metody komputerowe

Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku Białej
Wydział Budowy Maszyn i Informatyki
Katedra Elektrotechniki i Automatyki
Instrukcja laboratoryjna
Przedmiot: Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej
Program komputerowy PSPICE
Opracował: mgr inż. Krzysztof Kajstura
Bielsko-Biała 2002
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 2
Wprowadzenie
Pakiet MicroSim Evaluation Software DesignLab Release 8 firmy MicroSim jest kolejną
wersją, pracującą w środowisku Windows, popularnego pakietu symulacji układów
elektronicznych PSpice. Oprogramowanie to wywodzi się ze standardu SPICE 2G.0
opracowanego na Uniwersytecie Berkeley. Na rysunku poniżej przedstawiony jest schemat
blokowy ilustrujący współdziałanie poszczególnych podprogramów pakietu.
Rys. 1. Schemat blokowy systemu MicroSim Evaluation Software DesignLab Release 8
Pakiet MicroSim Evaluation Software DesignLab Release 8 zawiera narzędzia umoż-
liwiające zbudowanie schematu, symulację analogową, symulację cyfrową, programowalną
syntezę logiczną, optymalizację analogową, zintegrowaną analizę sygnałów i wizualizację
całego procesu projektowego. Wykorzystane są przy tym wszystkie zalety środowiska
Windows, co czyni pracę z pakietem bardziej elastyczną.
Schematics pozwala narysować schemat projektu, określić rodzaj i wartości elementów,
sparametryzować elementy dla optymalizacji oraz określić rodzaje analiz.
Opcje edycyjne umożliwiają zapisywanie stworzonego projektu, jego usuwanie,
przenoszenie, zmianę orientacji, wyświetlanie właściwości danego elementu, parametrów da-
nego modelu, wymianę elementów między stronami i znajdowanie ich na schemacie.
Opcje analiz tworzą listę połączeń dla układu, określają rodzaj i przedziały zmian wartości
dla analiz, pozwalają dopisać ścieżki dostępu do bibliotek, ustawić opcje dla Probe,
uruchomić Probe, przejrzeć listę połączeń i plik wyjściowy.
Za pomocą znaczników można na schemacie umieścić punkty podglądu określonych
charakterystyk układu.
Specjalne opcje umożliwiają przejście do edycji symboli, w których można stworzyć
graficzny symbol elementu, opisać jego końcówki, określić nazwę elementu, nazwę modelu,
zdefiniować symbol i jego obudowę.
W konfiguracji edytora możemy również dodać nową bibliotekę elementów
elektronicznych.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 3
PSpice A/D umożliwia wykonanie obliczeń do symulacji analogowych i cyfrowych
układów elektronicznych. Wykonuje analizę stałoprądową, zmiennoprądową, czasową,
wrażliwości, Fouriera, tolerancji i temperaturową.
W procesie obliczeń zostają wykryte błędy wynikające z nieprawidłowego połączenia
układu, z braku zdefiniowanych elementów, ustawień lub błędnych ustawień analiz.
W czasie symulacji na ekranie pojawiają się wyniki obliczeń wybrane dla punktów
określonych w deklaracji analiz.
Probe umożliwia analizę wyników symulacji, daje możliwość interaktywnego podglądu
charakterystyk dla interesujących nas punktów.
Program wizualizuje przebiegi napięć i prądów w układzie, jak również pozwala wykreślić
wyrażenia obliczone przy użyciu funkcji arytmetycznych i funkcji specjalnych.
W oknie dialogowym można zamienić osie, zmienić ich zakresy i skale, dodać osie, dodać
nowe wykresy i zmienić rodzaje analiz.
Opcje analizy przebiegu pozwalają powiększać i zmniejszać wykres lub jego fragmenty.
Wykorzystanie kursora umożliwia znalezienie szukanej wartości (maksymalnej, minimalnej,
znalezienie zbocza itp.).
Opcje graficzne pozwalają dodać tekst, linie, strzałki, punkty charakterystyczne, elipsy itp.
Specjalne funkcje umożliwiają wkomponowanie" w analizowany przebieg własnych
zdefiniowanych przebiegów funkcyjnych.
PSpice Optimizer umożliwia optymalizację analogowych układów elektronicznych w
obecności ograniczeń nierównościowych.
Zawiera algorytm minimalizacji i algorytm najmniejszych kwadratów. Korzysta z ustawień
w programie Schematics lub umożliwia deklaracje zmiennych bezpośrednio w platformie
PSpice Optimizer.
Procesowi optymalizacji mogą podlegać układy z zadeklarowanymi analizami
zmiennoprądowymi, stałoprądowymi i czasowymi. Funkcje optymalizowane mogą być
zapisane w formie analitycznej w PSpice Optimizer lub mogą być zapisane w formie
tabelarycznej w pliku zewnętrznym. Cały proces jest procesem iteracyjnym, w którym w
PSpice Optimizer deklarowane są dane, a w PSpice A/D wykonywane obliczenia.
Parts jest programem służącym do wygenerowania modelu elementu na podstawie jego
charakterystyki. Definiowanie elementu następuje po podaniu jego podstawowych danych na
bazie których wygenerowany zostaje jego model, który może być normalnie wykorzystywany
przez program Schematics do budowy obwodu.
PCBoards umożliwia stworzenie struktury płytki drukowanej wybranego schematu.
Podczas jej tworzenia uwzględniane są zadeklarowane przez użytkownika komponenty, które
mają być uwzględnione w procesie. Ścieżki na płytce prowadzone są przez projektanta
zgodnie ze schematem połączeń układu. Po uzyskaniu obrazu płytki połączenia można
wydrukować na folii.
PLSyn pozwala na stworzenie dowolnego układu stanowiącego jeden element, jest to
szeroko pojęta synteza logiczna układów swobodnie programowalnych. Program ten bazuje
również na programie Schematics, w którym deklarowany jest cały układ, następnie jest on
analizowany, a jego sygnały przetwarzane są na mapę przełączeń, odpowiadającą strukturze
wybranego elementu programowalnego. Ten sam układ może być przetwarzany na strukturę
rożnych układów programowalnych.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 4
SPECCTRA jest zintegrowaną częścią programu PCBoards umożliwiającą automatyczne
generowanie ścieżek na płytce drukowanej zgodnie z technologią Cooper & Chyen
Technology (CCT). Podczas deklaracji ustawień podawane są takie komponenty, jak: grubość
ścieżek, oznaczenia punktów połączeń oraz styków, rodzaj materiału, z którego wykonane
zostaną ścieżki.
Podczas zajęć w laboratorium używana będzie wersja testowa DesignLab 8. Wersja
testowa umożliwia przeanalizowanie wszystkich opcji DesignLab z następującymi
ograniczeniami:
Schematics:
" Projekt ograniczony jest do jednego schematu na stronie A4.
" Schemat projektu może zawierać maksymalnie 50 symboli.
" W bibliotece może być skonfigurowanych maksymalnie 9 symboli.
" Użytkownik może stworzyć w bibliotece maksymalnie 20 symboli.
" Maksymalnie może być wymienionych 70 symboli.
" Biblioteka zawiera 22 elementy analogowe i 140 cyfrowych.
Drukowanie:
" Maksymalnie 30 elementów, 50 połączeń i 4 warstwy sygnałów.
Symulacja analogowa i cyfrowa:
" Układ analizowany ograniczony jest do 64 węzłów.
" Projekt może zawierać maksymalnie 10 tranzystorów.
" Projekt może zawierać 2 wzmacniacze operacyjne.
" Projekt może zawierać 65 prostych elementów cyfrowych.
" Projekt może zawierać 10 idealnych linii przesyłowych.
" Program Parts (wyznaczanie parametrów modelu) ograniczony jest do modelu diody.
" Program Stimulus ograniczony jest do przebiegu sinusoidalnego (układy analogowe) i do
przebiegu realizującego takt zegara (układy cyfrowe).
PSpice Optimizer:
" Optymalizowany może być tylko jeden parametr przy jednej funkcji celu i jednej funkcji z
ograniczeniami nierównościowymi.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 5
1. Analiza zmiennoprądowa.
W czasie analizy AC obliczane są zmiennoprądowe wartości wielkości wyjściowych w
funkcji częstotliwości. Początkowo obliczane są stałoprądowe punkty pracy elementów
układu, a następnie wyznaczane są parametry modeli nieliniowych. Po tych obliczeniach
układ jest analizowany w dziedzinie częstotliwości. Wynikiem analizy jest zwykle wartość
jednej z transmitancji układu dla podanych częstotliwości. Jeśli układ zawiera tylko jedno
zródło napięciowe (prądowe), dogodnie jest przyjąć dla niego wartość jednostkową oraz
zerową fazę.
1.1. Filtr pasmowoprzepustowy I rzędu.
Dla układu jak na rysunku wyznaczyć:
- charakterystykę napięcia wyjściowego w funkcji częstotliwości,
- zależność jak powyżej w skali decybelowej (ch-ka amplitudowa modułu),
- zależność fazy napięcia wyjściowego w funkcji częstotliwości w skali decybelowej (ch-ka
amplitudowa fazy),
- pasmo przenoszenia oraz częstotliwości graniczne (spadek 3dB) za pomocą funkcji celu,
- wzmocnienie napięciowe układu w funkcji częstotliwości.
Rys. 2. Schemat ideowy filtru pasmoprzepustowego I rzędu
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 6
Plik cir
.ac DEC 10 0.1 100K
.OP
.lib nom.lib
.INC "filtr posmowoprzepustowy.net"
.INC "filtr posmowoprzepustowy.als"
.probe
.END
Plik net
R_R3 0 $N_0001 1k
X_U1 $N_0002 $N_0001 $N_0003 $N_0004 Out uA741
V_V2 $N_0004 0 -15V
V_V3 $N_0003 0 15V
C_C2 $N_0007 $N_0002 4u
C_C1 $N_0002 Out 50n
R_R2 $N_0002 Out 10k
R_R1 $N_0008 $N_0007 470
V_V1 $N_0008 0 AC 1
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 7
1.2. Filtr bierny RLC. Filtry wyższych harmonicznych.
Dla układu jak na rysunku wyznaczyć:
- charakterystykę modułu,
- charakterystykę fazy,
- opóznienie sygnału napięciowego.
Wyznaczyć powyższe charakterystyki dla stałych wartości rezystancji
R1 = R2 = R3 = R4 = 25&! zmieniając wartość pojemności C1=1uF, C2=2uF, C3=4uF,
C4=8uF.
W szereg z kondensatorem włączyć indukcyjność. Zbadać wpływ dodatkowej
indukcyjności na powyższe charakterystyki.
Rys. 3. Schemat ideowy filtrów biernych RLC
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 8
Plik cir
.ac DEC 100 10 10K
.OP
.lib nom.lib
.INC "filtry wh.net"
.INC "filtry wh.als"
.probe
.END
Plik net
L_L1 $N_0001 S1 10mH
C_C1 0 S1 1u
L_L2 $N_0002 S2 10mH
L_L3 $N_0003 S3 10mH
L_L4 $N_0004 S4 10mH
R_R4 $N_0005 $N_0004 25
V_V1 $N_0005 0 DC 0 AC 311 SIN 0 311 50 0 0 0
R_R3 $N_0005 $N_0003 25
R_R2 $N_0005 $N_0002 25
R_R1 $N_0005 $N_0001 25
C_C2 0 S2 2u
C_C3 0 S3 4u
C_C4 0 S4 8u
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 9
2. Analiza stałoprądowa
W czasie analizy stałoprądowej obliczane są stałoprądowe punkty pracy dla zmieniających
się parametrów układu. Program wykonuje analizę zwierając w układzie indukcyjności i
rozwierając pojemności. Analiza stałoprądowa wykonywana jest przed analizą stanów
nieustalonych w celu wyznaczenia warunków początkowych (istnieje możliwość pominięcia
obliczania warunków początkowych w analizie czasowej przez uaktywnienie polecenia Skip
initial transient solution).
2.1. Stabilizatory napięcia
Dla układów jak na rysunku wyznaczyć:
- charakterystykę obciążenia Uwy = f (Iwy)
- charakterystyki Uwy = f (Uwe) dla kilku wartości prądu obciążenia.
Rys. 4. Schemat ideowy stabilizatora napięcia
Rys. 5. Schemat ideowy stabilizatora napięcia ze sprzężeniem zwrotnym
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 10
Plik cir dla układu z rys. 3
.DC LIN I_I1 0 150m 10m
.OP
.lib nom.lib
.INC "stabilizator prosty.net"
.INC "stabilizator prosty.als"
.probe
.END
Plik net dla układu z rys. 3
V_V1 $N_0001 0 DC 10
R_R1 $N_0002 $N_0001 40
D_D1 0 $N_0002 D1N750
I_I1 $N_0002 0 DC 0
Plik cir dla układu z rys. 4
.DC LIN V_V1 0 15 0.2 LIN I_I1 10m 210m 100m
.OP
.lib nom.lib
.INC "stabilizator ze sprzezeniem.net"
.INC "stabilizator ze sprzezeniem.als"
.probe
.END
Plik net dla układu z rys. 4
D_D3 0 $N_0001 D1N750
Q_Q4 $N_0003 $N_0002 $N_0001 Q2N2222
V_V1 $N_0004 0 DC 10
Q_Q3 $N_0005 $N_0003 $N_0002 Q2N2222
R_R1 $N_0003 $N_0005 680
R_R2 0 $N_0002 1k
R_R3 $N_0004 $N_0005 5
I_I1 $N_0002 0 DC 200mA
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 11
2.2. Tranzystor bipolarny
Wyznaczyć charakterystykę kolektorową ic = f (uCE ) iB = const tranzystora bipolarnego
2N2222 dla kilku wartości prądu bazy.
Rys. 6. Układ do wyznaczania charakterystyki kolektorowej tranzystora
Plik cir
.DC DEC V_V1 1m 30 100 LIN I_I1 0.1m 10m 1m
.OP
.lib "nom.lib"
.INC "tyrystor.net"
.INC "tyrystor.als"
.probe
.END
Plik net
V_V1 $N_0001 0 DC 5
I_I1 0 $N_0002 DC 4m
Q_T1 $N_0001 $N_0002 0 Q2N2222
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 12
3. Analiza czasowa.
Analiza czasowa, popularnie nazywana jest również analizą stanów nieustalonych, w
czasie jej wykonywania obliczana jest odpowiedz czasowa układu w przedziale od t = 0 s do
podanej wartości. Warunki początkowe obliczane są w czasie wykonanej wcześniej analizy
stałoprądowej dla założenia, że przed chwilą t = 0 panował w układzie stan ustalony. W
pakiecie DesignLab istnieje możliwość pominięcia obliczania warunków początkowych przez
uaktywnienie polecenia Skip initial transient solution. W programie PSpice przebiegi czasowe
próbkowane są nierównomiernie - bardzo gęsto w miejscach, gdzie układ posiada małe stałe
czasowe, i bardzo rzadko tam, gdzie panują duże stałe czasowe, lub panują stany ustalane.
