Рис. 4.14. Единая пользовательская оболочка для разработки электронных схем From Start to Finish
К сожалению, почти с каждым большим (и не менее заслуженным) шагом в области автоматизации проектирования фирма MicroSim изменяла название пользовательской оболочки, под которой объединены в гармоничное целое отдельные программы. Первоначально этот программный пакет назывался PSPICE (то есть программа-имитатор PSPICE наряду с редактором SCHEMATICS и программой-осциллографом PROBE и т.д. являлась составной частью программного пакета с таким же названием). Позднее он стал называться DESIGN CENTER, затем DESIGN LAB. Сегодня этот пакет известен под именем CADENCE-PSPICE. Проектировщики не успевают запоминать новые названия. Они и сегодня, говоря о PSPICE, имеют в виду весь программный пакет. Этой традиции придерживается и автор этой книги.
4.3. Добавление второй координатной оси Y
Если вы хотите отразить на временной диаграмме электросхемы последовательного включения с резистивно-емкостной связью, состоящей из R и С, не только напряжение на конденсаторе UC(t), но и ток через конденсатор IC(t), то вам нужно добавить вторую ось координат Y, так как для одновременного изображения UC(t) и IC(t) у вас нет сколько-нибудь приемлемой шкалы.
Шаг 18 Для того чтобы добавить в диаграмму PROBE вторую координатную ось Y, действуйте следующим образом:
1. Проведите моделирование работы вашей схемы в желаемом временном интервале, например от 0 до 2 мс, и запустите по его окончании программу PROBE.
2. Откройте окно Add Traces и выведите на экран диаграмму напряжения на конденсаторе и нулевую линию так же, как вы делали это раньше (команда Trace→Add).
3. Откройте в PROBE меню Plot (Система координат).
4. Выберите команду Add Y Axis (Добавить ось Y), чтобы создать новую координатную ось Y.
5. Откройте окно Add Traces и отправьте данные тока I(С1) в строку Trace Expression.
6. Установите перед током I(С1) в строке Trace Expression отрицательный знак "-", так как PROBE считает токи в прямом направлении, то есть от вывода 1 к выводу 2. Вас же интересует обратный ток, который проходит в схеме сверху вниз, то есть от вывода 2 к выводу 1.
В результате вы получите диаграмму, изображенную на рис. 4.15.
Рис. 4.15. Диаграмма тока и напряжения на конденсаторе
График тока опережает график напряжения на 90°, как и полагается у конденсаторов, но только после завершения переходного процесса, продолжительность которого в данном случае составляет примерно два периода.
4.4. Применение анализа переходных процессов: зарядка и разрядка конденсаторов
Первая встреча любого начинающего электронщика с зависимыми от времени процессами происходит, как правило, при изучении особенностей зарядки и разрядки конденсаторов. Сейчас вы будете создавать уже знакомую вам временную диаграмму тока и напряжения на конденсаторе, чтобы закрепить знания об анализе переходных процессов PSPICE. При этом вы также познакомитесь с новым компонентом, а именно с источником импульсного напряжения VPULSE.
Шаг 19 Загрузите на экран схему последовательного включения резистора и емкости RC_TRANS.sch и замените установленный в ней источник напряжения VSIN на генератор импульсного напряжения типа VPULSE из библиотеки SOURCE.slb (рис. 4.16). Сохраните измененную схему в папке Projects под именем RC_PULS.sch.
Рис. 4.16. Схема последовательного включения резистора и емкости с генератором импульсного напряжения типа VPULSE
При заданных значениях для резистора R и конденсатора С значение временной константы равно t=0.2 мс. Как известно, процессы зарядки и разрядки конденсаторов после 5 t практически завершаются. То есть, если установить длину импульса 1.5 мс и время моделирования 4 мс, этого будет вполне достаточно, чтобы полностью отобразить процесс зарядки и разрядки в виде одной общей диаграммы.
