Modelování a simulace elektronických systémů

Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Modelování a simulace elektronických systémů Část 1 Tomáš Pavelek Ostrava 2006

Tomáš Pavelek, 2006 Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB Technická univerzita Ostrava ISBN xxxxxxxxx

OBSAH 1. ZÁKLADNÍ POPIS PROGRAMU ORCAD... 4 Úvod... 4 Práce se schématickým návrhem... 4 Design Cache... 5 Popis nástrojových lišt... 6 Schematic Page Editor... 6 Part Editor... 7 Postup návrhu elektronického schématu... 7 2. SPUŠTĚNÍ A PRÁCE V PROGRAMU CAPTURE... 11 Vytvoření nového projektu... 11 Spuštění projektového souboru... 12 Způsob ovládání programu... 12 3. VKLÁDÁNÍ A PROPOJOVÁNÍ SOUČÁSTEK... 14 Použití knihoven součástek... 14 Nastavení parametrů součástky... 15 Propojování součástek... 17 Kreslení neelektrických objektů... 19 4. SIMULAČNÍ PROFIL... 20 Vytvoření nového simulačního profilu... 20 Parametry simulace... 20 Typy PSpice analýz a jejich nastavení... 20 5. SIMULACE A ZOBRAZENÍ VÝSLEDKŮ... 24 Spuštění a přerušení simulace... 24 Chyby simulace a jejich odstranění... 24 Chybové zprávy... 25 Grafické rozhraní programu PSpice A/D... 25 Zobrazení výsledků simulace... 26 Add Trace - zobrazení průběhu... 26 Makro... 28 Eval Goal Function... 28 Kurzory... 29 Tisk výsledků... 29 Možnosti nastavení grafu... 29 6. STRUKTURY SOUBORU PRACOVNÍ PLOCHY... 31 Organizace pracovní plochy...31 3

1. Základní popis programu OrCAD Čas ke studiu: 45 minut Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět popsat základní ovládací prvky programu OrCAD provést základní nastavení programu Výklad Úvod Program Spice (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) byl vyvinut na universitě v Berkley v Kalifornii. PSpice je komerční verze registrovaná ochrannou známkou OrCAD Corporation (http://www.orcad.com). ORCAD Capture je ucelený balík nástrojů pro návrh elektronických schémat včetně využití možnosti přechodu do jiných systémů jako např. návrh plošných spojů, analogové a číslicové simulace a návrh programovatelných obvodů. Základním pilířem návrhu schématu jsou knihovny schématických značek součástek a symbolů. S ohledem na to, že elektronický průmysl nabízí neustále nové typy součástek, je možné knihovny plynule doplňovat a obměňovat. Vlastní návrh elektronického schématu spočívá ve vyvolání schématických značek z knihovny, jejich umístění na pracovní ploše a propojení jejich vývodů. ORCAD Capture umožňuje i hierarchický návrh a různé techniky propojování pomocí vodičů (sběrnice, návěští, napájecí symboly). Kromě výstupů pro náročné analogové a číslicové simulace umožňuje program i účinnou kontrolu návrhových pravidel, která odhalí formální chyby obvodů (nezapojené vstupní piny, výstupní piny zapojené na napájení apod.). Výstupem z návrhu může být tisk schématu na tiskárně, seznamu použitých součástek, různé typy souborů dat v různých formátech umožňující další zpracování schématu (netlist pro generaci plošného spoje, simulaci apod.). Práce se schématickým návrhem Po spuštění programu se na monitoru objeví základní okno Session Log, ve kterém je možné provést základní nastavení programu a přepínat se mezi okny jednotlivých schématických návrhů. 4

Ekvivalentem návrhu je diskový soubor s příponou.dsn, který obsahuje schéma (Schematic), jeho jednotlivé stránky (Schematic Page) a seznam použitých schématických značek (Design Cache). Základní okno je okno Project Manager (obr. 1.1), ve kterém lze návrh ovládat jako celek. Umožňuje práci s jednotlivými schématy, editaci schématických značek, kontrolu návrhových pravidel, generování netlistu, seznamu součástek apod. V tomto okně je zobrazena struktura vlastního návrhu, který se skládá ze schémat a seznamu použitých součástek. Schémata a schématické značky lze libovolně mezi jednotlivými stránkami kopírovat a přemísťovat. Způsob práce se strukturou je obdobný jakou užívá systém Windows (rozbalování a sbalování struktury adresářů, dvojklikem volání editoru). Obr. 1.1 Okno Project Manageru Design Cache Design Cache obsahuje všechny značky, obsažené ve schématu. Značky je možné modifikovat bez toho, aniž by byly změněny značky v knihovně a naopak, při modifikaci značky v knihovně, zůstane značka ve schématu nedotčena (pokud nepoužijeme příkaz Edit/Update Cache). 5

Popis nástrojových lišt V okně Project Manager je vhodné používat ke konstrukční práci nástrojové lišty (Toolbar). Některé funkce jsou stejné jako v jiných programech a není třeba je komentovat ( New, Open, Save, Print, Cut, Copy, Paste, Undo, Redo, Help), ostatní mají nový význam: Zoom In Zoom Out Zoom Area Zoom All Annotate Back Annotate Design Rules Check Cerate Netlist Cross Reference Bill of Materials Snap to Grid Project Manager zvětšení měřítka zobrazení zmenšení měřítka zobrazení zobrazení vybraného okna zobrazení celého dokumentu očíslování součástek zpětná anotace kontrola návrhových pravidel vytvoření netlistu křížové reference součástek seznam součástek zapínání/vypínání práce v rastru zobrazení okna Project Managera Schematic Page Editor Schematic Page Editor slouží k editaci schématických značek. Umožňuje umísťovat schématické značky, navzájem je propojovat pomocí vodičů, sběrnic a návěští, popisovat součástky a vkládat grafické symboly a texty. I zde je dobré pracovat s nástrojovou lištou (Schematic Page Editor Tool Palete). Lišta obsahuje dvě skupiny nástrojů - nástroje pro elektrický návrh a skupinu pro grafické symboly. Nástroje pro elektrický návrh Select Part Wire Net Alias Bus Junction Bius Entry Power Ground přepnutí do výběrového módu volání schématických značek z knihoven propojování vodičem pojmenování vodiče nebo sběrnice kreslení sběrnic vodivé propojení dvou vodičů umístění vstupu do sběrnice umístění napájecího napětí umístění společného vodiče 6

