Моделирование схемы с помощью Capture

Содержание

Введение

       Электроника - динамично развивающая область науки и техники, исполняющая особую роль в современном мире. Исключительно важное значение электроника имеет для развития торгового, пассажирского и других видов судоходства. Современные суда являются практически полностью автоматизированными на основе электронных систем автоматики.

       Дисциплина "Электроника и электронные средства управления" предназначена для подготовки специалистов просветительно-квалификационного уровня "Бакалавр" по специальности "Эксплуатация судовых энергетических установок" на базе полного общего среднего образования.

Дисциплина "Электроника и электронные средства управления" является одной из профилирующих, которая обеспечивает подготовку судомеханика. Знание предмета на необходимом уровне позволяет выпускнику учебного заведения выдержать квалификационные испытания на право получения соответствующего сертификата на занятие командной должности на судне и исполнять служебные обязанности судового механика.

Цель преподавания дисциплины "Электроника и электронные средства управления" - это обретение теоретических знаний и практических навыков необходимых для эксплуатации судовых радиоэлектронных устройств, предназначенных для управления судовыми исполнительными механизмами в ходе профессиональной деятельности по указанной специальности.

Курсант (студент) должен знать:

-   физические основы курса электронных и полупроводниковых приборов, принцип действия и параметры линейных и нелинейных компонентов электроники;

-   элементную базу аналоговых и цифровых микроэлектронных средств;

-   основы построения функционирования цифровых вычислительных и управляющих систем.

-   методы моделирования электронных средств управления с использованием персональных электронных вычислительных машин с целью выявления особенностей их функционирования в заданных условиях.- основные схемы и принципы построения приборов автоматики;

В ходе выполнения лабораторных работ курсант (студент) должен овладеть:

o современным программным обеспечением, используемым для моделирования электронных цепей;

o принципами построения математических моделей электронных устройств;

o способами исключения громоздких рутинных расчетов при исследовании сложных цепей, благодаря возможности детального исследования характеристик таких цепей на ПЭВМ;

o навыками элементарных расчетов при проектирования электронных цепей.

Лабораторные работы выполняются в компьютерном классе. База для их выполнения включает:

o Программы схемотехнического моделирования PSPICE v9.2;

o Библиотеки моделей компонентов;

o Краткие методические рекомендации по использованию моделирующих программ;

o Методические указания по выполнению экспериментов;

o Методические материалы содержат краткие теоретические предварительных расчетов, описание исследуемых цепей.

      Практикум содержит 1 работу вводного характера, нацеленную на изучение используемого в дальнейшем программного обеспечения, и 5 работ исследовательского характера, предназначенных для углубленного знакомства с современными разделами электроники и интегральной схемотехники. Каждая из исследовательских работа практикума содержит задание на предварительный расчет, задание на моделирование, шаблон отчета, контрольные вопросы и задания. При выполнении компьютерных экспериментов могут быть использованы любые моделирующие программы. Однако предпочтительным является использование программ PSPICE различных версий. Это объясняется тем, что PSPICE де-факто является промышленным эталоном программ моделирования электронных цепей и широко используется в САПР электронных устройств.

Лабораторная работа №1

Тема работы:Обзор возможностей программы PSPICE.

   Цель работы: Изучение возможностей моделирования электронных устройств на ПЭВМ с помощью программы PSPICE.

PSPICE — это мощная программа общего назначения для моделирования аналоговых и смешанных схем, которая используется для проверки составленных схем. Она имеет особое значение для интегральных схем. По этой причине аббревиатура SPICE расшифровывается как:

Simulation Program for Integrated Circuits Emphasis

(Программа моделирования с ориентацией на интегральные схемы)

 PSPICE — это версия программы SPICE для персонального компьютера, которая сейчас доступна от OrCAD Corp. of Cadence Design Systems, Inc.

