- •Предисловие
- •Теоретические сведения
- •Задание
- •Методика выполнения лабораторной работы
- •Требования к отчету
- •Контрольные вопросы
- •Приложение
- •Задание
- •Методика выполнения лабораторной работы
- •Требования к отчету
- •Контрольные вопросы
- •Приложение
- •Лабораторная работа № 3. Исследование электрической схемы по постоянному сигналу
- •Теоретические сведения
- •Задание
- •Методика выполнения лабораторной работы
- •Требования к отчету
- •Контрольные вопросы
- •Приложение
- •Теоретические сведения
- •Задание
- •Методика выполнения лабораторной работы
- •Требования к отчету
- •Контрольные вопросы
- •Приложение
- •Теоретические сведения
- •Задание
- •Методика выполнения лабораторной работы
- •Требования к отчету
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 6. Логическое проектирование цифрового устройства
- •Теоретические сведения
- •Задание
- •Методика выполнения лабораторной работы
- •Требования к отчету
- •Приложение
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 7. Проектное моделирование в системе OrCAD
- •Теоретические сведения
- •Задание
- •Методика выполнения лабораторной работы
- •Требования к отчету
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 8. Функциональное моделирование схем
- •Теоретические сведения
- •Задание
- •Методика выполнения лабораторной работы
- •Требования к отчету
- •Контрольные вопросы
- •Литература
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
______________________________________________________________
А.А. Миндеева
Моделирование схем в системе OrCAD
Лабораторный практикум
Утверждено редакционно-издательским советом института
в качестве методических указаний
Москва 2006
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
УДК 621.382 (075.8)
Рецензент канд. техн. наук Ю.М. Кобзев
Миндеева А.А.
Моделирование схем в системе OrCAD: Лабораторный практикум. – М.: МИЭТ, 2006. – 112 с.: ил.
Лабораторный практикум разработан для практического обучения студентов навыкам схемотехнического моделирования в автоматизированной системе «OrCAD». В лабора-
торных работах в соответствии с возможностями этой системы рассматриваются схемы моделирования и методы определения основных параметров цифровых и аналоговых схем по полученным характеристикам.
Лабораторный практикум предназначен для более глубокого усвоения курса «Стан- дартные программы проектирования ИС» студентами III курса факультета ЭКТ и приоб- ретения практического опыта при схемотехническом проектировании схем для самостоя- тельной работы над курсовыми работами по курсам «Микросхемотехника», «Элементная база систем связи» и дипломным проектом.
© МИЭТ, 2006
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Лабораторный практикум
Миндеева Алла Алексеевна
Моделирование схем в системе OrCAD
Редактор Л.М. Рогачева. Технический редактор Л.Г. Лосякова. Корректор Л.Г. Лосякова. Верстка
Е.А. Каменская
Подписано в печать с оригинал-макета 20.10.06. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 6,5. Уч.-изд. л. 5,6. Тираж 150 экз. Заказ 191.
Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.
124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ.
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Предисловие
Бурные темпы развития интегральных схем ставят перед разработчиком задачи вы- полнения проектных работ в укороченные сроки. Однако при сокращении сроков проек- тирования сложность схем предъявляет повышенные требования к точности моделирова- ния характеристик, определяющих функциональные возможности схемы в диапазоне работоспособности. В связи с этим последнее время стали актуальны автоматизированные системы, позволяющие выполнить схемотехническое проектирование на РС.
Наиболее известной и часто используемой является автоматизированная система про- ектирования OrCAD.
В систему входят следующие программы:
∙Schematics – графический редактор принципиальных схем, который одновременно
является управляющей оболочкой для запуска основных модулей системы на всех стадиях работы с проектом; текстовый и графический редакторы для описания структурной и электрической схем;
∙StmEd – редактор входных сигналов (аналоговых и цифровых);
∙PSpice – программа схемотехнического моделирования;
∙Probe – программа графического отображения, обработки и документирования ре- зультатов моделирования;
∙библиотеки символов и макромоделей элементов.
Первая версия программы PSpice для IBM PC, созданная в 1984 г. корпорацией MicroSim, позволяла моделировать исключительно аналоговые устройства. Рассчитывались переходные процессы при действии различных входных сигналов, их спектры, режимы по постоянному току, частотные характеристики, спектральные плотности внутренних шу- мов и другие характеристики нелинейных и линеаризованных аналоговых устройств. В 1989 г. выпущена версия PSpice 4.0, позволяющая моделировать и смешанные аналого- цифровые устройства.
Уже в следующем, 1990 г., создана версия пятого поколения, обеспечивающая не только текстовый, но и графический ввод принципиальных схем в среде Windows, и одно- временно сменившая название – теперь программа PSpice входит в состав программной системы Design Center.
Следующее поколение системы Design Center 6.0 (январь 1994 г.) характеризуется очень интересной возможностью расчета паразитных эффектов, присущих реальной пе- чатной плате, и проведения моделирования с их учетом. В нее также включено средство проектирования программируемых логических матриц.
Очередная версия Design Center 6.1 (август 1994 г.) пополнилась модулем параметри- ческой оптимизации.
