ITLek03 (Лекции)

Компьютерные технологии в интроскопии.

Гр. А-15-01 (осенний семестр)

Лекция 3. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap V

1.Анализ переходных процессов (Transient Analysis)

В редакторе схем создается схема анализируемого устройства (например RLCO.cir).

Все виды анализов производятся с учетом предварительно установленных основных глобальных параметров (Options/Global Settings…)

-ABSTOL-допустимая ошибка расчета токов (1pA),

-CHGTOL-допустимая ошибка расчета зарядов (0.01pC),

-RELTOL-допустимая относительная ошибка расчета тока и напряжения (0.001),

-VNTOL-допустимая ошибка расчета напряжения (1e-6B),

-CPTIME-максимальное время расчетов(1e9c)

-GMIN-минимальная проводимость ветви (1pCm),

-ITL4-максимальное количество итераций,

- ITL5-общее максимальное количество итераций.

Подробнее о этих и других параметрах общих установок см. Приложение 1.

Выход в режим анализа Transient Analysis из редактора схем достигается командой Analysis/ Transient Analysis... После этой команды появляется окно пределов Transient Analysis Limits.

В этом окне задаются:

- Time Range (Tmax, Tmin)-временные пределы (аргумент),

- Maximum Time Step -наибольший временной шаг,

- Number of Points -количество точек для вывода в файл,

- Temperature –(Max, Min, шаг)- температура или диапазон температуры ().

- Run Options –окно со списком, опции исполнения анализа:

-Normal- без записи результатов расчета

-Save- с записью результатов расчета в бинарном дисковом файле (Name.tsa)

-Retrieve- со считыванием последних результатов расчета из файла (Name.tsa) и построением графиков.

- State Variables окно со списком, опции статуса переменных состояния:

-Zero –нулевые начальные условия,

-Read –чтение начальных условий из бинарного файла Name.top, созданного с помощью редактора State Variables Editor (вход в этот редактор командой Transient/ StateVariablesEditor)

-Leave- при первом расчете используются нулевые начальные условия или условия, установленные в редакторе State Variables Editor, при повторном вычислении используются результаты предыдущих вычислений или условия, отредактированные в State Variables Editor

- Operating Point –переключатель, включение режима расчета по постоянному току перед началом каждого расчета переходных процессов, результаты используются в качестве начальных условий, актуально при расчете переходных процессов в электронных схемах.

- Operating Point Only –переключатель, расчет только режима по постоянному току (расчет переходного процесса не производится),

- Auto Scale Ranges –переключатель, автоматическое масштабирование.

(Этот переключатель позволяет задать автоматический выбор масштаба в заданном временном интервале. Для получения плавной кривой полезно повторить вычисления с выключеным Auto Scale Ranges)

В нижней части окна пределов находятся строки, содержащие:

-2 кнопки-переключатели для выбора типа масштабов по осям X и Y (линейные или логарифмические),

-окрашенная кнопка для вызова палитры и установки цвета графика,

-кнопка активизации вывода таблицы расчетных функций в файл

-текстовое окно P для задания номера графика (если номера совпадают для двух функций, то кривые строятся на одном графике)

-текстовое окно X Expression для задания аргумента графика (T –для временных диаграмм, F-для спектральных диаграмм)

-текстовое окно Y Expression для задания функции графика

-текстовое окно X Range для задания пределов аргумента графика

-текстовое окно Y Range для задания пределов функции графика

-текстовое окно для задания формата чисел на графике (например “5.3”-5-общее количество символов, 3-количество цифр после запятой)

Командные кнопки в верхней части окна пределов анализа позволяют

-Add - добавить еще одну функцию для построения графика (возникнет еще одна строка-копия строки, на которой стоял курсор до нажатии кнопки Add)

-Delete - удаление строки, на которой стоял курсор при нажатии кнопки,

-Expand – вывод расширенного окна для ввода выражения в окно, где находился курсор в момент нажатия кнопки.

Примечание. В выражение для искомой функции могут быть включены многочисленные стандартные алгебраические, тригонометрические и другие функции с действительными и комплексными аргументами, операторы, константы, переменные. Списки этих объектов можно открыть нажатием правой кнопки мыши, когда курсор стоит в окне Y Expression.

-Stepping - задание ступенчатого изменения одного или многих параметров (до 10) различных элементов схемы.

-Run – старт анализа и переход к окну с графиками. Для старта анализа можно также нажать 4-ую кнопку справа во втором ряду или задать команду из меню Transient/Run.

После завершение расчетов откроется окно Transient Analysis, в котором появятся графики искомых функций. Двойным щелчком по графику можно вызвать окно AnalysisPlotCharacteristics для изменения стиля оформления элементов графика. На график можно поместить пояснительный текст после нажатия кнопки ABS или REL.

