شبیه سازی با تاکید بر مدارات مجتمع

[Mehdi.Aref 26,774]

سرنام simulation program for integrated circuits emphasis به معنای شبیه سازی با تاکید بر مدارات مجتمع می باشد.

 

 

این برنامه جهت شبیه سازی مدار به منظور تست کوچکی از آن قبل از ساخت به حساب می رود

 

پایه های اصلی spice در سال 1971در دانشگاه برکلی ریخته شد و نسخه های 1و2 ان به زبان fortran نوشته شد و نسخه 3 در سال 1983 به زبان c بازنویسی شد. به همین دلیل spice شباهت زیادی به گرامر زبان fortran دارند.

 

نسخه های اولیه spice تنها بر روی کامپیوترهای main fraim قابل اجرا بودند اما در دهه 80 نسخه هایی از ان تولید شد که بر روی کامپیوترهای رومیزی قابل اجرا بودند nanosim,ultrasim,smartspice,pspice,hspice,ultisim و بیش از 20 عنوان دیگر از این جمله اند. همچنین نسخه هایی از spice با نام های macspice,ltspice برای اجرا در محیطهای ینوکس و مکینتاش وجود دارند.در این میان pspice نسخه ای بهینه شده برای استفاده در pc می باشد که توسط شرکت microsim توسعه داده شده و بعدا امتیاز آن به شرکت orcad واگذار شد و در حال حاضر متعلق به cadence می باشد.

 

بسته نرم افزاری orcad شامل اجزایی برای طراحی فیبرهای مدار چاپی نیز می باشد که برای شبیه سازی تنها بخش pspice,capture مورد نیاز می باشد.بدین ترتیب که ابتدا باید مدار مورد نظر بصورت گرافیکی در cis capture ترسیم شود و سپس pspice فراخوانی و اجرا شود تا مدار در این محیط شبیه سازی شود.capture بک محیط کاملا گرافیکی می باشد و برخلاف نسخه های قدیمی برا ی شبیه سازی مدار نیازی به نوشتن netlist یا لیست گره های مدار نیست و با استفاده از واسط کاربری گرافیکی (gui) می توان مدار را به سادگی ترسیم کرد.

 

برای شروع به اشنایی با محیط capture می پردازیم

 

پس از نصب orcad 9.2 ، ایکون نرم افزارهای نصب شده در منوی start و زیر منوی orcad موجود می باشد.که همواره برای شروع ترسیم شماتیک مدارcapture cis را اجرا می کنیم .

 

پس از capture cis با یک صفحه خالی روبرو می شویم که برای ایجاد یک پروژه جدید مسیر زیر را دنبال می کنیم :

 

File\new project

 

در کادر باز شده در فیلد name یک اسم برای پروژه انتخاب کرده و از دکمه های رادیویی زیرین ( a/d(analog or mixed را بر می گزینیم و در کادر location مکان ذخیره فایل ها را معین کنیم.

 

پس از تایید، در کادر ظاهر شده گزینه creat a blank project را انتخاب می کنیم و دکمه ok را کلیک می کنیم .اکنون در صفحه خالی capture هستیم و می توانیم با استفاده از منوی place و گزینه part عناصر مداری را به صفحه اضافه می کنیم.

[Mehdi.Aref 26,774]

شبیه سازی یک مدار ساده

 

در مقاله قبل به معرفی و آشنایی با محیط Capture پرداختیم در مورد این محیط افزودن نکات زیر نیز الزامی است:

 

 

• در صورت عدم وجود قطعه مورد نظر می توانیم با دکمه add کتابخانه مربوطه را اضافه کنیم.

 

• جهت گردش شکل قطعه ، پس از انتخاب ان از کلید R که ابتدای کلمه Rotate به معنای چرخاندن است استفاده می کنیم .

 

• جهت تغییر خصوصیات قطعه روی ارزش مورد نظر دوبار کلیک می کنیم.