В PSPICE можно проводить несколько типов анализа схем. Наиболее важные из них:

o Анализ нелинейных цепей постоянного тока (Non-linear DC analysis):вычисляет кривую намагниченности постоянного тока.

o Анализ переходных процессов и анализ Фурье в нелинейных цепах (Nonlinear transient and Fourier analysis): вычисляет напряжение и ток как функции времени; анализ Фурье дает частотный спектр.

o Анализ линейных цепей переменного тока (Linear AC Analysis): вычисляет выходную функцию как функцию частоты, стоится график Боде.

o Анализ шумов (Noise analysis)

o Параметрический анализ (Parametric analysis)

o Анализ по методу Монте-Карло (Monte Carlo Analysis).

Кроме того, PSPICE имеет аналоговые и цифровыебиблиотеки, включающие стандартные элементы (такие, как НЕ-И, НЕ-ИЛИ, триггера, мультивибраторы, мультиплексоры, программируемые логические устройства, программируемые пользователем вентильные матрицы и многие другие цифровые компоненты). Это делает программу PSPICE полезным инструментом для исследования широкого круга аналоговых и цифровых схем.

Все исследования могут быть выполнены при различных температурах. Температура по умолчанию — 300 К.

Схема может содержать следующие компоненты:

· Зависимые и независимые источники тока и напряжения

· Резисторы

· Конденсаторы

· Индукторы

· Вариометр с регулировкой взаимной индуктивности (Mutual inductors)

· Линии передачи - проводники

· Операционные усилители

· Электронные ключи

· Диоды

· Биполярные транзисторы

· МОП-транзисторы

· Полевые транзисторы с p-n переходом (JFET)

· Полевые транзисторы с затвором, образованным контактом Шотки(MESFET)

и другие компоненты.

Перед тем, как приступать к анализу схемы, её необходимо смоделировать в программе. Это можно сделать несколькими способами. Один из них — создать текстовый файл с описанием схемы в соответствующих терминах. Этот файл называется входным файлом SPICE или исходным файлом. Другой способ заключается в том, чтобы использовать программу ввода схемы такую, как OrCAD CAPTURE.

Capture — это простая в использовании программа, которая позволяет смоделировать схему и определить тип анализа. Следующая схема показывает шаги, которые нужно сделать, чтобы смоделировать схему.

Моделирование схемы с помощью Capture

1. Откройте OrCAD Capture.

2. Создайте новый проект. Для этого выберите пункт меню File\New\Project.

3. Введите название проекта.

4. Выберите Analog or Mixed A/D.

 5. Когда откроется окно Create PSPICE Project, выберите "Create Blank Project".

Затем откроется новая страница, как показано ниже.

6. Чтобы добавить элемент к схеме, нужно выбрать пункт меню Place\Part

или нажать на иконку . Откроется следующее диалоговое окно:

7. Выберите библиотеку, содержащую необходимые компоненты. Напечатайте начало названия элемента в поле Part. Список элементов Part List пролистается до тех компонентов, названия которых содержатся символы, которые вы ввели. Если библиотека недоступна, нужно добавить её, нажимая на кнопку Add Library. Появится окно, в котором вы можете выбрать желаемую библиотеку. Рассмотрим содержание некоторых библиотек.

Analog содержит пассивные элементы (R,L,C), mutual inductane, transmission line, зависимые источники тока и напряжения (источник напряжения, управляемый напряжением, E; источник тока, управляемый током, F; источник тока, управляемый напряжением, G; источник напряжения, управляемый током, H).

Source содержит различные типы независимых источников тока и напряжения.

Eval включает диоды (D…), биполярные транзисторы (Q…), МОП транзисторы, полевые транзисторы с p-n переходом (J…), реальный операционный усилитель такой, как u741, электронные ключи (SW_tClose, SW_tOpen), различные цифровые компоненты.

Abm содержит интересные математические операторы, которые могут быть применены к сигналам такие, как умножение (MULT), сумма (SUM), квадратный корень (SQRT), оператор Лапласа (LAPLACE), арктангенс (ARCTAN) и многие другие.

Special содержит разнообразные компоненты, типа параметров (PARAM) и другие.

