Журнал Радио 5 номер 2000 год. МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА

Журнал Радио 5 номер 2000 год. МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА PSPICE-МОДЕЛИ ДЛЯ ПРОГРАММ МОДЕЛИРОВАНИЯ О. ПЕТРАКОВ, г. Москва   В "Радио" ╧ 5-8, 10, 11 за 1999 г. была опубликована статья И. Григорьева "Компьютер в домашней радиолаборатории", в которой описана система MicroCap, позволяющая моделировать на компьютере работу электронных устройств. Эта и другие подобные системы ориентированы на зарубежную элементную базу, поэтому моделирование приходится проводить либо с использованием импортных аналогов, либо искать или разрабатывать самостоятельно модели отечественных компонентов.


Как раз задаче создания математических моделей электронных компонентов для подобных систем и посвящена эта статья.

Компьютеры стремительно дешевеют, скорость их вычислений растет. Появились прекрасные программы, позволяющие радиолюбителям имитировать и наблюдать на экране монитора процессы в реальных устройствах, непосредственная работа с которыми потребовала бы очень дорогих измерительных приборов. Особенно это важно для начинающих, у которых, как правило, есть лишь мультиметр и, реже, простейший осциллограф.

Наибольшей популярностью у радиолюбителей пользуются программы MicroCap 5, Electronic Workbench, PSpice (PSpice входит в состав пакетов Design Center, DesignLab. OrCad-9). Их всегда можно найти на лазерных дисках, предлагаемых радиорынками. Вот чего мало на этих дисках, так это моделей отечественных и импортных радиоэлектронных компонентов для подобных программ. А это немалое богатство, особенно если модели подготовлены профессионалами и проверены.

Исторически первой появилась программа PSpice - разработка корпорации MicroSim начала 70-х годов. С тех пор она интенсивно развивалась и, в силу простоты входного языка и надежности использованных алгоритмов, стала своего рода стандартом для подобных систем. Поэтому остальные программы используют входной язык PSpice. PSpice-моде-ли компонентов или содержат в своем составе ядро этой программы. По существу, многие из них являются удобными оболочками, позволяющими писать задание на естественном для радиолюбителей языке - языке электрических схем. Это очень удобно, так как "родной" входной язык программы PSpice - текстовый файл в ASCII кодах, требующий большого объема ручной работы, что весьма трудоемко и часто сопровождается ошибками.

Однако есть область, где входной язык PSpice незаменим. Хорошие быстродействующие модели компонентов для этих программ пишут на PSpice-язы-ке. В развитых странах фирмы-производители интегральных микросхем обязательно разрабатывают и публикуют PSpice-модели своих приборов, иначе их не станут использовать. В России таких традиций пока нет. Поэтому существующие библиотеки PSpice-моделей наверняка не удовлетворят радиолюбителей, и возможным направлением радиолюбительского творчества может стать создание собственных моделей компонентов. Покажем на простых примерах, что это весьма просто.

Для того чтобы дальше все было понятно, разберемся с терминологией PSpice.

Схема электрическая - условное графическое изображение электронных компонентов и электрических связей между ними на каком-либо подобии бумажного носителя.

Узел - электрически общая точка соединения выводов компонентов схемы.

Компонент - схемная единица, используемая при описании электронных схем. как правило, соответствующая реально производимому промышленностью прибору. Компонент состоит из его названия, графического изображения и модели, дополненной параметрами.

Модель - математическое описание компонента, описывающее его работу с точностью, приемлемой для практических целей.

Модель встроенная - модель, описание которой определено в теле программы PSpice.

Макромодель - состоит из набора топологически связанных компонентов со встроенными моделями. Внутри макромодели можно использовать другие макромодели.

Макромодель стандартная - макромодель, для которой предусмотрена штатная программа, способная по паспортным параметрам автоматически генерировать макромодель компонента. Так, например, операционные усилители и компараторы в PSpice имеют стандартные макромодели.

Определить модель - задать параметры, соответствующие конкретному компоненту.

Параметры - числовые константы, которые подстраивают идеальную модель под свойства реального прибора.

Прототип - уже существующая модель, которую используют как источник параметров для вновь создаваемого компонента. Прототипами удобно пользоваться при создании родственной группы компонентов с различием лишь отдельных параметров.

Идеальный компонент - компонент, который использует модель с параметрами по умолчанию.

Библиотека - один или несколько файлов, в которых записаны модели и макромодели компонентов.