3.1. Mostek Graetza. Prostownik jednofazowy.
Wyznaczyć:
- przebieg napięcia i prądu wyjściowego,
- przebieg prądu płynącego przez diody.
Włączyć równolegle do wyjścia pojemność filtrującą tętnienia napięcia. Zbadać wpływ
pojemności filtrującej oraz prądu obciążenia na przebieg napięcia wyjściowego. Następnie w
szereg z rezystorem włączyć cewkę i zbadać wpływ indukcyjności na przebieg prądu
obciążenia.
Rys. 7. Schemat ideowy mostka Graetza
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 13
Plik cir
.tran 0.5m 40m
.OP
.lib nom.lib
.INC "mostek Graetza.net"
.INC "mostek Graetza.als"
.probe
.END
Plik net
D_D2 0 $N_0001 D1N4002
D_D1 0 $N_0002 D1N4002
D_D3 $N_0002 Out D1N4002
D_D4 $N_0001 Out D1N4002
V_V1 $N_0002 $N_0001 SIN 0 50 50 0 0 0
R_R1 0 Out 10
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 14
3.2. Przetworniki A/C i C/A.
Dla układu jak na rysunku wyznaczyć:
- charakterystykę czasową napięcia wejściowego,
- charakterystykę czasową napięcia wyjściowego,
Zbadać wpływ częstotliwości taktowania przetwornika A/C na dokładność odtwarzania
napięcia wejściowego.
Rys. 8. Schemat ideowy dobadania przetworników A/C i C/A.
Plik cir
.tran 1m 40m
.OP
.lib nom.lib
.INC "przetwornik AC i CA.net"
.INC "przetwornik AC i CA.als"
.probe
.END
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 15
Plik net
V_V1 $N_0001 $N_0002 SIN 0 5 50 0 0 0
X_U1 $N_0001 $N_0012 0 $N_0011 $N_0012 $N_0012
+ $N_0003 $N_0004 $N_0005 $N_0006 $N_0007 $N_0008 $N_0009
$N_0010 $G_DPWR
+ $G_DGND ADC8break
+ PARAMS: MNTYMXDLY=0 IO_LEVEL=0
V_V2 $N_0002 0 DC 5
X_U2 Out $N_0012 0
+ $N_0003 $N_0004 $N_0005 $N_0006 $N_0007 $N_0008 $N_0009
$N_0010 $G_DPWR
+ $G_DGND DAC8break
+PARAMS: MNTYMXDLY=0 IO_LEVEL=0
R_R1 0 Out 100Meg
V_V4 $N_0012 0 DC 10
V_V3 $N_0011 0 PULSE 0 5 1n 1n 1n 10n 1m
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 16
4. Analiza parametryczna.
Podczas analizy parametrycznej są wykonywane wielokrotnie iteracje wybranego rodzaju
analizy przy jednoczesnych zmianach parametru globalnego, parametru modelu, zródła prądu,
zródła napięcia lub temperatury. Wynikiem jest szereg wartości lub charakterystyk będących
odpowiedzią układu na dane zmiany.
4.1. Rezonans szeregowy.
Dla kilku wartości pojemności (np. 1uF, 4uF, 9uF) wyznaczyć charakterystyki :
- I = f ( f ) ,
- Im{I} = f ( f ) ,
- �I = f ( f ) .
To samo przeprowadzić dla stałej wartości pojemności zmieniając wartość indukcyjności.
Rys. 9. Schemat układu przygotowanego do analizy parametrycznej.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 17
Plik cir
.PARAM Cval=1u
.ac DEC 100 10 1K
.STEP LIN PARAM cval 1u 9u 4u
.OP
* From [SCHEMATICS NETLIST] section of msim.ini:
.lib nom.lib
.INC "rezonans szeregowy.net"
.INC "rezonans szeregowy.als"
.probe
.END
Plik net
R_R1 $N_0002 $N_0001 150
C_C1 $N_0003 0 {Cval}
L_L1 $N_0001 $N_0003 2
V_V1 $N_0002 0 AC 1 SIN 0 300 50 0 0 0
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 18
4.2. Przekształtnik DC/DC obniżający napięcie
Dla kilku wartości współczynnika wypełnienia wyznaczyć:
- przebiegi napięcia wyjściowego,
- przebiegi prądu w zależności od wartości indukcyjności (tak aby zobrazować
przewodzenie ciągłe i przerywne).
Rys. 10. Tranzystorowy łącznik prądu stałego obciążony obwodem RL
Plik cir
.PARAM Lvar=1m
.tran 20ns 100u SKIPBP
.STEP DEC PARAM lvar 0.01m 1.01m 2
.OP
.lib "nom.lib"
.INC "chopper.net"
.INC "chopper.als"
.probe
.END
Plik net
D_D1 0 $N_0001 Dbreak
R_R1 0 $N_0002 100
R_R2 $N_0004 $N_0003 75
Q_T1 $N_0005 $N_0003 $N_0001 Q2N2222
V_V1 $N_0005 0 300V
V_Vs $N_0004 $N_0001 DC 0 AC 0 PULSE -15 15 0 0 0 10u 20u
L_L1 $N_0001 $N_0002 {Lvar}
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 19
5. Analiza wrażliwości.
W analizie wrażliwości obliczana jest pochodna cząstkowa wielkości wyjściowej
względem wszystkich parametrów układu. Wielkością wyjściową może być np. napięcie lub
prąd, a parametrami układu rezystancja, pojemność, napięcie zródłowe itd. Program oblicza
również wrażliwość znormalizowaną:
wrażliwość znormalizowana = (wrażliwość " wartość elementu)/100
5.1. Dzielnik napięcia.
Dla układu dzielnika napięcia jak na rysunku przeprowadzić analizę wrażliwości dla
napięcia wyjściowego.
Rys. 11. Schemat ideowy dzielnika napięcia
Dla tak postawionego zadania:
" napięcie Vout
R2R3
Vout = V1
R1R2 + R1R3 + R2R3
" wrażliwość względem R1
"Vout - R2R3V1(R2 + R3)
= = -0,0496
"R1 (R1R2 + R1R3 + R2R3)2
" wrażliwość znormalizowana dla R1
"Vout R1
= -1,4876�"10-3
"R1 100
" wrażliwość względem R2
"Vout R3V1(R1R2 + R2R3 + R1R3) - (R1 + R2)R2R3V1
= = 0,0992
"R2 (R1R2 + R1R3 + R2R3)2
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 20
" wrażliwość znormalizowana dla R2
"Vout R2
= 0,9917 �"10-3
"R2 100
" wrażliwość względem R3
"Vout R2V1(R1R2 + R1R3 + R2R3) - (R1 + R2)R2R3V1
= = 0,0248
"R3 (R1R2 + R1R3 + R2R3)2
" wrażliwość znormalizowana dla R3
"Vout R3
= 0,4959 �"10-3
"R3 100
" wrażliwość względem V1
"Vout R2R3(R1R2 + R2R3 + R1R3)
= = 0,1818
"V1 (R1R2 + R1R3 + R2R3)2
" wrażliwość znormalizowana dla V1
"Vout V1
= 1,8182 �"10-3
"V1 100
Pilk cir
.OP
.sens v([out])
.lib nom.lib
.INC "dzielnik.net"
.INC "dzielnik.als"
.probe
.END
Plik net
V_V1 $N_0001 0 DC 1
R_R1 out $N_0001 3
R_R2 0 out 1
R_R3 0 out 2
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 21
6. Analiza temperaturowa.
Analiza temperaturowe umożliwia zasymulowanie pracy układu dla zmieniającej się
temperatury. Standardowo w pakiecie DesignLab temperatura bazowa przyjęta została jako
T = 27�C. Wartość ta zadeklarowana jest w Analysis/Setup... Options zapisana w polu
TNOM. Analiza temperaturowa przeprowadzona może być w połączeniu z inną analizą, aby
pokazać zmiany charakterystyk układu, lub można ją wykonać samodzielnie. Jeśli analiza
temperaturowa zostanie wykonana samodzielnie, to wyniki obliczeń znajdą się tylko w pliku
*.out, w którym zapisane zostaną parametry modeli elementów z uwzględnieniem wpływu
zmieniającej się temperatury. Ważną zaletą tej analizy jest możliwość zasymulowania
temperatur panujących w warunkach rzeczywistych oraz sprawdzenie reakcji układu na te
zmiany.
6.1. Bramka TTL.
Wyznaczyć:
- charakterystykę U = f (U ) dla temperatur 20, 20, 60.
wy we
Rys. 12. Schemat ideowy bramki TTL
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 22
Plik cir
.DC LIN V_V2 0 3 0.01
.TEMP -20,20,60
.OP
.lib "C:\MSimEv_8\UserLib\Kris.lib"
.lib "nom.lib"
.INC "bramka TTL.net"
.INC "bramka TTL.als"
.probe
.END
Plik net
R_R1 $N_0002 $N_0001 4k
R_R2 $N_0003 $N_0001 1.6k
Q_Q2 wy $N_0004 0 Q2N2222
Q_Q1 $N_0005 $N_0003 $N_0006 Q2N2222
Q_Q3 $N_0003 $N_0007 $N_0004 Q2N2222
Q_Q4 $N_0007 $N_0002 $N_0008 Q2N2222
R_R4 0 $N_0004 1k
D_D2 $N_0006 wy D1N4002
R_R3 $N_0005 $N_0001 130
V_V1 $N_0001 0 DC 5
V_V2 $N_0008 0 DC 3
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 23
7. Analiza Fouriera.
Każdy przebieg okresowy może być przedstawiony za pomocą szeregu
trygonometrycznego zwanego szeregiem Fouriera. Funkcja okresowa f(�t) może być
przedstawiona w postaci sum wyrazów szeregu. Zawiera on składową stałą oraz funkcje
sinusoidalne o częstotliwości będącej wielokrotnością częstotliwości funkcji f (�t). Składowe
sinusoidalne nazywamy harmonicznymi.
Szereg Fouriera dla funkcji okresowej ma postać:
n
f (�t) = Fo + sin(k�1t +�k )
"F
k
k=1
Fo - składowa stała,
k -rząd harmonicznej,
n - rząd ostatniej harmonicznej,
Fk - amplituda harmonicznej rzędu k,
�k- faza początkowa harmonicznej rzędu k,
� -pulsacja pierwszej harmonicznej.
Po przekształceniach szereg Fouriera możemy przedstawić w postaci:
n n
f (�t) = Fo + Ak cos k�1t + sin k�1t
" "Bk
k=1 k=1
gdzie:
Ak = Fk sin �k
Bk = Fk cos �k
Analiza Fouriera umożliwia w DesignGab obliczenie poszczególnych składowych szeregu aż
do 9 harmonicznej.
7.1. Przykład
Połączyć równolegle kilka zródeł napięcia sinusoidalnego. Częstotliwości kolejnych
zródeł powinny być wielokrotnością częstotliwości podstawowej (np.50Hz). Sprawdzić czy
wyniki otrzymane z analizy Fouriera odpowiadają ustawieniom parametrów poszczególnych
zródeł napięciowych.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 24
Rys. 13. Schemat układu przygotowanego do analizy Fouriera
Plik cir
.tran 10u 40m
.four 50 9 v([out])
.OP
.lib "nom.lib"
.INC "fourier.net"
.INC "fourier.als"
.probe
.END
Plik net
V_V2 out $N_0001 SIN 0 10 100 0 0 0
V_V3 out $N_0002 SIN 0 10 150 0 0 0
V_V1 out $N_0003 SIN 0 10 50 0 0 0
R_R1 0 $N_0003 1
R_R2 0 $N_0001 1
R_R3 0 $N_0002 1
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 25
8. Analiza FFT.
Przy użyciu opcji Trace/Fourier w Probe możliwe jest uzyskanie szybkiego
przekształcenia Fouriera dla przebiegów wygenerowanych po analizie AC lub Transient.
Probe przelicza uzyskane wartości z zakresu czasowego na zakres częstotliwościowy i
odwrotnie. Podstawą przeliczenia FFT jest zakres od wartości startowej t = 0 do punktu
końcowego (Final Time). Drugim kryterium dokładności FFT jest liczba punktów
symulacyjnych branych pod uwagę w analizie czasowej.
8.1. Prostownik sterowany trójpulsowy.
Wyznaczyć przebiegi napięć i prądów układu prostownika sterowanego
trójpulsowego. Przeprowadzić analizę FFT. Badania przeprowadzić dla kilku kątów
opóznienia załączenia tyrystorów. To samo przeprowadzić dla prostownika niesterowanego.
Zmienić parametry modelu tyrystora tak aby układ pracował poprawnie przy amplitudzie
sygnału zasilającego 200V. Tyrystory włączyć w kierunku odwrotnym i powtórzyć badania.
Rys. 14. Schemat ideowy prostownika trójpulsowego
Plik cir
.tran 1ms 40m
.OP
.lib nom.lib
.INC "prostownik 3p.net"
.INC "prostownik 3p.als"
.probe
.END
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 26
Plik net
V_Vs1 $N_0001 0 PULSE 0 2 5m 0.01m 0.01m 1m 20m
V_Vs3 $N_0002 0 PULSE 0 2 18.33m 0.01m 0.01m 2m 20m
V_Vs2 $N_0003 0 PULSE 0 2 11.66m 0.01m 0.01m 2m 20m
V_V1 $N_0004 0 SIN 0 25 50 0 0 0
V_V3 $N_0005 0 SIN 0 25 50 0 0 -240
V_V2 $N_0006 0 SIN 0 25 50 0 0 -120
X_X1 $N_0004 $N_0001 $N_0007 2N1595
X_X2 $N_0006 $N_0003 $N_0007 2N1595
X_X3 $N_0005 $N_0002 $N_0007 2N1595
R_R1 0 $N_0007 100
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 27
9. Analizy statystyczne
Analiza Monte Carlo i analiza Worst Case są analizami statystycznymi, które podczas
obliczeń zmieniają wartości wybranych elementów w przedziale ograniczonym
zadeklarowaną tolerancją w kolejny iteracjach analiz AC, DC lub Transiet. Przed
uruchomieniem obliczeń należy wybrać element lub parametr danego elementu i określić
tolerancję jego zmian.
Analiza Monte Carlo i Worst Case generują następujące typy raportów:
" wartości elementów lub jego parametrów modelu w każdej symulacji,
" przebiegi graficzne zmiennej wyjściowej dla poszczególnych (wynikających z tolerancji)
zmian wartości parametrów,
" przebieg graficzny funkcji wyjściowej pyry zmianie wartości wszystkich parametrów.
