Моделирование электронных схем в OrCAD EE Designer. Руководство для начинающих

А.Сергеев

Моделирование электронной схемы – важнейший этап проектирования изделий, позволяющий значительно сократить этапы настройки и отладки, а также выявить и локализовать возможные схемотехнические ошибки. Программный пакет OrCAD EE Designer, включающий в себя приложения для создания электрических схем и сигналов, позволяет моделировать схемы различной сложности, выводя результаты в удобном для анализа графическом виде.

Программный пакет OrCAD EE Designer состоит из двух основных модулей – схемотехнического редактора OrCAD Capture и редактора аналоговых и цифровых сигналов PSpice A/D. В состав PSpice A/D входят несколько дополнительных приложений (их можно найти в меню программ Cadence → Release 16.6 → PSpice Accessories):

• 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 (трансформаторов и дросселей).

Рис.1. Основные этапы создания и моделирования проекта в OrCAD EE Designer

Процесс моделирования схемы можно условно поделить на несколько этапов (рис.1), каждый из которых в свою очередь подразделяется на несколько промежуточных.
 

Начало работы с проектом

Перед началом работы необходимо удостовериться в том, что имеются все необходимые для схемы компоненты. Если какие-либо библиотеки отсутствуют, их можно создать в приложениях OrCAD Capture и Model Editor. Рекомендуется загружать библиотеки компонентов, которые находятся на сайтах разработчиков компонентов, либо искать их на сайте .

Рис.2. Создание нового проекта на стартовой странице в OrCAD Capture

Каждая библиотека состоит из двух файлов – символов компонентов .OLB и их PSpice-модели .LIB. После подготовки библиотек в OrCAD Capture создается новый проект. Сделать это можно на стартовой странице (появляющейся только при подключенном Интернете) либо с помощью команды меню File → New → Project (рис.2). При этом запускается мастер создания нового проекта. Моделирование поддерживают проекты типов Analog or Mixed A/D и PC Board Wizard. Выбрав Analog or Mixed A/D, указываем имя проекта в поле Name и путь к нему в поле Location. После этого появляется окно, где нужно выбрать пункт меню Create based upon an existing project (создать проект на основе имеющихся шаблонов). В выпадающем списке выбираем один из 42 готовых для моделирования проектов, которые находятся в подкаталоге \tools\capture\templates\pspice каталога с установленной программой. Сюда можно добавить свой собственный проект, и при создании нового проекта его также можно будет выбрать в этом списке.

По именам файлов проектов можно судить об их особенностях. Например, simple.opj или empty.opj – это простые проекты с одним схемным листом и подключенными базовыми библиотеками компонентов c PSpice-моделями. Шаблоны, начинающиеся со слова hierarchical, – это иерархические проекты с двумя подсхемами по одному листу 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 библиотеками двух форматов – .OLB для OrCAD Capture и .LIB – для PSpice A/D. В подкаталоге \tools\capture\library находятся библиотеки .OLB, наиболее подходящие для проектирования печатных плат (без PSpice-моделей), а в подкаталоге \tools\capture\library\pspice – библиотеки .OLB (с PSpice-моделями .LIB). Последние можно применять и для моделирования схемы, и для проектирования печатных плат. Основные библиотеки, которые применяются чаще всего, – это analog.olb (базовые пассивные компоненты) и source.olb (источники питания и сигналов).

Если созданный проект изначально имел тип Analog or Mixed A/D, то при размещении компонентов к поиску будут подключены библиотеки из каталога PSpice. В моделировании участвуют только те компоненты, к которым подключены соответствующие PSpice-модели. По умолчанию все библиотеки PSpice-моделей располагаются в подкаталоге \tools\pspice\library.
 

Размещение и соединение компонентов

Для размещения компонентов в OrCAD Capture служит команда Place → Part. Начиная с версии 16.6, в OrCAD Capture появилась возможность размещать на схеме наиболее часто используемые при моделировании компоненты через специальное меню Place → PSpice Component. Это избавляет разработчика от долгого поиска пассивных и дискретных компонентов через панель Place Part.

При создании схемы нужно иметь в виду, что положительным считается ток, протекающий от первого вывода резистора или конденсатора ко второму. Если ток течет в обратном направлении, то в отчете значение тока будет со знаком минус.

Порт заземления устанавливается по команде Place → Ground, используется символ 0 из библиотеки source.olb.