Задание на моделирование - текстовый файл в ASCII кодах, содержащий команды на входном языке программы PSpice.

Ясно, что для того, чтобы создать компонент на основе встроенной модели или стандартной макромодели, нужно определить их параметры. Для этого существуют специальные программы, которые по паспортным параметрам на конкретный компонент позволяют сгенерировать его модель. Работа - весьма рутинная, требующая подробных справочных данных на компоненты. В публикуемых справочниках по радиоэлементам, как правило, полной информации нет. Тогда приходится проводить какие-то самостоятельные измерения или консультироваться у фирм-изготовителей радиоэлементов. Этот процесс подробно описан в [1-3]. К сожалению, в DEMO-версиях подобные программы работают с ограничениями, позволяя создавать только модели диодов.

Но выход есть. В прилагаемых к дистрибутиву библиотеках таких моделей -огромное количество, и не составляет большого труда подобрать аналог для отечественных элементов, назначив ему новое имя и отредактировав соответствующим образом. Работать с библиотеками, редактировать и копировать модели можно с помощью любого текстового редактора.

Кроме этого, для радиолюбителей, владеющих языками программирования, например BASIC, не составит больших проблем написать собственную программу расчета параметров PSpice моделей по паспортным параметрам. Связи между паспортными характеристиками и параметрами модели можно найти в [1 -3]. Автор планирует создать такую утилиту, адаптированную под отечественные справочники. Вполне обоснованно можно поставить задачу о написании программ-генераторов таких PSpice-макромоделей, создание которых не предусмотрено в штатных программах.

Другой интересной задачей для радиолюбителей было бы создание автоматизированной измерительной приставки к компьютеру, которая генерировала бы параметры PSpice-моделей или макромоделей по контрольным образцам, да еще с возможностью статистической обработки. Опыт создания измерительных приставок, стыкующихся с ПК, у радиолюбителей есть.

Резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, диоды, транзисторы, магнитопроводы, линии связи, источники напряжения и тока, базовый набор цифровых элементов и некоторые идеализированные элементы имеют встроенные модели.

Но что делать, если готовой модели какого-либо компонента нет. Тогда надо уметь разрабатывать свои собственные макромодели. И здесь возможности PSpice воистину безграничны. Первокирпичиками макромоделей являются встроенные модели. В силу ограниченности журнальной статьи расскажем только о тех. которые будут использованы в примерах.

Для начала - немного об особенностях программ на языке PSpice.

•Первая строка программы является комментарием.
•Символы "*" (звездочка) и";" (точка с запятой) обозначают строки с комментариями или комментарии в строках программы.
•Символ (плюс) -перенос строки, используется при длинных операторах.
•Символ "." (точка) -начало строки-директивы, управляющей процессом моделирования.
• Остальные строки относятся к описанию топологии и компонентов.

Комментарии играют вспомогательную роль. Директивы управляют ходом вычислительного процесса, обращением к моделям и макромоделям и выведением результатов моделирования. Строки описания топологии формально определяют электрическую схему устройства, указывая на узлы подключения выводов компонентов и их модели

PSPICE-МОДЕЛИ И ГРАФИЧЕСКИЕ ОБОЛОЧКИ

Для того чтобы использовать созданную Pspice-модель в программах, имеющих развитую графическую оболочку, например, MicroCap 5 или DesignLab, необходимо, пользуясь сервисными возможностями этих пакетов, включить ее в состав имеющихся PSpice-библиотек и создать соответствующий графический символ, желательно по ГОСТ. Дальнейшая работа с новым компонентом ничем не будет отличаться от уже имеющихся.

СОЗДАНИЕ АНАЛОГОВЫХ КОМПОНЕНТОВ, ИМЕЮЩИХ ВСТРОЕННУЮ МОДЕЛЬ

Параметры аналоговых компонентов со встроенной моделью указывают двумя способами: непосредственно о предложении, описывающем расположение компонента в схеме; с помощью директивы .MODEL, описывающей встроенные модели компонентов.

Общая форма описания модели:

.MODEL 1АКО:] ([= []1 [Т_МЕА-SURED=] [[Т_АВ8=] или [T_REL_GLOBAC=] или [T_REL_LOCL=]])
где: - название конкретного прибора, например: RM. KD503. КТ315А;
[АКО:] - определение модели с использованием существующего прототипа (ото позволяет сократить размер библиотеки). В описании следует указать только отличающиеся параметры;
- стандартное название встроенной идеальной модели (табл. 1);
[= []] - в круглых скобках указывают список значений параметров модели компонента. Если этот список отсутствует или неполный, недостающие значения параметров модели назначаются по умолчанию. Каждый параметр может принимать случайные значения относительно своего номинального значения, но это используют только при статистическом анализе.