Hierarchical Block Hierarchical Port Hierarchical Pin Off-Page Connector No Connect vytvoření značky pro hierarchické schéma umístění značky propojovacího uzlu (svorky) hierarchického schématu umístění značky propojovacího uzlu jako vývodu hierarchického schématu umístění "Off Page" svorky pro propojení mezi stránkami umístění značky nezapojeného vývodu Nástroje pro grafické symboly Line Polyline Rectangle Elipse Arc Text kreslení úsečky kreslení lomených čár kreslení obdélníků a čtverců kreslení elipsy a kružnice kreslení oblouků umístění textů Part Editor Part Editor slouží pro editaci a vytváření schématických značek, napájecích symbolů a rohového razítka. Nástrojová lišta pro práci v tomto editoru je poněkud zjednodušená. Kromě grafických symbolů obsahuje již jen tyto značky: IEEE Symbol Pin Pin Array umístění IEEE symbolů do schématických značek umístění vývodů do schématických značek umístění skupiny vývodů do schématických značek Postup návrhu elektronického schématu Před započetím veškeré práce v programu Capture je vhodné nastavit prostředí podle svých potřeb. Capture umožňuje čtyři úrovně konfigurace: 1. Nastavení pracovního prostředí (Options/Preferences) 2. Doporučené nastavení pro nové projekty (Options/Design Template) 3. Nastavení konkrétního projektu (Options/Design Properties) 4. Nastavení schématické stránky (Options/Schematic Page Properties) ad 1 Colors/Print Grid Display nastavení barev pro různé typy objektů (pozadí, rastr, spoje, návěští, sběrnice, součástky, popisy, symboly apod.) a povolení jejich tisku na tiskárně. nastavení typu rastru (Dot/Line), jeho viditelnosti a pohybu kurzoru po rastru. Nastavení je možné zvlášť pro editor schématických značek a pro editor schématu. Pan and Zoom nastavení parametrů rolování obrazovky a změny měřítka pro příkazy Zoom In a Zoom Out opět pro oba editory zvlášť 7

Select nastavení způsobu výběru objektů pomocí myši Intersecting/Fully Enclosed Miscellaneous nastavení způsobu vyplňování, typů, šířek a barev neelektrických grafických objektů (File Style, Line Style and Width, Color), Typ fontu a provedení textu (Font, Text Rendering), vypinání automatického číslování součástek při vkládání do schématu (Auto Reference), nastavení interkomunikace s OrCAd Simulate (Intertool Communication), a automatické ukládání během práce (Auto Recovery). Text Editor nastavení vlastností pro Text File editor ad 2 Obr. 1.2 Nastavení pracovního prostředí Nastavení v tomto menu je určeno pro nové projekty a nové schématické stránky v projektech. Fonts fonty pro schématické objekty obsahující text Title Block nastavení typu a popisu rohového razítka. Tvorbu a editaci razítka je nutno provést v editoru schématických značek. Page Size nastavení výchozí velikosti kreslící plochy (lze kdykoliv změnit) Grid Reference nastavení parametrů popisu a orámování kreslící stránky (Border Visible/ Displayed, Printed), povolení nebo potlačení zobrazení rohového razítka (Title Block Visible/ Displayed, Printed). Hierarchy nastavení vlastností pro hierarchické bloky a součástky. Volba Primitive/ Nonprimitive zakazuje/povoluje vnořování do hierarchických bloku při zpracování projektu. SDT Compatibility nastavení kompatibility se staršími verzemi programu OrCAD 8

Obr. 1.3 Okno nastavení projektu ad 3 Volba Design Properties se týká vlastností již existujícího projektu. Příkaz je dostupný při aktivním okně Project Managera a v něm zvoleném konkrétním schématickém návrhu. Jedná se v podstatě o zjednodušené okno Design Template. Odlišnost je v kartě Miscellaneous,ve které je volba zobrazení jinak neviditelných napájecích vývodů součástek (Display Invisible Power Pins). Obr. 1.4 Okno vlastností existujícího projektu 9

ad 4 Schematic Page Properties jsou vlastnosti platné pro právě vybranou schématickou stránku. Karty jsou obdobné jako v předchozích případech (Page Size, Grid Reference, Miscellaneous). Obr. 1.5 Nastavení vlastností stránky Shrnutí pojmů Design Cache, Schematic Page, Project Manager, Schematic Page Editor Tool, Part Editor Otázky 1. Jakou příponu má soubor, který obsahuje schéma? 2. K čemu slouží okno Project Manageru? 3. Co najdeme v Design Cache? 4. Jak se nastaví vlastnosti (např. velikost) schématické stránky? 10

2. Spuštění a práce v programu Capture Čas ke studiu: 30 minut Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět vytvořit nový projekt spustit stávající projekty základní způsob ovládání programu Výklad Vytvoření nového projektu Program Capture slouží pro kreslení schémat. Je základním článkem pro efektivní práci s programem OrCAD. Program se spouští přes tlačítko Start na hlavním panelu následujícím postupem Start/Programy/Orcad/Capture. Pro vytvoření dokumentu pro kreslení schématu je třeba v roletovém menu pod File kliknout na položku New. Otevře se dialogové okno (viz. obr. 2.1). V políčku Name zadáme název projektu. Z nabídky Creating a New Project Using zvolíme: Analog or Mixed-Signal Circuit Wizard - kreslení schémat a simulace v PSpice A/D PC Board Wizard - kreslení schémat pro návrh plošného spoje Schematic - pouze kreslení schémat V poli Location se zadává cesta k adresáři, do kterého se pak ukládá projekt. Po vyplnění všech požadavků potvrdíme nastavení kliknutím na tlačítko OK. Objeví se další dialogové okno. V tomto okně je možnost vybrat si knihovny modelů, které budeme používat. Standardně jsou vybrány knihovny součástek (analog, source, sourcstm, special). Po vybrání knihoven součástek (není podmínkou) potvrdíme naše rozhodnutí kliknutím na tlačítko Dokončit. Tím dokončíme vytvoření nového projektu. Obr. 2.1 Vytvoření projektu 11

