1
LABORATORIUM: „Wprowadzenie do programu IsSPICE”
Dr inż. Adam Penczek
TEMAT 1 „PIERWSZY PROJEKT”
Tworzenie nowego projektu
Rysowanie obwodu w Edytorze Schematów
a) Wstawianie elementów:
-
Passive (rezystory, kondensatory, dławiki)
-
Active (półprzewodniki..)
-
Sources (źródła)
-
parts from libraries (elementy
biblioteczne)
b) łączenie elementów
Elementy łączy się ze sobą poprzez dołączenie 2 końcówek do siebie albo wykorzystując polecenie
WIRE (w celu przejścia do trybu rysowania połączenie należy nacisnąć literę “W” )
Jeżeli połączenie jest prawidłowe, na schemacie pojawi się numer połączenia
Fig. 3
c) wstawianie punktów pomiarowych
Punkty pomiarowe wykorzystuje się w celu wygenerowania przebiegów (polecenie VIEW i ALIAS) na potrzeby
analizy stanów przejściowych (.TRAN)
Wstawienie jednego z punktów pomiarowych wymusza na oprogramowaniu symulacyjnym wyliczenie oraz
zapisanie do pliku odpowiednich danych (napięcie, prąd, moc) we wskazanym punkcie schematu.
Dostępne są 4 rodzaje punktów pomiarowych:
Y: napięcie węzła w odniesieniu do masy)
2Y: napięcie różnicowe
3Y: prąd płynący przez element
4Y: moc wydzielana na elemencie
Fig. 1
Fig. 2
2
W tabeli poniżej zestawiono najczęściej używane, w Edytorze Schematów, skróty klawiaturowe.
d) Etykietowanie elementów i zmiana ich parametrów
Ustawienia tj. wartość, numer węzła, parametry użytkownika itd. są dostępne za pośrednictwem okna
dialogowego wywoływanego poprzez podwójne kliknięcie myszką na wybranym elemencie
W przypadku elementu pasywnego
W przypadku źródła napięcia (prądu)
e) Praca z wieloma warstwami
Schemat można narysować wykorzystując konwencję warstw na których rozmieszczane są poszczególne
grupy elementów. Poszczególne warstwy można aktywować i dezaktywować (jeżeli warstwa jest
dezaktywowana to elementy rozmieszczone na n iej nie są brane pod uwagę w trakcie symulacji)
Aby utworzyć nową warstwę;
• Wybierz funkcję “Layers...” z menu Options w Edytorze
Schematów.
• Naciśnij przycisk New.
• W polu “New Layer Name:” wpisz nazwę tworzonej warstwy np
“Layer 2.
• Naciśnij przycisk OK.
Fig. 4
Fig. 5
3
Ćwiczenie 1.1 Utwórz nowy projekt i narysuj obwód jak na rys Fig. 6
a) Rysowanie obwodu
Wstaw elementy (źródło napięcia, rezystor i kondensator) na warstwie – Layer 1.
R=1k, C=100n, V=10
b) Utwórz nową warstwę – POMIARY.
Przetestuj polecenie “View Layer”
Wstaw punkty pomiarowe w celu uzyskania danych symulacyjnych (przebiegi prądu, napięcia oraz
mocy na elemencie R1)
c) Poszukiwanie punktu pracy ustalonej - DC Operating Point Analysis
Wybierz polecenie Simulation Setup z menu Actions. Wybierz przycisk Operating Point w celu
ustawienia parametrów symulacji - DC
operating point analysis.
Zamknij IsSPICE Simulation Setup i uruchom
process symulacji (Clrl +G)
W celu obejrzenia wyników symulacji
wybierz polecenie Refresh OP z menu
Options
d) Analiza stanów przejściowych - Transient Analyses
Wybierz polecenie Simulation Setup z menu Actions. Naciśnij przycisk Transient w celu ustawienia
parametrów symulacji (Transient Analysis parameters):
- Data Step Time
(krok danych wyjsciowych)
2u,
- Total Analysis Time
(czas symulacji)
20m,
- Time to Start Recording
(czas startu zapisu danych)
0..
- Maximum Time Step
(max. krok całkowania)
1u
Zamknij IsSPICE Simulation Setup i uruchom
process symulacji (Clrl +G). Aby po zakończeniu
symulacji obejrzeć wyniki uruchom Edytor Przebiegów
– IntuSCOPE (menu Actions)
Powtórz symulacje z wybraną opcją - Use Initial
Condition. Porównaj uzyskane przebiegi
1
5
R1
1k
1
1
5
C1
100n
1
V3
1
5
R1
1k
1
1
5
C1
100n
1
V3
5
Uwy
volts
1
Uwe
volts
Fig. 6
Fig. 7
Fig. 8
Fig. 9
4
Ćwiczenie 1.2 Okno dialogowe Simulation Controll, wyświetlanie wyników symulacji w czasie
rzeczywistym, interaktywna kontrola przebiegu i parametrów symulacji.