Впоследней версии 6.2 (апрель – декабрь 1995 г.) реализована возможность разработ- ки печатных плат, как в системах P-CAD.
Фирма OrCAD, основанная в 1985 г., в начале 1997 г. выпустила систему нового по- коления OrCAD 7.0 для Windows, в которой моделирование выполнялось с помощью про- граммы PSpice, а описание схемы – в графическом схемном редакторе OrCAD Сapture. В начале 1998 г. фирма OrCAD поглотила фирму MicroSim, и в ноябре была выпущена но- вая система OrCAD 9.0, объединившая одной интегрированной оболочкой все перечис- ленные модули. В марте 2000 г. фирма OrCAD, преобразованная в отделение Cadence PCB System Division фирмы Cadence Designe Systems, выпускает версию OrCAD 9.2, в которую включает второй редактор принципиальных схем Schematics.
Врезультате пользователи получили первую на IBM PC систему сквозного проекти- рования печатных плат. Разработчики интегральных схем использовали эту систему толь- ко на этапе схемотехнического моделирования.
Данный лабораторный практикум направлен на развитие у студентов практического опыта в схемотехническом проектировании. В нем раскрыты возможности системы про-
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
ектирования при моделировании как цифровых, так и аналоговых схем, представлены схемы моделирования для получения различных характеристик и изложены способы оп- ределения основных параметров, характеризующих работу схем.
Влабораторных работах №№ 1 – 3 описание схем выполняется в текстовом редакторе для лучшего усвоения правил входного языка программы PSpice.
Все последующие работы выполняются в графическом редакторе.
Вкаждой лабораторной работе по полученным характерным зависимостям определя- ются параметры схемы.
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Лабораторная работа № 1. Исследование характеристик пассивных элементов при постоянных и импульсных
воздействиях
Цель работы: приобретение практических навыков при моделировании статических и динамических характеристик схем, состоящих из пассивных элементов.
Продолжительность работы – 4 ч.
Теоретические сведения
К пассивным элементам схемы относятся резисторы, конденсаторы и индуктивности. Для исследования характеристик элементов будем пользоваться программой схемотехни-
ческого моделирования – PSpice (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis for PC).
С помощью программы PSpice моделируется схема неограниченных размеров, так как максимальный размер схемы определяется исключительно объемом памяти РС (примерно 1 Мб на каждые 100 транзисторов или 400 вентилей).
Для подготовки схемы к моделированию необходимо с помощью текстового или гра- фического редактора создать входной файл с расширением .Cir.
При работе с программой разнообразная информация о схеме и результатах модели- рования записывается в отдельные файлы с различными расширениями (табл.1).
Одной из возможностей программы PSpice является моделирование схем в режиме постоянного тока:
в «рабочей точке»; при изменении источников постоянного напряжения или тока, температуры и других
параметров; по проверке чувствительности характеристик схем к изменениям параметров компо-
нентов.
Таблица 1
Назначение файлов, создаваемых в результате работы программы PSpice
Расширение |
Назначение файла |
имени фай- |
|
ла |
|
.сir |
Текстовый входной файл задания на мо- |
|
делирование для программы |
.out |
Текстовый файл результатов моделиро- |
|
вания |
.dat |
Двоичный файл результатов моделирова- |
|
ния, передаваемых программе PROBE |
Анализ схемы по постоянному току для определения рабочей точки выполняется с за- короченными индуктивностями и разомкнутыми емкостями. Анализ по постоянному току
выполняется до анализа переходных процессов в схеме для определения начальных условий переходного процесса и до анализа по переменному току для малосигнальных моделей с тем, чтобы определить линеаризованные малосигнальные модели приборов.
Анализ по постоянному току может быть использован для определения характеристи- ки схемы по постоянному току: для этого описывается независимый источник напряжения или тока и задается шаг изменения входной переменной, при котором вычисляется значе-
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
ние выходной переменной. Также возможно в рамках анализа по постоянному току опре- делить чувствительность выходных переменных к изменениям параметров схемы.
Решения анализа схемы по постоянному току получаются как результат итерационно- го процесса, и хотя алгоритм, реализованный в программе, является надежным, в некото- рых случаях он не дает сходимости. Отсутствие сходимости в этом случае обычно являет- ся результатом ошибки при задании соединений в схеме, значений элементов или значений параметров моделей. При моделировании триггерных схем необходимо исполь-
зовать принудительную установку начального состояния схемы с помощью директивы
.NODESET.