Vývojové prostředí OrCAD Spuštění projektového souboru Spustíme program Capture. V roletovém menu pod File, klikneme na položku Open, v její nabídce dále na položku Project.... Otevře se dialogové okno, ve kterém vybereme projekt, který chceme otevřít a potvrdíme kliknutím na tlačítko Otevřít. Pro otevření vlastního okna se schématem je potřeba rozbalit adresářovou strukturu projektu způsobem naznačeným na obrázku 2.2. Dvojklikem na položku PAGE1 se otevře okno se schématem. Obr. 2.2 Otevření schématu Poznámka: V souboru typu *.opj jsou uloženy všechny informace o spřízněných souborech k projektu Způsob ovládání programu Práce v programu Capture se týká vždy určitého objektu. Buď tento objekt právě vzniká (ukládání vodičů součástek, sběrnic apod. ) nebo je již vytvořen a mění se jeho vlastnosti. V takovém případě je nutno zvolit jeden nebo skupinu objektů, kterých se bude daná operace týkat. Výběr jednoho objektu provedeme myškou, tím že na daný objekt ukážeme v módu Select a klikneme levým tlačítkem. Podobně vybereme více objektů tažením myšky se zmáčknutým levým tlačítkem výběr do bloku. Případně levým tlačítlem myšky a držením klávesy Ctrl. Pro výběr všech objektů slouží Edit/ Select All. Dané objekty můžeme seskupovat, což bude mít výhodu v tom, že se všemi objekty potom budeme pracovat jako s jedním (Edit/Grup). Práce s objekty budou klasické operace známé z jiných programů (Copy, Cut, Paste, Delete) a operace příslušné OrCADu zrcadlení, rotace, editace vlastností, případně pro součástky jejich editace (Mirror, Rotate, Edit Properties, Edit Part). Při opakování většího množství operací stejného druhu je vhodné použít příkaz Repeat, který zopakuje předešlý příkaz. Tuto možnost oceníme zejména pro umísťování většího počtu vodičů, součástek a jiných objektů stejného typu. Postup použití je jednoduchý. Provedeme daný úkon a pomocí klávesy Ctrl a levého tlačítka myšky daný objekt zkopírujeme na novou pozici. Velikost posunutí si program 12

automaticky zapamatuje a po volbě Edit/ Repeat provede umístění stejného objektu ve stejné vzdálenosti jako v předchozím případě. Shrnutí pojmů Capture, Schematic, PC Board Wizard, Analog or Mixed-Signal Circuit Wizard Otázky 1. Jaký je postup při vytvoření nového projektu? 2. Jak v otevřeném projektu zobrazíme okno se schématem? 13

3. Vkládání a propojování součástek Čas ke studiu: 1 hodina Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět používat knihovny součástek vyhledávat součástky v knihovnách propojovat součástky a nastavit jejich parametry Výklad Použití knihoven součástek Schématické značky součástek jsou uspořádány v knihovnách z nichž je překopírujeme do schématu. Knihovny součástek jsou umístěny v souborech s příponou.olb. Jako značky jsou definovány i napájecí symboly (VCC, GND, VDD, VSS, apod. ) i rohová razítka. Schématické značky je možné libovolně kopírovat nebo přesouvat z knihovny do knihovny, do schémat, či značky editovat. Do schématické stránky umístíme součástku z menu Place/ Part nebo volbou ikony Part. V okně výběru součástky (obr. 3.1) se objeví seznam dostupných knihoven (Libraries), seznam značek v aktuální knihovně (Part), schématická značka a počet bloků v jednom pouzdře. V okně jsou dále k dispozici tlačítka pro práci s knihovnami - přidání a odebrání knihovny (Add, Remove Library) a vyhledávání součástek (Part Search). Obr. 3.1 Menu pro výběr knihoven a součástek 14

Základní schématické značky (odpor, kondenzátor, dioda, tranzistor) se nacházejí v knihovně DISCRETE.OLB. Po výběru součástky tlačítkem OK přeneseme daný objekt na kreslící plochu a zmáčknutím levého tlačítka myšky umístíme. Ještě před umístěním lze součástkou rotovat (Rotate), zrcadlit (Mirror) a editovat její parametry (Edit Properties). Součástka dostane automaticky pořadové označení, pokud není toto vypnuto v Options/ Preferences/ Miscellaneous/ Auto Reference. Mezi schématické značky patří také napájecí a zemní svorky. Mají tu vlastnost, že k jejich elektrickému propojení dojde na základě stejného názvu symbolu. Umísťují se stejně jako schématické značky patřičnou ikonou Power, Ground (obr. 3.2). Základní napájecí symboly jsou uloženy v knihovně CAPSYM.OLB. Obr. 3.2 Napájecí a zemní svorky Poznámka: Pozor na popis součástek v knihovnách. Např. pro tranzistory v knihovně TRANZISTOR.OLB je několik druhů tranzistorů, které vypadají na první pohled stejně NPN CBE, NPN BCE, NPN EBC apod. Jedná se o tentýž typ tranzistoru s různým uspořádáním vývodů pouzdra. Toto je nutné respektovat, pokud budeme ze schématu vytvářet plošný spoj. Jestliže budeme pouze provádět simulace, je lhostejné, který typ vybereme. Upozornění: Každé schéma musí obsahovat odkaz na nulový potenciál (musí v něm být umístěna zemní svorka). Její umístění je libovolné, ale pokud chybí, je to vyhodnoceno jako chyba a simulace nemůže proběhnout! Nastavení parametrů součástky Každá součástka je definována svým parametrem, který můžeme podle potřeby a možností součástky nastavit. Dvojklikem na součástku nebo kliknutím pravého tlačítka myši na označenou součástku a 15