W Analysis/Setup... Monte Carlo/Worst Case możemy wybrać rodzaj analizy statystycznej,
analizę stałoprądową, zmiennoprądową, czasową oraz musimy określić funkcję wyjściową.
Pole Function umożliwia wybór rodzaju funkcji wyjściowej:
YMAX - znajduje największe odchylenie od wartości nominalnej,
MAX - znajduje maksymalną wartość z każdego przebiegu,
MIN - znajduje minimalną wartość z każdego przebiegu,
RISE_ EDGE - znajduje pierwszą większą wartość wielkości wyjściowej znajdującą się
powyżej założonej wartości w Rise/Fall,
FALL_EDGE - znajduje pierwszą mniejszą wartość wielkości wyjściowej znajdującą się
poniżej założonej wartości w Rise/Fall,
Range Lo - dolna granica przedziału zmienności wartości, dla których będzie obliczana
funkcja wyjściowa,
Range Hi - górna granica przedziału zmienności wartości, dla których będzie obliczana
funkcja wyjściowa.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 28
10. Analiza Worst Case
Analiza WorstCose pozwala znalezć najgorsze zachowanie się układu przy zmianach
określonych parametrów w ramach zadanej tolerancji.
Worst Case przeprowadza pierwszą symulację z wartościami nominalnymi, następnie
oblicza wrażliwość wielkości wyjściowej przy zmianach określonych parametrów i na koniec
znajdowane jest największe odchylenie. Dla przykładu przy zmianach wartości rezystorów
RI, R2, R3 z tolerancją ą 10% analiza Worst Case próbuje znalezć taką kombinację ich
wartości, dla której wielkość wyjściowa ma najgorszy przebieg, największe odchylenie itp.
Proces Worst Case składa się z trzech części:
" określenia wielkości wejściowych,
" określenia sposobu przeprowadzenia analizy,
" określenia wielkości wyjściowej.
Dla wybranych elementów należy określić ich tolerancje. Do wyboru mamy DEV i LOT.
Użycie DEV powoduje modyfikację wartości wybranych elementów odwołujących się do
.MODEL w sposób niezależny, a LOT w sposób synchroniczny. Przykład:
.model Cbreak CAP C=1 DEV=l0%
Opcje Worst Case:
Output All - opcja ta umożliwia umieszczenie w pliku wyjściowym danych z obliczeń oraz
wykreślenie krzywych w Probe dla wszystkich elementów zadeklarowanych w analizie,
List -umożliwia wyszczególnienie elementów, dla których zostanie przeprowadzona analiza
Worst Case,
Vary Dev, Lot, Both -umożliwia wybór grup elementów, dla których rodzaj tolerancji został
określony przy pomocy DEV lub LOT; opcja Both umożliwia wybór obu grup,
Direction HI, LO - wybór rodzaju odchylenia: największego lub najmniejszego.
Devices - po tym słowie kluczowym możemy określić, która grupa elementów będzie brana
pod uwagę w procesie Worst Case.
10.1. Generator sinusoidalny z mostkiem Wiena
Na rys. 15 przedstawiony jest układ z mostkiem Wiena. Regulację częstotliwości pracy
uzyskuje się przez zmianę wartości rezystora R1. Rezystor R4 ustala amplitudę
generowanego sygnału.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 29
Rys. 16. Schemat ideowy generatora sinusoidalnego z mostkiem Wiena
W analizie Worst Case postaramy się zbadać wpływ powyższych rezystancji oraz wpływ
pojemności C1 na przebieg wyjściowy. Zanim jednak będzie możliwe przeprowadzenie
analizy, musimy poczynić następujące przygotowania:
1. Ze schematu usuwamy elementy R1, R4 i C1, a ich miejsce wpinamy Rbreak i Cbreak z
biblioteki BREAKOUT.Iib, ustalając jednocześnie wartość Rl = 1 k, R4=2k, C1=87nF.
2. Podświetlamy rezystor R1 i poleceniem Edit/Model... wybieramy Edit Instance Model
(Text), dopisujemy do modelu rezystora następujące parametry: .model Rbreak RES
R=1 DEV=5%:
Taka deklaracja powoduje to, że tolerancja rezystora Rl wynosi ą5%, a jego wartość
wewnątrz zadanego przedziału będzie się zmieniać niezależnie od innych rezystorów
odwołujących się do tego samego modelu.
Zmieniony model elementu Rbreak zostanie zapisany w bibliotece lokalnej gen.lib.
3. Dla rezystora R4 postępujemy tak jak poprzednio, z tą różnica, że tolerancję ustawiamy na
wartość 10%. Musimy jeszcze zmienić nazwę biblioteki lokalnej na genl.lib. Pozostawienie
poprzedniej nazwy spowodowałoby nałożenie się tych dwóch bibliotek i ustawienie
jednakowej tolerancji (10%) dla obydwu rezystorów.
4. W modelu kondensatora C1 wpisujemy: .model Cbreak CAP C=1 DEV=5% i
zapisujemy bibliotekę pod nazwą gen2.lib.
Program automatycznie dopisuje te trzy biblioteki w Analisys\Library and Include Files...
Library Files.
Po zadeklarowaniu wielkości wejściowych można przystąpić do analizy Worst Case.
W naszym przykładzie poszukujemy trzech najgorszych przypadków dla różnych funkcji
wyjściowych przy różnych elementach:
1. Funkcja MAX, elementy R1, R4 i C1.
Ustawienia analizy Worst Case: Analisys = Worst Case, Analisys Type = Transient,
Output Var = V(out), Function = MAX, WCase Options = Output All, Vary = Dev, Direction
= Hi.
Po uruchomieniu analizy w Probe pojawia się zestaw pięciu charakterystyk:
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 30
przebieg dla wartości nominalnych, przy zmianach R1, R4, C1 oraz przebieg dla najgorszego
przypadku przy jednoczesnych zmianach wartości wszystkich elementów.
2. Funkcja YMAX, elementy R1, R4.
Ustawienia analizy Worst Case: Analisys = Worst Case, Analisys Type = Transient,
Output Var = V(out), Function = MIN, WCase Options = List, Vary = Dev, Direction = Hi,
Devices = R.
3. Funkcja MIN, element C1.
Ustawienia analizy Worst Case: Analisys = Worst Case, Analisys Type = Transient,
Output Var = V(out), Function = MIN, WCase Options = List, Vary = Dev, Direction = Lo,
Devices = C.
Analiza Worst Case najpierw przeprowadza obliczenia dla nominalnych wartości
elementów, a następnie bada wrażliwość funkcji wyjściowej względem poszczególnych
elementów. Wynik daje odpowiedz, czy zmiana wartości danego elementu wpływa dodatnio
lub ujemnie na przebieg wejściowy. W ostatnim etapie zostaje wyznaczony najgorszy
przypadek, jako wynik z kombinacji wszystkich pojedynczych odchyleń.
Każda analiza Worst Case generuje plik wyjściowy, w którym znajduja się między innymi
informacje, czy wartości elementów, w zadanym przedziel tolerancji, zostały zwiększone lub
zmniejszone.
Przykład pliku out dla przypadku 1 (cześć dla analizy Worst Case).
**** 02/21/102 14:30:26 ******** NT Evaluation PSpice (July 1997) ************
* C:\MSimEv_8\Projects\generator.sch
**** SORTED DEVIATIONS OF V(OUT) TEMPERATURE = 27.000 DEG C
SENSITIVITY SUMMARY
******************************************************************************
RUN MAXIMUM VALUE
NOMINAL .6659 at T = .0117
C_C1 Cbreak C .6653 at T = .0117
( -.8964% change per 1% change in Model Parameter)
R_R4 Rbreak R .6603 at T = .0117
( -8.4118% change per 1% change in Model Parameter)
R_R1 Rbreak R .6591 at T = .0109
( -10.081% change per 1% change in Model Parameter)
**** 02/21/102 14:30:26 ******** NT Evaluation PSpice (July 1997) ************
* C:\MSimEv_8\Projects\generator.sch
**** WORST CASE ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG C
WORST CASE ALL DEVICES
s******************************************************************************
**** 02/21/102 14:30:26 ******** NT Evaluation PSpice (July 1997) ************
* C:\MSimEv_8\Projects\generator.sch
**** UPDATED MODEL PARAMETERS TEMPERATURE = 27.000 DEG C
WORST CASE ALL DEVICES
******************************************************************************
DEVICE MODEL PARAMETER NEW VALUE
C_C1 Cbreak C .95 (Decreased)
R_R1 Rbreak R .95 (Decreased)
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 31
R_R4 Rbreak R .95 (Decreased)
**** 02/21/102 14:30:26 ******** NT Evaluation PSpice (July 1997) ************
* C:\MSimEv_8\Projects\generator.sch
**** SORTED DEVIATIONS OF V(OUT) TEMPERATURE = 27.000 DEG C
WORST CASE SUMMARY
******************************************************************************
RUN MAXIMUM VALUE
ALL DEVICES .6977 at T = .0118
( 104.79% of Nominal)
NOMINAL .6659 at T = .0117
JOB CONCLUDED
TOTAL JOB TIME 3.72
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 32
11. Analiza Monte Carlo
Analiza Monte Carlo oblicza zachowanie się układu przy przypadkowych zmianach
wartości elementów lub wartości parametrów modelu elementów, dla których została
określona tolerancja. Wynikiem analizy są dane statystyczne, które pozwalają projektującemu
ocenić zachowanie się układu przy zmianach wartości elementów wewnątrz założonego
przedziału.
Tak jak w analizie Worst Case, przy określaniu tolerancji do wyboru mamy DEV i LOT.
Opcje Monte Carlo:
MCRuns - liczba symulacji,
Output None - polecenie to powoduje, że w Probe nie zostaną umieszczone wyniki obliczeń,
Output All - wszystkie wyniki zostaną wygenerowane,
Output Value* -wartości wyjściowe tylko dla pierwszych n symulacji,
Output Every* -wartości wyjściowe dla każdej n-tej symulacji,
Output Runs* - wyniki tylko tych symulacji, które zostały wyszczególnione (maksymalnie 25),
List - opcja ta zapisuje w pliku wyjściowym dokładne, wybrane losowo, wartości
elementów w kolejnych iteracjach,
*Value - wartości dla Value*, Every*, Runs*,
Speed - liczba z przedziału od 1 do 32767, która wpływa na wybierane losowo
wartości elementów
11.1. Układ filtru pasmowoprzepustowego
Na rysunku poniżej przedstawiony jest typowy układ filtru pasmowoprzepustowego
zbudowany z części górnoprzepustowej i dolnoprzepustowej.
Rys. 17. Schemat ideowy filtru pasmowoprzepustowego
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 33
Przed przystąpieniem do analizy Monte Carlo należy wybrać elementy i zdefiniować dla
nich tolerancję. W tym celu z schematu układu usuwamy wszystkie elementy R, C, a w ich
miejsce wstawiamy Rbreak i Cbreak z biblioteki BREAKOUT. Wartości elementów R, C
pozostają bez zmiany.
Dla modelu rezystora R1 i kondensatora C1 określamy tolerancję równą 5%:
.model Rbreak RES R=1 DEV=5%, .model Cbreak CAP C=1 DEV=5%
Po 300 symulacjach w pliku wyjściowym .out znajdą się poszczególne wartości elementów R,
C w kolejnych iteracjach oraz odchylenia funkcji wyjściowej od wartości nominalnej,
natomiast Probe kreśli przebiegi VDB(QUT) dla wszystkich uruchomień.
W analizie Monte Carlo istnieje również możliwość wygenerowania histogramu, który jest
graficznym sposobem przedstawienia informacji zawartych w tzw. szeregu rozdzielczym.
Szereg ten tworzymy dzieląc przedział zmienności [xmin, xmax] na zadaną liczbę klas.
Przedział ten generowany jest w wyniku kolejnych symulacji, a liczbę klas określa użyt-
kownik. Można posłużyć się znanym wzorem:
3 n
k H"
4
gdzie k jest liczbą klas, a n liczbą symulacji. Histogram jest wykresem słupkowym, w którym
wysokość słupka, jest proporcjonalna do liczebności danej klasy.
Liczbę klas ustawiamy w Tools/Options... (Probe) w polu Number of Histogram Divisions.
W naszym przykładzie będzie to liczba 13.
Proces uaktywnienia histogramu w Probe:
1. Naciskamy Analysis/Run Probe (Schematics) i w Available Sections (Probe) wybieramy
All; na ekranie pojawi się puste pole charakterystyki wyjściowej,
2. W Plot/X Axis Settings... wpisujemy:
Data Range = Auto Range, Use Data = Full, Scale = Linear, Processing Options: Perfomance
Analysis = x
3. Naciskamy Trace/Add... i w Trace Expression wpisujemy: HPBW [VDB (OUT) , 3], co
odpowiada zakresowi górnoprzepustowemu na charakterystyce logarytmicznej modułu przy
obniżeniu wzmocnienia o 3 dB.
4. Całość potwierdzamy OK.
Na ekranie pojawi się pole histogramu, który oprócz wykresu zawiera również następujące
dane statystyczne:
" n samples - liczba symulacji,
" n divisions - liczba klas,
" mean - średnia arytmetyczna:
n
1
x =
"x
i
n
i=1
" sigma - odchylenie standardowe:
2
n
1
s = (xi - x)
"
1- n
i =1
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 34
" minimum - wartość minimalna,
" 10th %ile - wielkość, poniżej której leży 10% danych,
" median - wielkość, poniżej której leży 50% danych,
" 90th %ile - wielkość, powyżej której leży 10% danych,
" maximum -wartość maksymalna.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 35
12. Symulacja układów cyfrowych
Symulacja układów cyfrowych jest analizą stanów i zachowania obwodu w określonym
przedziale czasowym. Program Pspice w czasie analizy przeprowadza szczegółowe
obliczenia zachowań układu w odniesieniu do ograniczeń danego obwodu. Raport
poszczególnych zachowań zawarty jest w pliku *.out oraz w pliku *.dat.
12.1. Tworzenie układu
Aby przeprowadzić analizę układu cyfrowego, należy wykonać sześć podstawowych
czynności:
" narysować schemat,
" zdefiniować zródła sygnału cyfrowego (stimuli),
" zadeklarować czas symulacji,
" wybrać parametry symulacji,
" uruchomić symulację,
" przeanalizować uzyskane wyniki.