 

• با استفاده از گزینه net alias از منوی place می توانیم به گره های مدار نام مستعار دهیم.

 

• جهت سیم کشی بین عناصر از منوی place گزینه wire را انتخاب می کنیم.

 

• در pspice مدار باید حتما دارای زمین باشد.

 

حال به منظور اشنایی کلی با محیط probe, capture مراحل شبیه سازی یک مدار الکتریکی خواهیم پرداخت

 

قسمت بعدی که به توضیح آن می پردازیم Probe است

 

Probe ابزاری است از pspice که نتایج حاصل از تحلیل مدار را به صورت گرافیکی نمایش می دهد.

 

برای مشاهده شکل موج نقاط مختلف مدار دو راه وجود دارد:

 

1. با استفاده از انتخاب نام مستعار برای گره مورد نظر:

 

از منوی place گزینه net alias را انتخاب می کنیم و پس از انتخاب نام مورد نظر برای گره ان را در محل مورد نظر قرار می دهیم.

 

2. استفاده از market ها :

 

مراحل زیر را انجام می دهیم :

 

Pspice/markers/voltage level

سپس علامت زن چسبیده به موس را در گره مورد نظر قرار می دهیم

 

اکنون مدار را شبیه سازی می کنیم: وارد محیط pspice می شویم

 

در صورتی که از نام مستعار برای گره استفاده کرده باشیم باید پس از انتخاب گزینه add trace ازمنوی trace از کادر حاصل نام گره مورد نظر را انتخاب کنیم.

 

در صورتی که از marker استفاده کرده باشیم شکل موج پس از اجرای اسپایس در محیط probe نمایش داده خواهد شد.

 

 

• برای اضافه کردن شکل موج های بیشتر می توانیم marker های دیگری درگره های دیگر قرار دهیم و یا برای گره مورد نظر نام مستعار انتخاب کنیم و در محیط probe ان نام را اضافه کنیم .

 

• جهت استفاده از marker های جریان باید انها را به یکی از پین های عنصر مورد نظر وصل کنیم

 

• در صورت اختلاف مقیاس زیاد بین شکل موجها باید محور عمودی به صفحه probe اضافه کرد:

 

• (plot/add y axis) و یا ان را در پنجره جدیدی نمایش داد.

 

• کادر add trace امکان اعمال توابع ریاضی بر روی شکل موج را نیز فراهم می کند.

 

به عنوان مثال برای نمایش قدر مطلق نمودار کافی است از تابع abs استفاده کنیم.

[Mehdi.Aref 26,774]

استفاده از مکان نما در شبیه سازی اسپایس

 

در مقاله قبلی به چگونگی استفاده از محیط probe, capture جهت مراحل شبیه سازی یک مدار الکتریکی پرداختیم

 

حال مکان نما ها!

 

 

با استفاده ازمکان نماها می توان مقادیر عددی شکل موج را بدست اورد برای این کار بر روی دکمه کادر از نوار ابزار بالای صفحه در محیط اسپایس کلیک کنید سپس با کلیک کردن روی هر نقطه شکل موج مقدار عددی ان در کادر probe courser نمایش داده خواهد شد.

 

با استفاده از دکمه های چپ و راست موس می توانید مکان نماهای اول و دوم را جابجا کنید.

 

• در کادر probe courser می توان اختلاف مقدار دو مکان را مشاهده کرد.

 

• برای برچسب زدن مختصات مکان نما از منوی label, plot و سپس mark را انتخاب می کنیم

 

• برای تغییر بازه نمایش داده شده از منوی plot گزینه axis setting را انتخاب کرده و data range را به بازه مطلوب تغییر می دهیم .

 

ترسیم توابع ریاضی و انالیز فوریه

 

اگر چه محیط pspice جهت نمایش شکل موجهای موجود در مدار طراحی شده است اما این قابلیت را دارد که همانند نرم افزارهای ریاضی (مثل matlab) شکل توابع ریاضی را ترسیم کند که البته دارای این محدودیت است که محور افقی تنها مقدار مثبت را داراست چون متغیر توابع ما زمان هستند.

