Áramkörszimuláció Írta: Vass Sándor F iskolai tanársegéd 2002

Átírás

1 Írta: Vass Sándor Fiskolai tanársegéd 2002

2 Tartalomjegyzék 1. SPICE ALAPÚ SZIMULÁCIÓ TÖRTÉNETI ÁTTEKINTÉS [1] SPICE FELÉPÍTÉSE ÉS ELEMEI Áramkör leírása Analízisek Kimeneti megjelenítés formái MEGJEGYZÉSEK A SPICE-HOZ AZ MC7S PROGRAM A PROGRAM FELÉPÍTÉSE KAPCSOLÁSI RAJZOK KÉSZÍTÉSE AZ AC ANALÍZIS TRANZIENS ANALÍZIS DC ANALÍZIS ALKATRÉSZ ÉRTÉKEK LÉPTETÉSE AZ ANALÍZISEKBEN MEGJEGYZÉSEK A PROGRAMHOZ IRODALOM JEGYZÉK MELLÉKLET

3 1. Spice alapú szimuláció 1.1. Történeti áttekintés [1] A legnagyobb igény az integrált áramkörök (IC) gyártóitól érkezett egy olyan programra, amely vizsgálta az adott áramkör mcködési jellemzit különféle paraméterekkel (pl. hmérséklet, feszültség változások hatása stb.). Egy IC tervezése ugyanis rengeteg különféle vizsgálatot és tesztet kíván, mieltt gyártásba kerülne. A elszóban megfogalmazott okok miatt a gyártók minimalizálni akarták a költségüket. A SPICE-t (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) mint els ipari szabvány programot és felületet a szimulációra 1970-es évek elején a kaliforniai Berkley egyetemen fejlesztették ki. Természetesen több fajta program is napvilágot látott, de ezek vagy nem terjedtek el, vagy egy igen speciális részre irányulnak az elektronikában (pl. nagyfrekvenciás vizsgálatok nyomtatott áramkörökön). A Spice sokáig igen nagy gépeken (u.n main-frame) idosztásos módon futott (80-as évekig) de napjainkra a PC-kre is megtalálható a Spice valamelyik változata. Mit jelent az, hogy változat? A Spice változatok az eredetitl eltér algoritmusokkal számítják ki a kívánt jellemzket, de közös bennük, hogy eleget tesznek az alap Spice bemeneti szintaktikájának. Kifejezetten IC gyártóknak készült a HSpice a Meta-Softwere-tl és az IG-Spice az A.B. Associates-tl melyek elssorban nagyméretc komplex áramköröket elemeznek. Általános célra és PC írt változat mely egyben a legelterjedtebb a PSpice a MicroSim cégtl. Itt jegyezném meg, hogy ezt a változatot is támogatja az MC6S program. Általánosságban elmondhatjuk, hogy a Spice számítógépen modellezi az áramkört, emulálja a különböz generátorokat, és méréseket végez elre definiált kimeneteken. Hagyományos mérési módszerrel ehhez multiméterre, oszcilloszkópra, függvénygenerátorra vagy éppen spektrum analizátorra lenne szükség. 2

4 1.2. Spice felépítése és elemei A Spice bemenete egy szekvenciális szöveges fájl, melyet tetszleges módon (pl. a számítógép billentyczetérl) vihetünk be a gépbe. Ezt a fájlt hívjuk Spice bemeneti fájlnak. Minden egyes sora vagy egy áramköri elemet ír le vagy vezérlési sorként modelleket állít be, mérési pontokat és mérési típusokat definiál. Az általános felépítés az alábbiak szerint néz ki: Kapcsolás neve Áramkör leírása Tápok / Bemeneti generátorok definiálása Áramköri elemek leírása Modellek definiálása Analízisek kiválasztása Kimeneti megjelenítés formája.end A kapcsolás nevével vagy tetszleges névvel kell kezdeni a leírást (csak ékezetes karaktert nem lehet használni). Erre a program által generált kimeneti fájlok azonosíthatósága miatt van szükség. Az utolsó sornak kötelezen.end-nek kell lenni, mert ez szolgál a fájl végének azonosítására. Minden sor tetszleges karaktereket tartalmazhat (kivétel az ékezetes), szóköz és speciális karakter is lehet. Az alap Spice különbséget tett kis-és nagybetc között, a mostani (Pspice) változatok már nem. A számokat valósként vagy egészként, ezen belül normáltan (pl. 1234=1.234E3) vagy prefixumosan (1. táblázat) írhatjuk be. Fontos, hogy a tizedest mindig ponttal és nem vessz4vel kell beírni! Abban az esetben, ha hosszabb a begépelni kívánt szöveg mint a képerny szélessége, sortörést lehet alkalmazni. Ilyenkor az új sorba (folytatása az elznek) egy + (plusz) jelet kell tenni az els karakterhelyre. A fenti vázlatban nincs jelölve, de természetesen megjegyzéseket is tehetünk egy vagy több sorhoz. Ilyenkor * (csillag) karakterrel kell kezdeni a sort. A Spice által használt mértékegységek a 2. táblázatban vannak összefoglalva. A bemeneti fájlban nem kötelez a mértékegységek használata. 3

5 Spice jelölés Prefixum Szorzó T Tera G Giga Meg Mega K Kilo M Milli 10-3 U Mikro 10-6 N Nano 10-9 P Piko F Femto táblázat Prefixumok összefoglalása A prefixumok használatánál a kis- és nagybetc között nincs különbség, amire vigyázni kell, az a mega és a mikro jelölése (elbbi Meg, utóbbi M). Spice jellés V A Hz Ohm H F Degree MIL Mértékegység Volt Amper Hertz Ohm () Henry Farad Fok 1/1000 inch 2. táblázat Mértékegységek összefoglalása A következ lépésként vizsgáljuk meg, hogyan lehet kapcsolási rajzot definiálni ( berajzolni ) a Spice bemeneti fájlba. A bevitel menetét az 1. ábra szerinti kapcsoláson keresztül vizsgáljuk meg. Általános elv, hogy a kapcsolási rajzunknak minden egyes csomópontját 0-tól kezdve megsorszámozzuk. A sorszám Spice-ban 9999 lehet maximálisan. A 0 4

6 sorszámot kötelezen a földelési (GND) ponthoz kell rendelnünk. Minden alkatrésznek nem csak értéket, hanem kötelezen nevet is kell adni. Az els karakter a jelölésben speciálisan az alkatrészre jellemz kód (3. táblázat). A többi karakter lehet szám vagy betc, célszerc a könnyebb nyomon követhetségért mindig sorszámot írni (pl. hányadik ellenállás) maximum 7 karakterig. Els karakter B C D E F G H I J K L M Q R V Alkatrész típusa GaAs FET (MESFET) Kapacitás Dióda Feszültség vezérelt feszültség generátor Áramvezérelt áramgenerátor Feszültség vezérelt áramgenerátor Áramvezérelt áramgenerátor Áramgenerátor (egyen vagy váltó) JFET Csatolt induktivitás Induktivitás MOSFET Bipoláris tranzisztor (BJT) Ellenállás Feszültséggenerátor (egyen vagy váltó) 3. táblázat Alkatrészek kódolása 1. ábra Alulátereszt szcr 5

7 Az 1. ábrán egy RC hálózatot látunk (elsfokú passzív alulátereszt) melynek a csomópontjai az elbb elmondottak alapján 0, 1 és 2 (a 0 sorszám a földelés jelnél van) Áramkör leírása Minden alkatrész a Spice-ban úgynevezett alkatrész definícióval van leírva. Ez tartalmazza az alkatrész nevét, a csomópontokat, ahová csatlakozik, és az alkatrész értékét vagy típusát. A Spice négy f alkatrész csoportot különböztet meg: Passzív elemek (ellenállás, kondenzátor, stb.) Generátorok Vezérelt generátorok Aktív elemek (dióda, tranzisztor, stb.) 2. ábra Passzív elemek leírása Az els csoportba tartozó elemeket (ellenállás, kondenzátor és a tekercs) a 2. ábrán láthatjuk a leírási módjukkal együtt. A már említett kódok szerint az els részben a passzív alkatrész típusát és sorszámát kell megadni. Ezután következik az a két csomópont, ahová az áramköri elem csatlakozik. Az n+ és n- sorrendet figyelembe kell venni az áram irányok felvételénél, illetve a kezdeti feszültség vagy áram definiálásánál (az energia tárolására képes elemek esetén). Ez utóbbit a kondenzátornál és a tekercsnél tudjuk megadni opcionálisan (nem kötelez paraméter). A negyedik kötelez paraméter az alkatrész értéke. Ezt az elz részben ismertetett módon lehet megadni, a mértékegység használata nem kötelez. Az egyes ábrán látható kapcsolást (generátor nélkül) tehát az alábbiak szerint kell leírni: 6