Przystępując do analizy układów cyfrowych należy przyswoić sobie oznaczenia stanów,
które mogą wystąpić w układzie. Poniżej podane zostały oznaczenia stanów:
0 - stan niski,
t - stan wysoki,
R - zbocze narastające, zmiana z 0 na 1 w czasie określonym jako R,
F - zbocze opadające, zmiana z 1 na 0 w czasie określonym jako F,
X - stan nieokreślony, może być 0 lub 1, nieokreślony lub niestabilny,
Z - stan wysokiej impedancji, może być wysoki niski lub nieokreślony.
Jeśli do jednego węzła dochodzi kilka sygnałów, zadaniem Pspice jest ustalenie sygnału na
odpowiednim poziomie. Z każdego elementu wychodzi sygnał o odpowiednim priorytecie. W
następnym kroku PSpice porównuje priorytety wszystkich dochodzących sygnałów i sygnał o
najwyższym priorytecie powoduje ukształtowanie sygnału na odpowiednim poziomie. Jeśli
dojdzie do sytuacji, że porównywane będą dwa różne sygnały o takim samym priorytecie,
spowoduje to określenie sygnału w węzle na poziomie X. Najmniejszy priorytet określany jest
przez Z, co oznacza stan wysokiej impedancji. Stan ten jest typowy w sytuacji użycia do
budowy układu bramki trójstanowej lub bramki posiadającej na wyjściu otwarty kolektor.
Podobnie jak dla układów analogowych, konieczne jest zdefiniowanie zródeł napięcio-
wych lub prądowych, tak dla układów cyfrowych wymagane jest zdefiniowanie zródeł
sygnału cyfrowego.
yródło sygnału cyfrowego definiowane może być na kilka sposobów przez:
" umieszczenie elementu stymulującego na schemacie i zdefiniowanie jego atrybutów,
" umieszczenie elementu stymulującego na schemacie i zdefiniowanie jego parametrów za
pomocą pliku zewnętrznego,
" umieszczenie na schemacie portu interfejsu i zdefiniowanie jego parametrów za pomocą
edytora Stimulus,
" umieszczenie elementu stymulującego na schemacie i zdefiniowanie jego parametrów w
sposób graficzny.
Znaczniki elementów stymulujących zawarte są w bibliotece SOURCE.slb.
Elementy IF_IN, INTERFACE oraz DIGSTIM deklarowane są w sposób graficzny za
pomocą programu Stimulus.
Kolejne przedstawione elementy służą do deklaracji następujących sygnałów w sposób
opisowy przez zdefiniowanie atrybutów w programie Schematics.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 36
DigClock - taktowanie zegara
STIM1 - sygnał cyfrowy pojedynczy
STIM4 - sygnał cyfrowy 4-bitowy
STIM8 - sygnał cyfrowy 8-bitowy
STIM16 - sygnał cyfrowy 16-bitowy
FileStim - umożliwia opis sygnału przy użyciu pliku zewnętrznego.
Elementy INTERFACE oraz IF_IN mogą być użyte jako połączenie lub jednocześnie jako
połączenie i zródło sygnału. Aby możliwe było automatyczne generowanie sygnału
cyfrowego o najwyższym priorytecie oraz aby stworzony przebieg sygnału został zapisany w
bibliotece zródeł stymulujących, konieczne jest uaktywnienie w Options/Restricted
Operations... funkcji edytora Stimulus.
Dezaktywacja poleceń uniemożliwia automatyczne generowanie sygnału.
W czasie rysowania schematu układu cyfrowego czynności wykonywane niczym nie
różnią się od operacji tworzenia schematów analogowych do momentu deklarowania zródeł
zasilających. Jeśli zródła deklarowane są w sposób graficzny po umieszczeniu elementu
INTERFACE lub IF_IN, aby zdefiniować przynależny sygnał, trzeba uruchomić program
Stimulus. Uruchomienie to może być z poziomu programu Schematics przez polecenie
Analysis/Edit Stimuli lub bezpośrednio przez uruchomienie programu Stimulus. Jeśli
program Stimulus uruchamiany jest z poziomu Schematics, automatycznie przyjmuje on
nazwę otwartego pliku graficznego. W taki sam sposób definiowany jest również element
DigStim. W polu STIMULUS nadawana jest nazwa sygnału, który zostanie stworzony, a
wybranie lewym klawiszem myszy elementu DigStim uruchamia program Stimulus. Po jego
uruchomieniu domyślnie przyjęta jest już nazwa sygnału wcześniej zdefiniowana oraz otwiera
się okno deklaracji parametrów sygnału cyfrowego.
Element STIM1 służy do deklaracji pojedynczego sygnału, natomiast STIM4, STIM8 oraz
STIM16 do opisu magistrali danych odpowiednio cztero-, ośmio- i szesnastobitowej.
Parametry sygnału opisywane są przez podanie atrybutów. Najważniejsze jest jednak podanie
takich parametrów, jak FORMAT, TIMESTEP, COMMAND.
TIMESTEP określa długość kroku w sekundach. COMMAND są komendami posiadającymi
zadeklarowane zmiany sygnału w czasie jego trwania.
Sygnał doprowadzony do układu zadeklarowany może być również w postaci pliku
zewnętrznego z wykorzystaniem dowolnego edytora tekstu. Jedynym wymogiem jest to, aby
plik ten posiadał rozszerzenie *.stm. Przykład pliku *.stm:
X1
0us 0
1us 1
5us 1
8us 0
9us 1
10us 0
X1 jest nazwą sygnału, natomiast kolejne cyfry opisują zmiany przebiegu w funkcji czasu.
Zadeklarowana w ten sposób charakterystyka przypisywana jest do elementu FileStim
umieszczonego na schemacie.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 37
Jak już wcześniej wspominaliśmy, symulacja układów cyfrowych jest analizą stanów
występujących w obwodzie w funkcji czasu i z tego też względu kolejnym krokiem podczas
tworzenia układu jest zadeklarowanie parametrów analizy czasowej. Podobnie jak dla
układów analogowych, przez wybór polecenia Analysis/Setup... uaktywniane jest okno z
wszystkimi dostępnymi analizami. Naciskając klawisz Transient otwieramy okno deklaracji
parametrów analizy czasowej, zadajemy krok z jakim wykonywana jest analiza oraz końcowy
czas wykonania analizy. Potwierdzenie wpisanych parametrów następuje po wybraniu
klawisza OK. W oknie Setup zawarty jest również klawisz Digital Setup, w którym
deklarowane jest zachowanie się układu w czasie symulacji.
W polu Timing Mode deklarowany jest czas propagacji dla elementów układu, w
zależności od stworzonego układu oraz warunków, w jakich powinien pracować układ
rzeczywisty. Dla symulacji można ustawić czas propagacji minimalny, standardowy lub
maksymalny. Jeśli układ powinien być sprawdzony dla pracy w szczególnie trudnych
warunkach, deklarowana jest analiza najgorszego przypadku (Worst Case).
W polu Flip-Flop Initialization deklarowane są stany przerzutników, z jakimi powinna być
rozpoczęta symulacja. Dla polecenia All X wszystkie przerzutniki rozpoczynając symulację
będą miały stan bliżej nie znany, gdyż może to być zarówno stan wysoki, niski lub
nieokreślony. Jeśli ustawiona jest komenda All 0, to wszystkie ustawienia przerzutników są
skasowane. All l powoduje ustawienie wszystkich przerzutników na stan wysoki.
W polu Default A/D lnterface deklarowany jest poziom, na jakim łączone są przebiegi w
czasie analizy układów analogowe-cyfrowych.
Level 1 powoduje kontrolę generowanych stanów pośrednich R, Z oraz X w symulowanym
obwodzie, funkcji tej nie posiada komenda Level 2.
Jeśli przeprowadzana jest analiza z uwzględnieniem najgorszego przypadku, należy
zadeklarować poziom Level 1 ze względu na to, że tylko on posiada możliwości
uwzględnianie stanów przejściowych.
Po zadeklarowaniu wszystkich parametrów uruchamiana jest symulacja przez polecenie
Analysis/Simulate.
W czasie przeprowadzania analizy mogą wystąpić nieprawidłowości, o których
użytkownik zostanie zawiadomiony przez wyświetlenie komunikatów w postaci ostrzeżeń lub
błędów.
Ostrzeżenia wyświetlone podczas przeprowadzanej analizy wynikać mogą ze zle
dobranego czasu taktowania zegara, zle dobranej częstotliwości, nieodpowiednio dobranego
czasu przełączania. Bardziej niebezpieczne w czasie symulacji jest wystąpienie stanów
dwuznacznych, spowodowanych pulsowaniem sygnału lub pojawienie się stanu
nieokreślonego w momencie, gdy kilka różnych sygnałów próbuje ustawić wyjście układu.
Jeśli na wyjściu którejś z bramek stan zmieni się więcej niż 50 razy w czasie jednego kroku,
co prowadzi do oscylacji układu, symulacja jest przerywana, a w pliku *.out wyświetlany jest
komunikat błędu o braku czasu opóznienia. Komunikaty te wyświetlane są na czterech
poziomach:
" FATAL - powoduje przerwanie symulacji,
" SERIOUS - poważne ostrzeżenie, analiza jest jednak dalej przeprowadzana,
" WARNING - ostrzeżenie o możliwości wystąpienia jakichś nieprawidłowości w układzie,
" INFO - informacja o przebiegu symulacji.
Jeśli symulowany jest układ analogowo-cyfrowy przed przeprowadzeniem analizy, musi
on zostać przekonwertowany na zrozumiały dla niego format, z tego też względu rozróżniane
są trzy rodzaje węzłów: analogowe, cyfrowe oraz analogowe-cyfrowe.
PSpice AID automatycznie przeprowadza konwersję, a następnie analizę układu. Wszelkie
dane, które dotyczą zmian zachodzących w układzie, podobnie jak dla analizy układów
analogowych, zawarte są w pliku *.out.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 38
12.2. Konweter kodu Aikena na kod Graya
Na przykładzie prostego konwertera z kodu Aikena na kod Graya pokazany zostanie
proces projektowania układu, a następnie jego tworzenie i symulacja za pomocą pakietu
DesignLab.
Konwerter kodu Aikena na kod Graya jest prostym układem kombinacyjnym, w tabeli. 2
przedstawione zostały zależności dla najbardziej popularnych kodów binarnych.
Tabela.1. Kody dwójkowo dziesiętne (BCD)
Kod I II III IV V VI
Nazwa Naturalny Aikena Johnsona Graya 2 z 5 1 z 10
KIHGFEDC
Bity DCBA DCBA EDCBA DCBA EDCBA
BA
Wagi 8421 2421 - - - - - - - - - - - - - - - 9876543210
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0000000001
1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0000000010
2 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0000000100
3 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0000001000
4 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0000010000
5 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0000100000
6 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0001000000
7 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0010000000
8 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0100000000
9 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1000000000
Tworzymy tabele Karnaugha i przystępujemy do analizy układu w pakiecie DesignLab.
Zgodnie z otrzymanymi równaniami budowany jest układ połączeń konwertera w programie
Schematics.
Układ ten, zgodnie z równaniami stanów otrzymanymi z tabel, zbudowany został na bazie
2-wejściowych bramek AND 7408, 3-wejściowych bramek AND 7411, 2-wejściowych
bramek OR 7432 oraz inwertera sygnału 7404. yródła sygnałów zadeklarowane zostały jako
pliki zewnętrzne dołączane do układu w momencie uruchomienia symulacji. Sygnał
wymuszający zadeklarowany w postaci pliku zewnętrznego do układu dołączany jest przez
element FileStim.
Dla naszego przykładu należy umieścić cztery zródła sygnału FileStim zgodnie z
przedstawionym schematem. Opis zmian sygnału stworzony może być w dowolnym edytorze
tekstu, jednak plik ten zapisany musi być z rozszerzeniem *.stm. Kolejnym krokiem jest
przypisanie pliku tekstowego do wybranego elementu FileStim przez deklarację nazwy w
oknie dialogowym.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 39
Tablica Karnaugha dla QA: QA = dc + dba + dba + dba + dba
ba
00 01 11 10
dc
00 0 1 0 1
01 0 x x x
11 1 0 1 0
10 x x 1 x
Tablica Karnaugha dla QB: QB = cb + dc
ba
00 01 11 10
dc
00 0 0 1 1
01 1 x x x
11 0 0 0 0
10 x x 1 x
Tablica Karnaugha dla QC: QC = c + d
ba
00 01 11 10
dc
00 0 0 0 0
01 1 x x x
11 1 1 1 1
10 x x 1 x
Tablica Karnaugha dla QD: QD = dcb
ba
00 01 11 10
dc
00 0 0 0 0
01 0 x x x
11 0 0 1 1
10 x x 0 x
Zmiany sygnałów deklarowane są zgodnie ze zmianami dla kolejnych chwil czasowych
wynikających z tablicy zależności dla kodu 2421. Każdy stworzony plik, zawierający opis
sygnału, musi być zapisany pod taką samą nazwą, pod jaką jest zadeklarowany w elemencie
FileStim oraz musi posiadać zadeklarowaną nazwę sygnału, która również występuje w oknie
dialogowym elementu FileStim. Tak stworzony plik z deklaracją sygnału zapisać trzeba w
katalogu, w którym zapamiętany został plik z deklaracją całego schematu.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 40
Rys. 18. Schemat obwodu konwertera Aikena na kod Graya
12.3. Deklaracja analizy
Jak już wspominaliśmy, symulacja układu cyfrowego jest badaniem zmian sygnałów w
dziedzinie czasu. Z tego też względu, konieczne staje się zadeklarowanie czasu dla jakiego
przeprowadzona będzie analiza. W Analysis/Setup... Transient deklarowany jest czas trwania
analizy oraz krok wykonywania obliczeń.
Po zadeklarowaniu wszystkich parametrów analiza uruchamiana jest przez polecenie
Analisys/Simulate.
12.4. Zadanie
Zaprojektować, utworzyć i poddać symulacji konwerter kodu dla dwóch wybranych
kodów z tabeli 1, za wyjątkiem konwertera, który był rozpatrywany powyżej.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 41
13. PSpice Optimizer
PSpice Optimizer jest narzędziem pomagającym zautomatyzować projektowanie obwodu.
Wykonuje to poprzez wielokrotną symulację układów zmianę wartości różnych parametrów,
aż do spełnienia określonego warunku. PSpice Optimizer potrafi przybliżać się do
rozwiązania czasochłonną metodą prób i błędów".
PSpice Optimizer jest w pełni zintegrowany z innymi programami pakietu MicroSim:
Schematics, PSpice i Probe.
Wykonanie projektowych jest procesem interaktywnym obejmującym: zmianę jednej lub
więcej wartości parametrów, obliczenie obwodu, wizualną kontrolę warunków projektowych,
oszacowanie nowych wartości.
