Моделирование электронных схем в программном пакете OrCAD EE Designer для начинающих
Основные модули программного пакета OrCAD EE Designer — это 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 PSpice-моделей 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 разделить на несколько этапов.
Каждый из представленных на рис. 1 этапов подразделяется на несколько промежуточных. Перед подготовкой проекта следует убедиться в том, что все нужные 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 — это символы компонентов в формате OLB и их PSpice-модели в формате LIB. После подготовки библиотек необходимо создать проект в OrCAD Capture.
Новый проект можно создать с помощью стартовой страницы или меню File→New→Project. Стартовая страница появляется на экране только при подключении к Интернету (рис. 2).
При этом будет запущен «мастер» создания нового проекта. Моделирование поддерживают два типа проектов — 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. Далее, 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 свой 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 с уже подключенными базовыми библиотеками компонентов c Pspice-моделями. 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 Designer поставляется 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 PSpice-модели, и они больше подходят для проектирования печатных плат. В <директория_установки>\tools\capture\library\pspice находятся библиотеки компонентов OLB, к которым подключены PSpice-модели LIB, и 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 PSpice-модели. По умолчанию все библиотеки PSpice-моделей располагаются в директории <директория_установки>\tools\pspice\library.
Для размещения компонентов в OrCAD Capture служит меню Place→Part. Наиболее часто используются библиотеки analog.olb (здесь содержится набор базовых пассивных компонентов) и source.olb (здесь 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. Следует учитывать и 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 в отчет войдет со знаком минус. Порт заземления устанавливается по команде Place–Ground. Используйте для этого символ «0» из библиотеки source.olb.
Существует несколько способов соединить компоненты электрически 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-TwoPoints (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 этой команды необходимо последовательно указать несколько точек (выводов) для соединения и нажать правую кнопку мыши + Connect.
- Можно выбрать только те выводы, которые необходимо соединить, щелкнув на них левой кнопкой мыши. Затем нажать правую кнопку мыши + Connect.
Когда схема создана, наступает этап подготовки профиля моделирования. Профиль моделирования — это задание на моделирование, которое содержит в себе:
- Команды и опции моделирования.
- Подключаемые файлы. Как правило, это схемные каскады, которые дополнительно входят в список цепей на моделирование.
- Библиотеки. Стандартные и дополнительные библиотеки, необходимые для моделирования.
- Файлы источников сигналов. Дополнительные описания входных воздействий для схемы, 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 вы можете задать имя профилю моделирования, указать директории для выходного файла (Output File) и файла данных (DAT-файл). В секции Notes вы можете оставить свой комментарий к профилю моделирования.
Вкладка Analysis позволяет выбрать один из четырех основных видов анализа:
- Time Domain (Transient) — переходной 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, например параметрическим, температурным или Монте-Карло. Дополнительные виды анализа можно выбрать в окне опций, которое располагается под выпадающим списком основных видов (рис. 4).
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:
- Глобальный (Add as Global) — распространяется на все проекты.
- Локальный (Add to Design) — распространяется только на текущий проект.
- Профиль (Add to Profile) — распространяется только на текущий профиль моделирования.
Перед глобальными файлами стоит индикатор —
Основной библиотекой для PSpice A/D является Nom.lib. Эта библиотека автоматически подключается как глобальная при первой установке программы. Она представляет собой простой текстовый файл, который можно отредактировать стандартными текстовыми редакторами Windows. Nom.lib содержит в себе 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). В этой категории также 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 (Gate-level Simulation). Здесь устанавливается режим временных задержек в цифровых схемах, начальное состояние триггеров, уровень входа/выхода для аналого-цифровых 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 значения 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 DAT-файла и ускорить моделирование. Опция Probe Data позволяет установить 64‑битную точность данных вместо 32‑битной. Более высокая 64‑битная точность позволяет записывать данные по сигналам с большим разрешением. Например, при наложении амплитуд с разным значением напряжения 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 в следующем:
- Ко всем компонентам на схеме подключены свои PSpice-модели.
- 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 (этот 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. Эти 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, графиков Боде и т. д.
Запуск моделирования осуществляется с помощью кнопки на 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 соответствующие им осциллограммы мгновенно отобразятся в PSpice A/D. В противном случае вам следует самостоятельно добавить их на экран при помощи меню Trace→Add Trace в PSpice A/D или клавиши Insert (рис. 5). При добавлении трасс на график вы можете 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 списке. В строке Trace Expression появится расчетное выражение, которое также можно редактировать вручную.
У вас есть возможность отобразить несколько графиков в одном окне Probe. Для этого перейдите в меню Plot→Add Plot to Window (рис. 6). 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 левой кнопки мыши. 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. Вы можете создать новое окно с графиком через меню Window→New Window.
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 значения тока и напряжения. Вы можете 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 выбирают в тот момент, когда на график помещается новая кривая.
Если вы нажмете по любой оси Y, то откроется окно ее настроек. 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:
- Откройте требуемый график.
- Каждая трасса на графике снабжена подписью (легендой), расположенной строго под осью X. При помощи левой кнопки мыши выберите нужную подпись. Чтобы выбрать несколько, зажмите клавишу Shift.
- Скопируйте подпись в буфер обмена при помощи Ctrl+C.
- Откройте текстовый редактор и вставьте данные из буфера обмена. На экране появятся значения для каждой точки трассы.
Для копирования графиков выполните следующее:
- В PSpice A/D выберите меню Window→Copy to Clipboard.
- В появившемся окне Color Filter поставьте опцию Make window and plot transparent («Сделать окно и график прозрачными»).
- Выберите цветовую схему для графика и сетки в секции Foreground.
- Скопируйте 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 разным цветом. Поменять текущую цветовую схему можно через специальный файл SpiceSyntax.INI. Он располагается в <директория_установки>\tools\pspice.
Напряжение в цепях, ток 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 статье был дан краткий обзор основных этапов подготовки проекта к моделированию в OrCAD Capture и получения результатов в PSpice A/D.
- OrCAD Capture User Guide. Product Version 16.6. Oct. 2012.
- PSpice User Guide. Product Version 16.6. Oct. 2012.