Роберт Хайнеманн - Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE

Шаг 14 Рассмотрите внимательно окно Add Traces и поэкспериментируйте, выбирая в его центральной части различные данные для занесения в список диаграмм.

После этого краткого экскурса пора приступать к созданию диаграммы на основе данных о напряжении на конденсаторе и общем напряжении, полученных при моделировании электросхемы последовательного включения с резистивно-емкостной связью. И вот здесь вы сможете похвалить себя за то, что внимательно изучили раздел урока 2 о выходном файле PSPICE и разбираетесь в именах, присвоенных программой PSPICE токам и напряжениям, ведь именно под этими именами они и находятся в списке диаграмм. Теперь вы сразу сможете определить, как здесь называются диаграммы общего напряжения и потенциала на верхнем выводе конденсатора: имя V(U1:+) обозначает общее напряжение, а (С1:2) — напряжение на выводе 2, то есть на верхнем конце конденсатора С1.[22]

Шаг 15 Щелкните в левой части окна Add Traces поочередно по именам V(U1:+) и V(C1:2) и отправьте их таким образом в нижнюю строку Trace Expression (Trace-содержимое) — см. рис. 4.10. Добавьте к ним также потенциал точки «земли» V(0) для указания нулевой линии. Если вы ошиблись при заполнении строки Trace Expression или в ней содержатся данные, введенные вами в ходе предыдущих экспериментов и которые вы теперь хотели бы удалить, то вы легко можете это сделать. Строка Trace Expression ведет себя как обычный текстовый редактор: курсор можно перемещать и устанавливать в любое место по вашему желанию. Если все получилось так, как вам требовалось, то подтвердите свой выбор, щелкнув по кнопке OK.

Нужные вам диаграммы появились на экране (рис. 4.11), однако такое изображение может удовлетворить разве что очень непритязательного электронщика. Вас, разумеется, оно не устраивает. Все дело в том, что ширина шага, которую программа PSPICE автоматически выбрала для вычисления своих значений, оказалась слишком велика, поэтому на диаграмме появились углы и вершины.

Рис. 4.11. Диаграмма общего напряжения и напряжения на конденсаторе с автоматически выбранной шириной шага

Шаг 16 Откройте еще раз окно предварительной установки для анализа переходных процессов Transient (см. раздел 4.1) и введите в поле Step Ceiling значение 4 мкс (не забывайте о том, что PSPICE не понимает греческих букв, поэтому следует ввести 4us, а не 4μs) — см. рис. 4.12. При такой ширине шага PSPICE вычислит 1000 значений в интервале от 0 до 4 мс.

Рис. 4.12. Окно Transient с заданной шириной шага вычислений 4 мкс

Шаг 17 Заново запустите процесс моделирования, на этот раз с уменьшенной шириной шага, и выведите на экран желаемую диаграмму (теперь уже в удовлетворяющем вас виде) — см. рис. 4.13.

Рис. 4.13. Диаграмма общего напряжения и напряжения на конденсаторе с шириной шага при моделировании 4 мкс

Изучив начальную область вашей диаграммы, вы сможете убедиться в том, что анализ переходных процессов программы PSPICE имеет одно замечательное качество: он представляет собой комбинацию анализа переходного процесса и стационарного состояния, то есть показывает характеристики схемы в момент, когда переключение из закрытого состояния в открытое уже завершилось. Однако при отображении переходного процесса необходима бдительность: PSPICE практически всегда выполняет свою работу безупречно, но иногда (очень редко) возникают проблемы со сходимостью. И тогда даже PSPICE может допустить ошибку. Поэтому никогда не помешает лишний раз проконтролировать результаты.

При работе с программой PSPICE надо четко понимать: она не заменяет лабораторию. Только лабораторный эксперимент может окончательно решить, удовлетворяет ли проект какой-либо схемы необходимым требованиям. Но! С помощью PSPICE можно сократить затраты на лабораторные эксперименты до минимума. Опытные разработчики уже отказываются от лабораторной сборки с использованием гибких проводов и проводят сборку первого прототипа новой модели сразу на печатной плате. Именно такой путь развития интерактивного моделирования предложила фирма OrCAD[23], когда объединяла все инструменты, необходимые для проектирования электронных схем, под одной пользовательской оболочкой. К уже знакомым вам инструментам SCHEMATICS, PSPICE и PROBE добавились компоновщик и автотрассировщик. В результате стало возможным осуществлять весь процесс проектирования схемы за компьютером, включая проектирование печатных плат и получение данных для, например, сверлильного станка ЧПУ типа CNC для автоматического изготовления пластин. На рис. 4.14 изображена структура программного пакета, названного изготовителями From Start to Finish (От начала до конца).