Для выхода из режима анализа в режим подготовки схемы можно использовать команду меню Transient/Exit Analysis.

В примере RLC0.cir анализируется включение постоянной э.д.с. V2=1В в цепи с последовательным соединением резистора R1=10 Ом, конденсатора C1=1мкФ, и индуктивной катушки L1=1мГн. Строятся зависимости 1 -напряжения на источнике V(1), 2- напряжения на конденсаторе V(3), 3- напряжения на индуктивной катушке V(2)-V(3) при нулевых начальных условиях в интервале времени 0…2мс с шагом 0.1 мкс при температуре 27 градС. Кривые напряжений на элементах цепи показывают затухающие колебания в последовательном контуре после воздействия ступеньки напряжения.

2. Источники сигналов.

При анализе временных зависимостей приходится использовать источники различных сигналов. Ниже расматриваются примеры с различными источниками.

Источник синусоидального напряжения вызывается командой Component/AnalogPrimitives/WaveformSources/SineSource. После размещения источника в схеме в открывающемся окне Component… следует в строке MODEL= ввести имя источника (в нашем примере –Vsin), затем нажать кнопки Models и Edit. Откроется список параметров источника, который следует заполнить. Другой способ -после команды Ok следует щелкнуть по корешку Text в нижней строке с линейкой горизонтальной прокрутки и открыть текстовое окно директив. В этом окне будет строка-заготовка для описания параметров источника:

.MODEL VSIN SIN ( )

В списке параметров окна Component или в директиве через пробел можно записать (F=”частота,Гц” A=”амплитуда,В” DC=”постоянная составляющая,В” PH=“начальная фаза, радиан“ RS=”внутреннее сопротивление,Ом“ RP=”период повторения огибающей,с“ TAU=”постоянная времени экспоненциальной огибающей,с”). В приведенной нотации э.д.с источника определяется формулой: e(t)=A*exp(TAU)*sin(2*pi*F*t+PH)+DC Первый способ задания параметров проще. Схема с гармоническим источником анализируется в примере RLC1.cir.

Аналогичным образом формируется источник периодического импульсного напряжения. Командой Component/AnalogPrimitives/ WaveformSources/PulseSources активизируется источник, размещается на схеме. В окне Component…записывают имя MODEL= Vpuls. В окне текстовых директив в круглых скобках выражения

.Model VPULS PUL ()

следует записать через пробел параметры

VZERO=”минимальный уровень напряжения,В” VONE=”максимальный уровень напряжения,В” P1=”момент начала переднего фронта (перехода от уровня VZERO к уровню VONE) импульса,с” P2=”конец переднего фронта, момент начала плоской вершины импульса (уровень VONE),с” P3=”начало заднего фронта, момент конца плоской вершины импульса,с” P4=”конец заднего фронта (перехода от уровня VONE к уровню VZERO) импульса,с” P5=”период повторения импульсов,с”.

Схема с импульсным источником анализируется в примере RLC2.cir.

Независимые источники напряжения V или тока I (вызываются командами Component/AnalogPrimitives/WaveformSources/V или I) позволяют формировать сигналы различной формы –импульсные (PULSE), синусоидальные (SIN), экспоненциальные (EXP), кусочно-линейные (PWL), частотно-модулированные (SFFM).

Задание типа сигнала и его параметров производят (через пробел) в окне Component…:

VALUE=PULSE v1 v2[td[tr[tf[pw[per]]]]]

Это соответствует выражениям

v(t)=v1 при 0<=t<=td

v(t)=v1+(v2-v1)/tr*t при td<=t<=td+tr

v(t)=v2 при td+tr<=t<=td+tr+pw

v(t)=v2-(v2-v1)/tf*t при td+tr+pw<=t<= td+tr+pw+tf

v(t)=v1 при td+tr+pw+tf <=t<=per

Примечание. Элемент выражения в прямых скобках может быть пропущен.

VALUE=SIN vo va [f[td[df[ph]]]]

Это соответствует выражениям

v(t)=v0+va*sin(2*PI*ph/360) при 0<=t<=td

и v(t)=v0+va*exp[-(t-td)*df]*sin(2*PI*f*(t-td)+2*PI*ph/360) при t>=td

Этот вариант источника рассмотрен в примере RLC3.cir

VALUE=EXP v1 v2[td1[tc1[td2[tc2]]]]

Это соответствует выражениям

v(t)=v1 при 0<=t<=td1

v(t)=v1+(v2-v1)*(1-exp(-(t-td1)/tc1)) при td1<=t<=td2

и v(t)=v1+(v2-v1)*(1-exp(-t+td1)/tc1)-(1-exp(-t+td2)/tc2) при t>=td2

VALUE=PWL t1 v1 t2 v2…[tn vn]

