🠔 к публикациям

к части 2 🠖

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.