схеме, используются в любых версиях PSpice. Помимо них в PSpice 5 и Design Center используются еще некоторые файлы, о которых будет сказано позднее. А пока рассмотрим подробнее назначение основных файлов и программ.

Исходным является текстовый файл <имя>.CIR, который содержит описание моделируемой схемы и задание на моделирование (расширение

.CIR принято программой PSpice по умолчанию, но может задаваться и любым другим). Этот файл готовится с помощью любого текстового редактора, в частности редактором, входящим в состав оболочки PCHELL. Другой путь подготовки входного файла - использование какого-либо графического редактора. В Design Center -это SCHEMATICS, но могут использоваться и редакторы других систем: P-CAD, OrCAD, MICRO CAP.

16	1. Функциональные возможности и структура PSpice

Рис. 1.1. Программы и основные информационные файлы пакета PSpice

Применение графического редактора позволяет сделать изображение схемы, а затем оттранслировать его во входной файл PSpice. Этот путь нагляден (особенно при использовании SCHEMATICS) и удобен для документирования результатов проектирования. Наличие изображения схемы очень помогает при отладке заданий, обработке результатов моделирования, внесении изменений в схему. Но он более трудоемок, чем прямое составление и редактирование текстового файла. Поэтому опытные проектировщики все-таки предпочитают работать с текстовыми файлами, используя графические препроцессоры только для первичного ввода схемы и документирования. А все изменения схемы в процессе работы проводят чаше непосредственно в текстовом файле, что намного быстрее.

Файл .CIR является входным также для программы StmEd, которая позволяет наглядно увидеть форму описанных в нем входных сигналов схемы и отредактировать эти описания.

Файл .CIR подается на вход программы Pspice1, которая моделирует заданную схему. Если при описании схемы были ссылки на библиотеки параметров моделей и подсхем (текстовые файлы с расширением .LIB по умолчанию), то в процессе моделирования Pspice1 использует библиотечные файлы. Если ранее к данному файлу <имя библиотеки>.LIB не было обращения, то PSpice анализирует библиотечный файл и создает для него

1.2. Структура пакета PSpice и основные информационные файлы

17

индексный файл <имя библиотеки>.IND в той же директории, где расположен библиотечный файл (эта директория не должна быть закрыта для записи). Наличие индексного файла позволяет Pspice1 при последующих расчетах очень быстро находить требуемые параметры и подсхемы независимо от размера библиотеки.

Библиотечные файлы создаются и пополняются любым текстовым редактором или программой Parts. Она позволяет рассчитать параметры моделей по справочным или экспериментальным данным и получить текстовый файл с описанием модели (расширение по умолчанию .MOD), который далее можно включить в библиотечный файл.

Результатом работы PSpice является текстовый файл <имя>.OUT (<имя> - имя входного файла). Файл .OUT содержит описание моделировавшейся схемы и результаты расчета в виде таблиц и квази-графиков. Если PSpice обнаружил во входном файле .CIR ошибки, то информация об этих ошибках также содержится в файле .OUT. Просмотрев этот файл любым текстовым редактором, можно понять суть этих ошибок и исправить их в файле .CIR. Если моделирование прошло нормально, то просмотрев результаты расчета можно при желании отредактировать их и вывести на принтер.

Если во входном файле содержался специальный оператор .PROBE (см. п. 3.8), то Pspice1 создает бинарный файл с расширением .DAT для графического построцессора Probe. В версиях PSpice ниже 5.0 имя этого файла всегда PROBE.DAT. В версиях PSpice 5 имя его совпадает с именем входного файла: <имя>.DAT. Файл для Probe может иметь и расширение

.TXT, если во входном файле оператор .PROBE задан с опцией CSDF. В этом случае это - не бинарный, а текстовый файл. Файлы, предназначенные для Probe подаются на вход этого постпроцессора, который позволяет построить и исследовать графики, являющиеся результатом расчета. На практике основная информация о результатах моделирования получается именно с помощью Probe, а не просмотром файла .OUT.

Теперь остановимся на некоторых вспомогательных файлах. Программы Probe, Parts, StmEd имеют настройку на конкретные технические параметры компьютера. Соответствующую информацию они черпают из текстовых файлов с расширением .DEV: PROBE.DEV, PARTS.DEV, STMED.DEV.

Вместо этих трех файлов достаточно иметь один из них. В PSpice 5 вместо этих файлов может быть файл PSpice.DEV. Файлы .DEV состоят из двух строк, указывающих тип дисплея и тип устройства для получения твердой копии (принтера или плоттера):

Display = < имя дисплея >

Hard-copy = < имя порта>, <имя печатающего устройства>

18	1. Функциональные возможности и структура PSpice

Для IBM PC имя дисплея может быть: AT&T, Generic EGA, IBM, IBMClr, IBMEGA, IBMEGAMono, IBMCGA, IBMVGA, IBMVGA, IBM8514, Hercules, T3100, Text. При указании имени Text работа программ не зависит от типа дисплея, но графики выводятся символами (квази-графики), что, конечно, менее наглядно.

Вкачестве имени порта для IBM PC могут указываться: LPT1, LPT2, LPT3 (в зависимости от того, к какому порту подключено усторойство), COM1, COM2, PRN (обычно тождественно COM1), FILE. Если указано имя FILE, то информация выводится не в порт, а в файл (его имя программа спросит в необходимый момент), причем в таком виде, что в дальнейшем для получения твердой копии его достаточно скопировать на соответствующий принтер или плоттер обычной командой COPY.

