Моделирование электронных схем в программном пакете OrCAD EE Designer для начинающих

Анатолий Сергеев

Данная статья предназначена для начинающих пользователей, которые впервые знакомятся с системой моделирования электронных схем OrCAD PSpice A/D.

Основными модулями программного пакета OrCAD EE Designer являются схемотехнический редактор OrCAD Capture и редактор аналоговых и цифровых сигналов PSpice A/D. Помимо этого в состав PSpice A/D входят дополнительные приложения:

• PSpice Model Editor — инструмент для создания и редактирования PSpice­моделей компонентов;
• Stimulus Editor — инструмент для создания источников сигналов;
• Simulation Manager — инструмент для управления потоками моделирования;
• Magnetic Parts Editor — инструмент для разработки индуктивных компонентов, таких как трансформаторы и дроссели.

Дополнительные приложения доступны через меню Пуск -> Все программы -> Cadence -> Release 16.6 -> PSpice Accessories.

Процесс моделирования от создания схемы до получения результатов можно условно поделить на несколько этапов, что наглядно демонстрирует рис. 1.

Рис. 1. Основные этапы создания и моделирования проекта в OrCAD EE Designer

Каждый из перечисленных этапов подразделяется на несколько промежуточных. Перед подготовкой проекта необходимо удостовериться в том, что все необходимые для схемы компоненты имеются в наличии. В противном случае необходимо будет создать недостающие библиотеки при помощи OrCAD Capture и приложения Model Editor, входящего в состав PSpice. Наиболее правильный путь — это загрузить соответствующие библиотеки из Интернета с сайтов разработчиков компонентов или воспользоваться поисковой системой на сайте www.orcadcapturemarketplace.com. Библиотеки состоят из двух частей: символов компонентов в формате OLB и их PSpice­моделей в формате LIB. После подготовки библиотек необходимо создать проект в OrCAD Capture.

Новый проект можно создать при помощи стартовой страницы либо меню File -> New -> Project. Стартовая страница появляется на экране только при наличии подключения к Интернету (рис. 2).

Рис. 2. Создание нового проекта со стартовой страницы в OrCAD Capture

При этом будет запущен мастер создания нового проекта. Моделирование поддерживают два типа проекта: Analog or Mixed A/D и PC Board Wizard. После выбора первого варианта необходимо указать наименование проекта в поле Name и его местоположение в поле Location. После нажатия кнопки ОК появляется окно, где можно выбрать две опции:

• Create based upon an existing project — создать проект на основе имеющихся шаблонов. В выпадающем списке можно выбрать один из 42 готовых для моделирования проектов. Все они располагаются в <директория_установки>\tools\capture\templates\pspice. Сюда можно добавить собственный проект — он также появится в выпадающем списке при создании нового проекта. Обратите внимание на название шаблонов. Например, simple.opj или empty.opj — это простые проекты с одним схемным листом, но уже с подключенными базовыми библиотеками компонентов c PSpice­моделями. Шаблоны, начинающиеся со слова hierarchical, — это иерархические проекты с двумя подсхемами с одним листом в каждой. Проекты типа empty_aa, simple_aa,hierarchical_aa и т.д. — это проекты с предустановленными библиотеками компонентов, пригодными для проведения дополнительных видов анализа — Advanced Analysis. К шаблонам с окончанием all_libs подключены все библиотеки выбранного типа.

OrCAD EE Designerпоставляется с двумя типами библиотек в формате OLB для схемотехнического редактора OrCAD Capture и в формате PSpice A/D для системы моделирования — LIB. В <директория_установки>\tools\capture\library находятся библиотеки OLB, к которым не подключены PSpice­модели, — они больше подходят для проектирования печатных плат. В <директория_установки>\tools\capture\library\pspice находятся библиотеки компонентов OLB, к которым подключены PSpice­модели LIB — они подходят как для моделирования схемы, так и для проектирования печатных плат. Если вы изначально создавали проект типа Analog or Mixed A/D, то при размещении компонентов по команде Place -> Part к поиску будут подключены библиотеки из директории PSpice. В моделировании участвуют только те компоненты, к которым подключены соответствующие PSpice­модели. По умолчанию все библиотеки PSpice­моделей располагаются в директории <директория_установки>\tools\pspice\library.