 

برای اینکار مراحل زیر را انجام دهید:

 

1. پروژه جدید ایجاد کنید.

 

2.مداری را که تنها دارای منابع dc می باشد، ترسیم کنید و سپس ان را شبیه سازی کنید.

 

3. از منوی simulation در اسپایس ، گزینه edit profile را انتخاب کنید و در فیلد run to time زمان مورد نظر را (مثلا s1) وارد کنید.

 

4. در محیط اسپایس از منوی trace گزینه add trace را انتخاب کنید.

 

5. در کادر حاصل از لیست functions توابع مورد نیاز را انتخاب کنید و سپس با متغیر time یک تابع ریاضی بنویسید.

 

6. مدار ترسیم شده در capture هیچ تاثیری در این شکل موج ندارد و تنها جهت دستیابی به محیط pspice ایجاد شده است.

 

7. بیشترین فرکانس منبع موجود در مدار زمان شبیه سازی را تعیین می کند، ازاین رو از منبع dc استفاده کردیم .

 

8. برای مشاهده طیف فوریه یک سیگنال بر روی دکمه fet کلیک کنید.

[Mehdi.Aref 26,774]

تحلیل گره DC

 

گفتیم در برنامه Pspice چگونه با محیط capture کار کنیم و همچنین به شبیه سازی یک مدار ساده پرداختیم

 

حال در مورد تحلیل گره DC همان طور که می دانید تنها منابع جریان مستقیم در نظر گرفته می شود و منا بع AC صفر می شوند. بنابراین المان های واکنشی مثل خازن و سلف به ترتیب اتصال باز و اتصال کوتاه می شوند. پس هدف تنها تحلیل نقطه بایاس مدار است.

 

 

یک مدار در capture ترسیم کنید

 

سپس یک profile جدید بسازید و نام dc-bias برای ان وارد کنید.

 

در کادر بعدی از منوی باز شدنی analysis type گزینه Bias point را انتخاب کنید.

 

مدار را شبیه سازی کنید و از نوار ابزار برنامه capture دکمه های VوI را انتخاب کنید.

 

برای نمایش توان مصرف شده در عناصر از دکمه W استفاده می کنیم.

 

• برای پنهان کردن مقادیر غیر ضروری ولتاژ یا جریان ،گره مورد نظر را انتخاب و روی دکمه Toggle Voltage یا Toggle Current کلیک کنید.

 

• جریان ها به پایانه مثبت عناصر وارد می شوند و پایه مثبت به خط چین وصل شده است.

 

• جهت تغییر دمای شبیه سازی در کادر Simulation Setting و در گزینه Temprature دمای مورد نظر را وارد می کنیم.

 

• برای مشاهده مشخصات دقیق ترانزیستور بر روی آن کلیک راست کنید و گزینه edit pspice model را انتخاب کنید.

 

حال برای انکه بیشتر به نتیجه پی ببرید مدار زیر را ببندید

 

 

نقطه کار ترانزیستور رو به رو را بدست آورده و با مقدار شبیه سازی شده مقایسه کنید.

 

اثر تغییر دما را بر روی نقطه کار بررسی کنید.

 

1. مقدار مقاومت ها را طوری تغییر دهید که نقطه کار وسط خط بار قرار گیرد.

 

2. به ازای چه مقدار R3 ترانزیستور اشباع می شود.

 

تحلیل و پاسخ این سوالات را در بخش بعدی خواهیم داد

 

برای پیدا کردن مقاومت تونن همانند تحلیل مدار باید Vمدار باز و I اتصال کوتاه را یافته و نسبت انها را بیابید. در اسپایس هیچ گره ای نمی تواند شناور (یک سر ازاد) باشد، بنابراین برای یافتن ولتاژ OC از یک مقاومت 100 اهمی استفاده می کنیم و برای پیدا کردن جریان اتصال کوتاه با قرار دادن یک مقاومت فمتو اهمی این مشکل را حل می کنیم .

