Электроника учебное пособие

Характеристики при вариации температуры рассчитывают по ди-

рективе

.TEMP <список температур>

Здесь указывается список значений температуры по шкале Цельсия, для которых следует выполнить все указанные в задании директивы анализа характеристик. Если указано несколько значений температуры, то все заданные виды анализа проводятся для каждой температуры.

Если директива .TEMP не приведена, то по умолчанию все расчеты выполняются для номинальной температуры 27oC .

Директивы управления отображением результатов

Результаты расчетов в виде таблиц выводятся в выходной файл-

отчет по директиве

.PRINT [DC] [AC] [TRAN] <список выходных переменных>

В одной директиве .PRINT можно выбрать только один вид анализа и привести список не более восьми выходных переменных. Одновременно в задании на моделирование можно поместить несколько таких директив. В формируемых таблицах каждая колонка соответствует одной переменной. В первой колонке всегда помещается независимая переменная: постоянное напряжение или ток для DC-анализа, частота для АС-анализа или время для TRAN-анализа.

Подключение графического постпроцессора Probe и визуализация ре- зультатов в виде графических зависимостей осуществляется по директиве

.PROBE [<список выходных переменных>]

Если список выходных переменных не указан, то в файл графических результатов заносятся потенциалы всех узлов схемы и токи всех компонентов, разрешенных для помещения в список выходных переменных. Следует обратить внимание на то, что файл графических результатов при этом может иметь большие размеры и не поместиться в ОЗУ. Указание конкретного списка выходных параметров позволяет сократить размер этого файла, а самое главное упрощает поиск и обработку требуемых характеристик.

171

Имена выходных переменных для различных видов анализа несколько отличаются. Рассмотрим способы формирования имен выходных переменных.

При расчете режима по постоянному току (DC) и переходных процессов (TRAN) используются выходные переменные, представленные в табл. 14.3.

Таблица 14.3

Выходные переменные для режимов DC и TRAN

Вспецификации переменных V(<имя>) и I(<имя>) параметр <имя> указывает один из двухполюсных компонентов, имена которых начинаются со следующих букв: С – конденсатор, D – диод, E – ИНУН, F – ИТУТ, G – ИТУН, H – ИНУТ, I – независимый источник тока, L – индуктивность, R – резистор, V – независимый источник напряжения.

Вспецификациях переменных Vx(<имя>), Vxy(<имя>) и Ix(<имя>) параметр <имя> указывает имя трехполюсного или четырехполюсного компонента, а x и y – аббревиатуры их выводов (табл. 14.4).

172

Таблица 14.4

Имена выводов трех- и четырехполюсных компонентов

Например, напряжение коллектор-база транзистора Q1 обозначается как VCB(Q1), а ток стока полевого транзистора J2 – ID(J2). При расчете частотных характеристик к именам переменных, перечисленным выше, добавляются специальные суффиксы (табл. 14.5).

Таблица 14.5

Суффиксы имен переменных для режима АC

В отличие от режимов DC и TRAN в режиме АС возможен вывод токов не всех компонентов, а только следующих: С – конденсатор, I – независимый источник тока, L – индуктивность, R – резистор, V – независимый источник напряжения.

173

§ 14.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ DESIGNLAB

Система DesignLab состоит из набора взаимодействующих прикладных программ, каждая из которых отвечает за решение определенных задач в рамках общего маршрута проектирования электронных устройств. В состав системы входят следующие основные модули:

Schematics – графический редактор принципиальных схем. Данный модуль позволяет создавать чертежи принципиальных электрических схем, по которым автоматически формируются описания устройств, и определять основные режимы их моделирования. Принципиальная схема создается путем размещения в рабочей области символов соответствующих компонентов и соединения их проводящими путями. В свойствах используемого символа можно определить основные параметры компонента, задать имя используемой модели.

PSpice – модуль моделирования электронной схемы по ее описанию в соответствии с выбранными видами анализа.

StmEd – редактор входных сигналов как аналоговых, так и цифровых. Probe – графический постпроцессор, обеспечивающий представление

результатов моделирования в графическом виде.

Parts – модуль формирования описаний математических моделей диодов, биполярных, полевых и МОП-транзисторов, операционных усилителей, компараторов и стабилизаторов напряжения по их паспортным данным.

Работа с системой DesignLab обычно начинается с запуска менеджера проектов (Design Manager), который функционирует в фоновом режиме. Менеджер проектов управляет вызовом отдельных модулей системы и обменом промежуточными данными между ними.

Каждому проекту назначается определенное рабочее пространство (Workspace), в котором размещаются все относящиеся к нему файлы. Данные файлы располагаются либо в алфавитном порядке, либо сгруппированы по категориям.

Описание схемы может быть сформировано либо в схемном редакторе (Schematics), либо во встроенном текстовом редакторе (TextEdit). Для

174

этого необходимо вызвать через меню Tools соответствующие программные модули (рис. 14.4).

Рис. 14.4. Окно менеджера проектов

Сформированное в редакторе TextEdit описание схемы сохраняют в виде текстового файла с расширением « .cir ». Для моделирования схемы необходимо загрузить программу PSpice и открыть в ней через пункт меню File/Open… созданный файл с описанием.

Врезультате моделирования формируется выходной файл-отчет, обладающий тем же именем, что и файл-описание, но расширением « .out », а также в случае присутствия в описании директивы .PROBE создается файл

сграфическими результатами, который обладает именем файла описания и расширением « .dat» (рис. 14.5).