Рис. 3. Создание профиля и запуск моделирования через панель инструментов в OrCAD Capture

Для размещения компонентов в OrCAD Capture используется меню Place -> Part. Наиболее часто используемыми являются библиотека analog.olb (содержится набор базовых пассивных компонентов) и библиотека source.olb (содержатся источники питания и сигналов). Начиная с версии OrCAD Capture 16.6 появилась возможность размещать на схеме наиболее часто используемые при моделировании компоненты с помощью специального меню Place -> PSpice Component. Это меню избавит вас от долгого поиска пассивных и дискретных компонентов, а также источников цифровых и аналоговых сигналов. Также учитывайте тот факт, что положительным считается ток, протекающий от первого вывода ко второму выводу резистора или конденсатора. Если ток течет из второго в первый вывод, то значение тока войдет в отчет со знаком минус. Порт заземления устанавливается по команде Place -> Ground. Используйте символ 0 из библиотеки source.olb.

Существует несколько способов электрически соединить компоненты в OrCAD Capture:

• Place -> Wire (клавиша W или кнопка на панели инструментов ) — рисование цепи. При этом необходимо проложить каждый сегмент цепи вручную;
• Place -> Auto Wire -> Two Points (кнопка ) — соединение по двум точкам. Достаточно выбрать два вывода, и цепь будет размещена автоматически;
• Place -> Auto Wire -> Multiple Points (кнопка ) — соединение нескольких точек. При выборе данной команды необходимо последовательно указать несколько точек (выводов) для соединения и нажать ПКМ -> Connect;
• можно выбрать только выводы, которые необходимо соединить ЛКМ и нажать ПКМ -> Connect.

Когда схема создана, наступает этап подготовки профиля моделирования — то есть задания на моделирование, которое содержит:

• команды и опции моделирования;
• подключаемые файлы — как правило, это схемные каскады, которые дополнительно входят в список цепей на моделирование;
• библиотеки — стандартные и дополнительные, необходимые для моделирования;
• файлы источников сигналов — дополнительные описания входных воздействий для схем, созданные в приложении Stimulus Editor, которое входит в состав PSpice A/D;
• настройки виртуального осциллографа Probe — здесь указываются параметры вывода на экран результатов моделирования в виде осциллограмм и графиков.

Профиль моделирования может быть создан с помощью кнопки  или меню PSpice -> New Simulation Profile (рис. 3). Отредактировать текущий профиль моделирования можно с помощью кнопки  или меню PSpice -> Edit Simulation Profile. Далее указывается имя профиля. Отметим, что одна и та же схема может иметь несколько профилей с разными видами анализа.

В окне Simulations Settings на вкладке General можно задать имя профилю моделирования, указать директории для выходного файла (Output File) и файла данных (DAT­файл). В секции Notes можно оставить свой комментарий к профилю моделирования.

Вкладка Analysis позволяет выбрать один из четырех основных видов анализа:

• Time Domain (Transient) — переходный процесс во временной области;
• DC Sweep — по постоянному току с вариацией параметров;
• AC Sweep — по переменному току с вариацией параметров;
• Bias Point — по постоянному току в точке смещения.

Все эти базовые виды анализа могут быть расширены одним или несколькими дополнительными видами анализов, например параметрическим, температурным или Монте­Карло. Дополнительные виды анализа могут быть выбраны в окне опций, которое располагается под выпадающим списком основных видов анализа (рис. 4).

Рис. 4. Выбор вида анализа в настройках профиля моделирования

На вкладке Configuration Files к профилю моделирования в секции Category можно подключить файлы источников сигналов (Stimulus), библиотеки (Library) или дополнительные файлы (Include). Каждый из этих файлов подключается на трех уровнях:

• глобальном (Add as Global) — распространяется на все проекты;
• локальном (Add to Design) — распространяется только на текущий проект;
• профиле (Add to Profile) — распространяется только на текущий профиль моделирования.