výběrem Edit Properties se otevře okno OrCAD Capture - Property Editor, ve kterém lze měnit parametry součástky. Každá součástka má své parametry, které lze měnit a proto nelze vytvořit všeobecný popis nastavení těchto parametrů. U diskrétních součástek (rezistorů, kondenzátorů a indukčností) se nastavuje tolerance parametru a počáteční podmínky (IC). Pro příklad jsou uvedeny nastavitelné parametry pro pulsní a sinusový napěťový zdroj. Pulsní zdroj napětí VPULSE TD - doba zpoždění TR - doba nárůstu napětí TF - doba poklesu napětí PW - šířka pulsu PER - délka periody V1 - úroveň napětí 1 V2 - úroveň napětí 2 [s] [s] [s] [s] [s] [V] [V] Sinusový zdroj napětí VSIN FREQ - frekvence [Hz] VAMPL - amplituda napětí [V] TD - doba zpoždění [s] VOFF - napěťový offset [V] PHASE - fáze [ ] DF - tlumící faktor [s -1 ] Pro přehlednější zadávání velkých nebo naopak malých hodnot se používají následující symboly (viz tab. 3.1). Tyto symboly můžeme psát malými i velkými písmeny. Tab. 3.1 Symboly pro zadání hodnot součástek Poznámka: označení 1M nebo 1m znamená 1 mili, 1 meg (MEG) je 1 mega. 16

Propojování součástek Po rozmístění součástek na kreslící ploše můžeme přistoupit k jejich propojení. Existuje několik možností, jak dané součástky propojit. Nejběžnější způsob je pomocí vodičů (Wire). Další možnosti jsou pomocí návěští (Net Alias) nebo napájecích svorek (Power, Ground). Propojení vodičem Propojení vodičem uskutečníme volbou Wire (ikonou nebo z menu Place/ Wire). K jednomu vývodu součástky připojíme kliknutím levého tlačítka myšky počátek vodiče a jednotlivými kliknutími můžeme provádět zalomení. Pokud je třeba vést vodič jinak než pravoúhle, přidržíme tlačítko SHIFT. Ukončení vedení vodiče provedeme dvojklikem nebo po zmáčknutí pravého tlačítka příkazem End Wire. Pozor: Vývody součástky a vodiče jsou vodivě spojeny jen tehdy, pokud se vzájemně dotýkají. Mají-li být dva křížící se vodiče spojeny je nutné spoj opatřit spojovacím bodem Junction. Jsou-li dvě součástky umístěny tak, že se jejich vývody dotýkají, jsou tyto spojeny, není tedy nutno používat vodiče. Propojení pomocí návěští je výhodné zejména jako náhrada za dlouhé a nepřehledné vodiče přes celé schéma. Další využití návěští je pro popis propojovacích sběrnic. Návěští do schématu přidáme ikonou Net Alias nebo z menu Place/ Net Alias. Stačí zadat jméno návěští (obr. 3.3) a umístit na kreslící plochu. Končí-li název číslicí, bude OrCAD tuto automaticky inkrementovat, takže popis členů sběrnice bude velmi jednoduchý a rychlý. Obr. 3.3 Návěští Pozor: Společně jsou propojeny ty vodiče, které mají stejný název návěští. Návěští je přiřazeno vodiči pouze tehdy, dotýká-li se kurzor v okamžiku umísťování tohoto vodiče. Návěští lze přiřadit pouze vodiči nebo sběrnici a ne vývodu součástky. Návěští nepropojí vodiče stejných názvů mezi schématickými stránkami. 17

Napájení součástek Pro napájení součástek je možné použít speciální schématické značky napájecích svorek s vlastnostmi podobnými jako návěští (obr. 3.4). Značku napájení je možné zavolat z knihovny ikonou Power/ Ground nebo příkazem z menu Place/ Power/ Ground. Integrované obvody v knihovnách mají obyčejně napájecí vývody skryté. Pokud jsou tyto vývody označeny stejně, jsou automaticky mezi sebou propojeny a k dalším spojům je možné je propojit právě prostřednictvím napájecích svorek stejného názvu. V knihovnách OrCADu jsou obyčejně TTL obvody vybaveny napájecími vývody s názvy VCC a GND, obvody CMOS mají vývody s názvy VDD a VSS. Pokud bude napájecí vývod součástky zviditelněn ( pro jednu součástku Property Editor/ Edit/ Properties/ Parts nebo pro všechny součástky Options/ Design Properties/ Miscellaneous) a připojí-li se k jinému uzlu, bude od ostatních napájecích vývodů stejného názvu automaticky odpojen. Obr. 3.4 Umístění napájecích symbolů Pozor: Vzájemně jsou propojeny ty napájecí svorky, které mají shodný název (bez ohledu na grafické vyjádření). Napájecí svorky lze připojit přímo k vývodu součástky bez přítomnosti vodiče. Napájecí svorka má pouze vlastnosti návěští, nevytváří na plošném spoji pájecí plošku (nutno zajistit přes schématickou značku konektoru). Napájecí symboly stejného názvu se propojí i mezi jednotlivými schématickými stránkami. Propojení pomocí sběrnic Propojení pomocí sběrnic se používá zejména v číslicové technice, kdy celkové schéma se tímto značně zpřehledňuje. Sběrnice (Bus - obr. 3.5) je tlustá čára do níž vstupují jednotlivé vodiče (Bus Entry). Voláme ikonami stejného názvu případně příkazem Place/ Bus, Place Bus Entry. Sběrnice se kreslí způsobem stejným jako vodiče. Vstupy jsou krátké čárky pod úhlem 45. Sběrnice se obyčejně pojmenovávají návěštím. Ve skutečnosti je sběrnice pouze grafický symbol, vlastní elektrické propojení je realizováno vodičem (Wire) s názvem (Net Alias) vstupujícím/vystupujícím do/ze sběrnice a patřičnými vývody součástek. 18