VALUE=SFFM v0 va f0[mi[fm]]

Это соответствует выражению

V(t)=v0+va*sin(2*PI*f0*t+mi*sin(2*PI*fm*t))

Функциональные источники (Function sources) –управляемые нелинейные источники переменных напряжения или тока:

-NFV-источник напряжения и NFI –источник тока с атрибутом

VALUE=”комбинации функций потенциалов узлов, токов элементов и времени”

Вариант источника NFV , как источника амплитудно-модулированного сигнала рассмотрен в примере RLC4.cir. В этом примере показана передача амплитудно-модулированного сигнала в последовательном колебательном контуре.

Примечание. Мгновенные напряжения V(C1) записаны в таблицу RLC4.usr для последующего использования в User Source, т.к. в окне Limits против строки с этой функцией нажата кнопка записи в файл.

Нелинейные источники:

-NTVofI –источник напряжения, управляемый током,

-NTVofV –источник напряжения, управляемый напряжением,

-NTIofI –источник тока, управляемый током,

-NTIofV –источник тока, управляемый напряжением c атрибутом

TABLE=”(x1,y1) (x2,y2) (x3,y3)…”.-таблица аргумента и функции.

Источник напряжения, задаваемый пользователем User source формируется с помощью файла RLC4.usr (получен в примере RLC4.cir). Имя этого файла записывают в атрибуте: FILE= Name.usr. Пример этого источника в файле RLC5.cir, где анализируется выходной сигнал амплитудного детектора.

3. Анализ Фурье

Режим Transient Analysis позволяет получить спектр разложения в ряд Фурье. В примере RLC6.cir показывается получение спектра амплитудно модулированного сигнала. Для ускорения демонстрации в этом примере используется прием предварительных вычислений в режиме SAVE с записью результатов расчета мгновенных значений в файл RLC6.tsa. Непосредственно в примере использован режим Retrieve, при котором строятся временные зависимости по значениям из файла RLC6.tsa. Затем программа проводит спектральный анализ.

Примечание. В этом примере рассматривается временной отрезок на втором периоде огибающей 25мс-50мс, что дает первую гармонику в 40Гц.

Приложение 1

Справка о параметрах общих установок.

Эти значения затрагивают моделирование и не часто изменяются. Имеются два типа установок: со значениями и с флажками. Локальные выборы могут быть определены в текстовом экране или в файле хранения текстов и связан к схемному решению, используя команды .INCLUDE и .OPTIONS. Значения по умолчанию могут весь быть введенными, защелкивая на Заданной по умолчанию кнопке внизу диалогового окна.

ABSTOL: этот параметр относится к допуску абсолютной погрешности для токов, чтобы сходиться на точке данных. Для большинства итераций точки времени, RELTOL будет перерегулирование это значение. Когда текущий нуль подходов, допуск относительной погрешности произведет меньшее значение, которое делало бы сходимость более трудной. ABSTOL дает абсолютную величину, что две последовательных итерации должны прибыть в пределах сходиться. Для цепей, которые содержат, высокие токи, увеличиваясь этот параметр помогут сходимости, если симуляция производит ошибку сходимости около пересечения нулевого уровня. При знании приблизительно самое низкое значение тока в контуре(цепи) позволяет Вам устанавливать этот параметр для значений несколько заказов(распоряжений) меньшей величины. Значение по умолчанию = 1e-12.

CHGTOL: параметр This определяет нижний предел на флюсе катушки индуктивности и заряде конденсатора. Когда контур(цепь) производит заряд конденсатора или флюс катушки индуктивности, который является ниже CHGTOL, имитатор будет использовать значение CHGTOL, чтобы предсказать в следующий раз шаг. Значение по умолчанию = 1e-14.

CPTIME: параметр This определяет максимальное ПРОЦЕССОРНОЕ ВРЕМЯ мгновенно, что MC5 может использовать, чтобы моделировать контур(цепь). Значение по умолчанию = 1e9.

DEFAD: параметр This определяет значение по умолчанию МОП, дренируют диффузионную область в единицах(блоках) разбитых на квадраты метров. Значение области только используется, если параметр модели CJ объявлен. Значение по умолчанию = 0.

DEFAS: параметр This определяет значение по умолчанию источника МОП диффузионная область в единицах(блоках) разбитых на квадраты метров. Значение области только используется, если параметр модели CJ объявлен. Значение по умолчанию = 0.

DEFL: параметр This определяет значение по умолчанию длины канала(борова) МОП в единицах(блоках) метров. Значение по умолчанию = 1e-4.