PSpice Optimizer pomaga podjąć decyzję o metodzie przebiegu optymalizacji:
a) poprzez zmianę współzależności parametrów w celu spełnienia określonego warunku,
b) zmianę parametrów obwodu przeprowadzoną interaktywnie z wizualizacją wyników,
c) dopasowanie parametrów modelu na podstawie zmierzonych charakterystyk.
Projekt ze specyficznym ustawieniem wartości elementów może nie spełniać wymagań
projektowych. Często układy z różnorodnymi wymaganiami mają również złożoną
współzależność parametrów, która utrudnia wyliczenie obwodu spełniającego wszystkie
wymagania.
W czasie ręcznej optymalizacji projektant dokonuje optymalizacji jednej funkcji. Wynik
jest punktem startowym dla optymalizacji następnej funkcji celu. W praktyce następny
przebieg procesu optymalizacji może nie trafić na rozwiązanie. Dla odmiany PSpice
Optimizer modyfikuje wszystkie parametry jednocześnie w celu spełnienia kilku założeń
projektowych.
Czasami projekt zostanie zrealizowany, ale projektant będzie chciał zbadać pewne
zależności w układzie (np. pomiędzy mocą a szybkością narastania napięcia na wyjściu). Ten
interaktywny proces wykonywany ręcznie może być bardzo trudny. Z PSpice Optimizer
projektant może łatwo zmienić jeden lub więcej parametrów i bezpośrednio oglądać zmiany
odpowiedzi układu dla nowych wartości. Jeśli projekt nie spełnia wymagań, można łatwo
wrócić do poprzednich ustawień. Ten interaktywny sposób umożliwia również projektantowi
zmiany założeń projektowych i przegląd nowych wartości parametrów.
Wyniki osiągnięte w PSpice Optimizer są zgodne z praktyką inżynierską. Jeśli zostało
znalezione rozwiązanie, PSpice Optimizer potrafi dowolnie zaokrąglać wynik do najbardziej
standardowej wartości i poinformować, czy projekt będzie jeszcze spełniał założenia. Na
przykład możemy chcieć zaokrąglić wszystkie wartości rezystorów do standardowych
wartości dostępnych na rynku. PSpice Optimizer zaokrągla wartości, następnie automatycznie
przelicza układ i decyduje, czy zaokrąglony wynik jest ciągle do zaakceptowania.
Proces ten daje pewność, że projekt jest zrealizowany dla tak rozumianego ograniczenia,
ponieważ kontrolujemy zakres zmian każdego parametru.
PSpice Optimizer maże:
- dążyć do spełnienia określonej funkcji celu bez ograniczeń lub z ograniczeniami,
- zbadać związek pomiędzy wartościami parametrów i realizacją projektu,
- znalezć parametry modelu poprzez pomiar odpowiednich charakterystyk.
Czego nie można zrobić za pomocą PSpice Optimizer?
1. Nie można użyć PSpice Optimizer do rozwiązania projektu, w którym wybrane parametry
nie mają wpływu na dane rozwiązanie.
2. Nie można użyć PSpice Optimizer do optymalizacji układów, które posiadają kilka stanów
i małe zmiany wartości parametrów powodują skokowe zmiany stanu, np. niektóre układy
przerzutników.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 42
PSpice Optimizer potrafi rozwiązać cztery podstawowe problemy optymalizacji:
a) minimalizacja bez ograniczeń,
b) metoda najmniejszych kwadratów bez ograniczeń,
c) minimalizacja z ograniczeniami,
d) metoda najmniejszych kwadratów z ograniczeniami.
Minimalizację bez ograniczeń stosujemy do jawnej funkcji celu. Przykładowo może to być
problem minimalizacji czasu propagacji bramki logicznej.
Minimalizację z ograniczeniami stosujemy do zmniejszania wartości funkcji celu, podczas
gdy spełnione są określone ograniczenia. Na przykład, minimalizacja czasu propagacji bramki
logicznej, podczas gdy pobór mocy jest mniejszy od założonej wartości.
W metodzie najmniejszych kwadratów bez ograniczeń zmniejszamy sumy kwadratów
odchyłek od wartości założonych tak, aby uzyskać założony cel, na przykład dla dzielnika
rezystancyjnego minimalizację sumy kwadratów błędów napięcia wyjściowego i równo-
ważnika rezystancji.
Metodę najmniejszych kwadratów z ograniczeniami stosujemy jw., ale w obecności
ograniczeń.
13.1. Terminologia
Optymalizacja jest wysokiej jakości procesem strojenia" obwodu. Aby użyć PSpice
Optmizer do optymalizacji układu, należy stworzyć projekt roboczy, w którym można
uruchomić symulację dla początkowych wartości elementów. Następnie kilku elementom
należy przyporządkować sparametryzowane wartości. PSpice Optimizer zmienia je podczas
symulacji i właściwości układu są oceniane w kolejnych iteracjach. Po każdej z nich
właściwości układu są porównywane pod kątem zgodności z założonym celem.
Projekt posiada jeden lub więcej parametrów, których wartości mogą być zmieniane
wewnątrz określonego przedziału. Parametry mogą być użyte do opisania wartości elementów
(takich jak rezystancja - dla rezystora) oraz mogą być użyte wewnątrz wyrażenia
definiującego dany element. Na przykład symbol potencjometru na schemacie używa
przypisania SET do określenia położenia suwaka. Może się ono zmieniać między 0 a 1
podczas optymalizacji.
Specyfikacja opisuje żądania dotyczące wykonania projekty. Opisuje ona cel lub
wymaganie które projekt powinien osiągnąć (np. 20 dB wzmocnienie dla częstotliwości 1
kHz lub dla 1 kHz szerokości pasma). Zmiany parametrów podczas optymalizacji pociągają
za sobą zmiany w specyfikacji aż do minimalizacji sumy kwadratów pojedynczego błędu
( błąd" odnosi się do różnicy między założoną a bieżącą wartością odpowiedzi układu).
Specyfikacja może być sklasyfikowana jako funkcja lub funkcja z ograniczeniami.
Funkcja jest poziomem wykonania, który projekt powinien spełnić (np. minimum poboru
mocy), podczas gdy funkcja z ograniczeniami jest związana z dodatkowym żądaniem (np.
napięcie wyjściowe musi być większe od określonego poziomu).
W projekcie z wieloma specyfikacjami mogą się znajdować kombinacje funkcji i funkcji z
ograniczeniami.
Wyliczenia są użyte do wyprowadzenia i wizualizacji pojedynczych wyników symulacji.
PSpice Optimtzer potrafi oszacować wykonanie obliczeń na trzy różne sposoby:
a) śledzenie funkcji w Probe,
b) bezpośrednie śledzenie pojedynczego punktu obliczeń w Probe,
c) określenie wartości z PSpice Optimizer.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 43
Z Tych oszacowań PSpice Optimizer potorfi rozstrzygnąć, czy zmiany wartości
parametrów poprawią wykonanie projektu. Ta informacja jest użyteczna do wyboru
parametrów dla następnej iteracji.
Specjalne funkcje stosuje się do obliczenia wartości danych z wykresu w Probe. Mogą być
one użyte do znalezienia minimum, maksimum lub do ustalenia innych charakterystycznych
cech układu takich jak: czas narastania, chwilowe przetężenie, szerokość pasma. PSpice
Optimizer wykorzystuje funkcję do oceny wykonania projektu dla każdej iteracji.
Wykonanie projektu jest miarą, jak dokładnie wartości obliczone przybliżają cel dla danych
ustawień parametrów. Dla projektów z pojedynczą specyfikacją, wykonanie będzie
obliczeniem potwierdzającym realizację kryterium projektowego. Kiedy występuje wiele
parametrów, zależność ich jest przemyślana" i optymalizowana aż do spełnienia
specyfikacji. W większości przypadków będzie możliwe spełnienie funkcji i funkcji z
ograniczeniami. W tych przypadkach optimum może być kompromisowe". Wszystkie
wykonania projektu dla każdej iteracji są wyświetlane graficznie w głównym oknie PSpice
Optimizer.
W celu oszacowania zachowania się funkcji, dla małych zmian wartości parametrów,
PSpice Optimzer oblicza pochodne. Wewnątrz odpowiedniego obszaru mogą być one użyte
do obliczenia nowych wartości dla funkcji i funkcji z ograniczeniami.
13.2. Ręczny proces optymalizacji
Optymalizując dany projekt należy pamiętać o następujących punktach:
a) dany problem powinien mieć stworzony projekt roboczy,
b) projekt powinien zawierać elementy o zmiennych wartościach; elementy te muszą mieć
związek z szukaną funkcją,
c) projektant musi sprecyzować szukaną funkcję celu,
e) projektant poprzez szereg obliczeń dąży do rozwiązania danego zadania.
Przykład 1
Przyjmijmy, że chcemy, aby przez układ złożony z diody DIN4002, zródła napięcia Vl=5V
oraz rezystora R1, płynął prąd równy 1 mA (ą5 �A). Wartość rezystancji Rl będzie ulegać
zmianom w procesie optymalizacji.
Rys. 19 Schemat dla przykładu 1
W ręcznym procesie posługujemy się podstawami elektrotechniki. Ponieważ układ składa
się z szeregowo połączonych elementów, dlatego prąd płynący przez rezystor jest taki sam,
jak przez diodę, a suma spadków napięć na poszczególnych elementach jest równa 5 V. Do
rozwiązania problemu możną posłużyć się metodą graficzną.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 44
Rys. 20. Charakterystyka I = f (U) diody D1N4002
Napięcie na rezystorze RI wynosi:
UR1 = 5 -UD1 = 4,427V
zatem rezystancja:
UR1
R1 = = 4427&!
ID1
Innym sposobem wyznaczenia wartości rezystancji Rl jest wykorzystanie opcji
parametryzacji. W tym celu do układu dołączamy rezystancję Rl z wartością {Rl Var}, a z
biblioteki SPECIAL.Iib pobieramy element PARAM.
W Analysis/Setup... wchodzimy do okna DC Sweep, określamy przedział zmienności
rezystancji Rl.
Uruchamiamy symulację PSpice, a następnie w Probe za pomocą kursora lub funkcji celu
znajdujemy wartość rezystancji Rl dla prądu diody I(Dl) = 1 mA: Rl = 4426,1 &!.
13.3. Optymalizacja automatyczna
Podobnie jak poprzednio, również i tutaj postawiony problem powinien mieć stworzony
projekt roboczy, określoną funkcję celu, ale ostatni etap, czyli rozwiązanie, przebiega
całkowicie przy użyciu pakietu do optymalizacji.
Po stworzeniu projektu roboczego układ jest gotowy do określenia parametrów, funkcji i
funkcji z ograniczeniami, które będą wykorzystywane w procesie optymalizacji.
Definicja parametrów
" Parametr powinien posiadać swoją niepowtarzalną nazwę.
" Przed procesem optymalizacji w Schematics Editor powinny być określone elementy przy
użyciu OPTPARAM.
" Dla danego elementu należy określić przedziały zmienności jego parametrów.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 45
1. W poprzednim układzie kasujemy element PARAM, a w jego miejsce wstawiamy
element OPTPARAM z biblioteki SPECIAL.lib.
2. Podwójne naciśnięcie klawiszem myszy na ten element powoduje uaktywnienie okna
dialogowego. Ustawienia dla elementu Rvar: Name= Rvar, lnitial Value= 5k, Current
Value = 5k, Lower Limit = 100, Upper Limit = 10k, Tolerance = 0:
3. Całość zapisujemy Save Param i potwierdzamy OK.
Definicja funkcji
Przed przystąpieniem do obliczeń należy sobie odpowiedzieć na pytanie, jaką
charakterystykę chcemy mierzyć i który z elementów ma wpływ na jej zachowanie.
W naszym przykładzie funkcją celu jest I(D1) przy napięciu 5 V i zmianach rezystancji Rl. W
procesie optymalizacji w Schematics wybieramy Analysis Setup... i w DC Sweep wpisujemy:
Swept Var. Type = Voltage Source, Sweep Type = Value List, Name = vl, Values = 5 V.
W DesignLab istnieje możliwość oceny wyniku obliczeń za pomocą:
" przebiegu funkcji w danym punkcie,
" funkcji zdefiniowanej w Probe,
" wyrażenia w PSpice Optimizer.
Definicja funkcji I(D1) dla przykładu z diodą:
1. W Schematics wybieramy Tools/Run Optimizer.
2. W oknie dialogowym dla PSpice Optimizer w Edit/Specifications... uaktywniamy edycję
poleceniem Add. Specyfikacja I(Dl): Name = Id1, Target = 1mA, Range = 10uA, Analysis =
DC, Circuit File = optimizer - dioda, Evaluate = I (D1)
PSpice Optimizer może być użyty do:
" otrzymania ostatecznego rozwiązania postawionego zadania (Tune/Auto/Start),
" zbadania zachowania się układu dla pojedynczych ustawień wartości parametrów
(Tune/Update Performance),
" obliczenia pochodnych dla każdej specyfikacji po wszystkich parametrach
(Tune/Update Derivatives),
Przy użyciu opcji Auto, PSpice Optimizer automatycznie oblicza pochodne dla każdej
specyfikacji po wszystkich parametrach. Pochodne ustalają kierunek zmian parametrów, tak
aby całkowity błąd był jak najmniejszy. Po zmianach parametrów PSpice Optimizer oblicza
nowe pochodne i powtarza proces tak długo, aż:
" dany problem zostanie rozwiązany,
" nowe zmiany nie dadzą efektu,
" proces zostanie przerwany.
Opcja Tune/Show Derivatives wyświetla tablicę pochodnych:
"(Id1)
= -2,29�"10-7
"(R var)
Zwiększenie rezystancji Rl 0 1&! powoduje zmniejszenie prądu płynącego przez diodę
o 0,229 �A.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 46
Start optymalizacji
Podczas automatycznej optymalizacji PSpice Optimizer wykonuje kilka symulacji. Po
każdej zmianie wartości parametrów zostaje przeliczona funkcja celu, a wynik za każdym
razem wyświetlany jest graficznie.
W naszym przykładzie rezystancja R1Val = 4,4295 k~2 została wyznaczona w 3 iteracjacit i 6
symulacjach z błędem 1,7 10-2.
Po spełnieniu warunku dla funkcji I(D1) do układu dodajemy specyfikację Pr", która jest
mocą traconą na rezystorze R1 . Moc ta ma być większa lub równa 4 mW ą1400�W, a
obliczona jest jako iloczyn napięcia na rezystorze i prądu płynącego w układzie.