Eсть несколько способов соединения компонентов:

• командой меню Place → Wire – рисование сегментов цепи вручную (клавиша W или соответствующая кнопка на панели инструментов);
• командой меню Place → Auto Wire → Two Points – автоматическое соединение по двум выбранным точкам;
• командой меню Place → Auto Wire → Multiple Points – соединение по последовательно выбранным точкам. Само соединение выполняется командой Connect контекстного меню, которое появляется при нажатии на правую кнопку мыши;
• левой кнопкой мыши выбрать выводы, которые необходимо соединить и вызвать команду Connect контекстного меню.
   

Моделирование

После создания схемы нужно подготовить профиль моделирования. Он включает в себя:

• команды и параметры моделирования;
• подключаемые файлы – как правило, это дополнительные схемы, входящие в список для моделирования;
• библиотеки – стандартные и дополнительные, необходимые для моделирования;
• файлы источников сигналов – дополнительные описания входных воздействий, созданные в приложении Stimulus Editor;
• настройки виртуального осциллографа Probe – указываются параметры вывода на экран результатов моделирования в виде осциллограмм и графиков.

Рис.3. Создание профиля и запуск моделирования через панель инструментов в OrCAD Capture

Профиль моделирования создается командой меню PSpice → New Simulation Profile или соответствующей кнопкой на панели инструментов. Для редактирования текущего профиля применяется команда меню PSpice → Edit Simulation Profile (рис.3). Отметим, что одна и та же схема может иметь несколько профилей с разными видами анализа.

В окне Simulations Settings на вкладке General задаются имя профиля моделирования, каталоги для выходного файла (Output File) и файла данных (.DAT). Секция Notes предназначена для записи комментариев к профилю моделирования.

Вкладка Analysis позволяет выбрать один из четырех базовых 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.

Рис.4. Выбор вида анализа в настройках профиля моделирования

Базовые виды анализа могут быть дополнены одним или несколькими дополнительными видами, например, параметрическим, температурным или Монте-Карло (рис.4).

На вкладке Configuration Files в секции Category к профилю моделирования можно подключить файлы источников сигналов (Stimulus), библиотеки (Library) или дополнительные файлы (Include). Файл может быть подключен глобально (для всех проектов, помечается соответствующим значком), локально (для текущего проекта) и только для текущего профиля моделирования.

При первой установке программы автоматически глобально подключается библиотека Nom.lib – основная для PSpice A/D. Она представляет собой простой текстовый файл, содержащий список всех библиотек PSpice A/D. Программа руководствуется этим списком для подключения нужных библиотек при запуске моделирования.

На вкладке Options есть три категории настроек:

• Analog Simulations (аналоговое моделирование), где задаются основные параметры точности моделирования, влияющие на сходимость результатов (проблема конвергенции). Здесь также можно настроить автоконвергенцию (AutoConverge), количество вычислительных потоков (Number of Threads), зависящее от количества ядер в процессоре, и др.;
• Gate-level Simulation (цифровое моделирование), где устанавливается режим временных задержек в цифровых схемах, начальное состояние триггеров, уровень входа/выхода для аналого-цифровых интерфейсов и т.д.;
• Output File (выходной файл), где можно управлять записью в файл результатов расчетов при моделировании.

На вкладке Data Collection задается объем информации, которая записывается в специальный файл данных с расширением .DAT. Этот файл служит основным источником данных для отображения графиков в окне Probe. Чтобы снизить размер .DAT-файла и ускорить тем самым моделирование, объем информации можно ограничить. На этой вкладке также задается разрядность данных (Probe Data) – 32 или 64 бита. Более высокая разрядность позволяет записывать данные с большим разрешением. Это актуально, например, при наложении амплитуд с разным значением напряжений, когда может возникать эффект пилообразных искажений.

На вкладке Probe Window устанавливаются параметры отображения осциллограмм в окне Probe. Осциллограммы могут отображаться во время расчетов или после них (Display Probe window). В секции Show можно указать, какие графики выводить на экран: только для цепей, куда установлены маркеры, те, которые заданы в настройках графиков, или не выводить их совсем.

Перед моделированием необходимо убедиться в том, что ко всем компонентам на схеме подключены свои PSpice-модели, к схеме подключен порт заземления, все компоненты пронумерованы и отсутствуют разрывы цепей. Также можно (но необязательно) установить на схему контрольные щупы-маркеры для вывода осциллограмм сигналов в этих точках. Для различных вариантов анализа доступен базовый набор следующих маркеров:

• уровень напряжения;
• дифференциальное напряжение по двум точками схемы;
• ток на выводах элементов (недоступен для элементов в виде подсхем);
• рассеиваемая мощность на элементах.