Перед глобальными файлами стоит индикатор —

Основной библиотекой для PSpice A/D является Nom.lib, автоматически подключаемая как глобальная при первой установке программы. Она представляет собой простой текстовый файл, который можно отредактировать стандартными текстовыми редакторами Windows. Nom.lib, содержит список всех библиотек PSpice A/D, и при моделировании программа сначала просматривает этот список, чтобы подключить нужную библиотеку.

На вкладке Options есть три категории настроек:

• Аналоговое моделирование (Analog Simulations) — здесь указываются важнейшие параметры точности моделирования, влияющие на сходимость результатов (проблема конвергенции). Кроме того, можно настроить такие инструменты, как автоконвергенция (AutoConverge), количество вычислительных потоков (Number of Threads), зависящее от количества ядер в центральном процессоре, и многое другое;
• Цифровое моделирование (Gate­level Simulation) — здесь устанавливается режим временных задержек в цифровых схемах, начальное состояние триггеров, уровень входа­выхода для аналого­цифровых интерфейсов и т.д.;
• Выходной файл (Output File) — все результаты расчетов при моделировании записываются в специальный выходной текстовый файл. Эта категория настроек позволяет управлять его содержанием. Например, по умолчанию в выходной файл записываются напряжения во всех цепях схемы (Bias point node voltages).

На вкладке Data Collection указывается объем информации, которая записывается в специальный файл данных с расширением DAT, который, в свою очередь, служит основным источником данных для отображения графиков в окне Probe. Вы можете ограничить объем этих данных, чтобы снизить размер DAT­файла и ускорить моделирование. Опция Probe Data позволяет установить 64­битную точность данных вместо 32­битной. Более высокая 64­битная точность позволяет записывать данные по сигналам с большим разрешением. Например, при наложении амплитуд с разным значением напряжений может возникать эффект пилообразных искажений.

На вкладке Probe Window устанавливаются параметры отображения осциллограмм в окне Probe. Опция Display Probe window включает отображение осциллограмм во время расчетов или после них. В секции Show можно указать, какие графики выводить на экран — только для цепей, куда установлены маркеры, согласно предыдущим настройкам графиков, или не выводить совсем.

Перед запуском моделирования необходимо убедиться, что:

• ко всем компонентам на схеме подключены свои PSpice­модели;
• к схеме подключен порт заземления;
• все компоненты пронумерованы;
• на схеме отсутствуют разрывы.

Дополнительным, но необязательным этапом подготовки проекта к моделированию может быть установка контрольных маркеров (щупов) на схему. Маркеры необходимы для вывода осциллограмм (графиков) для узлов схемы, где они установлены. Для различных вариантов анализа доступен базовый набор маркеров:

• уровень напряжения — ;
• дифференциальное напряжение по двум точками схемы — ;
• ток на выводах элементов (данный маркер недоступен для элементов в виде подсхем)  — ;
• рассеиваемая мощность на элементах — ;

Дополнительные маркеры из меню PSpice -> Markers -> Advanced позволяют увидеть реальную и мнимую часть токов и напряжений, а также уровень магнитуды, фазу и групповую задержку. Данные маркеры доступны для варианта анализа AC Sweep (по переменному току с вариацией параметров). Через меню PSpice -> Markers -> Plot Window Templates можно устанавливать на схему специальный тип маркеров, позволяющий выводить на экран окно графика с заранее предустановленным шаблоном расчетов, например, комплексной проводимости, комплексного сопротивления, коэффициента усиления по току, графиками Боде и т.д.

Запуск моделирования осуществляется с помощью кнопки  панели инструментов, меню PSpice -> Run или клавиши F11. После этого на экране возникает окно редактора сигналов PSpice A/D с виртуальным осциллографом Probe. Если на схеме были установлены маркеры, то соотвествующие им осциллограммы мгновенно отобразятся в PSpice A/D. В противном случае вам следует самостоятельно добавить их на экран с помощью меню Trace -> Add Trace в PSpice A/D или клавиши Insert (рис. 5). При добавлении трасс на график можно воспользоваться мощными средствами обработки данных с помощью операторов и функций, математических выражений, макросов, шаблонов графиков. Для этого достаточно выбрать функцию в правом списке и параметр — в левом. В строке Trace Expression появится расчетное выражение, которое также можно редактировать вручную.