Параметры многих моделей зависят от температуры. Существуют два способа задания температуры пассивных компонентов и полупроводниковых приборов. Во-первых, в директиве .MODEL задают температуру, при которой измерены входящие в нее параметры Т_МЕАSURED=. Это значение заменяет температуру TNOM, устанавливаемую директивой .OPTIONS (по умолчанию 27 °С). Во-вторых, можно установить физическую температуру каждого устройства, заменяя глобальную температуру, устанавливаемую директивами .TEMP, .STEP TEMP или .DC TEMP. Это можно сделать одним из следующих трех параметров: Т ABS - абсолютная температура (по умолчанию 27°С); T_REL_GLOBAL -разность между абсолютной и глобальной температурами (по умолчанию - 0), так что Т_ABS = глобальная температура + T_REL_GLOBAL, T_REL_LOCL - относительная температура, абсолютная температура исследуемого устройства равна абсолютной температуре прототипа плюс значение параметра T_REL_LOCL

Все параметры моделей указывают в единицах СИ. Для сокращения записи используют специальные приставки (табл. 2). Допускается дописывать к ним буквенные символы для улучшения наглядности обозначений, например, З.ЗкОм. 100pF. 10uF. 144MEG. WmV.

Форма описания включения компонента в схеме:

перечисление узлов> []
Описанием компонента считается любая строка, не начинающаяся с символа «.»(точка).
Имя компонента состоит из стандартного первого символа (табл. 3), определяющего тип компонента, и произвольного продолжения длиной не более 130 символов.
Номера узлов подключения компонента в схеме перечисляют в определенном порядке, установленном для каждого компонента. Имя модели - имя модели компонента, тип которого определен первым символом.

Далее могут быть указаны параметры модели компонента.

РЕЗИСТОР

Форма описания включения резистора в схеме:
R []
Форма описания модели:
.MODEL RES ()
Список параметров модели резистора приведен в табл. 4.
Примеры: RL30 56 1.3К; резистор RL сопротивлением 1.3 кОм, подключенный к узлам 30 и 56.
R2 12 25 2.4К ТС=0.005, -0.0003; резистор R2 сопротивлением 2.4 кОм, подключенный к узлам 12 и 25 и имеющий температурные коэффициенты ТС1 = 0.005 °С-1 ТС2 = -0.0003 °С-2. R3 3 13RM 12К
.MODEL RM.RES (R = 1.2 DEV = 10% TC1 = 0.015 TC2 = -0.003): резистор R3 сопротивлением 12 кОм, включенный между узлами 3 и 13. с моделью RM, учитывающей технологический разброс номинала и имеющей температурные коэффициенты ТС1 = 0,015 °С-1 ТС2 = 0.003 °С-2 ; R — коэффициент пропорциональности между значением сопротивления, используемым при моделировании, и указанным номинальным.

Аналогично выглядят модели конденсатора и катушки индуктивности.

КОНДЕНСАТОР

Форма описания включения конденсатора в схеме:
С () Оначение емкости>
Форма описания модели:
.MODEL САР ()
Список параметров модели конденсатора приведен в табл. 5.
Примеры: С1 1 4 10и; конденсатор С1 емкостью 10 мкФ включен между узлами 1 и 4.
С24 30 56 100pp. конденсатор С24 емкостью 100 пФ включен между узлами 30 и 56.

КАТУШКА ИНДУКТИВНОСТИ

Форма описания включения катушки в схеме:
L (] Оначение индуктивности>
Форма описания модели:
.MODEL IND ()
Список параметров модели катушки индуктивности приведен в табл. 6.
Пример: L2 30 56 100u; катушка L2 индуктивностью 100 мкГн включена между узлами 30 и 56.

ЛИТЕРАТУРА
1. Разевиг В. Д. Система сквозного проектирования DesignLab 8.0. - М.: Солон. 1999.
2. Разевиг В. Д. Система схемотехнического моделирования MicroCap 5. - М.: Солон. 1997.
3 Архангельский А. Я. PSpice и Design Center. Ч. 1 Схемотехническое моделирование. Модели элементов. Макромоделирование. - М.: МИФИ. 1996.

Вернуться к содержанию журнала "Радио" 5 номер 2000 год







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.