Specyfikacja Pr: Name = Pr, Target = 4mW, Range = 400uW, Constraint = x, Type = Target,
Analysis = DC, Circuit File = optimizer - dioda, Evaluate = I(Rl)*V(R1:1,R1:2)
W tym przypadku program znajduje kompromis między spełnieniem warunku na I(Dl) a
Pr:
"(Id1) "(Pr)
R var = 4,4314k&! = -2,25�"10-7 = 9,87 �"10-7
"(R var) "(R var)
Zwiększenie rezystancji o 1&! spowoduje zmniejszenie prądu płynącego przez diodę
o 0,225 �A przy jednoczesnym zwiększeniu mocy traconej na rezystancji o 0,987 �W.
Za pomocą polecenia File/Report generowany jest raport zawierający dane dotyczące
parametrów, specyfikacji, wybranych opcji i wartości pochodnych. PSpice tworzy również
automatycznie plik *.olg zawierający wszelkiego rodzaju obliczenia (np. jakobian, Hessian)
wykorzystywane w metodzie najmniejszych kwadratów.
13.4. Reguły optymalizacji
Funkcje i funkcje z ograniczeniami opisują idealne zachowanie projektu. W praktyce to
zachowanie jest często nieosiągalne. Dla przykładu bramka nie może osiągnąć zerowego
czasu propagacji i dlatego stykana wartość funkcji w procesie optymalizacji może być
osiągnięta bliska tego celu. Jeśli problem składa się z kilku funkcji, to PSpice Optimizer
minimalizuje sumę kwadratów błędów.
Funkcje ograniczone opisują warunek, który projekt musi spełniać. Dla przykładu 3 dB
pasma przenoszenia dla filtru musi wynosić 1 kHz. Ustawiając warunki optymalizacji można
korzystać z następujących kryteriów:
a) <= -wartość musi być mniejsza lub równa,
b) = -wartość musi być równa,
c) >= wartość musi być większa lub równa.
Decyzja, które wymagania są specyfikacjami, a które funkcjami z ograniczeniami, należy
do użytkownika. Czasami może być kilka różnych sposobów opisu projektu.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 47
Przykład 2
Rozważmy dzielnik rezystancyjny, w którym wartości rezystorów muszą być tak dobrane,
aby napięcie wyjściowe miało wartość 3,75 V (0,1V), a theveninowski równoważnik
rezystancji wynosił 100 &! (1&!).
Rys. 21. Dzielnik rezystancyjny
Przykład ten zawiera dwie specyfikacje:
a) napięcie wyjściowe 3,75 V (Vout),
b) równoważnik rezystancji 100 &! (Rout).
Problem ten może być rozwiązany ręcznie przy użyciu następujących równań:
5R2 R1R2
= 3,75 = 100
R1 + R2 R1 + R2
Rozwiązanie: R1= 133,3&! i R2 = 400&! . Ten ścisły wynik można porównać z rozwiązaniem
zaproponowanym przez PSpice Optimlzer.
Trzy możliwe sposoby zapisania problemu:
1. Vout i Rout ustawiamy jako funkcje.
2. Vout ustawiamy jako funkcję z ograniczeniami, a Rout jako funkcję.
3. Rout ustawiamy jako funkcję z ograniczeniami, a Vout jako funkcję.
We wszystkich trzech przypadkach otrzymamy ten sam wynik.
Niestety ze względu na ograniczenia wersji testowej (optymalizowany może być tylko
jeden parametr) nie jest możliwe praktyczne sprawdzenie tego przykładu. Należy przypisać
jeden z parametrów na stałe i sprawdzić wynik optymalizacji drugiego (napięcia wyjściowego
- funkcja celu).
Punkt startowy do optymalizacji może spełnić wszystkie funkcje z ograniczeniami (punkt
realny) lub nie spełnić jednej (lub więcej) funkcji z ograniczeniami (punkt nierealny). Dla
punktu nierealnego PSpice Optimizer będzie usiłował zmniejszyć liczbę funkcji z
ograniczeniami, których wartości są przekroczone. Dla punktu realnego PSpice Optimizer
będzie zmieniał wartości tak, aby był rozwiązany dany problem.
Aktywną funkcją z ograniczeniami jest taka funkcja, która rozwiązuje problem
optymalizacji. Funkcja z ograniczeniami typu ="jest zawsze rozpatrywana jako aktywna, a
typu nierównościowego jest rozpatrywana jako aktywna tylko wtedy, gdy rozwiązanie
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 48
przekracza lub jest równe wymuszeniu (np. Rvar >= 100 jest aktywne, jeśli rezystancja Rvar
jest mniejsza lub równa od 100).
Rozwiązanie w procesie optymalizacji jest kompromisem pomiędzy dalszymi zmianami
parametrów, a przekroczeniem jednej lub więcej funkcji ograniczonych. Mnożnik Lagrange'a
reprezentuje przyrost kosztów każdej z aktywnych funkcji ograniczonych w równaniu. Dla
przykładu można rozpatrzyć czas propagacji bramki z uwzględnieniem szerokości bramki i
prądu. Zakładamy, że obie funkcje ograniczone są aktywne. Mamy tu dwa mnożniki
Lagrange'a dla tego problemu. Jeden jest przyrostem kosztów czasu propagacji w funkcji
szerokości bramki, a drugi jest przyrostem kosztów czasu propagacji w funkcji prądu.
Jednostkami mnożników Lagrange'a w tym przypadku są s/m i s/A.
Mnożnik Lagrange'a jest generowany w raporcie (komenda File/Report).
Wiele problemów analogowej optymalizacji sprowadza się do minimalizacji kilku celów
(np. moc rozproszenia) z uwzględnieniem jednej lub więcej funkcji z ograniczeniami (np.
szerokości pasma). Funkcje te są typowym uwikłaniem parametrów w funkcje nieliniowe.
Ręczna optymalizacja takich problemów jest bardzo trudna.
Większość optymalizacji układów analogowych jest wykonywana jako optymalizacja
pojedynczych funkcji lub jako optymalizacja sumy kwadratów błędów. W takim przypadku
konieczna jest ich kombinacja z funkcjami ograniczonymi. Bardzo niefortunnym układem jest
taki, w którym nie ma różnicy między zmniejszeniem funkcji celu, a funkcji z ograniczeniem.
Odpowiedzią na tego typu problem jest położenie większego ciężaru na funkcję z
ograniczeniami.
Sukces optymalizacji zależy od zachowania się funkcji zależności dla każdej specyfikacji.
Wartości dla każdej ze specyfikacji są podstawą wyliczenia wyniku z symulacji zmiennych
parametrów. W tym przypadku działanie układu jest mierzone w pojedynczych punktach lub
przy zastosowaniu funkcji.
O dokładności znalezionego wyniku w PSpice Optimizer decyduje dokładność symulacji
oraz pomiar danego układu.
Ogólnie symulacje i pomiary są dokładniejsze dla analiz AC i DC niż dla analizy
Transient. Jest to szczególnie widoczne, gdy zostanie ustawiony pomiar wartości w
pojedynczym punkcie.
Dwie techniki poprawienia dokładności:
- wykorzystywanie wielu punktów,
- zmniejszenie kroku w analizie Transient, aby uzyskać więcej drobnych próbek.
Minimum globalne i lokalne
Krzywa pokazana poniżej przedstawia jednowymiarową funkcję z dwoma punktami
minimum.
A
B
M1
M2
Rys. 22. Minimum lokalne i globalne funkcji
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 49
Punkt M1 jest minimum lokalnym, a punkt M2 - globalnym. Wewnątrz danego przedziału
nie ma więcej punktów, których wartości są mniejsze od M2.
Dany problem niekoniecznie musi mieć lokalne minimum wewnątrz interesującego
obszaru. Jeśli lokalne minimum istnieje, to globalne minimum może znajdować się blisko
punktu startowego.
Bardzo ważne jest, aby rozpocząć proces optymalizacji z dobrymi" punktami startowymi.
W poprzednim przykładzie, jeśli wybierzemy A jako punkt startowy, to program
optymalizujący prawdopodobnie znajdzie lokalne minimum M1. Przy wyborze punktu B
program prawdopodobnie znajdzie minimum globalne. Bardzo często jest to efektywny
sposób znalezienia przybliżonego położenia rozwiązania przed rozpoczęciem procesu
optymalizacji.
Po odwołaniu do programu optymalizującego zostają zmieniane wartości parametrów. Dla
kolejnej iteracji, każdy parametr jest krokowo wybierany do zmniejszenia błędu pomiędzy
określonymi obliczeniami układu, a określonym założeniem projektowym.
Jeśli program optymalizujący znajdzie rozwiązanie wszystkich specyfikacji, można
powiedzieć, że proces jest zbieżny.
Istnieje kilka powodów, dla których proces może nie być zbieżny:
- nie ma rozwiązania problem, który nie jest wyraznie określony,
- funkcja projektowa nie jest wystarczająco dokładna, aby znalezć rozwiązanie,
- ograniczenie liczby symulacji upłynęło w czasie, a problem nie został rozwiązany,
- program optymalizujący znalazł przypadkowe minimum, które nie jest pożądane.
Program optymalizujący dokonuje minimalizacji funkcji z ograniczeniami. Znajduje
rozwiązanie problemu, jeśli jeden lub więcej parametrów są ograniczone dolną i górną
wartością.
Jeśli dla parametrów ograniczonych wynik optymalizacji nas nie zadowala, to można albo
zmniejszyć przedział zmian parametrów, albo go zwiększyć.
Różniczkowanie
Po interaktywnych operacjach i automatycznej optymalizacji PSpice Optimizer oblicza
macierz cząstkowych pochodnych (jakobian). Służy do tego komenda Tune/Update
Derivatives.
PSpice Optimizer przybliża różniczkowanie granicą ilorazu różnicowego. Dla pierwszej
pochodnej iloraz różnicowy wyraża się wzorem:
f (x + h) - f (x)
'
f (x) E" lim
h0
h
PSpice Optimizer w efektywny sposób wylicza jakobian. Dla przykładu, jeśli zadanie
zawiera dwie specyfikacje, a każda z nich wymaga takiej samej analizy DC, to program
będzie wykonywał pojedynczą symulację dla każdego parametru, zapisywał wyniki do pliku
*.dat i będzie wyliczał przyrost wartości funkcji. Jeśli zadanie zawiera M wymagań
(wszystkie oparte na tej samej analizie, tego samego układu) i N parametrów, to do
wyliczenia jakobianu będzie potrzeba N symulacji i M wyliczeń.
Czas potrzebny dla symulacji jest zwykle znacznie większy od czasu wyliczenia szukanej
funkcji. Ten długi czas bierze się z tego, że optymalizacja projektu zależy głównie od liczby
zmiennych parametrów.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 50
Przykład 3
Przypuśćmy, że analizujemy następującą funkcję:
Rys. 23. Przebieg przykładowej funkcji
Funkcja jest aproksymowana linią prostą w zaznaczonym przedziale. Jeśli początkowa
wartość parametru zostanie wybrana z tego przedziału, to dana pochodna będzie rozsądnym
przybliżeniem dla innych wartości z tego przedziału. Oszacowanie to nie będzie jednak
pewne dla wartości spoza przedziału.
Komenda Tune/Show Derivatives wyświetla macierz pochodnych. W wierszach tej
macierzy znajdują się specyfikacje (aktywne), a w kolumnach parametry (aktywne). Jeśli
dana specyfikacja nie jest zależna od danego parametru, to pochodna jest równa zeru.
Analiza pochodnych oblicza liniowy związek pomiędzy parametrem i specyfikacją przy
założeniu, że funkcja jest liniowa blisko początkowej wartości (wewnątrz przedziału).
Jeśli różnica pomiędzy początkową i końcową wartością parametru jest zbyt duża (względna
różnica większa od �), to aproksymacja może nie być poprawna. W takim przypadku najlepiej
zmienić początkową wartość parametru i ponownie uruchomić symulację.
Należy pamiętać o tym, że modyfikacja roboczej wartości parametru w głównym menu
powoduje przeliczenie wartości specyfikacji na podstawie obliczonej wcześniej pochodnej.
Dlatego też należy uruchomić nową symulację.
Zmiana skali wartości
Jeśli w zadaniu występuje jedna lub więcej funkcji, lub kombinacja funkcji i funkcji z
ograniczeniami, to PSpice Optimizer skaluje poszczególne wartości przed przystąpieniem do
obliczeń.
Dla przykładu rozpatrzmy optymalizację metodą najmniejszych kwadratów dla dwóch
specyfikacji: pojemność baza-kolektor i rezystancja kolektora. Pojemność może mieć wartość
kilku pF. a rezystancja dziesiątek k&!. Ponieważ wartości te są różne, to program nie może
dodać ich kwadratów błędów.
PSpice Optimizer rozwiązuje ten problem stosując skalowaną wartość:
(Wobliczona -Wspecyfikacji )
Wskalowana =
zakres
Zakładamy, że w naszym przykładzie pojemność i rezystancja wynoszą odpowiednio 10 pF i
10k&!, zakresy 1pF i 1k&!, wartości pomiarowe 8 pF i 25k&!:
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 51
8pF -10 pF
= -2
1pF
25k&! -10k&!
= 15
1k&!
Otrzymane moduły mogą być wykorzystane do obliczenia kwadratu błędu.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 52
Dodatek A
Polecenia programu Schematics
1. File
Polecenia File umożliwiają dokonanie wszelkich operacji związanych z plikiem, takich
jak: otwarcie, zapis lub drukowanie.
New - otwarcie nowego pliku.
Open - otwarcie istniejącego pliku.
Close - powoduje zamknięcie aktywnego pliku.
Export - wyeksportowanie danych z innego schematu.
Save - zapisanie stworzonego schematu.
Save As - zapis stworzonego schematu pod nową nazwą.
Print - uaktywnienie drukowania.
Print Setup - umożliwia wybór drukarki.
Edit Library - powoduje otwarcie edytora symboli.
Symbolize- umożliwia wygenerowanie elementu, który zadany został w postaci opisu.
Reports - wygenerowanie raportu o stworzonym schemacie.
View Messages - podgląd listy błędów i nieprawidłowości wykrytych w czasie tworzenia
projektu i symulacji.
Edit - powoduje zamknięcie aktywnego schematu.
Na końcu menu File zawarte są ścieżki dostępu do czterech ostatnio otwartych plików
schematu.
2. Edit
Undo - cofnięcie ostatniej czynności.
Redo - powoduje ponowne wykonanie cofniętej czynności.
Cut - umożliwia wycięcie aktywnego elementu.
Copy - powoduje skopiowanie wybranego elementu lub grupy elementów.
Paste - wklejenie skopiowanego elementu (zawartości schowka) do schematu.
Copy to Clipboard- skopiowanie wybranej grupy do schowka.
Delete - powoduje usunięcie zaznaczonych elementów.
Select All - podświetla wszystkie elementy.
Attributes - komenda ta uaktywnia podgląd atrybutów elementu oraz umożliwia ich zmianę.