Po inicjalizacji procesu symulacji(Ctrl-G), IsSpice4 ładuje plik z listą połączeń (SPICE netlist) a
następnie uruchamia wybrane przez użytkownika analizy.
Po uruchomieniu symulacji na ekranie pojawia się kilka róznych okien:
-
Real-Time waveform display,
-
Simulation Control dialog,
-
Errors and Status window,
-
Output window,
a) Skalowanie przebiegów :
Zmianę skali wyświetlania przebiegów
można przeprowadzić indywidualnie dla
pojedynczego okna (podwójne
klikniecie myszą na wybranym oknie)
lub automatycznie dla wszystkich okien
(klawisz skrótu CTRL+T)
b) Praca z Simulation Control Dialog
-
Przemiatanie wartości parametrów dla symulowanego obwodu : W IsSpice4, istnieje
możliwość śledzenia zachowania się badanego obwodu poprzez interaktywną zmianę
parametrów poszczególnych elementów. Cała procedura może być zautomatyzowana.
Zmień wartość rezystancji obwodu i przesymuluj obwód używając przycisków Stimulus and
Expression Buttons w oknie Simulation Control
Dialog
- uruchamianie symulacji za pomocą skryptów języka ICL
Wpisz komendę: tran 1u 2m i naciśnij przycisk DoSsript . Obserwuj Real Time Display
Window. Powtórz procedurę zmieniając składnie komendy na .tran 1u 2m UIC
Przetestuj polecenie Script Atoms
Fig. 10
Fig. 11
5
Ćwiczenie 1.3 Podgląd i analiza wyników symulacji w edytorze INTUSCOPE
W trakcie trwania symulacji użytkownik ma możliwość podglądu przybliżonych wyników symulacji w
czasie rzeczywistym. Pozwala na oszacowanie czy proces przebiega zgodnie z oczekiwaniami (czy
poprawnie dobrano parametry obwodu, czy nie wystąpiły jakieś niepożądane zjawiska) i przerwanie
symulacji jeżeli na jakimś etapie użytkownik uzna, że należy cos zmienić.
Po zakończeniu procesu symulacji użytkownik, wykorzystując specjalnie do tego celu stworzony edytor
przebiegów IntuScope, może dokładnie przeanalizować uzyskane wyniki. Edytor IntuScope działa na
zasadzie wirtualnego oscyloskopu.
W celu uruchomienia programu IntuScope, wybierz polecenie IntuScope z menu Actions.
a) Otwórz nowe okno w edytorze przebiegów (menu File) i wyświetl przebieg napięcia na
kondensatorze (Uwy from Fig. 7)
Fig. 12
b)
Zmień skalę w dziedzinie czasu w celu dokładnego zaobserwowania narastającego zbocza
przebiegu (zakres 0 – 1msek ),
c)
Wykorzystując kursory wylicz czas narastania przebiegu (stałą czasową obwodu RC ),
Scaling window
Waveform
Calculator
Window
Graph
Window
Calculation
Menu
Cursors
Menu
6
Ćwiczenie 1.4 Analiza AC
Zmień parametry źródła napięciowego tak jak pokazano na Fig. 13
Fig. 13
A następnie aktywuj i ustaw parametry dla analizy AC (IsSpice Contrlol Simulation Window )
Fig. 14
Uruchom symulacje (Clrl +G) i zaobserwuj wyniki w IntuScope Editor.
Ćwiczenie 1.5
Wróć do edytora schematów i przetestuj następujące funkcje:
- Cross Probing
- Altering (obserwuj wyniki w edytorze przebiegów - INTUSCOPE)
7
TEMAT 2 WYKORZYSTANIE BIBLIOTEKI
ELEMENTÓW, ANALIZA FOURIERA
Ćwiczenie 2.1
Narysuj schemat z Fig. 15 -
Ustaw parametry symulacji tj. poniżej:
.TRAN 20u 40m 0 2u UIC
Uruchom symulacje (Clrl +G) i zaobserwuj
wyniki w IntuScope Editor
Ćwiczenie 2.2
Wybierz z biblioteki inny model diody (wybierz diodę o niższym napięciu), przesymuluj obwód i
sprawdź rezultaty
Ćwiczenie 2.3
Przeprowadź analizę Fourier dla prądu płynącego przez rezystor R1 za pomocą 2 metod:
a) Wykorzystując język skryptowy ICL - User Statement Window w IsSpice Simulatation Setup
Dialog (Fig. 16)
b) Wykorzystaj funkcję FFT aktywowaną z poziomu edytora IntusScope (menu
Calculator\Calculus\FFT time --> magnitude)
1
V1
1
2
R1
32.5
1
Uzas
volts
amps
2
D4
1N1188
u(t)=325*sin(2
50Hz*t)
Fig. 15
Fig. 16
Wprowadzanie parametrów
dla generatora przebiegów
napięciowych
8
TEMAT 3 WYKORZYSTANIE ŹRÓDEŁ STEROWANYCH (ELEMENT B)
Przykład: Komparator znaku
Wykorzystując arbitrażowe źródło napięcia (element B)
,
zbuduj komparator znaku (jak na Fig. 17.)