8 R Kohm R Kohm C nF A könnyebb érthetségért az alkatrész mértékegységét is feltüntettem. A második csoport a különböz vezérlés nélküli egyen- vagy váltófeszültségc generátorok. Három f típusból állnak: DC generátorok, szinuszos generátorok és tetszleges idfüggvényt megvalósító generátorok. Minden generátorra jellemz, hogy a forrása lehet feszültség vagy áram. A generátorokat és a hozzájuk tartozó szintaktikát a 4. táblázat tartalmazza. Vnév Inév Vnév Inév Vnév Inév Vnév Inév Vnév Inév Generátor leírásmódja Gen. típusa Analízis típusa n+ n- DC érték Egyenfesz. Mindegyik Egyenáram n+ n- AC csúcsfeszültség fázis Vált. fesz. Frekvencia Vált. áram válasz (AC) n+ n- SIN (V 0 V a frekv t d kons) Szinuszos fesz. Tranziens Szinuszos áram n+ n- PULSE (V 1 V 2 t d t r t f PW T) Impulzus fesz. Tranziens Impulzus áram n+ n- PWL (t 1,v 1 t 2,v 2,. t n,v n ) Tetszleges fesz. Tranziens Tetszleges áram 4. táblázat Vezérlés nélküli generátorok összefoglalása A passzív elemekhez hasonlóan a leírásnak itt is az alkatrészt azonosító karakterrel és a sorszámával kell kezddnie. Ezután jön a két csomópont sorszáma, ahová az eszköz csatlakozik. Az n+ és n- pontok meghatározásánál figyelembe kell venni a generátor polarizációját. A csomópontok definiálása után kell megadni a generátor függvényét. A SIN, PULSE és PWL típusú generátorok jelalakjait és a paraméterek magyarázatát a 2. ábrán láthatjuk. Ezeket a generátorokat idbeli vizsgálatokhoz (tranziens) alkalmazhatjuk. A DC generátornál paraméterként a szolgáltatott egyenfeszültség (vagy 7

9 áram) értékét kell megadni, és bármelyik szimulációs vizsgálathoz használhatjuk. Az AC generátor jelalak típusa nem definiált. Itt csak a csúcsértéket és a fázisszöget kell megadnunk, ezért csak átviteli függvények meghatározásához használhatjuk (mert független lesz az eredmény a generátor jelalakjától). 2. ábra Idfüggvény generátorok jelalakjai és paraméterei Az 1. ábra szerinti kapcsolásunkban legyen a V1-es generátor szinuszos függvényc (fázistolás és lecsengés nélküli), DC szintje 2V csúcsfeszültsége 20V frekvenciája pedig 100Hz. Emlékeztetként az idfüggvény felírása a következ: V 1 (t)= 2+20Sin(2100Hz*t) 8

10 Spice-ban ez a következ szintaxissal írható fel: V1 1 0 SIN (2V 20V 100Hz 0 0) Az eddigi ismeretek alapján a Spice bemeneti fájlunk a vizsgált kapcsolásunkhoz az alábbi: LowPass circuit *Itt adjuk meg a kapcsolási rajzot R Kohm R Kohm C nF V1 1 0 SIN (2V 20V 100Hz 0 0) *Ide kell írni a mérési és számítási parancsokat..end A harmadik generátor csoport a lineárisan vezérelt generátorok. Ezek a generátorok négypólusok, melyek kimeneti feszültsége vagy árama a bemenetre adott feszültség vagy áram lineáris függvénye. A négy típust és szintaxisukat a 3. ábrán láthatjuk. 9

11 3. ábra Vezérelt generátorok és szintaxisuk A feszültség vezérelt generátorok kimenetét az nc+ és nc- bemenetekre jutó jel határozza meg. A viszonyszámot az e illetve a g paraméterekkel tudjuk beállítani. Az áram vezérelt generátoroknál a helyzet nem ilyen egyszerc. A bemeneten rövidzárnak kell lennie, de mérni kell az itt folyó áramot. Ez úgy oldották meg, hogy az ilyen generátorok bemenetét egy feszültség generátorral helyettesítik, melynek forrásfeszültsége 0V. Az ábrán látható is, hogy az ilyen eszközökhöz két definíciós sor tartozik. A negyedik nagy csoport az aktív eszközök. Általánosan elmondható, hogy a Spice szimulációban minden aktív eszközt passzív elemekbl és generátorokból építünk fel, és egy modellt rendelünk hozzájuk. Ez a modell tartalmazza az adott eszközre jellemz paramétereket (mint egy katalógus lap). A terjedelem miatt itt csak három aktív eszközt vizsgálunk meg, a diódát, a bipoláris tranzisztort és a mcveleti ersítt. 10

12 A Dióda A pn átmenetc réteg diódát a Spice-ban két definíciós sorral írhatjuk le a 4. ábra szerint. Az els sorban a D kóddal és a sorszámmal adjuk meg, hogy diódát definiálunk az anód és katód cimke pedig jelöli, hogy melyik két csomópont között helyezkedik el. Ezután következik a modell neve, mely a dióda karakterisztikáját fogja megadni. Opcionálisan jelölhetjük, hogy hány diódát kötünk párhuzamosan. A második sorban adjuk meg a dióda karakterisztikáját. Ennek a sornak kötelezen.model -el kell kezddnie. Ezután jön egy tetszleges név, melyet célszerc a dióda típusának választani. A D jelenti a program számára, hogy a modell diódára vonatkozik. A zárójelben az eszközre jellemz fontosabb paramétereket lehet felsorolni melyet az 5. táblázatban foglaltam össze [1]. 4. ábra Dióda szintaktikája 5. ábra Helyettesít képek 11

13 Az 5. ábrán látható módon a diódát DC és AC szempontból is lehet helyettesíteni passzív alkatrészekkel. Egyenáramú szempontból az Rs ellenállás jelképezi a dióda soros ellenállását (n 1Ohm) Ud generátor pedig a pn átmenetre kapcsolt feszültséget. Ilyenkor a diódán Id Ud n Ut = Is( e 1) nagyságú áram folyik [2]. Ut a termikus feszültség (szobahmérsékleten 26mV), n pedig az emissziós tényez (n=1 ideális esetben). A dióda a fenti egyenletbl is látható, hogy egy nemlineáris (e-os közelítésc) elem. AC szempontból kisjelc megváltozásokra helyettesíthet egy ellenállással melynek értékét az 1 rd Id = Ud képlettel számítható. MP a munkapontot jelöli (munkapont körüli kis megváltozás számítása). A Spice a szimuláció során ezeket az összefüggéseket és helyettesítéseket figyelembe véve számítja ki a diódás kapcsolások jellemzit. MP Jelölés Spice jelölés Model paraméter Egység Alapérték Io Is Szaturációs (záróirányú, drift) áram Amper rs Rs Soros ellenállás Ohm 0 n n Emissziós együttható 1 Uz BV Záró irányú letörési feszültség Volt Iz IBV Záró irányú letörési áram Amper táblázat Dióda paraméterek 12