Označení nezapojených vývodů Obr. 3.5 Sběrnice Vývody, které nemají být zapojeny a přitom se ve schématu vyskytují, je vhodné označit symbolem nezapojeného vývodu (No Connect). Symbol nezapojeného vývodu je zobrazen jako křížek. Program při kontrole návrhových pravidel nebude hlásit chybu. Kreslení neelektrických objektů Captutre umožňuje do elektrického schématu kreslit i neelektrické objekty, které nebudou zaznamenány ani v netlistu ani v seznamu elektrických součástek. Na propojení součástek nemají žádný význam. Mezi neelektrické objekty patří úsečky (Line), lomené čáry (Polyline), obdélníky (Rectangle), elipsy (Elipse), oblouky (Arc), a texty (Text). Na kreslící plochu je možné ukládat i jiné obrázky v podobě bitových map přes Clipboard. Shrnutí pojmů Place/ Part, Add, Remove Library, Edit Properties, Power, Ground., Wire, Net Alias, Bus Otázky 1. Jak se do projektu přidávají další knihovny součástek 2. Jaká součástka, resp. odkaz musí být vždy umístěna ve schématu? 3. Jaké jsou možnosti propojování součástek 19

4. Simulační profil Čas ke studiu: 45 minut Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět vytvořit a nastavit parametry simulace vybrat a nastavit vhodný typ simulaceu Výklad Vytvoření nového simulačního profilu Simulační profil (*.SIM) ukládá nastavení typu simulace tak, aby se dal znovu snadno použít. Před zahájením nové simulace je potřeba vytvořit simulační profil, ve kterém jsou uložena veškerá nastavení (typ analýzy, doba simulace, přesnost, ukládané proměnné, zobrazení výsledků atd.). Klikneme na tlačítko New Simulation Profile. V dialogovém okně v položce name napíšeme jméno simulačního profilu, v položce Inherit From (standardně none ) můžeme zvolit, ze kterého projektu se bude importovat nastavení simulace. Nastavení potvrdíme tlačítkem Create. Parametry simulace Před vlastním spuštěním simulace je potřeba nastavit parametry simulace. Kliknutím na tlačítko nastavení simulace nebo z roletového menu přes PSpice/Edit Simulation Settings se otevře okno s několika složkami (obr. 4.1). Pro běžnou praxi jsou nejpoužívanější nastavení ve složkách: General - obsahuje informace o simulačních profilech, vstupních a výstupních souborech a simulačních poznámkách. Analysis - obsahuje volbu typu analýzy a její detailní nastavení. Tato složka obsahuje základní analýzy typu Time Domain, DC Sweep, AC Sweep / Noise a Bias Point. Options - umožňuje měnit specifikování hodnot, limit a podmínek pro analogové simulace, úrovně pro digitální simulace a jaké informace jsou ukládány ve výstupním souboru. Probe Window - nastavuje parametry zobrazení výsledků simulace. Výsledky se mohou zobrazovat až po ukončení simulace nebo během ní. Můžeme také vybrat zobrazení průběhů všech měřících značek na otevřeném schématu nebo zobrazení posledního zvoleného průběhu. Typy PSpice analýz a jejich nastavení V dialogovém okně nastavení simulace ve složce Analysis v nabídce Analysis Type se provede výběr základního typu analýzy: 20

a) Time Domain (Transient) b) DC Sweep c) AC Sweep/Noise d) Bias Point V nabídkovém listu Options se vybírají přídavné analýzy a provádí jejich nastavení. Obr. 4.1 Nastavení simulačního profilu a) Time Domain (transient) analýza Tato analýza patří k nejpoužívanějším. Transientní (přechodová) analýza počítá chování obvodu v závislosti na čase. Její nastavení se provádí v nabídkovém listu General Settings. V dialogovém poli Run to Time zadáme délku analýzy. V poli Start saving data after můžeme nastavit časový okamžik, od kterého se začnou ukládat data a v poli Maximum step size velikost maximálního výpočetního kroku. K provedení Fourierovy analýzy klikneme na ikonu Output File Options a zaškrtneme Perform Fourier Analysis. V poli Output Variables je nutné zadat přesné určení výstupní proměnné analyzovaného průběhu například: V(V1:+)). Po skončení simulace jsou výsledky Fourierovy analýzy obsaženy ve výstupním souboru Output File. b) DC Sweep analýza DC sweep analýza provádí stejnosměrnou analýzu obvodu. Počítá stejnosměrný pracovní bod jednoho nebo dvou parametrů obvodu přes řadu hodnot. Ty mohou být zadány ve formě počáteční a koncové hodnoty s lineárním nebo logaritmickým rozdělením nebo přes zadanou řadu hodnot. Měnícími se parametry mohou být napětí, proud, globální parametr, parametry součástky nebo teplota. 21