8. Расположите на странице резисторы, конденсатор (из библиотеки Analog) и источники постоянного тока и напряжения. Вы можете поместить элемент нажатием на левую кнопку мыши. Также можно повернуть элемент, если нажать клавишу R. Чтобы разместить еще один такой же элемент, нужно снова кликнуть левой кнопкой мыши. Нажмите клавишу Esc, когда закончите с данным элементом. Можно также установить начальное состояние конденсатора. Для этого необходимо два раза щелкнуть левой кнопкой мыши на нем, затем откроется окно Property Editor, где в колонке IC нужно ввести значение начального состояния,

например 3V. В нашем случае предположим, что IC = 0 (значение по умолчанию).

9. После размещения всех элементов схемы необходимо добавить заземление, нажав на иконку  или выбрав пункт меню Place\Ground. Когда откроется окно Place Ground, выберите GND/CAPSYM и назовите его 0 (то есть ноль). Не забудьте сменить название, иначе PSPICE выдаст ошибку “Floating Node”.

После этого схема будет иметь следующий вид:

10. Соедините элементы. Для этого выберите пункт меню Place\Wire или кликните по иконке .

11.Вы можете назначить имена узлам схемы, выбрав пункт меню Place\Net Alias.

12.Измените значения резисторов, дважды щелкнув на номере рядом с резистором. Можно так же изменить название резистора. Сделайте то же самое для конденсатора, источников тока и напряжения.

Список соединений

Список соединений — это список всех элементов, имеющий простой формат: R_имя узел 1 узел 2 значение.

Чтобы сгенерировать список соединений, выберите пункт меню

PSPICE\Create Netlist. Чтобы просмотреть файл списка соединений, выберите PSPICE\View Netlist.

Обратите внимание на направление тока в элементах! Положительное направление тока в элементе таком, как резисторе, от узла 1 к узлу 2. Узел 1 является левым выводом для горизонтального расположения или верхним выводом для вертикального расположения. Вращая элемент на 180 градусов

можно переключить номера выводов.

В нашем случае номера Netlist выглядит следующим образом:

V_V1    IN 0 20Vdc

I_I1       0 OUT DC 1mAdc

R_R1    IN OUT 10k

R_R2    0 OUT 10k

C_C1    0 OUT 5uF

Мы заинтересованы в направлении тока от узла OUT к заземлению, поэтому нужно повернуть резистор R2 дважды так, что надо поменять местами значения:

R_R2    OUT 0 10k.

Определение типа анализа

Как было упомянуто выше, PSPICE позволяет проводить различные типы анализа. Рассмотрим, как проводятся (Bias) и (DC Sweep) анализы на схеме, смоделированной выше.

Bias or DC analysis

1. Выберите пункт меню PSPICE\New Simulation Profile.

2. В текстовом поле Name введите имя файла, например Bias.

3. В поле Inherit From выберите none и нажмите Create.

4. Когда откроется окно Simulation Settings, в поле Analysis Type выберите Bias Point и нажмите OK.

5. Далее пункт меню PSPICE\Run.

6. Откроется окно, сообщающее, что анализ прошел успешно. Если есть ошибки, посмотрите файл Simulation Output.

7. Чтобы увидеть результат анализа, вы можете открыть файл Simulation Output или нажать на иконку (показать напряжения) и (показать токи).

DC Sweep simulation

Рассмотрим ту же самую схему, чтобы проанализировать, что произойдет при изменении значения источника напряжения от 0 до 20 V. При этом значение источника тока оставим прежним 1mA.

1. Выберите пункт меню PSPICE\New Simulation Profile.

2. В текстовом поле Name введите имя файла, например DC Sweep.

3. В качестве типа анализа выберите DC Sweep. Введите имя источника напряжения V1, значение которого будет меняться. Нужно определить начальное и конечное состояния: 0, 20 и 0.1V соответственно.

4. Запустите моделирование (PSPICE\Run). PSPICE сгенерирует выходной файл, который содержит значения токов и напряжений в схеме.