top of page

   Моделирование и расширенный анализ схем в PSpice 2017. Часть 1.

 

   На рынке существует множество бесплатных и платных симуляторов аналоговых схем. Все они основаны на вычислительном ядре SPICE и отличаются друг от друга интерфейсом пользователя и различными дополнительными возможностями. Стандартом «де факто» для моделирования схем считается продукт компании Cadence Design Systems – система моделирования PSpice. В данной статье рассматриваются преимущества, которые получает разработчик аналоговых и цифро-аналоговых схем за счет использования программного обеспечения PSpice.

​

   Если вам нужно выполнить элементарное моделирование небольшой схемы, содержащей несколько транзисторов и пассивных компонентов, то можно использовать простейшие бесплатные SPICE-симуляторы, доступные для скачивания в интернете (например, OrCAD Lite с сайта www.orcad.com). Однако более профессиональные инструменты для схемотехнического моделирования могут дать разработчику гораздо больше преимуществ. Если воспользоваться дополнительными возможностями таких продуктов, как полный OrCAD PSpice с опцией PSpice Advanced Analysis, разработчики могут не только в разы сократить свои трудозатраты при разработке новых проектов, но и сэкономить много денег и времени для своего предприятия в целом, повышая эффективность всех этапов проектирования, производства и эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры.

​

   Рассмотрим, какие программные продукты предлагаются в составе линейки OrCAD PSpice. Имеется несколько продуктов, различающихся по функционалу:
 

  • OrCAD – бесплатная «студенческая» версия системы , имеющая ограничения по количеству цепей и по функционалу.
    Она содержит схемный редактор , редактор печатных плат и некоторые виды анализа .

  • OrCAD PSpice Designer – схемный редактор и все базовые виды анализа

  • OrCAD PSpice Designer Plus – схемный редактор, базовые виды анализа плюс блок расширенных видов анализа Advanced Analysis
    (чувствительность, оптимизация и т.д.)

  • PSpice Simulator –  более старшая линейка САПР Allegro, базовые виды анализа плюс блок расширенных видов анализа (чувствительность, оптимизация и т.д.)

  • PCB Designer Professional with PSpice – практически полный набор приложений, включая симулятор PSpice,
    схемный редактор OrCAD Capture, редактор печатных плат PCB Editor, автотрассировщик SPECCTRA,
    симулятор целостности сигналов SigXplorer и т.д.

  • Allegro PSpice Systems Option – опция для стыковки PSpice с пакетом Matlab/Simulink.
     

   OrCAD PSpice Designer состоит из нескольких приложений, тесно связанных между собой:

  • Capture – схемный редактор для создания и редактирования электрических схем

  • Model Editor – редактор для создания и корректировки Spice-моделей

  • Stimulus Editor – редактор входных воздействий

  • Parts Editor – редактор моделей магнитных компонентов

  • PSpice A/D – вычислительное ядро симулятора для цифровых и аналоговых схем

  • PSpice Advanced Analysis – дополнительные модули для расширенного анализа схем

 

   Программа PSpice содержит большое количество готовых библиотек Spice-моделей и схемных символов, а кроме того, в интернете доступно огромное количество дополнительных моделей - как на сайтах производителей электронных компонентов, так и на специализированных порталах. Все они совместимы именно с PSpice.

​

   Надо отметить, что PSpice предоставляет широкий набор средств как для моделирования, так и для обработки результатов анализа. Удобный и интуитивный интерфейс схемного редактора позволяет легко назначать модели, устанавливать точки для контроля напряжений, токов и мощности (Рис.1), пользоваться формулами для построения требуемых графиков и осциллограмм, строить графики совмещенные или разбитые по разным осям (Рис.2,3).

 

Рис.1. Схема в редакторе OrCAD Capture с результатами моделирования узловых напряжений и токов, полученными в PSpice.

​

Рис.2. Пример осциллограмм, полученных в PSpice – как на одном графике, так и в разных осях.

​

Рис.3. Пример результатов моделирования в PSpice с перебором параметров.

​

 
 
 

   В библиотеках программы имеется более 33000 компонентов со Spice-моделями аналоговых и цифровых компонентов.
Эти библиотеки не требуют дополнительной установки, они устанавливаются сразу же. Специальная панель PSpice Part Search (рис.4) в схемном редакторе OrCAD Capture позволяет осуществлять мгновенный поиск требуемых компонентов. Компоненты отображаются по категориям или по библиотекам, у каждого есть наименование (Part Name) и описание (Description). При выборе библиотечного компонента возможен предпросмотр схемного символа (рис.5). Также пользователи могут добавлять собственные компоненты в библиотеку.

 

Рис.5. Предварительный просмотр схемного символа в библиотеке PSpice.

 

Рис.4. Панель поиска компонента
по категориям.