Label - nadanie lub modyfikacja etykiety elementu lub połączenia.
Model - uaktywnienie wyświetlania parametrów modelu wybranego elementu.
Stimulus - podgląd parametrów charakterystyki zródła stworzonej w programie Stimulus.
Symbol - wyświetlenie parametrów symbolu.
Views - umożliwia nadanie etykiety bloku schematu.
Convert Block - konwersja bloku.
Rotate -powoduje obrót zaznaczonego elementu o kąt prosty.
Flip - umożliwia uzyskanie lustrzanego odbicia wybranych elementów.
Align Horizontal - powoduje uporządkowanie zaznaczonych elementów w poziomie.
Align Vertical - uporządkowanie zaznaczonych elementów w pionie.
Replace - powoduje powtórne umieszczenie na schemacie ostatnio używanego elementu w
odstępach określonych w opcjach.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 53
Find- umożliwia znalezienie określonego elementu.
3. Draw
Repeat -powtórzenie ostatnio wykonywanej czynności.
Place Part - umieszczenie wybranego elementu na schemacie.
Wire - rysowanie połączeń elementów.
Bus- rysowanie połączenia w postaci magistrali.
Block - tworzenie bloku elementów.
Arc - kreśli łuk.
Circle - umożliwia rysowanie okręgów.
Box - umożliwia rysowanie prostokątów.
Polyline -umożliwia rysowanie krzywych.
Text- umieszczenie opisu tekstowego na schemacie.
Text Box - uaktywnia pole tekstowe.
lnsert Picture - umożliwia wstawienie rysunku.
Get New Part - uaktywnienie bibliotek elementów.
Rewire - przesunięcie zaznaczonego połączenia bez konieczności rozłączania obwodu.
4. Navignte
Polecenia menu Navigate odnoszą się do edycji schematu składającego się z wielu stron
oraz do edycji schematu hierarchicznego, funkcja ta jest jednak niedostępna w wersji testowej
pakietu, ograniczonej do schematu składającego się z jednej strony.
Previous Page - przejście do poprzedniej strony schematu wielostronicowego.
Next Page -przejście do następnej strony schematu.
Select Page - umożliwia wybór jednej ze stron całego schematu.
Create Page - powoduje utworzenie nowej strony schematu.
Delete Page - usunięcie wybranej strony schematu.
Copy Page - skopiowanie wybranej strony całego schematu.
Edit Page Info - edycja etykiety strony schematu.
Edit Schematic lnstance - edycja obwodu.
Edit Schematic Defnition - edycja schematu ogólnego.
Push - jeśli schemat stworzony został w formie blokowej, komenda ta powoduje przejście do
układu w wybranym bloku.
Pop - przejście ze schematu blokowego o jeden poziom wyżej.
Top - przejście do schematu głównego.
Where - opis struktury hierarchicznej tworzonego schematu.
5. View
Fit - dopasowanie aktywnego wykresu do wielkości ekranu
ln - pomniejszenie okna.
Out - powiększenie okna.
Area - powiększenie wybranego wycinka charakterystyki.
Previous - powrót do poprzedniej charakterystyki.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 54
Entire Page - pokazanie na ekranie całej strony schematu.
Redraw - odświeżenie ekranu.
Pan-New Center - wyznaczenie nowego środka wyświetlanego okna.
Toolbars - uaktywnia wyświetlanie ikon.
Status Bar - włącza linię statusu.
6. Options
Polecenia Options pozwalają na odpowiednie ustawienie wyglądu okna dialogowego oraz
wykorzystanie dostępnych funkcji.
Display Options - ustawienia opcji pulpitu.
Grid On - włączenie wyświetlania siatki w czasie tworzenia schematu.
Snap-to-Pin - funkcja przyciągania elementów do węzła.
Orthogonal - wyświetlanie obwodu w układzie współrzędnych.
Stay-on-Grid - umieszczenie elementów na siatce pulpitu.
Rubberband - umożliwia rozciąganie połączeń w czasie przesuwania elementów.
Cursor X and Y - polecenie to wskazuje na ekranie współrzędne kursora.
Page Sine - ustawienia rozmiaru strony.
Auto-Repeat - uaktywnienie automatycznego powtarzania wyboru ostatniego aktywnego
elementu i umieszczenie go na ekranie w zadanym odstępie.
Auto-Naming - automatyczne numerowanie umieszczanych na schemacie elementów.
Display Prefeiences - konfiguracja pulpitu roboczego, ustawienie elementów, które mają
być widoczne na ekranie oraz w czasie wydruku.
Editor Configuration - ustawienia rozmiaru schematu roboczego, deklaracja bibliotek
dołączanych do programu.
Pan&Zoom - ustawienia wielkości powiększenia schematu oraz deklaracja strefy nieczułości.
Restricted Operations - ustalenie operacji niedozwolonych dla programu Schematics.
Translators - generacja formatu używanego przez inne programy symulacyjne.
7. Analysis
Polecenia Analysis odnoszą się bezpośrednio do operacji związanych z przygotowaniem
układu i wykonaniem analizy.
Electrical Rule Check - powoduje sprawdzenie prawidłowości połączeń elektrycznych.
Create Netlist - stworzenie listy połączeń elementów układu.
Edit Stimuli - uaktywnienie edytora sygnałów zródeł.
Setup - umożliwia ustawienie typu analizy oraz jej parametrów.
Library and Include Files - pozwala na dołączenie do programu zewnętrznych bibliotek.
Simulate - uruchomienie symulacji aktywnego układu.
Probe Setup - ustawienie okna dialogowego Probe.
Run Probe - uruchomienie programu Probe, jeśli dla aktywnego schematu istnieje plik *.dat
będący wynikiem symulacji.
Examine Netlist - pozwala na wyświetlenie pliku *.net dla aktualnie aktywnego układu.
Examine Output - uruchomienie wyświetlenia pliku *.out dla aktywnego układu.
Display Result on Schematic - umieszcza wynik symulacji na schemacie.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 55
9. Tools
Package uaktywnia upakowanie układu z nadaniem numeracji elementów.
Create Layout Netlist tworzy listę połączeń całego projektu z przygotowaniem do tworzenia
płytki w programie PCB.
Run PCBoards uruchomienie programu PCB służącego do generacji połączeń dla płytek
drukowanych.
Back Annotate przeprowadzenie przypisania pliku ECO dla tworzonego projektu.
Browse Back Annotation Log- otwarcie pliku z adnotacją przypisania zawartą w bibliotekach.
Configure Layout Editor wybór edytora do tworzenia PCB.
Browse Netlist uaktywnienie stworzonego spisu elementów dla schematu na podstawie
rodzaju wybranego programu.
Create Subcircuit stworzenie podobwodu z narysowanego schematu.
Run Optimizer- uaktywnienie procesu optymalizacji.
Use Optimized Params wpisanie w miejsce wartości nominalnych wartości uzyskanych w
wyniku optymalizacji.
9. Markers
Mark Vofrage/Level - wybór znacznika napięciowego.
Mark Voftage Differential - umożliwia wybór dwóch znaczników wyświetlających różnicę
sygnałów napięciowych.
Mark Current into Pin - znacznik sygnału prądowego.
Mark Advanced - wybór rodzaju znaczników zaawansowanych.
Clear All - usunięcie znaczników z aktywnego schematu.
Show All - ukazuje w Probe charakterystyki dla wszystkich stron aktywnego projektu.
Show Selected - wyświetla w Probe przebiegi dla miejsc oznaczonych przez znaczniki w
aktywnej stronie schematu.
10. Window
New otwarcie nowego okna dla aktualnie aktywnego pliku danych.
Cascade kaskadowe ułożenie okien.
Tile Horizontal uporządkowanie otwartych okien przez umieszczenie ich w poziomie.
Tile Vertical utożenie otwartych okien w pionie.
Arrange Icons ułożenie ikon.
11. Help
Search For Help On - umożliwia wyszukiwanie pomocy na wybrany temat.
Keyboard Shortcuts - opis znaczenia klawiszy funkcyjnych,
Schematics User's Guide - aktywacja przewodnika po Schematics.
Technical Supporr - adres pomocy technicznej.
Using Help - instrukcja w jaki sposób używać pomocy.
About Schematics - charakterystyka wersj i Schematics.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 56
Dodatek B
Polecenia programu Probe
1. File
Polecenia File pozwalają na czynności związane z otwarciem lub zapisem pliku
Open - otwarcie pliku danych wygenerowanego w wyniku symulacji.
Append - dodanie pliku danych '.dat do otwartego pliku, możliwe tylko dla takiej samej
analizy.
Close - zamknięcie pliku danych
Print- drukowanie.
Prim Preview - podgląd wydruku.
Page Setup - ustawienia strony.
Printer Setup - wybór ustawień oraz drukarki.
Log Commands - zapamiętanie czynności wykonywanych w czasie analizy graficznej.
Run Commands - odtworzenie zapamiętanych czynności.
Exit- powoduje wyjście z programu Probe.
2. Edit
Cut - usunięcie wybranego elementu lub charakterystyki.
Copy - kopiowanie wybranej charakterystyki lub zaznaczonego elementu.
Paste - wklejenie zawartości schowka.
Delete - usunięcie wybranego elementu.
Mody Object- modyfikacja charakterystyki przez zastąpienie jej innym przebiegiem.
Mody Title - zmiana nazwy okna - nazwa ta umieszczana jest na wydruku.
3. Trace
Add - wybór charakterystyki do wyświetlenia na ekranie.
Delete All - powoduje usunięcie wszystkich charakterystyk z wykresu.
Undelete- umożliwia unieważnienie polecenia usunięcia charakterystyk.
Fourier - uruchomienie analizy Fouriera.
Performance Analysis - przeprowadzenie analizy charakterystyki na podstawie zmiany
któregoś z parametrów.
Macros-deklaracja złożonej operacji z możliwością jej wielokrotnego wykorzystania.
Goal Functions - wybór funkcji celu.
Eval Goal Function - umożliwia stworzenie funkcji celu dla wybranej charakterystyki.
4. Plot
X Axis Settings - ustawienia osi X.
YAxis Settings - ustawienia osi Y.
Add Yaxis - dodanie osi Y do istniejącej charakterystyki.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 57
Delete Yaxis - powoduje usunięcie aktywnej osi Y.
Add Plot - dodanie kolejnego wykresu.
Delete Plot - usunięcie aktywnego wykresu.
Unsync Plot -wyświetlenie wykresów dla różnych wartości osi X. Wybór rodzaju analizy dla
którego wykreślone zostaną charakterystyki.
Digital Size - umożliwia ustawienie rozmiaru okna dla wykresów układów cyfrowych.
5. View
Fit - dopasowanie aktywnego wykresu do wielkości ekranu.
In - pomniejszenie okna.
Out - powiększenie okna.
Area - powiększenie wybranego wycinka charakterystyki.
Previvus - powrót do poprzedniej charakterystyki.
Redraw - odświeżenie ekranu.
Pan-New Center - wyznaczenie nowego środka wyświetlanego okna.
Toolbar - uaktywnia ikony.
6. Tools
Label - naniesienie etykiet na wykresie w różnych postaciach.
Text- opis tekstowy charakterystyki.
Gine-oznaczenie linii na przebiegu.
Poly-line-opis w postaci krzywej.
Arrow - umieszczenie strzałek.
Box - edycja elementów prostokątnych na charakterystyce.
Circle - oznaczenie wybranych części w postaci koła.
Elipse -oznaczenie wybranych części w postaci elipsy.
Mark - opis współrzędnych punktów, w których umieszczony jest kursor.
Cursor - uaktywnienie opcji kursora.
Display - włączenie kursora.
Freeze - zablokowanie kursora w miejscu.
Peak - przeniesienie kursora na sąsiedni wierzchołek.
Trough - umieszczenie kursora w sąsiedniej dolinie wykresu.
Slope - przeniesienie kursora na sąsiednie zbocze.
Min -odnalezienie minimum charakterystyki względem osi Y.
Max - odnalezienie maksimum funkcji względem osi Y.
Point -wyznaczenie kursorem następnego punktu, dla którego była przeprowadzona
analiza.
Search Commands - odszukanie parametrów dla zadanej przez użytkownika funkcji.
Next Transition - odnajduje następną zmianę stanu dla aktywnej charakterystyki.
PreviousTransition - odszukuje poprzednią zmianę stanu dla aktywnej charakterystyki.
Simulation Messages - uaktywnia okno dialogowe z podanymi meldunkami błędów.
Display Control - umożliwia zapis aktywnej charakterystyki z wykonanymi opisami.
Copy to Clipboard - skopiowanie aktywnego okna do schowka.
Options - ustawienia opcji.
Use Symbol - umieszczenie symboli na charakterystykach.
Use ScrollBars - aktywacja lub dezaktywacja pasków przewijania.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 58
Trace Color Scheme - podczas wyświetlania kilku osi Y daje odpowiednie przyporząd-
kowanie kolorów do charakterystyk.
Normal - przyporządkowuje dla każdej nowej charakterystyki inny kolor.
Match Axis - przyporządkowanie dla każdego sygnału osi Y zawsze tego samego koloru.
Sequential Per Axis - przyporządkowanie dla każdej osi Y i charakterystyki tego samego
koloru.
Auto-Update Interval - ustawienie czasu, kiedy aktualizowane ma być okno Probe.
Display Mark Data Points - wyświetlenie punktów obliczonych.
Display Evaluation - wyświetlanie wyników uzyskanych przez TracelGoal Function.
Display Statistics - włączenie lub wyłączenie linii statusu dla histogramów.
7. Window
New - otwarcie nowego okna dla aktualnie aktywnego pliku danych.
Close - zamknięcie aktywnego okna.
Cascade - kaskadowe ułożenie okien.
Tile Horizontal - ułożenie otwartych okien w poziomie.
Tile Yertical - ułożenie otwartych okien w pionie.
8. Help
Search for Help On - umożliwia wyszukiwanie pomocy na wybrany temat.
Keyboard Shortcuts - opis znaczenia klawiszy funkcyjnych.
Technical Support - adres pomocy technicznej.
Using Help-instrukcja w jaki sposób używać pomocy.
About Probe - charakterystyka wersj i Probe.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 59
Dodatek C
Polecenia i opcje programu PSpice Optimizer
Polecenia
1. File
Polecenie to pozwala otworzyć nowy lub istniejący plik optymalizacyjny, zapamiętać go
lub wygenerować dla niego raport.
New - otwiera nowy plik.
Open - otwiera istniejący plik do edycji. Można wpisać nazwę lub wybrać ją z menu. Można
również zmodyfikować ścieżkę dostępu do innego katalogu.