14 Bipoláris tranzisztor (BJT) A tranzisztort hasonlóan a diódához szintén két definíciós sorral kell megadnunk (PNP és NPN típusnál is). Az els sort kötelezen Q-val majd az alkatrész sorszámával kell kezdeni. Ezután megadjuk, hogy melyik réteg, az áramkör melyik csomópontjához csatlakozik. A sorrend kötelezen: kollektor bázis emitter és opcionálisan a hordozó. Ezután meg kell adni a tranzisztort jellemz modell nevét és opcionálisan a párhuzamosan kötött tranzisztorok számát. A modell definiálása itt is.model szóval kell kezdeni. Meg kell adni a modell nevét, mely szintén tetszleges lehet, de célszerc a tranzisztor típusszámát választani. Utána a tranzisztor réteg struktúráját azonosítjuk, melyhez az NPN vagy PNP jelölést kell használni. Zárójelben ezután felsoroljuk az egyes paramétereket melyek közül a fontosabbakat a 6. táblázat tartalmazza. A tranzisztor egy áram vezérelt áramgenerátor, de a függvény a kimenet és bemenet között nemlineáris (e-os a bemeneti pn átmenet miatt [2]). Ezért nem lehet ezt az alkatrészt egyszerc vezérelt generátorként helyettesíteni a szimulációban. Az általános DC helyettesít képet láthatjuk a 7. ábrán. 6. ábra Tranzisztor szintaktikája A helyettesít kép ismeretében a tranzisztor áramait Spice-ban a következ képletek szerint lehet számítani: Ube Ut Ib Is = e 13

15 Uce Ic = Ib1 + Uaf ahol az áramersítési tényez Uaf pedig az Early effektus visszahatási feszültsége (Uaf= esetén nincs visszahatás a kimenetrl a bemenetre) [2]. 7. ábra A tranzisztor DC helyettesít képe Jelölés Spice jelölés Model paraméter Egység Alapérték Is Is Szaturációs (záróirányú, drift) áram Amper Bf Áramersítési tényez (normál üzem) 100 Uaf VAf Early feszültség Volt Rb Rb Bázis ellenállás Ohm 0 Rc Rc Kollektor ellenállás Ohm 0 Re Re Emitter ellenállás Ohm 0 6. táblázat Fontosabb tranzisztor paraméterek MCveleti ersít A mcveleti ersítt - eltéren a tranzisztortól- helyettesíthetjük az t legjobban jellemz feszültség vezérelt feszültség generátorral. Ez természetesen csak ideális mcveleti ersítt feltételezve tehetjük meg (Ao=végtelen, Rbe=végtelen, Rki=0 stb.). Erre az esetre láthatunk példát a 8. ábrán és alatta az áramkört leíró Spice bemeneti fájlt (analízisek nélkül). 14

16 8. ábra Invertáló ersít (Au=-1) Invert opamp circuit V1 3 0 DC 1V R Kohm R Kohm *MGv. er4sít4 generátoros helyettesítése, átviteli tényez Eopamp e6 *Ide írhatjuk a kívánt a méréseket..end Valós ersítvel akarjuk a fenti kapcsolást szimulálni akkor a helyzet már nem ilyen egyszerc. A legnagyobb gond az, hogy nem lehet minden mcveleti ersíthöz hasonló paraméteres modell megadást (.MODEL) rendelni, mint ahogy a tranzisztornál vagy a diódánál tettük. Ez az eszköz ugyanis igen nagy integráltsággal rendelkezik, és a bels felépítését tekintve az összes eddig tárgyalt áramköri elemet tartalmazza. Ezért a valós mcveleti ersítt fel kell építeni az alap áramköri elemekbl. Ez természetesen nem egyszerc dolog. Legtöbb esetben a gyártók a katalógus lapjuk mellé leközlik a bels felépítést vagy mellékelik Spice formátumban. Az így helyettesített mcveleti ersítt a kapcsolási rajzunkhoz úgynevezett al-áramkör (Subcircuit) leírással csatolhatjuk. Ennek a szintaxisa a következ: 15

17 .SUBCKT al-áramkör_neve csomópontok_listája Áramkör leírása Tápok / Bemeneti generátorok definiálása Áramköri elemek leírása Modellek definiálása.end al-áramkör_neve] A felépítését tekintve hasonlít a fejezet elején ismertetett Spice bemeneti fájl formátumhoz. A leírást kezdete kötelezen.subckt majd az al-áramkörnek adott név következik, mely tetszleges lehet (kivétel a már szerepl alkatrész nevek és a foglalt szavak!). Ez után fel kell sorolni az al-áramkörben lév csomópontok sorszámát. Ezt a sorszámozást úgy kell elvégezni, mintha egy új kapcsolást vinnénk be, a számozást ig végezhetjük. Az al-áramkör tartalmazhatja a fáramkör sorszámait, de a program különálló egységként fogja kezelni, nem köti össze az azonos számokat. Kivétel ez alól a 0-s pont, ez ugyanis itt is kötelezen a földpont sorszáma és ez azonos lesz a fáramkör földpontjával. A sorszámok megadása után írhatjuk be a kapcsolásunkat, úgy, ahogy már a fejezetben megismertük. A leírásban szerepelhetnek generátorok, passzív elemek és aktív elemek modell paramétereikkel együtt. A leírást kötelezen.ends-el kell lezárni, és utána opcionálisan megadhatjuk az al-áramkör nevét is (számunkra könnyebb azonosítás miatt). Ahhoz, hogy az így létrehozott al-áramkör csatlakozhasson a fáramkörhöz, szükség van egy hasonló definíciós sorra, mint például az ellenállásnál volt. Ezt a következ szintaxissal írhatjuk le: Xnév csomópontok_listája al-áramkör_neve Az X kód jelöli, hogy al-áramkört csatolunk a kapcsolásunkhoz. A név itt is sorszámozási funkciót tölt be, mert többször is felhasználhatjuk az al-áramkörtünket. A csomóponti listába kell beírni (szóközzel elválasztva) azokat a pontokat, ahová az aláramkörnek csatlakoznia kell. Ez a lista pontos megfeleltetése lesz a.subckt után felsorolt listának (melyik csomópont hova csatlakozzon). A 9. ábrán egy olyan helyettesít kapcsolást láthatunk, amely figyelembe veszi a mcveleti ersít nyílthurkú határfrekvenciáját (ideális esetben ez végtelen) [3]. 16

18 Helyettesítsük ezzel a kapcsolással a 8. ábrában a mcveleti ersítt. Legyen az ersítnk a ua741-es típusú általános áramkör melynek az ersítése DC-n (visszacsatolás nélkül) nagyságrendc a határfrekvenciája pedig 4Hz [3]. Ezek alapján az ábrán látható képletek felhasználásával a következ értékeket kapjuk: C=30pF, G m =0.19mA/V és R 1 = Ohm. 9. ábra Valós mcveleti ersít helyettesítési lehetsége Felhasználva ezt a helyettesít képet, a 8. ábra kapcsolás Spice bemeneti fájlja a következ lesz: Real Invert opamp circuit *Al-áramkör definiálása következik.subckt real_opamp *1: kimenet *2: + bemenet *3: - bemenet Gbemenet m *Ezek a generátorok a minimális csomópontszám (2db) miatt kellenek. Iopen A Iopen A R G C p Ekimenet e6.ENDS real_opamp 17

19 **F4áramkör V1 3 0 DC 1V R Kohm R Kohm *Itt hivatkozunk az al-áramkörre Xopamp real_opamp *Ide írhatjuk a kívánt a méréseket..end Analízisek Miután bevittük a kapcsolásunkat természetesen le is szeretnénk szimulálni, hogy lássuk, mit csinál az áramkörünk. A Spice három f analízis csoporttal rendelkezik: 1. DC munkapont meghatározás és DC átvitel vizsgálat 2. AC frekvencia menet számítás 3. Id függvény analízis (tranziens). Minden parancs. karakterrel kezddik, ezzel jelezzük a programnak, hogy parancssor következik és nem definíciós sor. A szimulációs típusok a 7. táblázatban találhatóak. Analízis Spice utasítás Munkapont.OP DC átvitel.dc forrás_neve kezd_érték vég_érték lépésköz AC átvitel.ac DEC pontok_száma_dekádonként start_frekv stop_frekv.ac OKT pontok_száma_oktávonként start_frekv stop_frekv.ac LIN összes_pontszám start_frekv stop_frekv Tranziens.TRAN id_lépésköz max_id [meddig_ne_rajzoljon] [UIC] analízis.ic V(csomópont1)=érték V(csomópont2)=érték 7. táblázat Analízis utasítások A munkapont kiszámításához a.op parancsot használjuk. Hatására a program kiszámítja a kapcsolás csomópontjainak feszültségeit, az alkatrészeken folyó áramokat és a disszipációs teljesítményeket. Ezek az adatok egy kimeneti fájlban is letárolásra kerülnek. Sok esetben szükségünk van arra, hogy meghatározzuk, milyen 18