 

   Также вы можете искать SPICE-модели в интернете. Перейти к онлайн-поиску можно непосредственно через панель PSpice Part Search. Прямо в окне схемотехнического редактора OrCAD Capture откроется портал OrCAD Capture Marketplace, вкладка Models (рис.6). Можно задать в ней фильтр поиск по типу модели, производителю, типу устройства и т.д. 

​

Рис. 6. Поиск моделей в интернете через окно схемного редактора.

​

   Также на портале OrCAD Capture Marketplace доступны дополнительные приложения для OrCAD и PSpice, которые можно скачать и установить на компьютере. Эти приложения повышают производительность OrCAD Capture и Pspice, и добавляют новые удобные функции. Атрибуты компонентов и техническое описание можно загружать в библиотеку автоматически с помощью приложения
Part Link от компании Digi-Key. Создавать новые модели можно с помощью приложений PSpice Modelling Apps. Дополнительные возможности по моделированию добавляет приложение PSpice Monte Carlo Temperature Sweep.

​

   Новые Spice-модели, найденные в интернете или созданные с помощью приложений PSpice Modelling Apps, легко и быстро подключаются к компонентам прямо на схеме. Достаточно выделить компонент на схеме OrCAD Capture и выбрать команду
ПКМ – Associate PSpice Model. С помощью команды Edit PSpice Model можно отредактировать текст модели в PSpice Model Editor. Примеры моделей, которые можно создать с помощью PSpice Modelling Apps, приведены на рис.7.

​

Рис.7. Различные приложения для создания Spice-моделей в PSpice.

(Слева-направо: создание модели трансформатора; создание модели генератора, управляемого напряжением;
создание модели ключа; создание модели стабилитрона;
создание модели источника сигнала; создание модели варистора.)

​

   Освоить функционал PSpice можно очень быстро с помощью встроенного в программу интерактивного учебника, с упражнениями и готовыми примерами, с готовыми настройками для моделирования (рис.8). Запустить учебник можно через меню Help – Learning PSpice. При этом открывается новая вкладка в схемном редакторе, в которой представлены учебные материалы по изучению PSpice, разбитые по категориям «от простого к сложному». В каждом разделе есть примеры схем, которые пользователь может открыть в схемном редакторе OrCAD Capture, просто нажав на соответствующую картинку левой кнопкой мыши, и промоделировать в PSpice с готовыми настройками проекта. В учебнике представлены не только проекты, но и теоретические аспекты различных схемотехнических решений. Учебник постоянно пополняется новыми материалами, поэтому пользователи, регулярно получающие обновления от Cadence, имеют возможность регулярно получать и использовать новые главы учебника.

​

Рис.8. Интерактивный учебник, встроенный в OrCAD PSpice.

​

   Благодаря функции Test Bench можно промоделировать только часть схемы. Для этого надо выделить часть схемы и создать из этого участка так называемый «Испытательный стенд» (рис.9). На схеме можно создавать несколько Test Bench для одного или разных каскадов схемы. Несколько Test Bench можно сравнить и вывести на экран различия с помощью функции Compare Test Bench.

Рис.9. Моделирование части схемы – Test Bench (моделируемая часть схемы выделена цветом).

​

В PSpice можно выполнять различные виды анализа схем (рис.10):

  • Анализ по постоянному току

  • Анализ по переменному току

  • Анализ шумов

  • Анализ переходных процессов

  • Фурье-анализ

  • Параметрический анализ

  • Температурный анализ

  • Анализ разброса параметров методом Монте-Карло

  • Анализ чувствительности методом наихудшего случая

  • Анализ передаточной функции

Рис.10. Настройки PSpice. Выбор вида анализа схемы.

​

   Помимо этого, вы можете подключить возможности расширенного анализа схем с помощью функционала PSpice Advanced Analysis (пакет OrCAD PSpice Designer Plus или Allegro PSpice Simulator), а также состыковать симулятор PSpice с программой моделирования электромеханических систем Matlab/Simulink (опция PSpice Systems Option).

​

   В новой 64-битной версии PSpice обеспечено существенное повышение производительности вычислений и точности результатов.
За счет высокой точности вычислений (64 бита) можно получать более точные графики. Новый параметр Speed Level позволяет ускорить переключение устройств и дает серьезный прирост в скорости вычислений. Новый параметр TREADS позволяет задействовать большее количество ядер процессора для ускорения вычислений (рис.11).

​

Рис.11. Настройки PSpice. Выбор скорости и количества задействованных ядер ЦПУ.

​

   Для сложных схем и переходных процессов актуальна проблема сходимости вычислений. В OrCAD PSpice проблема сходимости решается сбалансированным количеством настроек и специальной функцией автоконвергенции (AutoConverge). В рамках данной настройки программа автоматически регулирует точность вычислений в заданных пределах для достижения сходимости. Дополнительные опции (Advanced Options) позволяют более тонко настроить параметры вычислительного алгоритма (рис.12).

Рис.12a. Настройки PSpice. Управление сходимостью вычислений. Автоконвергенция.