Входной формат для программы PSpice является форматом свободного описания, т.е. нет жестких требований к последовательности записи входной информации. Всем элементам
иузлам электрической схемы присваиваются имена, которые содержат буквенно- цифровые символы. В качестве символа используются только латинские буквы от A до Z
ицифры от 0 до 9, а также знаки ($ _ * / %). Только первые восемь символов имени будут
Таблица 2
Буквенные обозначения масштабных коэффициентов
Обозначение |
Масштабный |
Обозначение |
Масштабный |
|
коэффициент |
|
коэффициент |
|
|
|
|
Т |
1Е12 |
MI |
25,4E-6 |
|
|
|
|
G |
1E9 |
U |
1E-6 |
|
|
|
|
MEG |
1E6 |
N |
1E-9 |
|
|
|
|
K |
1E3 |
P |
1E-12 |
|
|
|
|
M |
1E-3 |
F |
1E-15 |
|
|
|
|
использованы программой при трансляции данных. В качестве разделителей для обо- значений применяются пробелы, число которых может быть произвольным. Для продол- жения записи данных на другой строке необходимо записать знак плюс (+) в первой пози- ции следующей строки. Чтение строки продолжения в этом случае будет выполняться со второй позиции. В начале строки комментариев во входном файле ставится символ *.
При описании могут использоваться числа:
целые (155);
с плавающей точкой (3.345);
отрицательные (–155; –3.345);
целые или с плавающей точкой с масштабным коэффициентом, соответствующим степени числа (1Е-15; 2.314Е3);
целые или с плавающей точкой с буквенным масштабным обозначением (1F; 2.314K), приведенным в табл.2.
Символы, следующие сразу за числом и не являющиеся масштабным обозначением, игнорируются. Следовательно, символы 5 и 5V являются одним и тем же числом.
Задание
Лабораторная работа выполняется по подгруппам (табл.3).
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 3 |
|
|
|
|
Варианты заданий для подгрупп |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Номер под- |
Схема на |
|
|
Схема на |
|
|
|
|
Схема на |
Схема на |
||||||
группы |
рис.1 |
|
|
|
рис.2 |
|
|
|
|
рис.3 |
рис.4 |
|
||||
|
R1, |
V1, |
V1, |
R1, |
R2, |
|
|
|
Rн, |
|
R1, |
С1, |
R1, |
С1, |
|
|
|
кОм |
B |
B |
кОм |
кОм |
|
|
кОм |
|
кОм |
пФ |
кОм |
пФ |
|
||
1 |
10 |
0÷7 |
2 |
2 |
2 |
|
Нет |
1 |
|
2 |
4 |
1 |
10 |
5 |
5 |
|
2 |
7 |
0÷7 |
3 |
3 |
3 |
|
То же |
1 |
|
3 |
6 |
1,5 |
10 |
5 |
6 |
|
3 |
3,5 |
0÷7 |
4 |
4 |
4 |
|
-"- |
1 |
|
4 |
8 |
2 |
10 |
5 |
7 |
|
4 |
2 |
0÷7 |
5 |
5 |
5 |
|
-"- |
1 |
|
5 |
10 |
2,5 |
10 |
5 |
8 |
|
5 |
1 |
0÷7 |
6 |
6 |
6 |
|
-"- |
1 |
|
6 |
12 |
3 |
10 |
5 |
9 |
|
6 |
10 |
0÷5 |
7 |
7 |
7 |
|
-"- |
1 |
|
7 |
14 |
3,5 |
10 |
5 |
10 |
|
7 |
5 |
0÷5 |
8 |
8 |
8 |
|
-"- |
1 |
|
8 |
16 |
4 |
10 |
5 |
11 |
|
8 |
2,5 |
0÷5 |
9 |
9 |
9 |
|
-"- |
1 |
|
9 |
18 |
4,5 |
10 |
5 |
12 |
|
9 |
2 |
0÷5 |
10 |
10 |
10 |
|
-"- |
1 |
10 |
20 |
5 |
5 |
4 |
5 |
|
|
10 |
1 |
0÷5 |
2 |
1 |
1 |
|
-"- |
1 |
|
1,2 |
2,4 |
5,5 |
5 |
4 |
6 |
|
11 |
10 |
0÷4 |
3 |
1,5 |
1,5 |
|
-"- |
1 |
|
1,5 |
3 |
6 |
5 |
4 |
7 |
|
12 |
8 |
0÷4 |
4 |
2 |
2 |
|
-"- |
1 |
|
2 |
4 |
6,5 |
5 |
4 |
8 |
|
1. Проверить закон Ома для R1 в схеме на рис.1. Для этого необходимо описать схе- му, задать режим анализа по постоянному току и рассчитать зависимость IR1 от V1, задав изменение напряжения в некотором диапазоне.
V1 R1
Рис.1. Схема моделирования для получения вольт-амперной характеристики
резистора
2. Описать схему резистивного делителя (рис.2) и рассчитать влияние нагрузочного сопротивления Rн на выходное напряжение VOUT.
R1
V1 |
VOUT |
|
|
R2 |
Rн |
Рис.2. Схема моделирования для получения зависимости выходного напряжения рези-
стивного делителя от нагрузочного сопротивления
3. Описать схему RC-интегратора (рис.3) и при воздействии входного прямоугольного импульсного сигнала получить переходную характеристику. Импульсный источник имеет следующие параметры: V1 = 0 B, V2 = 5 B, TD = .1 мкс, TR = 10 нс, TF = 10 нс, TW = .1 мкс, TPER = .3 мкс.
C1
VOUT
V1 R1
Рис.3. Схема моделирования переходной характеристики пассивного интегратора
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com