Ввыходном файле-отчете содержатся результаты моделирования, представленные в виде табличных значений выходных переменных, которые были заданы в исходном описании директивой .PRINT. В случае присутствия в описании ошибок файл-отчет будет содержать соответствующие сообщения.

Для отображения результатов в виде графиков необходимо загрузить программу Probe. В ней через пункт меню File/Open… открыть соответствующий dat-файл.

175

Рис. 14.5. Окно программы PSpice

При моделировании схемы в нескольких режимах предлагается выбрать один из них. Для построения графиков необходимо выбрать команду Trace/Add или использовать пиктограмму , в результате открывается окно выбора переменных (рис. 14.6).

Рис. 14.6. Окно выбора переменных для отображения

176

Типы переменных, перечень которых приведен в окне, определяются положением выключателей:

Analog – аналоговые переменные; Digital – цифровые переменные; Voltages – напряжения;

Currents – токи;

Noise (V2/Hz) – спектральная плотность напряжения выходного шу-

ма;

Alias Names – псевдонимы;

Subcircuits Nodes – внутренние узлы макромоделей (только напряже-

ния).

Переменные для отображения помечают курсором, и их имена переносятся в командную строку Trace Expression. В данной строке можно указать имя одной или нескольких переменных, а также использовать их в математических выражениях. Графики строятся после нажатия кнопки ОК.

На экран выводится координатная сетка графика, по горизонтальной оси которого откладывается независимая переменная, соответствующая выбранному режиму, например Frequency (частота) для АС-анализа

(рис. 14.7).

На экране может располагаться несколько окон, в каждом из которых строится несколько графиков. Для добавления нового окна используется пункт меню Plot/Add Plot.

Для отображения в одной системе координат результатов моделирования различных описаний используют команду File/Append. При этом в диалоговом окне необходимо выбрать dat-файлы, полученные для соответствующих описаний.

По умолчанию по оси Х откладывается независимая переменная. Изменение ее имени производится в меню Plot по команде X Axis Settings с помощью опции Axis Variable. Имя переменной вводится по приглашению программы по тем же правилам, что и в режиме Trace/Add. Рассмотренная команда очень полезна, когда возникает необходимость построить зависимость любой переменной, откладываемой по оси Y, от любой переменной, откладываемой по оси X.

177

По команде Tools/Copy to Clipboard содержание текущего окна копируется в буфер обмена для передачи в другие приложения Windows. При этом сохраняется палитра цветов экрана программы Probe.

Рис. 14.7. Окно отображения результатов моделирования

Непосредственный вывод графиков на принтер или плоттер выполняется с помощью команд пункта меню File. По команде Printer Setup выбирается тип принтера и ориентация листа бумаги. По команде Page Setup выбираются размеры полей, шрифт надписей на графиках и другие параметры. После этого выполняется печать графиков по команде Print или осуществляется предварительный просмотр сформированного изображения по команде Print Preview.

178

Контрольные вопросы

1.Какие задачи решаются в ходе проектирования электронных уст-

ройств?

2.Определите достоинства и недостатки натурного макетирования и математического моделирования.

3.Как формируется задание на моделирование схем на входном языке программы PSpice?

4.В чем заключается отличие описания пассивных и активных электронных компонентов?

5.Как описываются независимые источники тока и напряжения?

6.Какие виды анализа поддерживает программа PSpice? Как описываются соответствующие директивы на моделирование?

7.Какие директивы используются для отображения результатов моделирования?

8.Как задаются выходные переменные, контролируемые в результате моделирования?

9.Поясните порядок моделирования электронных устройств в сис-

теме DesignLab.

10.Каково назначение и возможности подсистемы Probe?

179

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В предлагаемом учебном пособии рассмотрены основные разделы, предусмотренные программой дисциплины «Электроника», читаемой студентам, обучающимся по направлению 230100 – «Информатика и вычислительная техника» (бакалавриат, магистратура) и специальности 230101 – «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети». Учебный материал знакомит читателя с тремя основными разделами дисциплины: 1) принципы изготовления и функционирования полупроводниковых и оптоэлектронных элементов электронных схем; 2) принципы построения типовых электронных схем и их основные характеристики; 3) вопросы автоматизированного проектирования электронных схем.

Книга дает представление о принципах построения и функционирования схем аналоговой и цифровой электроники, таких как усилители электрических сигналов, фильтры, решающие схемы на операционных усилителях, компараторы, схемы коммутации и электронные ключи, источники вторичного питания и генераторы электрических сигналов, базовые логические элементы, реализованные различными схемотехническими способами.

«Электроника» – первая дисциплина аппаратного направления при подготовке студентов направления 230100 и специальности 230101. Основные знания, полученные в рамках данного курса, будут необходимы для изучения последующих дисциплин: «Схемотехника ЭВМ», «Организация ЭВМ и систем», «Микропроцессорные системы высокой производительности» и «Компьютерные сети».

В курсе «Электроника» студенты знакомятся с принципами реализации простейших функциональных блоков вычислительных машин и систем (ВМС) – логических вентилей на уровне полупроводниковых структур: диодов, транзисторов и т.д. В рамках дисциплины «Схемотехника ЭВМ» студенты получат ответы на вопрос, как, используя логические вентили, можно формировать более сложные функциональные блоки ВМС: регистры, мультиплексоры, дешифраторы и т.д. В последующих дисциплинах рассматриваются вопросы структурной организации ВМС на основе использования законченных функциональных блоков, а также принципы по-

180