c) AC Sweep/Noise analýza Tato analýza vypočítává hodnoty obvodových veličin v závislosti na kmitočtu. Nejprve je vypočten stejnosměrný pracovní bod, ve kterém je provedena liearizace obvodu. Určí se parametry linearizovaných malosignálových modelů všech nelineárních prvků v obvodu. Takto vytvořený model je analyzován v zadaném kmitočtovém rozsahu. Jsou vypočteny amplitudy a fáze všech uzlových napětí a proudů. AC Sweep analýza počítá malosignálové frekvenční odezvy obvodu okolo linearizovaného pracovního bodu přes řadu frekvencí. V nastavení analýzy zadáváme startovací a konečnou frekvenci a také počet kroků, po kterých je frekvence měněna. Můžeme zvolit lineární změnu frekvence nebo logaritmickou. Pokud chceme provést šumovou analýzu, zaškrtneme Noise Analysis. Zadáme výstupní napětí, I/V zdroj a interval. d) Bias Point analýza Analýza ukládá detailní informace bias (uzlových) bodů do výstupního souboru simulace. Ten obsahuje následující informace k výstupnímu souboru: a) seznam všech analogových napěťových uzlů a) seznam všech digitálních napěťových uzlů b) proudy skrz všechny napěťové zdroje a jejich celkový výkon c) seznam malosignálových parametrů pro všechna zařízení.op - ukládá malé signály (linearizované) parametry všech nelineárních řízených zdrojů a všech polovodičových zařízení do výstupního souboru.sens - provede analýzy citlivosti.tf - počítá malé signály DC zisku u linearizovaného obvodu v okolí bias bodu e) Parametrická analýza Parametrická analýza provádí výpočet současně s měnícím se globálním parametrem. Tato analýza má uplatnění zejména v případech, kdy chceme zjistit, jak se bude dané zapojení chovat při změně nějakého parametru obvodu. Často se tato analýza používá v souvislosti s návrhem filtrů. V tomto případě se mění globální parametr a jeho nastavení je následující: V nabídce Option zaškrtneme Parametric Sweep. Z nabídky Sweep variable zvolíme Global parametr. V textovém poli Parametr name zadáme jméno globálního parametru měnícího se v zadaném rozsahu. Rozsah tohoto parametru se zadává v části okna nazvané Sweep type. Zadáváme startovací a konečnou hodnotu a velikost kroku, přičemž se parametr může měnit lineárně, logaritmicky nebo podle řady zadaných hodnot. 22

Důležité je nastavení globálního parametru komponentu, u kterého jej chceme měnit. Například chceme měnit hodnotu rezistoru R1. V nastavení parametrické analýzy pojmenujeme globální parametr RVAL. Při editaci rezistoru R1 změníme jeho hodnotu Value na {RVAL}. Stejně postupujeme, pokud chceme měnit třeba velikost kapacity kondenzátoru. Shrnutí pojmů Simulation Profile, Simulation Settings, Analysis Type, Time Domain (Transient), DC Sweep, AC Sweep/Noise, Bias Point Otázky 1. K čemu slouží simulační profil? 2. Jaké znáte typy analýz? 3. Jaký typ analýzy použijete pro simulaci časových průběhů sledovaného zapojení? 4. Jaký typ analýzy použijete pro návrh filtru? 23

5. Simulace a zobrazení výsledků Čas ke studiu: 45 minut Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět spustit simulaci odstranit jednoduché chyby při běhu simulace zobrazit výsledky simulace Výklad Spuštění a přerušení simulace Po nastavení druhu analýzy, způsobu zobrazování průběhů a dalších dílčích nastaveních lze přejít k vlastní simulaci. Simulaci provádí aplikace PSpice A/D, kterou spustíme kliknutím na tlačítko Run v hlavním panelu nástrojů nebo přes roletové menu PSpice/Run. Provede se kontrola elektrického zapojení a přehrají se informace do programu PSpice A/D. Otevře se okno programu a program začne provádět výpočet podle nastavených parametrů. Výpočet lze přerušit stisknutím tlačítka Pause v panelu nástrojů nebo přes roletové menu Simulation/Pause. Opětovným kliknutím na tlačítko Pause se simulace opět spustí. Simulaci lze také předčasně ukončit přes roletové menu Simulation/Stop a popřípadě znovu spustit tlačítkem Run nebo přes Simulation/Run. V levém dolním rohu v okně Simulation Profile jsou zobrazovány informace o průběhu a stavu simulace. V tomto okně se zobrazí informace o již provedených analýzách, o chybě, ukončení simulace a podobně. V okně vpravo dole ve složce Analysis jsou zobrazovány informace o kroku simulace, o délce simulace a celkové délce simulace. Pro Time Domain analýzu jsou to informace o velikosti časového kroku, době simulace a celkové době simulace. Chyby simulace a jejich odstranění V průběhu analýzy může dojít k chybě. Dojde-li k chybě, je výpočet zastaven a v okně Simulation profile je uživatel vyzván k nahlédnutí do výstupního souboru Output File, kde jsou uvedeny detaily chyby (kde a proč k chybě došlo). Výstupní soubor Output File je možno si prohlédnout v programu PSpice A/D přes roletové menu View/Output File. V modelování výkonových elektronických obvodů jsou konvergence a rychlost simulace dva největší problémy. V následující pěti bodech jsou uvedeny způsoby, jak tyto problémy odstranit. 24

1. Zvětšení chybové tolerance ABSTOL RELTOL (absolutní a relativní přesnost výpočtu). To můžeme provést v programu Capture/Simulation Setings/Options. 2. Místo L použít Lr komponent, který má rezistor paralelně k indukčnosti. Podobně použít malý rezistor v sérii s velkou kapacitou a napěťovým zdrojem. 3. Přiřadit malou, ale konečnou hodnotu době nárůstu (RT), době poklesu (FT) a šířce pulsu (PW) u pulsního zdroje. 4. Připojit velké rezistory na prvky, které se zdají být příčinou konvergenčních problémů. Chybové zprávy Floating Nodes Musí být zadána cesta k zemi od každého uzlu, jinak bude chybová zpráva oznamovat, že je uzel nezapojen (node is floating). Jednoduchým opatřením je připojit velký rezistor například 1 meg ohm od uzlu k zemi. V každém uzlu musí být nejméně dvě připojení, jinak bude běh přerušen a oznámena chybová zpráva. Inductor Loops Pokud se v obvodu vyskytuje smyčka induktoru s nulovou rezistencí, bude chybová zpráva ve výstupním souboru. Vložením malého rezistoru někde do smyčky se tento problém vyřeší. Grafické rozhraní programu PSpice A/D Pro snadnou práci s nasimulovanými daty je v programu PSpice A/D panel nástrojů umístěný v horní části okna. Význam ikon je následující: spuštění simulace / Run přerušení simulace / Pause zvětšení / Zoom In zmenšení / Zoom Out vybraná oblast / Zoom Area celá strana / Zoom Fit log. měřítko osy X / Log X Axis Fast Fourier transformace 25