Вкачестве имени печатающего устройства можно задавать типы устройств: CITON, CITON132, EPSON, EPSON132, EPSONLQ, HI, HP, HPLJ, IBMCLR, MLJ, NEC, NEC132, NECClr, NECClr132, Okidata, Okidata132, PRINTRONIX, TOSHIBA, TOSHIBA132, TEXT, TEXT132 и ряд других типов. Указание TEXT и TEXT132 означает вывод на прибор без графики, т.е. вывод графиков символами (соответственно 80 и 132 символа в ширину).

Востальных случаях добавление к имени цифр 132 означает ширину графика

13.2" вместо 8".

Например, если на компьютере стоит дисплей VGA и принтер Epson FX80 или Epson FX100, то файл PROBE.DEV может иметь вид

Display = IBMVGA Hard-copy = LPT1, EPSON

А для вывода графической информации в файл для последующего получения ряда копий можно заготовить другой файл, назвав его, например, INFILE.DAT и заменив вторую строку:

Hard-copy = FILE,EPSON

В соответствующих случаях этот файл можно подключать к программам вместо PROBE.DEV.

Текстовые файлы типа .LOG (см. рис.1.1) могут генерироваться программами, если их запустить с соответствующей опцией /L (см. п. 1.3). В них запоминаются в текстовом виде все операции, которые производил пользователь в сеансе работы с программой. Если в дальнейшем запустить ту же программу с опцией /C (см. п. 1.3) и передать в нее этот файл в качестве командного (.CMD на рис.1.1), то программа автоматически повторит те же

1.2. Структура пакета PSpice и основные информационные файлы

19

операции. Таким образом, при решении идентичных задач можно избежать повторения каждый раз одних и тех же операций. Команды в файлах .LOG и

.CMD отображаются своими именами или их первыми буквами. Нажатие клавиш Enter, стрелка вверх, стрелка вниз отражаются соответственно командами "@CR", "@DWN", "@UP". Файл .LOG при преобразовании его в файл .CMD можно отредактировать в текстовом редакторе, добавив или убрав какие-то команды. В частности, для улучшения читабельности файла в него можно добавить пустые строки и строки комментариев, начинающиеся с символа "*". Можно также добавить команды "Pause", которые при выполнении командного файла вызовут остановы, необходимые, чтобы, например, рассмотреть построенные графики. Нажатие любой клавиши прервет паузу и выполнение командного файла продолжится.

Начиная с PSpice 5 программы Probe, Parts, StmEd допускают настройку цветов пользователем. Параметры настройки хранятся в файле PSpice.CLR. При отсутствии этого файла цвета устанавливаются по умолчанию: фон - черный, передний план (надписи, координатные оси) и курсор графиков - белый, курсор “мыши” - ярко белый, графики шести цветов - зеленый, красный, голубой, желтый, ярко красный, ярко синий. Если пользователь, работая с Probe, задал другие цвета, то они помещаются в текстовый файл

PSpice.CLR в виде строк:

N <Nгр>	- задание числа различных цветов графиков;
B <цвет>	- задание цвета фона;
F <цвет>	- задание цвета переднего плана;
C <цвет>	- задание цвета курсора графиков;
M <цвет>	- задание цвета курсора “мыши”;
T <n> <цвет>	- задание цвета графика с номером n.

В этих строках <цвет> задается в зависимости от версии PSpice либо номером от 0 до 63 в соответствии со стандартом EGA, либо тремя числами от 0 до 63, отражающими относительную интенсивность в данном цвете трех основных цветов: красного, зеленого и синего.

Среди других файлов, используемых только начиная с PSpice 5, следует указать файлы с расширениями:

.CBK	- предшествующие варианты файлов .CIR, сохраняемые
		текстовым редактором оболочки;
.CFG	-	параметры конфигурации для некоторых версий PSpice;
.GF	-	целевые функции, используемые Probe при обработке
		графиков;
.JED	-	файлы программирования логических матриц;

20	1. Функциональные возможности и структура PSpice
.MDT	- двоичные файлы параметров моделей, создаваемые
	программой Parts;
.PBK	- предшествующие версии файлов PROBE.DEV;
.TIM	- текстовые файлы вывода данных из Probe;
.TMP	- бинарные файлы вывода данных из Probe

и некоторые другие.

1.3. ЗАПУСК ПРОГРАММ НА СЧЕТ

Одна из возможностей работы с программами пакета PSpice - использование управляющей оболочки. Для запуска оболочки достаточно выполнить команду (во всем дальнейшем изложении элементы команды, заключенные в квадратные скобки, необязательны):

для PSpice

PS [-M] [<имя входного файла>[.CIR]]

для Design Center

PSCHED [<имя файла изображения>[.SCH]]

Опция -М указывается только для монохромных дисплеев. Имя входного файла может не указываться - тогда нужный файл загружается из меню оболочки. Таким образом, в простейшем случае для запуска оболочки можно выполнить просто команду PS или PSCHED.

Затем из оболочки с помощью меню можно выполнять любые операции с программами пакета. Подробнее работа с оболочками PSpice и Design Center рассматривается в работе [2]. Надо, однако, отметить, что большинство пользователей предпочитают работать с программами пакета PSpice непосредственно, без оболочки, что во многих отношениях проще и удобнее.

Запуск моделирующей программы PSPICE1.ЕХЕ осуществляется командой

PSPICE1 [<имя входного файла>[.CIR]]

+[<имя выходного файла>[.OUT]]

+[<имя файла для постпроцессора>[.DAT]] [<опции>]

(для Design Center вместо PSPICE1 вызывается PSpice или WPSPICE).

По умолчанию расширение входного файла .CIR, имя выходного файла совпадает с именем входного и имеет расширение .OUT, имя файла для построцессора: Probe для версий PSpice 4 или совпадает с именем входного