Ćwiczenie 3.1
Wykorzystując arbitrażowe źródło napięcia (element B) zbuduj układy:
- detektor przejścia przez „0” (w paśmie od 0 do 0,2V na wyjściu pojawia się logiczna „1”,
- ogranicznik sygnału (układ „przepuszcza” sygnał w zakresie =/-2,5V, w pozostałym zakresie
wchodzi w stan nasycenia ),
- komparator z histerezą (szerokość pasma histerezy H=2V, offset=1V)
Wykorzystaj pomoc programu IsSpice aby uzyskać informację o składni funkcji zapisywanych w źródle B.
Przetestuj działanie układów wykorzystując jako sygnał wejściowy przebieg sinusoidalny o amplitudzie 5V i
częstotliwości 50Hz.
TEMAT 4
WYKORZYSTANIE JĘZYKA SKRYPTOWEGO ICL (INTERACTIVE COMMAND LANGUAGE)
Utwórz obwód jak na Fig. 18 parametry źródła napięcia: sin 0 100 50 (signal type = sinus, offset =0, peak
amplitude=100V, frequency=50Hz)
Ustaw parametry dla analizy TRAN w IsSpice Setup Simulation Window i uruchom symulację
Tran 50u 40m 0 10u UIC
2
V1
2
R1
10
Ugen
volts
2
Prad
amps
2
2
V(2)
Tran
3.30
-3.30
50.0M
0
time
Fig. 18
1
B4
Voltage
1
Uwy
volts
2
V1
2
Ugen
volts
Fig. 17
9
Po zakończeniu procesu i pojawieniu się okna Simulation Control przepisz skrypty umieszczone poniżej.
W celu uruchomienia skryptów naciśnij przycisk DoScript. Wykorzystaj Script Atoms w celu uzyskania
informacji o składni języka ICL
Przykładowe skrypty:
Script 1*
foreach rezystancja 2 4 6 8
alter @r1[resistance] = $rezystancja
tran 20u 20m 0 1u
sendplot @r1[i]
end
* przed uruchomieniem skryptu 1 należy otworzyć Edytor Przebiegów IntuScope
Script 2
function skuteczna(vec) sqrt(mean(vec*vec))
alter @r1[resistance]=10
dowhile skuteczna(@R1[i])>5
alter @r1[resistance]=@r1[resistance]+.2
tran 50u 20m 0 10u
end
print skuteczna(@R1[i])
print @r1[resistance]
ICL Script
Fig. 19
10
TEMAT 5 PRZYKŁADY PRAKTYCZNE – TEST PRACY WZMACNIACZA OPERACYJNEGO
Ćwiczenie 5.1
Utwórz i przesymuluj obwód z Fig. 20. Wykorzystaj wzmacniacz operacyjny uA741.
Parametry sygnału wejściowego : V2 sin 0 1.5 50
a) Przeprowadź analizy AC (w paśmie 1MEG) i Transient (.tran 40u 50m 0 10u UIC)
Obejrzyj przebiegi sygnałów wejściowych i wyjściowych w Edytorze IntuScope
b) Dodaj kondensator o pojemności 10nF równolegle do rezystora R6, uruchom ponownie symulację
i porównaj wyniki w edytorze przebiegów IntuScope
c) Wykorzystując język skryptowy ICL, przeprowadź pakiet symulacji w celu sprawdzenia jak zmienia się
napięcie wyjściowe w sytuacji zwiększania pojemności kondensatora (od 10nF do 100nF)
Obejrzy również charakterystyki amplitudowo częstotliwościowe dla przebiegu napięcia wyjściowego
d) Wybierz inny typ wzmacniacza operacyjnego i przeprowadź symulację – porównaj uzyskane rezultaty
Literatura:
[1] Andrzej Dobrowolski – “Pod maską SPICE’a” Wydawnictwo BTC Warszawa 2004
[2] Intusoft “IsSpice 4 User’s Guide”
[3] Intusoft “ICAP/4 – getting started”
V1
VCC
VCC
1
R2
10k
4
5
R4
10k
6
4
R6
10k
4
4
4 4
6
6
6
6
6
Uwy
volts
5
V2
5
5
5
Uwe
volts
6
R7
100k
VCC
VEE
4
1
6
X1
UA741LIN
V3
VEE
VEE
V(5)
Tran
1.65
-1.65
50.0M
0
time
+5V
-5V
TRAN sin 0 1.5 50
AC 1
Fig. 20
11