Performance Analysis log. měřítko osy Y / Log Y Axis přidání průběhu / Add Trace Eval Goal Function popis / Text Label zobrazení vypočtených bodů /Mark Data Points kurzory / Toggle Cursor Zobrazení výsledků simulace V případě, že během simulace nedošlo k výpočetní chybě, je simulace ukončena a program PSpice A/D otevře okno souboru *.dat. Tento soubor je vytvářen během výpočtu a jsou v něm uloženy vypočtené hodnoty. Pokud byl výpočet předčasně ukončen chybou ve výpočtu nebo uživatelem, lze zobrazit průběhy do okamžiku chyby. V programu PSpice A/D lze mimo zobrazování analogových i digitálních průběhů simulovaných veličin provádět mnoho dalších operací, např. Obr. 5.1 Měřicí Fourierovu transformaci, matematické operace s průběhy, určení periody sondy daného průběhu, pohyblivé kurzory apod. Zobrazení výsledku simulace je možné dvěma způsoby: Prvním způsobem je použití měřicích sond podobně jako při reálném měření(napěťová a proudová sonda). Tyto značky se umísťují do obvodu na měřená místa (obr. 5.1). V programu PSpice A/D je pak zobrazen průběh napětí nebo proudu v daném místě. Při použití jednoduché napěťové sondy je zobrazeno napětí daného uzlu proti nulovému potenciálu. Při použití rozdílové sondy je zobrazeno napětí mezi označenými uzly. Proudovou sondu je nutné umístit pouze na vstup nebo výstup součástky. Umístění na spojovací čáru je oznámeno jako chyba. Výsledky je možné zobrazovat již během výpočtu. Toto se nastavuje přes ikonu Simulation Settings ve složce Probe Window zaškrtnutím položky Display Probe Window a v ní During Simulation. Druhým způsobem je zobrazení průběhů napětí a proudu příkazem Add Trace. Add Trace - zobrazení průběhu Kliknutím na ikonu Add Trace nebo přes roletové menu Trace/Add Trace se otevře okno Obr. 5.2). Toto okno je rozděleno na dvě části. 26

V části Simulation Output Variables jsou uvedeny uzly, ve kterých je možné zobrazit nasimulované veličiny. Seznam uzlů je možno filtrovat podle různých kritérií, což je vhodné k snazší orientaci při výběru potřebného měřícího místa. Tato kritéria jsou: Analog - zobrazení pouze analogových signálů Digital - zobrazení pouze digitálních signálů Voltages - zobrazení pouze skupiny napětí v uzlech Currents - zobrazení pouze skupiny proudů součástkami Alias Names - zobrazení skupiny napětí a proudu v jiném formátu Subcircuit Nodes - zoobrazení skupiny napětí a proudů v podobvodech složitějších součástek Obr. 5.2 Add Traces - přidání zobrazovaného průběhu Výběr názvu uzlu nebo součástky se provádí buď kliknutím na vybraný uzel nebo vepsáním do příkazového řádku Trace Expression. Příkazový řádek slouží také pro zadávání matematických funkcí mezi jednotlivými průběhy. Některé matematické funkce jsou uvedeny v tabulce 5.1. Zobrazení průběhu potvrdíme kliknutím na OK. Odstranění průběhu se provádí označením daného průběhu kliknutím na jeho jméno v dolní části okna souboru *.dat a stiskem klávesy Delete. Stisknutím kombinace kláves Ctrl - Delete dojde k vymazání všech průběhů v okně souboru *.dat. 27

Tab. 5.1 Výběr matematických funkcí Makro Slouží k nadefinování libovolného makra. Spouští se v roletovém menu přes Trace/Macros... Předdefinováno je makro pi = 3,14159265. Eval Goal Function... Umožňuje vypočíst hodnoty spojené s průběhem (např. dobu nárůstu (RT), dobu poklesu (FT), určení doby periody (Period) a mnoho dalších). Spouští se buď ikonou Eval Goal Function nebo přes roletové menu Trace/Eval Goal Function. Objeví se okno stejné jako při zobrazování průběhu. V pravé části tohoto okna vybereme Goal funkci, kterou chceme provést. Nejčastěji používané Goal funkce jsou i s vysvětlivkami uvedeny v tabulce 5.2. Potom v levé části okna vybereme průběh, u kterého chceme určit hodnotu vybrané funkce. Pro výběr průběhu platí stejné zásady jako při zobrazování průběhu. Je možnost použít filtry pro snazší hledání. Potvrzení výběru funkce a průběhu potvrdíme tlačítkem OK. Poté se na obrazovce objeví okno, ve kterém je vypsána příslušná Goal funkce a její výsledná hodnota. Tab. 5.2 Goal funkce 28