Дополнительные маркеры, находящиеся в меню PSpice → Markers → Advanced, позволяют просмотреть реальную и мнимую части токов и напряжений, амплитуды, фазы и групповые задержки. Эти маркеры доступны для варианта анализа AC Sweep (по переменному току с вариацией параметров). Через меню PSpice → Markers → Plot Window Templates на схему устанавливаются специальные маркеры, дающие возможность отображать результаты предустановленных шаблонов расчетов, например, комплексной проводимости, комплексного сопротивления, коэффициента усиления по току, графики Боде и т.д.

Рис.5. Выбор данных для вывода на экран в окне Trace → Add Trace или Trace → Evaluate Measurement

Запуск моделирования осуществляется с помощью соответствующей кнопки на панели инструментов, команды меню PSpice → Run или клавиши F11. Если на схеме были установлены маркеры, то соответствующие им осциллограммы появляются в открывшемся окне. Если же маркеры не были установлены, нужно самостоятельно добавить их на экран при помощи команды меню Trace → Add Trace или клавиши Insert (рис.5). Для обработки данных с маркеров можно воспользоваться операторами, функциями, математическими выражениями, макросами и шаблонами графиков, выбрав функцию в правом списке и параметр – в левом. Расчетное выражение отображается в строке Trace Expression, при необходимости его можно редактировать вручную.

Рис.6. Вывод нескольких графиков в одном окне Probe

Есть возможность отобразить в одном окне Probe несколько графиков (команда меню Plot → Add Plot to Window, рис.6). Открывшийся пустой график можно заполнить различными данными. Графики выбираются левой кнопкой мыши, активный график отмечен знаком слева внизу у вертикальной оси. Чтобы перенести данные с одного графика на другой, необходимо скопировать или вырезать их подпись в буфер обмена (Ctrl+C или Ctrl+X) и вставить (Ctrl+V) в активный график. Командой меню Window → New Window создается новое окно Probe.

Для настройки фона рабочей области PSpice A/D и графиков с подписями используется вкладка Color Settings в меню Tools → Options.

Рис.7. Дополнительные оси Y на графике в Probe

Часто возникает необходимость показать на одном графике несколько трасс в разном масштабе, например, токи и напряжения. На одном графике может быть до трех осей Y (рис.7). Для вставки дополнительной оси применяются горячие клавиши Ctrl+Y или команда меню Plot → Add Y Axis. При этом новая ось Y станет активной. Единицы измерения и цена деления для новой оси устанавливаются при добавлении трассы на график.

При двойном нажатии левой кнопкой мыши на любую ось или по команде Plot → Axis Settings открывается окно настроек оси. На вкладке Y Axis можно установить:

• диапазон данных (Data Range) – автоматический или заданный пользователем;
• масштаб (Scale);
• номер оси, для которой вносятся изменения (Y Axis Number);
• положение оси (Axis Position) – справа или слева от графика;
• название оси (Axis Title).

Расчетные данные и графики, полученные в PSpice A/D, можно скопировать в любой текстовый или табличный редактор. Для этого нужно левой кнопкой мыши выбрать подпись (легенду) нужного графика под осью X (можно выбрать несколько подписей). Далее следует скопировать подпись в буфер обмена и вставить данные из буфера в текстовый редактор. В нем появятся значения для каждой точки графика.

Для копирования графиков необходимо выбрать в меню PSpice A/D команду Window → Copy to Clipboard, в появившемся окне Color Filter включить пункт Make window and plot transparent (сделать окно и график прозрачными), выбрать цветовую схему для графика и сетки (Foreground) и скопировать изображение в сторонний редактор.

Результаты любого типа анализа также выводятся в текстовый файл, который можно открыть в OrCAD Capture командой меню PSpice → View Output File и в PSpice A/D командой меню View → Output File либо соответствующей кнопкой на панели инструментов. Для удобства чтения выходного файла через PSpice A/D типы данных (числа, комментарии, выражения, операторы и ключевые слова) выделяются разными цветами. Изменить текущую цветовую схему можно, отредактировав файл SpiceSyntax.INI, находящийся в подкаталоге \tools\pspice.

Для отображения напряжений в цепях, токов на выводах компонентов и рассеиваемой на компонентах мощности на схеме в OrCAD Capture нужно выполнить команду меню PSpice → Bias Point → Enable или воспользоваться панелью инструментов.