Теперь возможно отобразить несколько графиков в одном окне Probe. Для этого нужно перейти в меню Plot -> Add Plot to Window (рис. 6). При этом на экране появится пустой график, который можно заполнить различными трассами. Активный график отмечен знаком  слева внизу у вертикальной оси. Переключение между графиками осуществляется с помощью ЛКМ. Чтобы перенести трассу с одного графика на другой, необходимо скопировать ее подпись в буфер обмена (Ctrl+C) и вставить (Ctrl+V) на активный график. Также не забывайте о команде выреза графика с копированием его в буфер — Ctrl+X. Можно создать и новое окно с графиком через меню Window -> New Window.

Рис. 5 Выбор трассы для вывода на экран в окне Trace → Add Trace или Trace → Evaluate Measurement

Рис. 6. Вывод нескольких графиков в одном окне Probe (PSpice A/D)

Для настройки фона рабочей области PSpice A/D и сетки графиков с подписями используется меню Tools -> Options, вкладка Color Settings.

Часто возникает необходимость показать на одном графике несколько кривых в разном масштабе. Например, это могут быть токи и напряжения. Можно добавить на один график до трех осей Y (рис.  7). Для вставки дополнительной оси Y можно воспользоваться горячими клавишами Ctrl+Y или меню Plot -> Add Y Axis. При этом новая ось Y станет активной. Активная ось отмечается знаком   слева внизу. Единицы измерения и цена деления для оси выбирается в тот момент, когда на график помещается новая кривая.

Рис. 7. Дополнительные оси Y на графике в Probe

При нажатии на любую из осей Y откроется окно настроек данной оси. Это окно также можно вызвать при помощи меню Plot -> Axis Settings, вкладка Y Axis. Здесь присутствуют следующие настройки:

• Data Range — диапазон данных: автоматический или заданный пользователем;
• Scale — масштаб;
• Y Axis Number — номер оси, для которой вносятся изменения;
• Axis Position — положение оси: справа или слева от графика;
• Axis Title — подпись (заглавие) оси.

Расчетные данные и графики, полученные в PSpice A/D, можно скопировать в любой текстовый или табличный редактор. Для копирования всех значений точек на трассе графика в окне Probe необходимо сделать следующее:

1. Открыть требуемый график.
2. Каждая трасса на графике снабжена подписью (легендой), расположенной строго под осью X. При помощи кнопки ЛКМ следует выбрать нужную подпись. Для выбора нескольких — зажать клавишу Shift.
3. Скопировать подпись в буфер обмена при помощи Ctrl+C.
4. Открыть текстовый редактор и вставить данные из буфера обмена. На экране появятся значения для каждой точки трассы.

Для копирования графиков нужно сделать следующее:

1. В PSpice A/D выбрать меню Window -> Copy to Clipboard.
2. В появившемся окне Color Filter поставить опцию Make window and plot transparent (Сделать окно и график прозрачными).
3. Выбрать цветовую схему для графика и сетки в секции Foreground.
4. Скопировать изображение в текстовый или графический редактор.

Результаты любого анализа также выводятся в виде выходного текстового файла. Его можно открыть через OrCAD Capture, меню PSpice -> View Output File, а также через PSpice A/D при помощи меню View -> Output File или кнопки  на панели инструментов. Для удобства чтения при просмотре выходного файла через PSpice A/D все текстовые группы, такие как числа, комментарии, выражения, операторы и ключевые слова, выделены разными цветами. Поменять текущую цветовую схему можно через специальный файл SpiceSyntax.INI. Данный файл располагается в <директория_установки>\tools\pspice.

Напряжения в цепях, токи на выводах компонентов и мощность, рассеиваемая на компонентах, отображаются непосредственно на схеме в OrCAD Capture. Для этого достаточно зайти в меню PSpice -> Bias Point -> Enable или воспользоваться панелью инструментов .

В настоящей статье был дан краткий обзор основных этапов подготовки проекта к моделированию в OrCAD Capture и получению результатов в PSpice A/D. 

Литература

1. OrCAD Capture User Guide. Product Version 16.6, October 2012.
2. PSpice User Guide. Product Version 16.6, October 2012.

САПР и графика 9`2013