Приложение J. SPICE Primer. Работа со свободной демо-версией ICAP/4



==1146

Свободная версия SPICE проста и интересна. Она доступна для нескольких программных платформ ( Mac, Linux, PC ). Здесь рассматривается версия под Windows.

J.1 Установка ICAP SPICE

1. Скачайте zip-архив «ICAP/4Windows Demo» (ICAP4Demo.zip) с сайта intusoft.com.
2. Распакуйте содержимое в отдельную папку.
3. Запустите setup.exe.
4. Запустите ICAP/4:

   ( «Programs → ICAP_4 Demo → Start ICAPS» ) ( требуются права администратора )

J.2 Ввод схемы

• Добавьте с помощью горячих клавиш стандартные компоненты ( регистр не учитывается ):

  «R» - резистор, «C» - конденсатор, «L» - индуктивность, «O» ( буква ) - земля, «V» - источник напряжения, «Y» - тестовая точка.

• Для библиотечных компонентов есть поиск ( «Parts → Parts Browser» ). Искать можно по типу и подтипу или используя команду «Find». Размещение на схеме по команде «Place».
• Перемещение и вращение. Надо подсветить компонент, кликнув по нему и зажав кнопку, после чего переместить в нужное место. Вращение в подсвеченном состоянии - кнопка «+» ( поворот на 90° по часовой стрелке ), Зеркальное отображение на 180° - кнопка «-».
• Редактирование подписи компонента
  • Подсветить надпись, кликнув и зажав кнопку, и переместить в нужное место;
  • Подсветить и кликнуть на подписи, чтобы исправить её.
  • Множители величин «f», «p», «n», «u», «m», «k», «meg» ( не «M» ). SPICE требует только множитель , имя самой величины не требуется. Т.е. «1u» и «1.0uF» трактуется программой одинаково.
  • Диалог редактирования открывается и по двойному щелчку по самому компоненту.
  • Параметр можно добавить, введя значение и нажав «Apply» ( например, это требуется для источников напряжения, т.е. надо написать «dc» или «ac» и значение напряжения ). Для тех же целей служит команда «Add».
• Проводники ( «Wires» )

  Клавиша «w» начинает провод от позиции курсора. Проводник заканчивается клавишей «ESC».

• Установки ( «Settings» )

  В опциях ( «Options» ) надо установить флажок «Rubberbanding» , чтобы электрическое соединение между элементами сохранялось при перемещении.

J.3 Запуск моделирования

Может ли пассивная схема, состоящая только из резисторов и конденсаторов иметь усиление по напряжению? Внезапно! Может. Попробуем этот простой пример, чтобы показать процесс создания и моделирования схем.

J.3.1 Схемный ввод

Запускаем ICAPS и размещаем два резистора ( «r» ), два конденсатора ( «c» ) и источник напряжения ( «v» ). Нижний вывод источника надо заземлить ( нажать клавишу «o» сразу после «v» ). Если компоненты неудобны для рассмотрения, можно задействовать «Options → Zoom» ( или F6, F7 и F8 ). Из компонентов надо собрать схему J.1 и добавить тестовую точку на выходе ( «y» и имя «Vout» ). Затем компонентам присваиваются нужные значения, для чего надо двойным щелчком по элементу перейти к редактированию. Исходно номинал выглядит как «???». Клавиша «Enter» переводит фокус на следующее поле и, чтобы закончить операцию, надо жать «OK».

Для конденсаторов можно использовать микрофарады ( 0.01 uF вместо 10 nF ), но с нанофарадами схема читается лучше. Для источника напряжения указано значение «1V» в поле «ac». Затем надо нажать кнопку «ADD», чтобы цифра появилась на схеме. Если нажать на кнопку, программа будет считать правильно, но на схеме цифры не будет. Как и раньше, символ единиц ( «V» ) можно опустить ^_1 .



==1147

J.3.2 Моделирование: качающаяся частота

Теперь начинается основное развлечение. Сперва надо сохранить проект, используя пункт меню «File → Save As». Затем настроить параметры «Actions → Simulation setup→Edit» ( или иконкой с карандашом над извилистой линией ). Надо выбрать «AC Analysis», установить 20 точек на октаву, начало на 100 Hz , конец на 10 kHz ( «10k» в окне ввода ), «OK», «Done». Теперь можно запускать моделирование иконкой с бегущей фигуркой ( «Actions → Simulate» ). Запускается программа эмуляции, о чём свидетельствует появление окна хода процесса с заголовкам «IsSpice4». Если процесс завершается без ошибок в окне появляется график. Запуск моделирования открывает окно «IntuScope» ( его можно активировать вручную иконкой «scope» рядом с бегущей фигуркой или «Actions → Scope» ). В этот момент полезно заняться приведением в порядок окон на экране. Им можно придать нужный размер и позицию, а затем сохранить конфигурацию ( «Options → Save Preferences» ). Теперь надо установить флажок «Test Pts Only» в окне «Add Waveform», которое принадлежит «IntuScope», выбрать «Vout» ^_2 и нажать кнопку «Add». Всё! Получаем красивый график «Vout» по частоте ( см. рис. J.2 ) с надписями на осях «по умолчанию». Подписи можно редактировать, а изображение - масштабировать через окно «Scaling».