Рис. 4.14. Единая пользовательская оболочка для разработки электронных схем From Start to Finish

К сожалению, почти с каждым большим (и не менее заслуженным) шагом в области автоматизации проектирования фирма MicroSim изменяла название пользовательской оболочки, под которой объединены в гармоничное целое отдельные программы. Первоначально этот программный пакет назывался PSPICE (то есть программа-имитатор PSPICE наряду с редактором SCHEMATICS и программой-осциллографом PROBE и т.д. являлась составной частью программного пакета с таким же названием). Позднее он стал называться DESIGN CENTER, затем DESIGN LAB. Сегодня этот пакет известен под именем CADENCE-PSPICE. Проектировщики не успевают запоминать новые названия. Они и сегодня, говоря о PSPICE, имеют в виду весь программный пакет. Этой традиции придерживается и автор этой книги.

4.3. Добавление второй координатной оси Y

Если вы хотите отразить на временной диаграмме электросхемы последовательного включения с резистивно-емкостной связью, состоящей из R и С, не только напряжение на конденсаторе UC(t), но и ток через конденсатор IC(t), то вам нужно добавить вторую ось координат Y, так как для одновременного изображения UC(t) и IC(t) у вас нет сколько-нибудь приемлемой шкалы[24].

Шаг 18 Для того чтобы добавить в диаграмму PROBE вторую координатную ось Y, действуйте следующим образом:

1. Проведите моделирование работы вашей схемы в желаемом временном интервале, например от 0 до 2 мс, и запустите по его окончании программу PROBE.

2. Откройте окно Add Traces и выведите на экран диаграмму напряжения на конденсаторе и нулевую линию так же, как вы делали это раньше (команда Trace→Add).

3. Откройте в PROBE меню Plot (Система координат).

4. Выберите команду Add Y Axis (Добавить ось Y), чтобы создать новую координатную ось Y.

5. Откройте окно Add Traces и отправьте данные тока I(С1) в строку Trace Expression.

6. Установите перед током I(С1) в строке Trace Expression отрицательный знак «-», так как PROBE считает токи в прямом направлении, то есть от вывода 1 к выводу 2. Вас же интересует обратный ток, который проходит в схеме сверху вниз, то есть от вывода 2 к выводу 1.

В результате вы получите диаграмму, изображенную на рис. 4.15.

Рис. 4.15. Диаграмма тока и напряжения на конденсаторе

График тока опережает график напряжения на 90°, как и полагается у конденсаторов, но только после завершения переходного процесса, продолжительность которого в данном случае составляет примерно два периода.

4.4. Применение анализа переходных процессов: зарядка и разрядка конденсаторов

Первая встреча любого начинающего электронщика с зависимыми от времени процессами происходит, как правило, при изучении особенностей зарядки и разрядки конденсаторов. Сейчас вы будете создавать уже знакомую вам временную диаграмму тока и напряжения на конденсаторе, чтобы закрепить знания об анализе переходных процессов PSPICE. При этом вы также познакомитесь с новым компонентом, а именно с источником импульсного напряжения VPULSE.

Шаг 19 Загрузите на экран схему последовательного включения резистора и емкости RC_TRANS.sch и замените установленный в ней источник напряжения VSIN на генератор импульсного напряжения типа VPULSE из библиотеки SOURCE.slb (рис. 4.16). Сохраните измененную схему в папке Projects под именем RC_PULS.sch.

Рис. 4.16. Схема последовательного включения резистора и емкости с генератором импульсного напряжения типа VPULSE 

При заданных значениях для резистора R и конденсатора С значение временной константы равно t=0.2 мс. Как известно, процессы зарядки и разрядки конденсаторов после 5 t практически завершаются. То есть, если установить длину импульса 1.5 мс и время моделирования 4 мс, этого будет вполне достаточно, чтобы полностью отобразить процесс зарядки и разрядки в виде одной общей диаграммы.