Шаг 20 Для того чтобы установить атрибуты нового источника напряжения, дважды щелкните мышью по его схемному обозначению и тем самым откройте окно атрибутов VPULSE (рис. 4.17).
Рис. 4.17. Окно атрибутов генератора импульсов VPULSE
Шаг 21 Заполните окно атрибутов генератора импульсов VPULSE следующим образом:
• DC=0 (приложенное постоянное напряжение);
• АС=0 (приложенное переменное напряжение);
• V1=0 (напряжение при начале импульса);
• V2=1V (высота импульса);
• TD=0 (время задержки начала импульса) - поле Delay Time;
• TR=1ns (время нарастания импульса) - поле Rise Time. Значение TR может быть сколь угодно малым, но не должно равняться 0;
• TF=1ns (время затухания импульса) - поле Fall Time. Значение TF может быть сколь угодно малым, но не должно равняться 0;
• PW=1.5ms (ширина импульса);
• PER=5ms (период повторения импульсов). После завершения периода источник напряжения посылает следующий импульс. Если требуется всего один импульс, нужно ввести для PER такое значение, чтобы оно было больше значения, указанного для длительности процесса моделирования в поле Final Time;
• SIMULATIONONLY. Здесь от вас не требуется никаких дополнительных указаний. Этот атрибут означает, что данный компонент не будет учитываться ни в одной из топологий печатных плат;
• PKGREF=U1. Оставьте это ориентировочное название (PacKaGe REFerence Designator) таким, какое оно есть.
Шаг 22 Проведите соответствующую предварительную установку для анализа переходных процессов, запустите процесс моделирования вашей схемы и создайте на его основе диаграмму, приведенную на рис. 4.18.
Рис. 4.18. Напряжение и ток при зарядке и разрядке конденсатора электросхемы RC_PULS.sch
Для того чтобы вам было легче разобраться в диаграмме на рис. 4.18, представленной здесь в черно-белом изображении, мы для удобства снабдили отдельные кривые особыми символами, позволяющими отличать графики друг от друга. Эти символы можно активизировать в программе PROBE, выполнив команды Tools→Options…→Use Symbols→Always (Инструменты→Установки…→Использовать символы→Всегда).
Шаг 23 Уменьшите вдвое значение сопротивления для резистора R и убедитесь в том, что процесс зарядки и разрядки конденсатора теперь протекает за вдвое меньшее время, а токи достигают вдвое больших пиковых значений (рис. 4.19).
Рис. 4.19. Напряжение и ток при зарядке и разрядке конденсатора при вдвое уменьшенном значении сопротивления резистора
4.4.1. Задания на закрепление материала
Задание 4.1. Создайте диаграмму входного и выходного напряжения для электросхемы RC_TRANS.sch в сокращенном временном интервале от 0 с до 1 мс.
Задание 4.2. Уменьшите ширину шага вычислений (поле Step Ceiling) для моделирования электросхемы RC_TRANS.sch с 4 до 1 мкс. Повлекло ли за собой это изменение сколько-нибудь заметное улучшение качества графического изображения или привело, главным образом, к увеличению времени на выполнение расчетов?
Задание 4.3.* Последовательное соединение резистора и емкости состоит из резистора сопротивлением R=10 кОм и конденсатора емкостью С=10 пФ. К выводам цепи подведено переменное напряжение с амплитудой 1 В и частотой колебаний f=1 мГц. Вычислите самостоятельно напряжения UR и UC, а также сдвиг фазы j между током и общим напряжением в стационарном состоянии (после завершения переходных процессов). Затем с помощью PSPICE запустите процесс моделирования этой схемы и проверьте правильность своих расчетов.
Задание 4.4.* Начертите схему электрической цепи из последовательно соединенных резистора, катушки индуктивности и конденсатора, изображенной на рис. 4.20, выясните для нее сдвиг фазы (в стационарном состоянии) между током и общим напряжением и сравните полученные результаты с теорией.