Чтобы добавить на экран фазочастотную характеристику, надо подсветить «ph.Vout» в окне «Add Waveform», установить флажок «With Like Traces» ( в противном случае сигнал будет выведен на отдельный график ). Так был получен рис. J.2 . На него был добавлен курсор из окна «IntuScope», чтобы можно было отметить точку максимального усиления.

J.3.3 Моделирование: входные и выходные сигналы

Можно ли доверять этим графикам усиления по частоте? Всем известно, что простая RC цепь только искажает графики - меняет фазу и уменьшает амплитуду. Нельзя доверять графикам J.2 , пока SPICE не покажет входной и выходной сигнал на частоте максимума усиления ( но и тогда ещё можно сомневаться ).

Вот как это делается. Во-первых, добавляется новое тестовое напряжение ( «y» ). Его имя меняется на «Vin». Затем выбирается на схеме источник напряжения и в свойствах активируется поле «Tran Generators» ( SPICE называет любые сигналы, включая синусоидальный, переходными – «transient» ). Выбираем «SIN» и устанавливаем пиковую амплитуду 1 , сдвиг 0 , а частоту 1.096 kHz . Идём в настройки моделирования «Simulation Setup» ( карандаш над извилистой линией ), отменяем «AC Analysis» и выбираем «Transient Analysis». В появившемся окне «Transient Analysis» устанавливаем шаг временного анализа ( «Data Step Time» ) на 1us , общее время анализа ( «Total Analysis Time» ) на 105 ms и время до начала записи ( «Start Recording Data» ) на 100 ms ( это даёт схеме время перейти в установившийся режим ). Оставляем поле «Maximum Time Step» пустым ( т.е. программа будет использовать значение по умолчанию ). Нажимаем бегущую фигурку для запуска процесса. В этот момент окно «IsSpice4» должно показать извилистый график. Теперь надо перейти в окно «IntuScope» и либо стереть предыдущие лучи, выбирая и удаляя каждый индивидуально, либо выбрать команду «File → New Graph». На экран через окно «Add Waveform» надо добавить «Vin» и «Vout». Флажок «With Like Traces» должен быть установлен.



==1148

Результат смотрится неплохо, но сигнал немного грубоват. Если увеличить разрешение ( окно «Scaling» ), то станет видно, что рисунок имеет только 20 точек на период. В настройках запрашивался интервал 1 μs , а на выходе имеем 50 μs . Это произошло из-за того, что не задана граница максимального шага времени ( «Maximum Time Step» ) в окне «Transient Analysis». Надо вернуться к настройкам ( «Simulation Setup → Transient» ), установить «Maximum Time Step» на 1us и запустить моделирование. Дело пойдёт чуть медленнее, возможно займёт целую секунду. Дальше надо стереть старый график и добавить два новых сигнала в «IntuScope» ( сначала выход, чтобы задать правильный масштаб, затем вход ). Теперь картинка гладкая и красивая ( рис. J.3 ). Если сомнения всё ещё остаются, то можно проверить усиление схемы по картинке с настоящего осциллографа ( рис. J.4 ). Усиление по напряжению в RC цепи вполне реально!

J.4 Некоторые итоговые замечания

Демонстрационная программа ICAP/4 включает десять учебных видео роликов ( в меню «Help» ), которые к счастью достаточно короткие, по минуте каждый, и полезны новичкам. Потратьте на них 10 минут. Вы узнаете, как создавать различные источники сигналов, просто выбирая их из списка «Parts → Parts Browsers !Generators». Вам покажут приёмы, ускоряющие создание схем ( копирование, масштабирование и т.д. ) и методы улучшения читаемости надписей ( больше, шире, перенос строк ). Поработав с программой можно обнаружить, что схемы и сигналы можно копировать в буфер обмена ( «Print» ) и переносить в Word или Wordpad в виде масштабируемых изображений. Если выбрать вывод в «pdf», то можно получить графику, которую можно править в Adobe Illustrator.

Авторы используют полную версию Intusoft ICAP/4 много лет. Она даёт удобный инструмент рисования схем и моделирования, в котором удобно рассматривать схемные конфигурации. Типичная разработка начинается с описания в документе Word, куда затем копируются схемы и результаты моделирования. В итоге получается «лабораторная тетрадь».

J.5 Подробный пример исследование искажений в усилителе

В Части X2 ( «Исследование искажений в усилителях на биполярных транзисторах с помощью SPICE» ( §X2.4 )) в программе выполнено серьёзное исследование искажений в усилителях ^_3 . Усилители - интересная тема, а в Части X2 показаны некоторые полезные приёмы их анализа.



==1149

J.6 Расширение базы компонентов

В библиотеки ICAP/4 можно свободно добавлять SPICE модели компонентов. Самый простой метод начать такую деятельность - скачать папку AoE-PR с сайта www.artofelectronics.com и добавить в список через команду «File → Update Part Database».



==1149