20 karakterisztikával fog rendelkezni egy kapcsolás, ha valamelyik egyenfeszültségc (vagy áramú) generátorának értékét megváltoztatjuk. Erre az egyik lehetség, ha minden esetre kiszámítjuk a munkapontot, majd az eredményeket magunk kielemezzük. A Spice támogat egy olyan megoldást (.DC utasítás), ahol ezt a léptetést a program automatikusan elvégzi és a munkaponti megváltozásokat táblázatban vagy grafikusan megjeleníti. Az utasítás után meg kell adnunk annak a DC forrásnak a nevét, amit változtatni akarunk, a vizsgálat tartományát, és a lépésközt. Lehetség van arra, hogy a hmérsékletváltozás hatását is vizsgáljuk a kapcsoláson úgy, hogy a forrás generátor neve helyett a TEMP kódot írjuk be. A vizsgálati tartomány beállítása már ugyanúgy történik, mint a generátor esetén. A.AC paranccsal a kapcsolás kisjelc váltakozó áramú átvitelét határozhatjuk meg (amplitúdó menet, fázisszög, stb.). A Spice program elször kiszámítja a munkapontot és létrehozza minden nemlineáris aktív eszköz kisjelc helyettesít kapcsolását (lsd. elz fejezet). Az így kapott kapcsolást a program a megadott start és stop frekvenciák között vizsgálja különböz mérési pontszámmal. A pontok számát megadhatjuk logaritmikus dekádon (DEC paraméter) vagy oktávon (OKT paraméter) belül vagy a tejes tartományban lineáris elosztással (LIN paraméter). A harmadik analízis lehetség az idfüggvény vizsgálat, azaz a tranziens analízis. A program t=0 idpillanattól kezdden az id4_lépésköz-zel megadott léptékkel max_id4-ig számítja ki a kapcsolásunk csomópontjain mérhet feszültség- és áramalakokat. A vizsgálatnak minden esetben t=0 idtl kell kezddnie, de lehetség van arra, hogy a megjelenítést egy elre definiált idponttól kezdje el. Ez egy opcionális paraméter, melyet a max_id4 paraméter után kell megadni. A program mieltt elkezdi az idvizsgálatot, kiszámítja minden csomópontnak t=0 idben a kezdeti feszültségszintjét. Ez függ természetesen a kapcsolástól és az alkalmazott alkatrészektl. Lehetség van arra, hogy ezeket az értékeket mi határozzuk meg. Az egyik lehetség, hogy a.trans parancsban használjuk az UIC paramétert. Ilyenkor a program nem számítja ki a kezdeti szinteket, hanem az alkatrész definíciós sorban IC= vel megadott értékeket tekinti kezdeti szinteknek. A másik megoldás a.ic parancs használata. Ezt közvetlenül a.trans parancssor alá írjuk, és a táblázatban látható szintaxis használatával elre megadhatjuk bármelyik csomópontnak a kezdeti feszültség szintjét. Nem kötelez az összes csomóponthoz értéket rendelni, amelynek nem adtunk értéket, azt a program fogja kiszámítani. Megjegyzem, hogy az UIC paraméteri és a.ic parancsot együtt nem lehet használni. 19

21 Kimeneti megjelenítés formái Az elz fejezetben lehetett látni, hogy a Spice alapú program az analízis típusától függen minden lehetséges jelszintet, jelalakot, és átviteli függvényt kiszámít. Legtöbb esetben mi csak néhány jellemzre vagyunk kíváncsiak, ezért nem lenne célszerc, ha az összes számítási eredményt megjelenítenénk. A Spice lehetséget kínál számunkra, hogy megadjuk melyik számítási eredmény jelenjen meg. Erre két parancs van: a.print és a.plot (10. táblázat ). Kimeneti forma Csak adatok Görbe is Spice utasítás.print DC kimenet_listája.print AC kimenet_listája.print TRAN kimenet_listája.plot DC kimenet_listája.plot AC kimenet_listája.plot TRAN kimenet_listája 10. táblázat Eredmény megjelenítési parancsok A.PRINT és a.plot parancs után meg kell adni, hogy melyik szimulációnak az eredményét akarjuk megjeleníteni (DC, AC, vagy Tranziens). Ezután fel kell sorolni a kimeneteket, melyek a következk lehetnek: Tranziens vagy DC analízisnél a kimenet_listája tartalmazhatja bármelyik csomópont feszültségét a 0 ponthoz képest [V(cspont_száma)], két csomópont közötti feszültséget [V(cspont1_száma,cspont2_száma)] vagy tetszleges feszültség generátoron folyó áramot [I(Vneve)]. AC analízisnél Vr, Ir a függvény valós része Vi, Ii a függvény képzetes része Vm, Im ersítés Vp, Ip a fázismenet Vdb, Idb ersítés decibelskálán A kimeneti lista a Spice változatoknál (Pspice) tovább bvült. 20

22 Mindkét esetben a kiválasztott kimenet értékei egy szöveges fájlba kerülnek (.out a kiterjesztés). A.PRINT parancsnál csak numerikus értékek, a.plot parancsnál a meghatározott intervallumon belül * vagy + jellel képez a program függvény alakot is TRANZIENS ANALIZIS transient Fri May 25 15:38: Legend: + = v(3) * = v(1) time v(3) -1.00e e e e e+000. X e e * e e * e e * e e * e e * e e * e e * e e * e e-001. * e e-001. * e e-001. * e e-001 * e e-002 * e e-002. * e e-002. * e e-003. * e e *. A fenti példából látható, hogy ez nem a legjobb megjelenítési módja egy görbének. Amikor a Spice-t kitalálták ez teljesen elfogadott és jó megoldás volt. Az id múltával az igények változtak és szükség volt grafikus megjelenítésre is. Ezért például a PSpice változatban létrehozták a.probe parancsot (más Spice változatban eltér lehet). Ez a parancs utasítja a programot, hogy készítsen egy fájlt a Probe nevc program számára (MicroSim, a PSpice írója), melybe az összes kiszámított csomóponti értéket, függvényt stb. eltárol. Ezt a fájlt a Probe grafikus megjelenít programmal be lehet a késbbiek során olvasni, és közvetlenül grafikusan megjeleníteni. Ez a program 21

23 alkalmasak arra is, hogy méréseket végezzünk kurzorok segítségével a görbéken, nagyítsunk, stb Megjegyzések a Spice-hoz A fenti fejezetekbl kitcnik, hogy a mai grafikus felületc számítástechnikában nem túl szerencsés, ha egy kapcsolást nekünk szövegesen kell bevinnünk. Gondoljunk csak egy bonyolultabb ersít kapcsolásra. Joggal merülhet fel a kérdés, hogy akkor miért használjuk még a mai nap is a Spice-t. A válasz egyszerc. Ez egy szabvány leíró nyelv az áramkörök számára, melyet minden egyes szimulációs és kapcsolási rajz készít szoftvernek támogatnia kell. A hangsúly tehát ez egységességen van. Manapság már szinte mindegyik szimulációs program támogatja a grafikai felülettel történ kapcsolási rajzok bevitelét. Az egyes szimulációkat egyszerc menüszerkezettel tudjuk kiválasztani, és azonnal megjeleníteni. A megrajzolt kapcsolást el tudjuk menteni Spice formátumba, és egy másik szoftverrel más vizsgálatokat tudunk rajta végezni. Megmaradt természetesen a szöveges beviteli lehetség is profi felhasználók számára. A másik ok, amiért meg kell ismerni ezt a nyelvet az, hogy az alkatrész gyártók az egyes áramköreinek helyettesít kapcsolásait (mint ahogy a mcveleti ersítnél említettem) Spice formában adják meg az adatlapok mellé. Ezeket tudnunk kell értelmezni, és a kapcsolásunkba be kell tudnunk építeni. 2. Az MC7S program A MicroCap programot az amerikai Spectrum Software cég fejlesztette ki a 80-as évek közepétl kezdden. Az els változatok (1-3) DOS alá íródtak, grafikus felülettel és egyszerc menüszerkezettel rendelkeztek. A legújabb verzióval, mely a 6-os számot viseli fogunk a továbbiakban foglalkozni. Operációs rendszert tekintve Win9x-et és a gyors mcködés érdekében legalább Pentium Ies processzort kíván. A program nevében az S jelz a Student verziót jelöli. Ez azt jelenti, hogy a program demó, szabadon terjeszthet, funkcióit tekintve korlátozás csak a csomópontok számában, az alkatrész könyvtárában és néhány speciális funkciójában van (pl. 3D rajzolás). 22