​

Рис.12б. Настройки PSpice. Управление сходимостью вычислений. Дополнительные опции.

​

   Во время моделирования можно ставить процесс на паузу и менять управляющие опции. Для длительных процессов есть возможность сохранить текущее состояние моделирования в контрольных временных точках, а затем загрузить и продолжить расчеты после изменения параметров. Результаты моделирования PSpice выводятся в графическом виде, а также в виде текстового файла с результатами расчетов. Кроме того, результаты в виде узловых напряжений, значений токов на выводах компонентов и уровня мощности выводятся непосредственно в окне схемного редактора OrCAD Capture (рис.13).

Рис.13. Варианты вывода результатов моделирования PSpice.
Гистограмма и спектр, осциллограмма и текстовый файл.

​

   Также в PSpice появился новый вариант представления результатов моделирования. С помощью функции Tools – Generate Report пользователь может создавать собственные отчеты. В отчет могут быть включены: среднее значение, среднеквадратичная величина, пиковые значения тока, напряжения и мощности. Форма отчета полностью настраивается.
   Файл скрипта TCL находится в папке <installation>\tools\pspice\tclscripts\orPspReport. Для автоматической генерации HTML отчетов может быть применена команда ".TCLPOSTRUN".

​

   В PSpice можно проводить совместное моделирование аналоговой и цифровой части схемы. В одном окне виртуального осциллографа можно построить необходимое число графиков. На каждом графике может быть несколько осциллограмм, которые можно откладывать от разных вертикальных осей Y (рис.14). Осциллограммы можно легко переносить с одного графика на другой или в отдельное окно, и там производить их обработку.

Рис.14. Совместное моделирование цифровых и аналоговых частей схемы.

​

   В симуляторе PSpice можно подключать модели, описанные на языке высокого уровня C/C++. Программа на языке C/C++, например, может описывать поведение входов, выходов и внутренней логики микроконтроллера, а через порты ввода-вывода она управляет аналого-цифровой схемой. В этом случае код программы надо скомпилировать в виде DLL-модуля и подключить его прямо
в SPICE-модель, описанную оператором «.SUBCKT».

 

   В PSPICE имеется редактор моделей индуктивных компонентов Magnetic Parts Editor – специальная программа для создания моделей трансформаторов, дросселей и индуктивностей.  Модели формируются на основе библиотеки материалов в точном соответствии с параметрами пользователя. Библиотека материалов может быть отредактирована и дополнена новыми материалами.
  

Пользователь может выбрать следующие виды компонентов:

  • Power Transformer (Sine and Pulse wave)

  • Forward Converter (Single Switch Topology)

  • Forward Converter (Double Switch Topology)

  • Flyback Converter (Discontinuous Conduction Mode)

  • DC Inductor (Single Winding)

Пользователь может задать число обмоток, входные и выходные параметры, рабочие частоты, плотность тока, размеры и другие параметры индуктивных компонентов (рис.15).

Рис.15. Создание моделей индуктивных компонентов в PSpice.

 

   Очень полезны функции обработки и визуализации результатов вычислений. При построении графиков можно применять математические выражения, специальные функции и макросы.  Инструмент Performance Analysis позволяет строить гистограммы
для результатов статистического анализа по методу Монте-Карло. Вычислительные функции Measurements позволяют быстро найти сложные зависимости и параметры схемы, например, полосу пропускания, частоты среза и прочее (рис.16).

Рис.16. Применение математических выражений и специальных функций обработки результатов.

 

   Обычный анализ Монте-Карло присутствует в большинстве SPICE-симуляторов. Он позволяет проверить работу схемы при изменении параметров одного из компонентов. Например, задав минимальный и максимальный номинал резистора в пределах стандартного допуска +/-10%, а также шаг изменения номинала, можно получить семейство графиков (см. рис.). Но, к сожалению, это дает не так много информации, как хотелось бы, и не позволяет в полной мере проанализировать надежность и стабильность схемы.

​

   К счастью, в PSpice имеются более продвинутые и полезные инструменты расширенного анализа схем, которые объединены в опцию PSpice Advanced Analysis. С помощью инструментов PSpice Advanced Analisys разработчики могут улучшать повторяемость и надежность проектов. Например, разработчика могут интересовать следующие вопросы:

​

   Прибор может корректно работать в лаборатории, но будет ли работать изготовленная серия?

​

   Будет ли он корректно работать:

  • При скачках температуры?

  • При отклонениях номиналов?

  • Во всем диапазоне?

  • При старении?
     

Перегружены ли какие-то отдельные компоненты?

​

Они откажут при тестировании или при эксплуатации?

​

Есть ли слишком чувствительные части в схеме, которые могут вызвать проблемы в будущем?

​

Какие компоненты скорее всего могут отказать при производстве прибора?

​

Более подробно о функциях и возможностях расширенного анализа PSpice мы расскажем в следующей статье.

​

bottom of page