Vývojové prostředí OrCAD Kurzory Stisknutím tlačítka Toggle cursor se v okně souboru *.dat objeví dva kurzory a zobrazí se okno, v němž jsou uvedeny hodnoty průsečíku kurzoru s osami (obr. 5.3). V tomto okně jsou tři proměnné: A1, A2 a dif. První položka těchto proměnných udává hodnotu na x-ové ose, druhá hodnotu na y-ové ose. Kurzorem proměnné A1 lze posouvat levým tlačítkem myši nebo pomocí kurzorových kláves. Kurzorem proměnné A2 lze posouvat pravým tlačítkem myši nebo kurzorovými klávesami za současného stisknutí klávesy Shift. Proměnná dif udává diferenci jednotlivých složek v obou osách. Průběh, na kterém chceme použít kurzor, je třeba označit kliknutím myší na značku vlevo od názvu průběhu. Kliknutím levým tlačítkem na značku vložíme kurzor A1, pravým tlačítkem pak kurzor A2. Při použití kurzoru se aktivují další ikony, kterými lze snadno nastavit kurzory do maxima nebo minima průběhu a pod. Obr. 5.3 Hodnoty měřené pomocí kurzorů Tisk výsledků Nasimulované a zobrazené údaje je potřeba nějakým způsobem vytisknout. To je možné buď přes schránku systému Windows nebo přes tiskový výstup programu PSpice A/D. Ve File/Printer Setup je možné nastavit orientaci stránky a další parametry dokumentu a tiskárny. Zobrazení dokumentu před tiskem je možné přes File/Print Preview. Bohužel není možný tisk do souboru. Proto je pro uchování výsledků nejschůdnější přes schránku Windows (zkopírování obrazovky do schránky, vložení obsahu schránky do malování a úprava vzhledu). Možnosti nastavení grafu Funkce nastavení zobrazení grafu se nacházejí v menu Plot : Add Plot to Window - přidá další souřadnicový systém (graf). Přepínání mezi grafy je prováděno kliknutím myši na vybraný graf. Přidání a odstranění průběhu do grafu je stejné jako v případě zobrazení jednoho grafu Add Y Axis - přidá další Y osu. Přepínání mezi osami pro jejich nastavení je prováděno kliknutím myši na danou osu. Axis Settings - nastavení parametrů os. Je možné nastavovat parametry x-ové i y-ové osy (měřítko, lineární nebo logaritmické rozdělení, délka osy atd.). Unsynchronize Axis - pokud je zobrazeno více grafů, jsou tyto grafy svázány velikostí os. Tzn. pokud změníme velikost jednoho grafu, je tato změna provedena i u ostatních grafů. Toto svázání zrušíme kliknutím na Unsychronize Axis. 29

Shrnutí pojmů Output File, ABSTOL, RELTOL, Floating Nodes, Probe Window, Trace, Output Variables Otázky 1. Co se zapisuje do výstupního souboru output file? 2. Jak nastavíme přesnost výpočtu? 3. Co znamená hlášení Floating Nodes? 4. Jakým způsobem je možno zobrazit požadované průběhy napětí a proudů? 30

6. Struktury souboru pracovní plochy Čas ke studiu: 30 minut Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět vytvářet a používat různé struktury pracovní plochy vytvářet hierarchické bloky Výklad Organizace pracovní plochy Organizace návrhu je nedílná část procesu navrhováni schématu. Některé návrhy jsou příliš rozsáhlé pro jednu stránku nebo by byly příliš nepřehledné, proto je možné pracovat s různě strukturovanými navrhy. Pomocí OrCAD může být pracovní plocha vytvořená použitím tří různých struktur: - "One sheet Design" - "Flat Design " - "Hierarchical Design " "One Sheet Design struktura Jak vyplývá z názvu, "one-sheet Design " je návrh obsažený uvnitř jedné pracovní plochy. V teto struktuře se nepoužívají blokové struktury, i když jsou povolené, všechny signály zůstávají uvnitř pracovní plochy. "Flat Design " struktura "Flat Design " struktura je tradiční metoda pro organizování schematických návrhů na více stránkách. Tato struktura může být charakterizována jako soubor jednotlivých pracovních ploch se signálovými spoji, které propojují vzájemně jednotlivé stránky přes Off Page Connector (grafické objekty používané pro propojení mezi pracovními stránkami obr. 6.1). Stejně nazvané symboly jsou vzájemně propojeny. Nejedná se o fyzický konektor, ale pouze o označení vzájemného propojení. Umístění na kreslící ploch provedeme ikonou Off Page Connector nebo příkazem Place/ Off Page Connector. 31

Obr. 6.1 Flat Design struktura " Hierarchical Design " struktura Vytváření pracovních ploch v hierarchickém tvaru je snadnou cestou k organizaci komplikovaných návrhů. Hierarchický návrh má své vlastní pracovní plochy organizované do bloku, kde každý blok obsahuje část návrhu. Jeden blok může mít uvnitř další blok obsahující progresivně více detailů. Bloková značka subschématu se vytváří ikonou Hierarchical Block a její vývody ikonou Hierarchical Port, případně příkazem Place/ Hierarchical Block resp. Place/ Hierarchical Port. Po volbě Hierarchical Block program nabídne nejdříve dialogové okno (obr. 6.2), kde definujeme jméno (Name), možnost vnoření do struktury při generaci netlistu (Primitive Yes/ No), implementační jméno (Implementation Name), případně cestu a jméno souboru se schématem (Path and filename). Blok definujeme tažením myšky při zmáčknutém levém tlačítku. Obr. 6.2 Dialogové okno Hierarchical Block K propojení Hierarchical Block s ostatními objekty slouží Hierarchical Pin. V dialogovém okně (obr. 6.3) je nutno napsat jméno (Name) a typ vývodu (Type a Width). 32

Obr. 6.3 Hierarchical Pin Vnoření do subschématu se provede příkazem Descend Hierarchy nabídky pro hierarchický blok po zmáčknutí pravého tlačítka myšky. Při prvním vnoření program nabídne okno, ve kterém napíšeme název schématické stránky reprezentující subschéma. Poté program vytvoří nové okno editoru schématické stránky, ve které jsou už implicitně umístěny nadefinované hierarchické porty shodného názvu a typu, jako vývody hierarchického bloku (obr. 6.4). Obr. 6.4 Hierarchický blok a jeho vnitřní struktura Shrnutí pojmů One sheet Design, Flat Design, Hierarchical Design, Off Page Connector, Hierarchical Block Otázky 1. Jakým způsob se propojí schémata umístěná na více stránkách? 2. Jak se vytvoří a propojí hierarchický blok se zbytkem schématu? Literatura Záhlava Vít: OrCAD 10. Grada Publishing, 2004, Praha 33