24 2.1 A program felépítése Az installálás után a program a hozzá tartozó ikonra duplán kattintva indítható. A programot két f részbl áll, a kapcsolási rajz szerkesztbl és a szimulátorból. A program egyaránt alkalmas analóg és digitális kapcsolások vizsgálatára. 7 A program indítása után a fablakot láthatjuk: A fablak fels részében találjuk meg a menüsort. Az itt található csoportosított funkciókkal vezérelhetjük a programot. Az alatta található az általános eszköztár (nyomógomb sor), mely a menükben található fontosabb funkciókat tartalmazza (Mentés, Undo, stb). A program által nyitott minden ablakban ott van és használható. A lokális eszköztár hasonló az elbb említetthez, azzal a fontos különbséggel, hogy mindig az adott ablakra jellemz (pl. AC, DC analízis, szövegablak stb.) legfontosabb funkciókat tartalmazza. A kép közepén találjuk a rajzablakot, ahol a kapcsolási rajzainkat szerkeszthetjük meg, illetve tölthetjük be. A rajzablak gördítésére a függleges és vízszintes gördít sávok szolgálnak. Egy kapcsolási rajz több lapból is állhat. Ezeket a bal alsó sarokban található lapválasztó gombokkal vagy az Excelhez hasonlóan a lapokhoz tatozó kis fülekre történ kattintással választhatjuk ki. Itt jegyzem meg, hogy mindegyik kapcsolási 23

25 rajzhoz tartozik egy szöveges lap is, melyen a kapcsolás jellemzi (modellek, alkatrészkönyvtárak nevei, stb.) jelennek meg. A fablak legalsó részén találjuk az állapot sort. Itt az aktuálisan kiválasztott funkcióról kapunk információkat. Fontos megjegyeznem, hogy a program minden kapcsolási rajzhoz hozzárendeli a small.lbr nevc fájlt. Ez a fájl tartalmazza az aktív alkatrészek paramétereit (modelljeit, mint a Spice leírásánál láthattuk), melyekbl a kapcsolási rajz szerkesztésekor az adott rajzelemhez rendelhetünk modelleket. A modellek paraméter listája a mellékletben található. A továbbiakban nézzük végig, hogy mit tartalmaznak az egyes menüpontok, és mire lehet használni azokat a funkciókat (csak a legfontosabbakat ismertetem). File menüpont New: (CTRL+N) Új kapcsolási rajz készítése Open: (CTRL+O) A program által ismert fájl betöltése.cir Bináris kapcsolási rajz (grafikai).ckt Spice text fájl.lbr Modell könyvtár (alkatrész modelleket tartalmazó fájl).mdl Egy alkatrész modell adatai Save: (CTRL+S) Mentés Save as: Mentés más névvel, más könyvtárba Translate: Fordítás más formátumra Bináris kapcsolási rajzot Spice text-re Bináris alk. könyvtárat Spice text-re Spice text fájlt bináris alk. könyvtárra NETList készítése NYÁK tervez programok számára Revert: Az aktív kapcsolási rajz kicserélése a lemezre mentett legutolsó változatával. A program egyszintc Undó paranccsal rendelkezik, ilyenkor hasznos ez a menüpont. Delete: Kiválasztott fájlok törlése a lemezrl Close: (CTRL+F4) Az aktív fájl bezárása 24

26 Print preview: Nyomtatási kép megtekintése a kapcsolási rajznak, karakterisztikáknak, stb. Print: Nyomtatás Print setup: Nyomtatás tulajdonságainak beállítása, nyomtató megadása A legutoljára használt fájlok listája (max. 10.). Ezeknek a nevükre kattintva automatikusan betöltdnek a programba. Exit: Kilépés a programból Edit menüpont Undo: (CTRL+Z) Az utolsó mcvelet visszavonása (többszintc) Cut: (CTRL+X) A kurzorral kijelölt objektumok (rajzelem, szöveg) kivágása a vágólapra. Kijelölés a rajzablakban az egér bal gombjának folyamatos lenyomásával történik. Copy: (CTRL+C) A kurzorral kijelölt objektumok kimásolása a vágólapra. A kapcsolási rajz változatlan marad. Paste: (CTRL+V) A vágólapon lév objektum beillesztése a kapcsolási rajzba Clear: (DELETE) A kiválasztott objektum törlése (nem helyezi a vágólapra) Select All: (CTRL+A) Minden objektum kiválasztása a kapcsolási rajzon Copy to clipboard A teljes képerny tartalmát BMP formátumban a vágólapra helyezi A kiválasztott objektumokat BMP formátumban a vágólapra helyezi Add page: Új lap hozzáadása a kapcsolási rajzhoz Del: Egy vagy több kiválasztott lap törlése Box: A kijelölt objektum terület: Step Box: másolása vízszintesen vagy függlegesen megadott számban Mirror: Tükrözése vízszintesen vagy függlegesen 25

27 Rotate: (CTRL+R) 90 -os forgatása Flip X (Y): Tükrözés az X vagy Y tengelyre Change: A program vagy a kiválasztott objektum paramétereinek megváltoztatása Find: (CTRL+F) Alkatrész vagy szöveg keresése a kapcsolási rajzon Component menüpont Ebben a menüben találjuk meg a kapcsolási rajz szerkesztéséhez szükséges rajzjeleket. A digitális és analóg rajzjeleken belül két f csoportot különbözetünk meg. Az egyik csoportban az alkatrészek jeleihez nincsenek modellek (alkatrész paraméterek) hozzárendelve (primitives), ezt szerkesztéskor nekünk kell megadni. A másik csoportban konkrét alkatrész típusokat találunk meg (tranzisztorok, FET-ek, stb.) típusszám szerint sorba rendezve. Az utóbbi csoportban található alkatrészek száma korlátozva van a Student verzióban. A rajzelemeket a menün belül hierarchikusan csoportosítva találjuk meg: 11. ábra Alkatrészek csoportosítása 26

28 Ha kiválasztunk egy alkatrészt mindaddig az lesz az aktuális rajzelem, míg másikat nem választunk. Például a rajzolásnál nem kell mindig kiválasztani az ellenállást, ha többször akarjuk elhelyezni a rajzunkon. A leggyakrabban használt alkatrészek (ellenállás, kondenzátor, stb.) megtalálhatók az eszköztár gombsorában is. Windows menüpont Ebben a menüben találjuk meg a szokásos kinyitott ablakokra vonatkozó funkciókat (elrendezés, nagyítás, kicsinyítés), melyeket külön nem ismertetek. Az alábbi funkciók viszont kifejezetten a program speciális részei. Ezek a következk: Split horizontal/vertical: Az aktív kapcsolási rajz és a hozzá tartozó szöveges ablak együttes megjelenítése vízszintesen/függlegesen. Remove splits: Felosztás megszüntetése Component editor: Az alkatrészekhez tartozó rajzjelek hozzárendelését tudjuk szerkeszteni (lábsorszámok, nevek, szövegek pozíciói). Shape editor: Az alkatrész rajzjelek grafikus szerkesztése Package editor: Az alkatrész tokozás típusának megadása és szerkesztése. (A NYÁK tervez programokhoz generált NETList fájlnál szükséges információk adhatók meg vele.) Calculator: Számológép program, kiegészítve feszültség és áramok számításával tetszleges csomópontok között (pl. V(2)-V(3)). A megnyitott ablakok (rajzok) listája. Options menüpont Itt tudjuk ki- és bekapcsolni a program eszköztárait, az állapotsorát és meg tudjuk adni, hogy a rajzszerkeszt program milyen módban legyen (mit csinálhatunk a rajzunkon) és milyen jellemzk jelenjenek meg a rajzunkon (View). Ezek közül a legfontosabbak: Mode Select: Objektumok kiválasztása (szöveg, rajzelem) 27