Save - zapamiętuje bieżące informacje do pliku. Jeśli plik nie jest jeszcze zapisany, to Save As
pozwala stworzyć nową nazwę pliku.
Save As-zapamiętuje bieżący plik pod nową nazwą. Jeśli plik o takiej nazwie już istnieje, to
zostanie zadane pytanie, czy go przepisać.
Report - generuje plik tekstowy, który streszcza ustawienia dla każdego z parametrów,
specyfikacji, opcji oraz zawiera wyniki optymalizacji.
2. Edit
Polecenia edycyjne pozwalają na edycję informacji, ustawień dla parametrów
i specyfikacji, tworzenie i kasowanie wartości, ustawianie wartości standardowych
i wyliczanych, aktualizowanie oraz kojarzenie nowych wartości ze schematem.
Parameters - uaktywnia pole dialogowe dla parametrów, które pozwala wybrać parametr do
edycji, dodać parametr lub go wykasować.
Add - uaktywnia pole dialogowe dla nowego parametru. Wszystkie pola w Edit Parameter
zawierają domyślne wartości.
Change - wyświetla pole dialogowe dla wybranego parametru. Jeśli dany parametr miał
wpisane ustawienia na schemacie, to odpowiednie pola zostaną wypełnione:
Name - nazwa parametru.
Current Value - generalnie jest równe początkowej wartości, jeśli nie został jeszcze
uruchomiony proces optymalizacji.
Initial Value - początkowa wartość parametru.
Upper Limit - górna, dopuszczalna wartość parametru.
Lower Limit - dolna, dopuszczalna wartość parametru.
Tolerance - tolerancja.
Znak kontrolny Enable określa, czy dany parametr jest aktywny.
Delete usuwa na stałe z listy wybrane parametry.
Copy kopiuje wybrane parametry (z opisem).
Insert dodaje do listy skopiowane parametry.
Close - wyjście z edytora parametrów.
Specifications - uaktywnia pole dialogowe dla specyfikacji.
Add uaktywnia okno edycyjne dla specyfikacji.
Change uaktywnia okno edycyjne z wartościami dla wybranej specyfikacji.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 60
Name - nazwa specyfikacji.
Znak Enable uaktywnia daną specyfikację.
Reference - wskazuje, czy dana specyfikacja jest wewnętrzna lub zewnętrzna.
Weight - określa względną wagę parametru. Jej górna wartość decyduje o wyniku
optymalizacji.
Ustawienia wewnętrznej specyfikacji:
Target- idealna wartość dla specyfikacji.
Range - zakos danej wartoSci.
Znak Constraint wskazuje, czy dana specyfikacja jest funkcją czy funkcją ograniczoną.
Type - typ funkcji ograniczonej.
Ustawienia zewnętrznej specyfikacji:
File - nazwa pliku zawierającego dane.
X Column Name- nagłówek kolumny X z pliku danych.
YColumn Name- nagłówek kolumny Y z pliku danych.
Ustawienia analiz:
Wybór typu dokonuje się poprzez naciśnięcie na odpowiednią analizę: AC, DC lub
Tran.
Circuit File - nawiązanie do pliku optymalizującego. Jeśli to pole jest puste, to
wyrażenie matematyczne może być obliczone bezpośrednio.
Evaluate - zawiera funkcję lub wyrażenie do obliczenia. Dla zewnętrznej specyfikacji
symbol !" użyty w wyrażeniu, jest traktowany jako wskaznik do zewnętrznego pliku
danych. Jeśli PSpice Optimizer natknie się na taki znak, to zastąpi go bieżącą wartością
X.
Delete - usuwa specyfikację z listy.
Copy - kopiuje wybraną specyfikację (z opisem).
Insert - dodaje nową specyfikację do listy.
Close - zamyka okno dialogowe dla specyfikacji.
Store Values - kopiuje bieżącą wartość do początkowej dla specyfikacji i parametru.
Reset Values - zapisuje początkową wartość jako bieżącą.
Round Nearest - zastępuje wartość parametru wartością standardową z uwzględnieniem
założonej tolerancji.
Update Schematic -uaktualnia obliczone wartości na schemacie.
3. Tune
Update Performance - obliczenie układu dla wartości początkowej i bieżącej parametrów.
Update Derivatives - oblicza pochodne dla każdej specyfikacji z uwzględnieniem każdego
parametru.
Show Derivatives - wyświetla tablicę pochodnych cząstkowych.
Auto - uaktywnienie procesu automatycznej optymalizacji.
Start - rozpoczyna proces.
Terminate - zatrzymuje proces.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 61
4. Options
Zawiera opcje optymalizacji, takie jak delta, maksymalna liczba iteracji. Ustawione opcje
są zawsze zapisywane do pliku *.opt.
Defaults - dostarcza następujących pól:
Delta - jest stalą wykorzystywaną do obliczeń pochodnych.
Max. Iterations - określa maksymalna liczbę iteracji.
Display - definiuje wielkości wyświetlane w Probe.
Advanced Options - wyświetla następujące pole dialogowe:
Cutback - określa ułamek wewnętrznego kroku.
Threshold - jest minimalnym rozmiarem kroku użytym do dostosowania parametrów
optymalizowanych.
One Goal -wybiera minimalizację dla pojedynczej funkcji.
Recalculate - uaktywnia okno ponownego przeliczenia. Pozwala to sprecyzować, czy nowa
wartość parametru lub specyfikacji będzie obliczana automatycznie lub kontrolowana przez
użytkownika.
When - wybiera automatyczne lub ręczne przeliczenie.
Opcje
1. Delta
Delta jest użyta do obliczeń pochodnych dla każdego optymalizowanego parametru. Jest
względnym przyrostem wykorzystywanym do obliczania granicy ilorazów różnicowych.
PSpice Optimizer bazuje na algorytmach gradientowych optymalizacji. Ponieważ gradienty
nie są znane analitycznie, dlatego do ich aproksymacji jest użyta metoda różnic skończonych.
Jeśli wartość przyrostu h jest zbyt mała, to różnica wartości funkcji będzie niepewna, a gdy h
jest zbyt duże, to wynik będzie kiepską aproksymacją gradientu.
Za pomocą opcji OptionslDefaults można zmienić wartość Delta. Wartość ta jest
ułamkiem z całkowitego zakresu parametru. Domyślna wartość 1% oznacza, że będzie użyty
1% bieżącej wartości. Dla przykładu, jeśli parametr ma bieżącą wartość równą 10-8 i jest
użyta domyślna wartość Delta, to wartość h wyniesie 10-10.
Wartość Delta odpowiada typowej dokładności symulacji. Jeśli dokładność symulacji różni
się bardzo od typowej, to wartość jej może być zmieniona (zmniejszona dla lepszej
dokładności, a zwiększona dla gorszej).
2. Maximum Iterations
Opcja maksimum iteracji" definiuje, ile prób ma być wykonanych przed uzyskaniem
rozwiązania w procesie optymalizacji.
3. Display
Zdefiniowana wielkość może być wyświetlana w Probe, w czasie optymalizacji. Przed
użyciem tej opcji należy określić interesujące nas wielkości w Probe i zapamiętać je przy
użyciu komendy Tools/Display Configuration.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 62
4. Cutback
Jest to minimalny ułamek (domyślnie 0,25), o który jest zmniejszany wewnętrzny krok
podczas znajdowania wartości funkcji.
5. Threshold
Próg ten jest minimalnym rozmiarem kroku użytym do dostosowania optymalizowanych
parametrów podczas procesu optymalizacji.
PSpice Optimizer znajduje wartości pomiarowe specyfikacji, zmieniając ciągle parametry.
Takie podejście w praktyce nie jest właściwe.
Kilka analiz (szczególnie Transient) pokazuje przeważnie zachowanie się funkcji dla
małych zmian parametrów. Może to wpływać poważnie na wielkość błędu.
Mechanizm progowy w PSpice Optimizer ogranicza efekt wywołany niewiarygodną daną.
W polu Threshold (Options/Default/Advanced Options) można określić minimalną wartość,
o jaką będzie zmieniany parametr. Wartość wejściowa przedstawia ułamek bieżącej wartości
parametru. Dla przykładu, próg o wartości 0,01 oznacza, że w PSpice Optimizer parametr
będzie zmieniany o 1% bieżącej wartości.
Odpowiedni dobór progu może być konieczny do osiągnięcia dobrego wyniku.
Zmniejszenie wartości progu pozwala znalezć dokładniejszą wartość parametru. Zwiększenie
pozwala zmniejszyć prawdopodobieństwo znalezienia minimum lokalnego zaburzenia.
Domyślna wartość progu jest równa zero, dlatego małe zmiany wartości parametrów nie są
odrzucane.
PSpice Optimizer zawiera dwa algorytmy: minimalizacja i metoda najmniejszych
kwadratów. Każdy z nich jest dostępny dla zależnych lub niezależnych problemów.
Jeśli w danym zadaniu występuje więcej niż jedna funkcja, to algorytm najmniejszych
kwadratów jest zawsze stosowany. Dla pojedynczej funkcji należy określić, czy program ma
korzystać z algorytmu minimalizacji czy metody najmniejszych kwadratów.
6. Metoda najmniejszych kwadratów
Program oblicza różnicę pomiędzy wielkością wyjściową, a wielkością założoną.
Odchyłka ta może być ujemna lub dodatnia, ojej kwadrat jest brany jako cel minimalizacji.
7. Minimalizacja
Inną metodą jest minimalizacja polegająca na zmniejszaniu pojedynczej wartości do
najmniejszej możliwej. Przykładem może być czas propagacji. Ma on wartość dodatnią i w
idealnym przypadku jest równy zeru.
Jeśli zadaniem jest znalezienie maksimum pojedynczej specyfikacji, to należy minima-
lizować jej wartość ujemną. Dla przykładu, jeśli maksymalizujemy wartość wzmocnienia, to
innymi słowy minimalizujemy <- wzmocnienie>.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 63
8. Opcje i komendy ponownego przeliczenia
Domyślnie PSpice Optimizer oblicza ponownie wartość parametrów po każdej zmianie
specyfikacji. Przy użyciu komendy Recalculate można zbadać efekt zmian parametrów lub
specyfikacji. Po użyciu Manual musi wystąpić komenda Result lub Parameters.
Options/Recalculate Results - oblicza ponownie specyfikacje bazując na nowych
wartościach parametrów.
Options/Recalculate Paramelers - oblicza ponownie parametry bazując na nowych
wartościach specyfikacji.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 64
Dodatek D
Funkcje dostępne w polu Evaluate dla programu PSpice Optimizer
Funkcje ogólnego przeznaczenia
Max - wartość maksymalna funkcji.
Sposób wywołania: Max().
MAXr - maksimum funkcji wewnątrz określonego przedziału.
Sposób wywołania: MAXr(,, X>).
Min - wartość minimalna funkcji.
Sposób wywołania: Min()
MINr-minimum funkcji wewnątrz określonego przedziału.
Sposób wywołania: MINr(,, X>).
XatNthY-wartość X odpowiadająca określonej wartości Y.
Sposób wywołania: XatNthY(,,).
XatNthYn-wartość X odpowiadająca określonemu ujemnemu zboczu wartości Y.
Sposób wywolania: XatNthYnf,,).
XatNthYp-wartość X odpowiadająca określonemu dodatniemu zboczu wartości Y.
Sposób wywołania: XatNthYp(,,).
YatX - wartość funkcj i dla określonego X.
Sposób wywołania: YatX(,).
YatXpct-wartość funkcji dla procentowego zakresu osi X.
Sposób wywołania: YatXpct(,).
Funkcje dla analizy AC
Bandwidth-szerokość pasma.
Sposób wywolania: Bandwidth().
LPBW -zakres dolnoprzepustowy.
Sposób wywołania: LPBW(,).
B PB W - zakres środkowoprzepustowy.
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 65
Sposób wywolania: BPBW(,).
HPB W - zakres górnoprzepustowy.
Sposób wywołania: HPBW(,).
CenterFreq-częstotliwość dla określonej stalej [dB].
Sposób wywołania: CenterFreq(,)
GainMargin - zapas modulu.
Sposób wywołania: GainMargin(,).
PhaseMargin-zapas fazy.
Sposób wywolania: PhaseMargin(,).
Funkcje dla analizy Transient
Risetime - czas narastania.
Sposób wywołania: Risetime().
GenRise - różnica wartości X w punktach, w których y3 przecina się z yl i y2 dla dodatniego
zbocza.
Sposób wywołania: GenRise((0.1*),(0.9*),).
GenRisel - różnica wartości X dla punktów, w których funkcja krzyżuje się dla 0,1 i 0,9
zakresu pomiędzy początkową i końcową wartością dla narastającego zbocza.
Sposób wywołania: GenRisel().
Falltime - opadające zbocze.
Sposób wywołania: Falltime().
GenFall1 - różnica wartości X dla punktów, w których funkcja krzyżuje się dla 0,1 i 0,9
zakresu pomiędzy początkową i końcową wartością dla opadającego zbocza.
Sposób wywołania: GenFall1 ().
Overshoot - różnica między maksymalną a końcową wartością funkcji.
Sposób wywołania: Overshoot().
Peak - wartość szczytowa funkcji.
Sposób wywołania: Peak(,).
SWINGr - różnica pomiędzy maksymalną i minimalną wartością funkcji dla określonego
zakresu.
Sposób wywołania: SWINGr(,, X>).
TPmW2 - różnica pomiędzy końcową wartością Y a wartością Y-okres.
Sposób wywołania: TRmW2(s(*,)).
Metody komputerowe w inżynierii elektrycznej PSpice strona 66
Literatura
A. Król, J.Moczko: PSpice. Symulacja i optymalizacja układów elektronicznych.
Wydawnictwo Nakom Poznań 2000
MicroSim PSpice A/D MicroSim Corporation 1997
PSpice A/D User s Guide, Microsim Corporation 1997
MicroSim PSpice&Basics Circuit Analysis Software User s Guide. Microsim Corporation
1997
MicroSim PSpice Optimizer Analog Performance Optimization Software User s Guide.
Microsim Corporation 1997
MicroSim Application Notes. Microsim Corporation 1997
MicroSim Schematics Schematic Capture Software User s Guide. Microsim Corporation 1997

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
METODY KOMPUTEROWE 31 08 2015r
252 metody i srodki projektowania sieci komputerowych (2)
Sieci komputerowe wyklady dr Furtak
Informacja komputerowa
ANALIZA KOMPUTEROWA SYSTEMÓW POMIAROWYCH — MSE
Sciaga pl Podział drukarek komputerowych
Metody numeryczne w11
Genius nowe głośniki dla komputerowych melomanów
Metody i techniki stosowane w biologii molekularnej
14 EW ZEW Srodowisko do metody Johna

więcej podobnych podstron