[Mehdi.Aref 26,774]

تحلیل گذرای مدار

 

جهت بررسی پاسخ مدارهایی که دارای منابع جریان متناوب هستند و همچنین پاسخ گذرای مدارهایی که دارای عناصر واکنشی هستند از تحلیل گذرای مدار استفاده می شود. در واقع دراین بخش تحلیل مدار در حوزه زمان بررسی می شود.

 

» مدارات مرتبه اول

 

این مدارات که با یک معادله دیفرانسیل مرتبه اول توصیف می شوند دارای یک پاسخ نمایی هستند که از رابطه زیر بدست می اید:

 

==================================

(مقدار نهایی – مقدار اولیه ) + مقدار نهایی = پاسخ کامل

==================================

 

که مقدار τ برای خازن RC و برای سلف L/R می باشد.

 

 

» مدارات مرتبه دوم

 

این مدارات دارای خازن و سلف هستند و در مورد یک RLC موازی بسته به مقادیر مقاومت ، خازن و سلف سه حالت ممکن وجود دارد:( در مورد مدارات RLC موازی: و1/√LC =ω و در مورد RLC سری دوگان اینها می باشد.

 

1. ω›α:حالت فوق میرا (مجموع دو تابع میرای نمایی)

 

2. ω=α: حالت میرای بحرانی (حاصلضرب یک تابع خطی در یک تابع نمایی)

 

3. ω›α حالت زیر میرا (سینوسی میرا)

 

پاسخ مدار به منابع متناوب

 

در این حالت مدار را در حوزه زمان تحلیل می کنیم و برای این منظور از منابع زیر استفاده می کنیم :

 

• ISIN, VSIN جهت تولید منابع سینوسی (با فرکانس ،فاز و دامنه مشخص می شود.)

 

• IEXP,VEXP:برای ایجاد منابع نمایی (با ضریب و نما مشخص می شود.)

 

• IPulse,Vpulse:منابع پالسی (با عرض پالس و دوره تناوب مشخص می شود.)

 

• Ipwl,vpwl:منابع تکه ای خطی

 

• Vtri:موج مثلثی

 

• Vramp:موج دندانه اره ای

 

• V-ttl:موج مربعی با دامنه ی 5 ولت ایجاد می کند.

 

» جاروب DC

 

جاروب DC امکان یافتن پاسخ مدار به بازه ای از منابع جریان مستقیم را می دهد. به عبارت دیگر بدین وسیله امکان ترسیم مشخصه انتقالی مدار وجود دارد.همانند تحلیل DC در اینجا نیز تمام خازن ها اتصال باز و سلف ها اتصال کوتاه می باشند

 

» مشخصه ولتاژ به جریان

 

در محیط اسپایس از منوی Trace گزینه Add Trace را انتخاب کرده و در فیلد متنی Trace Expression جریان دیود را (Id1) وارد می کنیم. شکلی را که مشاهده می کنیم جریان دیود بر حسب تغییرات منبع تغذیه می باشد.حال برای تغییر دادن نمودار به جریان دیود برحسب ولتاژ ان باید متغیر محور افقی را تغییر دهیم .

 

درمحیط اسپایس از منوی PLOT گزینه Axis setting را انتخاب کرده و از برگه X Axis روی دکمه Variable Axis را کلیک کرده ولتاژ دیود را (1) انتخاب می کنیم .

 

[hasting_m 385]

سلام

1)

capture با schemaics از نظر کارکرد در نرم افزار اورکد چه فرقی دارند؟؟

2)

آیا Hspice داخل نرم افزار اورد وجوددارد؟اگر بله چگونه واز کجا باز کنیم؟