29 Component: Alkatrészeket rakhatunk le a rajzablakba Wire: Alkatrészek közötti összeköttetés (vezetékek) rajzolása egyenesen vagy függlegesen Diagonal wire: Tetszleges irányú vezeték rajzolása Line, rectangle : Ábrák rajzolása a kapcsolási rajzhoz Info: Információt kapunk a kiválasztott objektumról (értéke, hol helyezkedik el). View Attribute text: Az alkatrészekhez tartozó szövegek megjelenítése (sorszám, érték) Grid text: Az általunk a rajzhoz adott szöveg megjelenítése Command text: Parancs szövegek megjelenítése (pl.:.define;.model). Node numbers: A csomópontok sorszámának megjelenítése Node voltages: A csomópontok feszültsége a földponthoz képest (csak analízis végrehajtása után engedélyezett). Current: Az alkatrészeken folyó áram érték és irány megjelenítése (csak analízis végrehajtása után engedélyezett). Power: Teljesítmény disszipáció megjelenítése (csak analízis végrehajtása után engedélyezett). Grid: Rácsháló megjelenítése A menüpontban lév további paranccsal lehet beállítani a program mcködésére jellemz paramétereket, alap értékeket, színeket és egyéb jellemzket. Ezekre itt most részletes tárgyalással nem térek ki. Analizis menüpont A program által elvégezhet szimulációkat ebben a menüpontban találjuk meg. Ezek a következk lehetnek: Transient:(ALT+1) Idfüggvény analízis tetszleges csomóponton és alkatrészen (mint egy oszcilloszkóp). 28

30 Design Menüpont AC: (ALT+2) Frekvencia tartománybeli vizsgálat, átviteli függvények meghatározása (spektrum analizátor) DC: (ALT+3): DC átviteli (transzfer) karakterisztika vizsgálat Dynamic DC. (ALT+4) A kapcsolás munkapontjának meghatározása. Ha engedélyezve van a csomóponti feszültség, áram vagy teljesítmény megjelenítés (lásd Options/View menüpont) akkor ezek az adatok rögtön megjelennek a rajzunkon. Probe Transient: Az analízis ugyan az, mint a sima tranziens vizsgálat, de a lemezre is készít egy fájlt, mely az analízis eredményeit tartalmazza. A Probe AC és DC is ugyan ezek vonatkoznak. Ebben a menüpontban passzív és aktív szcrk tervezéséhez kapunk segítséget. Lehetségünk van a gyors interaktív tervezésre, a kívánt paraméterek megadásával. A program eredményként megrajzolja a kapcsolást az alkatrész értékek meghatározásával együtt. HELP menüpont A help menü a szokásos segítség funkciókat tartalmazza, információt és kapcsolat felvételi lehetséget kapunk a termék gyártójával, taralom és tárgymutató szerinti információkeresésre van lehetségünk. Ezen kívül 16 demó fájl (analóg és digitális) áll a rendelkezésünkre, hogy a program használatának elsajátításában segítségünkre legyen Kapcsolási rajzok készítése Új kapcsolási rajz készítéséhez válasszuk a File/New parancsot. A program visszakérdez, hogy milyen típusú fájlt szeretnénk készíteni. Három lehetség közül tudunk választani. Schematic: grafikus kapcsolási rajz készítése és szimulációs vizsgálatok elvégzése. SPICE/Text: A Spice ismertetésénél leírt szöveges módon kapcsolási rajzok bevitele és analízisek megadása. 29

31 Libray: Alkatrész paraméter könyvtár készítése. 12. ábra Új dokumentum lehetségek A három lehetség közül válasszuk a Schematic menüpontot. A képernyn egy üres rajzlapot kapunk a 10. ábra szerinti elrendezéssel. A szerkesztés funkciók könnyebb megértéséért az 1. ábrán látható kapcsolás berajzolásának módját fogom ismertetni. Ezen az egyszerc rajzon keresztül könnyen elsajátíthatjuk más rajzok bevitelét is. Els lépésként ki kell választani a rajzelem hozzáadás funkciót, melyet az Options/Mode/Componetnt (CTRL+D) menüponttal vagy a lokális eszköztárban a nyomógombra kattintással tudunk bekapcsolni. Ezután választhatjuk ki a lerakni kívánt alkatrészt. Az alkatrészeket a Components menüben találjuk meg csoportosítva, vagy az általános eszköztárban nyomógombbal ellátva. Az utóbbinál csak a legtöbbet használt elemek találhatók meg. Az alkatrészek az Analog Primitives menüpontban az alábbiak szerint vannak csoportosítva: Passzív alkatrészek (Passive components) Aktív alkatrészek (Active devices) Idfüggvény generátorok (Waveform sources) Funkció generátorok (Function sources) Laplace generátorok (Laplace sources) Z transzformált generátorok (Z transform sources) Vezérelt generátorok (Dependent sources) Áramkör részletek (Macros, Subckts) Csatlakozó pontok (Connectors) Egyéb elemek (Miscellaneous) 30

32 Az ellenállást a passzív alkatrészek körött találjuk meg (resistor). CélszerC ezeket az alkatrész csoportokat jól átnézni, hogy a késbbiek során tudjuk, hogy a keresett alkatrész melyik csoportban található meg. Az ellenállás kiválasztása után a nyilas egérmutató átvált a kiválasztott eszköz rajzjelére. Könnyen azonosítani tudjuk tehát, hogy mi van aktuálisan beállítva. Az lerakáshoz mennyünk a rajzlapunk tetszleges részére (célszerc azért nem a sarokban építkezni) és folyamatosan nyomjuk le az egér bal gombját. Mialatt nyomva tartjuk a bal gombot (ha az alkatrész helyzete nem megfelel) a jobb gomb egyszeri vagy többszöri megnyomásával az alkatrészünket 90 kal el tudjuk forgatni. Miután beállítottuk a kívánt helyzetet, engedjük el az egér gombjait. Az ellenállást ezzel leraktuk a kívánt helyre, és most be kell állítani az értékét. A program a 13. ábra szerinti paraméter ablakot nyitja meg számunkra. 13. ábra Paraméter ablak Az ellenállás értékét a Value= pontban tudjuk beírni a Spice-nál ismertetett prefixumos vagy tudományos módon. Itt is figyelni kell, hogy a tizedest ponttal kell megadni. Azoknál az elemeknél, ahol modellt lehet hozzárendelni, ott az ablak jobb oldalsó részében fel vannak sorolva a választható típusok. Ezek rendszerint a program alkatrész könyvtárában létez típusok (pl.: diódánál 1N4148, 1N4001 stb.). Itt az ellenállásnál ilyen választási lehetség nincsen. Beírás után az OK gombra kattintva bezárhatjuk az ablakot. A Cancel gomb megnyomása esetén nem helyezi el az 31

33 alkatrészt a rajzlapon. Az érték beírása után ugyanezeket a lépéseket végezhetjük el a kapcsolás többi passzív elemével is. Generátornak szinuszos jelforrást válasszunk, melyet a Coponents /Wavesources/ Sine source menüpont alatt találunk meg. A rajzra történ lerakás után a 14. ábra szerinti paraméter ablak jelenik meg. 14. ábra Generátor paraméter ablakja A passzív alkatrészektl eltéren itt nem értéket, hanem típust, más néven modellt kell adni a generátornak. A program alkatrész könyvtárában lév szinusz-generátor modellek a jobb oldalon vannak felsorolva. Ezek közül kell választanunk egyet. Ha módosítani akarjuk a paramétereit (jelölések magyarázata a mellékletben), akkor az Edit gomb megnyomásával megjelenik a paraméterek táblázata. Fontos megjegyezni, hogy a kiválasztott modell és az elvégzett változtatások hozzáadódnak a kapcsolási rajzhoz tartozó szöveges ablakhoz. A szimuláció során a program innen fogja keresni az adott alkatrészekhez tartozó modell definíciókat (lásd Spice leírása). A szöveges ablakot megtekinthetjük, ha Text fülre kattintunk a bal alsó sarokban. Ha aktív elemet adunk a rajzhoz (tranzisztor, FET, stb.) akkor hasonló módon kell eljárnunk a modell beállításánál és a paraméterek módosításánál. Az alkatrész könyvtárban (small.lbr) a változtatások nem mentdnek! Miután leraktuk a négy alkatészt a rajzasztalunk a 15. ábra szerint fog kinézni. Ezután az alkatrészek lábait össze kell kötni vezetékekkel. A szerkesztt át kell kapcsolni vezetékez módba (Wire Mode), melyet az Options/Mode/Wire (CTRL+W) 32

34 menüponttal vagy a lokális eszköztárban a bekapcsolni. nyomógombra kattintva tudunk 15. ábra A rajzlap az alkatrészek lerakása után Vezetéket ebben a módban csak vízszintesen vagy függlegesen tudunk húzni. Keresztirányú vonalhúzást a Diagonal Wire Mode támogat, de lehetleg ne használjunk a rajzunkon. Kiválasztva a vezetékezés funkciót, az egérmutatónk visszavált nyílra, mellette egy kis vonal darabbal jelezve a módot. Ahonnan vonalat akarunk húzni, oda megyünk az egérrel és lenyomjuk a bal gombot, és lenyomva tartjuk. Ezután elmegyünk ahhoz az alkatrész lábhoz, ahová a vezetéket húzni akarjuk. Itt elengedjük az egér bal gombát, és a rajzon megjelenik zölddel a meghúzott vezeték. A program a 90 -os automatikus vezetéktörést engedélyezi, ezért nem kell például egy L alakú vonalat két részbl összeállítani. Kis gyakorlással ez a funkció könnyen elsajátítható. Két vezeték keresztezését a program csomópontnak érzékel, és egy piros ponttal jelzi is ezt a rajzon. Abban az esetben, ha át kell ugornunk egy vezetéket, akkor a Jumper nevc rajzelemet kell leraknunk, melyet a Connectors (csatlakozók) csoport alatt találunk meg. Miután az összes vezetéket megrajzoltuk, ellenrizni kell, hogy nincs-e lógó alkatrészláb a kapcsoláson. Ehhez be kell kapcsolni a csomópontok sorszámát (lássuk a 33

35 kapcsoláson) melyet az Options/View/Node Numbers menüponttal vagy a lokális eszköztárban a nyomógombbal tehetünk meg. Jól kötöttük össze az alkatrész lábakat, ha minden csomóponthoz csak egy sorszámot látunk. Ellenkez esetben nincs rendesen összekötve, ezért a vezetékezést azon a helyen meg kell ismételni. Bármely objektum törlése Select (kijelölés) módban történhet (Options/Mode/Select vagy CTRL+E). Az egérmutató mellett egy kis szaggatott vonalas négyzet jelzi a kijelölés módot. Az egérrel rámegyünk a kívánt rajzelemre és megnyomjuk a bal egérgombot. A kiválasztott elemet a program piros színnel fogja jelölni. A DELETE gomb megnyomásával ezután a kijelölt objektumot törölhetjük. Egyszerre több objektum törléséhez (vagy mozgatásához) nyomjuk le folyamatosan az egér bal gombját és húzzuk a kijelölend rajzelemek fölé. Egy téglalap jelöli azt a területet, ahol kiválaszthatunk alkatrészeket. A téglalap méretét az egér mozgatásával tudunk változtatni. A bal gomb elengedése után pirossal lesznek jelölve azok az elemek, amelyek a téglalapon belülre estek. Ezeket ezután törölhetjük, mozgathatjuk, vagy az Edit menüben található funkciókat végezhetjük el velük (Kivágás, másolás, forgatás, stb.). Két fontos szabály van a rajzoláskor. Az egyik, hogy egy alkatrész láb sem lehet bekötetlen, nem lóghat a levegben. Ennek ellenrzése volt a csomópontok sorszámának vizsgálata. A másik szabály, hogy meg kell adni a kapcsolás földpontját (Spice 0 sorszámú csomópont). Az erre szolgáló rajzelemet a Connectors csoportban találjuk meg Ground néven. A fent elmondottak alapján járunk el, akkor az 1. ábra szerinti kapcsolást sikeresen be tudjuk vinni a rajzlapra. A kapcsolási rajz szerkesztéséhez ezek a f funkciók, amit ismerni kell. Analízisek megkezdése eltt a rajzot el kell menteni egy tetszleges névvel (File/Save as). Abban az esetben, ha hibás a rajzunk (bekötetlen láb, nincs földpont vagy hibás az alkatrészérték/modell) hibaüzenetet kapunk a szimulációk lefuttatása eltt, és mindaddig nem végezhetünk analízist, míg a hibát ki nem javítjuk. 2.3 Az AC analízis Ezzel a szimulációval a kapcsolásaink frekvencia tartománybeli viselkedését vizsgálhatjuk meg. A kapcsolásunk megrajzolása (vagy betöltése) után az Analizis/AC 34

36 menüponttal indíthatjuk el a szimulációt. AC vizsgálatnál a kapcsolást egy négypólusként kell kezelni, melynek a bemenete az a pont, ahová az általunk megadott szinusz vagy impulzus generátor csatlakozik, kimenete pedig tetsz4legesen megadott csomópont lehet. A váltakozó feszültségc generátorokat a program 1V-os valós AC generátornak (Spice) fogja a továbbiakban tekinteni, és ennek segítségével számítja ki a négypólus komplex átviteli függvényeit. A legfontosabb megjeleníthet görbetípusok és jelölésük az alábbiak: Konstans ersítés M(V(kimenet_száma)) Decibeles ersítés DB(V(kimenet_száma)) Fázisszög P(V(kimenet_száma)) Átviteli függvény valós része RE(V(kimenet_száma)) Átviteli függvény képzetes része IM(V(kimenet_száma)) Futásid GD(V(kimenet_száma)) Elindítás után a határadatok beállítására szolgáló ablak (Limits) jelenik meg a képernyn, melyet a 16. ábrán láthatunk. 16. ábra. AC határadatok beállítása A fels gombsor funkciói az alábbiak: RUN: Szimuláció lefuttatása Add: Új görbe definiálása (alapban 3 görbét adhatunk meg mint az ábrán is látjuk, az Add gombbal 100-ig bvíthetjük a számukat) Delete: Görbe definíció törlése 35

37 Expand: Az X-Y kiterjesztés (expression) vagy az X-Y tartomány (range) meznek a szerkesztése Stepping: Maximum 10 alkatrész paraméter vagy érték léptetése megadott tartományban (3.5. fejezet) Properties: Az analízis megjelenítésének jellemzi (szín, betc, méret, stb.) Help: Helyzet érzékeny súgó indítása A gombsor alatt bal oldalt találjuk meg az analízis határadatait jobb oldalt a futási opciókat. Ezek az alábbiak: Frequency Range: A vizsgált frekvencia tartomány. Megadása: Fmax, Fmin formátumban tudományosan vagy prefixumokkal Temperature: Környezeti hmérséklet megadása Maximum Change: Hibaszázalék. Minél kisebb értéket adunk meg, annál több mérési pontot fog a program ténylegesen kiszámítani, és nem iterációval fogja közelíteni. Noise Input/Output: Zajforrás csomópontjának megadása Run Options: Futási opciók Normal: Kiszámítás és kirajzolás Save: Kiszámítás, kirajzolás és az eredmények mentése fájlba Retrive: Az elmentett adatok visszatöltése State Variables: Csomópontok kezdeti feszültségei Zero: Minden csomóponti feszültséget 0V-ra állít Read: A rajzhoz tartozó.top kiterjesztésc fájlból beolvassa a csomópontok kezdeti értékeit. A csomóponti feszültségeket az AC/State Variables Editor menüpontban tudjuk szerkeszteni. Leave: A legutolsó futtatás végénél kapott feszültség szintekkel számít tovább. Operating point: Kiszámítja a kapcsolás munkapontját Auto scale ranges: Az X-Y koordinátákat mindig a legjobb megjelenítéshez fogja skálázni. 36

38 Az ablak alsó soraiban találjuk meg a megjelenítend görbék megadására szolgáló sorokat. Minden sor azonos felépítésc melyet a 17. ábrán láthatunk. 17. ábra Karakterisztika definíciós sor A program összesen kilenc koordináta rendszert tud egyszerre megjeleníteni, ezek közül választhatunk, hogy melyikbe akarjuk rajzolni a kiválasztott karakterisztikát. A vízszintes tengely kiterjesztésének (X expression) AC analízisben F -et, azaz frekvenciát kell megadni. Az Y tengelynél (Y expression) a fejezet elején felsorolt hat görbetípus közül egyet meg kell adni (M, DB, PH, RE, IM, GD). A kimenet_száma-nak azt a pontot írjuk, ahol a kapcsolás kimenetét értelmezzük. Az 1. ábra szerinti kapcsolásnál ez a 2-es pont. Az X és Y tengely tartományát (X-Y range) max_érték,min_érték formában kell megadni, vagy választhatjuk az Auto funkciót is, amikor a program állítja be az értékeit a legoptimálisabb megjelenítéshez. Az Expression vagy a Range sorban lenyomjuk az egér jobb gombját, akkor a program csoportosítva felajánlja az adott helyen választható definíciókat (csomóponti feszültségek, komplex függvények, matematikai relációk, stb.). Ez a lehetség az összes analízis határadat beállításánál megtalálható. A határadatok és a futási opciók beállítása után a RUN (F2) gombbal elvégezhetjük az analízist. Az 1. ábra kapcsolásának AC analízis eredményét a 18. ábrán láthatjuk. A fels kék görbe az amplitúdó menete ( db(v(2)) ) az alsó piros pedig a fázismenete ( Ph(v(2)) ). Az eredményül kapott görbéken méréseket végezhetünk el. Az Optoins/Mode/Cursor menüponttal kurzor módba léphetünk át. A program a kiválasztott karakterisztikához (amelyikre kattintunk) két függleges vonalat rendel (ezek a kurzorok). Az egér bal gombjával a bal oldali (Left) jobb gombjával a jobb oldali (Right) kurzor pozícióját tudjuk változtatni. A kurzor pozícióját az X és Y 37

39 tengelyen egy sárga téglalapban a vonalak mentén és a koordináta rendszer alatti két-két sorban jelzi a program. A kurzor mód segítségével pontosan meg tudjuk határozni a nevezetes pontjait a görbéknek (pl.: -3dB-es pontok [2]). Ez a mérési lehetség mindegyik analízisnél megtalálható. A rajzszerkesztbe visszalépni az F3-as gombbal vagy az AC/Exit analysis menüponttal tudunk. 18. ábra AC analízis eredménye (Kurzor módban) 2.4. Tranziens analízis 19. ábra Diódás egyenirányító kapcsolás Ezt az analízist a 19. ábrán látható kapcsolás segítségével fogom ismertetni. Az AC analízisnél megkezdése eltt leírt szabályok természetesen itt is érvényesek, ha nem jól rajzoltuk meg a kapcsolást (szintaktikailag), akkor hibaüzenetet kapunk. A tranziens analízis tetszlegesen kiválasztott csomópont feszültség és áram karakterisztikáit számítja ki és jeleníti meg az id függvényében. Fontos, hogy az áramkörhöz definiált generátorokkal fogja a vizsgálatot elvégezni, nem helyettesít úgy, mint az AC 38

40 analízisnél. A vizsgálat eltt tehát ellenrizni kell, hogy a kapcsolás helyes mcködését biztosító generátort adtunk-e meg. Az analízis választása után (Analisis/Transient) az AC-hez hasonlóan a határadatok és futási opciókat beállítására szolgáló ablak jelenik meg. Ezt az ablakot a 20. ábrán láthatjuk. Vezérl gombsor funkciói az AC-nél ismertetekkel azonos, a paraméterek közt találunk újakat is melyek az alábbiak: Time range: Szimuláció idtartomány megadása max_id4,min_id4 formában. A program a számítást t=0 idtl kezdi még akkor is, ha a min_id40, csak a kirajzolást kezdi meg min_id4-tl. Maximum Time Step: Megengedett maximális id-lépésköz amellyel a program számíthat. Operating point only: Csak munkapontot számít, az idfüggvényeket nem. Hasonló funkció, mint a Dynamic DC analízis. 20. ábra Tranziens határadatok és opciók beállítása Az Y tengely kiterjesztésénél kell megadni a vizsgálni kívánt feszültség vagy áram definícióját. Ezek az alábbiak lehetnek: V(csomópont_száma): Feszültség jelalak a földponthoz képest (pl.: V(1) ) V(csomópont1_száma,comópont2_száma): A csomópont1 feszültség jelalakja a csomópont2-höz képest (pl.: V(1,2) ) V(alkatrész_neve): Feszültség jelalak tetszleges alkatrészen (pl.: V(R1) ) 39

41 I(csomópont1_száma,comópont2_száma): Két csomópont között folyó áram jelalakja (pl.: I(2,1) ) I(alkatrész_neve): Alkatrészen folyó áram jelalakja (pl.: I(R1) ) Az X tengely kiterjesztése kötelezen id (T). A tartományok megadása az ACnél ismertetett módon lehetséges, vagy használhatjuk itt is az Auto scale funkciót. A szimuláció a RUN gomb megnyomásával (vagy F2) indítható. A fenti egyenirányító kapcsolás tranziens analízis eredménye (a 20. ábra szerinti beállításokkal) a 21. ábrán látható. Az AC analízisnél ismertetett kurzor funkciók itt is megtalálhatók, használatával könnyen tudunk méréseket végezni a kapott függvényeinken. 21. ábra Tranziens analízis eredménye (Kurzor módban) 2.5. DC analízis A DC analízis során a program a kapcsolásunkat szintén egy négypólusnak tekinti, és az egyenfeszültségc átviteli függvényét határozza meg. A határadatok ablakban (Limits) meg kell adnunk egy vagy két paramétert (generátor vagy aktív eszköz modell jellemzje), melynek változtatásával méri az Y kiterjesztésnél megadott 40

42 feszültség vagy áram változását, és ezt grafikonon megjeleníti. A 22. ábra szerinti mcveleti ersíts kapcsolásban a V3-as generátort változtatjuk 10V-tól +10V-ig és nézzük a kimeneti feszültség változását. Ezzel a módszerrel a mcveleti erdít transzfer karakterisztikáját tudjuk meghatározni. 22. ábra Visszacsatolás nélküli m.e. kapcsolás 23. ábra DC határadatok és opciók beállítása A határadatok (Limits) ablakban az alábbi új jelölésekkel találkozunk: Variable 1 (2): A változtatni kívánt paramétereket ezekben a sorokban kell megadni. Method: Változtatás (léptetés) módja Auto: Automatikusan, a program határozza meg úgy, hogy a Maximum change-nél megadott hibaszázalékot ne lépje túl 41

43 Linear: A megadott tartományban lineáris lépéssel Log: A megadott tartományban logaritmikus lépéssel List: A range sorban listázva vannak megadva a számítási pontok (pl.: v1,v2,v3, ) None (Variable 2-nél) : Nem változtat Name: A változtatható paraméterek (generátorok, modellel rendelkez eszközök) listája és mellette azok esetleges modell paraméterei Range: A változtatás tartománya max_érték,min_érték,lépés_köz megadási formában vagy listázva (List method-nál). Temperature: Hmérséklet változtatása és tartománya Az Y tengely kiterjesztésének megadása a tranziens analízisnél ismertetett módon történhet, míg az X tengelynek a kapcsolás bemeneti pontját kell megadni. 24. ábra DC analízis eredménye (Kurzor módban) 42

44 2.6. Alkatrész értékek léptetése az analízisekben A program lehetséget a arra, hogy a fent említett három analízis során bármelyik alkatrész értékét vagy modell paraméterét változtassuk megadott tartományon belül. Összesen tíz ilyen változtatást tudunk definiálni. A léptetést a szimulációhoz tartozó menüpontban (AC,DC vagy Tranziens) a Stepping menüponttal vagy a határadatok ablakban a hasonló nevc gombra kattintva tudjuk beállítani. A léptetés ablak felépítését a 25. ábrán láthatjuk. 25. ábra Paraméter léptetés ablakja Az ablakban egyszerre két paramétert láthatunk, a paraméterek lapozást a << vagy a >> feliratú gombbal tehetjük meg. A léptetés beállításához az alábbiakat tudjuk módosítani: Parameter Type: A Step What feliratú legördíthet menüben mik legyenek felsorolva: Component: Az áramkörben lév összes alkatrész és alatta a változtatható paraméterük listája Model: Az összes modell, amely az áramkörünkhöz van rendelve Symbolic: Az általunk.define, vagy.param paranccsal megadott szimbólumok listája From: A léptetés alsó értéke (vagy lista) To: A léptetés fels értéke Step Value: Léptetés értéke 43