Il SIMULATORE CIRCUITALE SPICE

Scopo della simulazione dei circuiti elettrici Per conoscere il comportamento di un circuito elettrico è necessario risolvere un insieme di equazioni derivate dalla teoria dei circuiti. Al crescere delle dimensioni della rete del circuito diventa molto difficile e spesso impossibile risolvere il circuito analiticamente.

Scopo della simulazione dei circuiti elettrici Per molti anni l’unica soluzione è stata la realizzazione fisica del circuito su cui eseguire i test e misure necessarie per verificarne il funzionamento.

Scopo della simulazione dei circuiti elettrici Questa tecnica divenne inadeguata con l’aumentare della complessità e delle dimensioni dei circuiti. L’insorgere di questi problemi insieme alla diffusione di computer sempre più potenti, sono alla base della nascita e dello sviluppo dei simulatori circuitali, programmi capaci di risolvere qualunque circuito senza fare ipotesi semplificative.

Scopo della simulazione dei circuiti elettrici Per questo motivo alla fine degli anni sessanta, nell’Università della California-Berkeley, nasce il progetto “SPICE” (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). PSpice è il programma più utilizzato nella simulazione dei circuiti e rappresenta di fatto lo standard della simulazione circuitale.

Cenni storici Nel corso degli anni sono state rilasciate diverse versioni del programma caratterizzate dall’utilizzo di metodi numerici sempre più efficienti, da un linguaggio più potente, da modelli più sofisticati dei dispositivi e librerie più complete. Oggi tutti i principali fornitori di software CAD/CAE offrono una versione arricchita o supportata di SPICE.

Caratteristiche di Pspice Pspice, versione di Spice per personal computer, sviluppato dalla Microsim Corporation e commercializzato a partire dal 1984, è attualmente distribuito dalla CADENCE. PSpice, grazie ad un ampio range di modelli disponibili, è in grado di simulare circuiti analogici e analogico-digitali con estrema precisione.

Caratteristiche di Pspice È disponibile in numerose versioni per i diversi sistemi operativi (DOS, Windows, Unix, etc.) Faremo riferimento alla versione Free for students 9.1 Pspice, con i seguenti limiti di utilizzo: 64 nodi 10 transistors 65 digital primitive devices 10 transmission lines in total (ideal or not ideal) 4 pairwise coupled transmission lines

Caratteristiche di Pspice Attualmente La linea di prodotti Cadence OrCAD con i software OrCAD Capture CIS, PSpice A/D, OrCAD PCB Designer rappresentano lo standard industriale per il disegno degli schemi elettrici, la simulazione funzionale. Il software OrCAD PCB  «Printed Circuit Board", è utilizzato principalmente da progettisti elettronici e tecnici elettronici per creare schemi elettronici e stampe elettroniche per la produzione di «Circuiti Stampati» come le schede elettroniche. Nella versione integrale sono disponibili tutte dei librerie dei modelli circuitali dei prodotti elettronici in commercio.

Caratteristiche di Pspice Pspice può eseguire le seguenti classi principali di analisi sui circuiti Bias point detail (definizione del punto di lavoro) Analisi DC (in regime stazionario o in continua) Analisi in transitorio Analisi AC Analisi Monte Carlo E’ inoltre in grado di calcolare funzioni di trasferimento, di eseguire analisi di rumore, di sensibilità, analisi di Fourier, analisi parametriche ed altro. I circuiti possono contenere resistori, induttori, condensatori, generatori dipendenti e indipendenti, amplificatori operazionali, trasformatori, linee di trasmissione e dispositivi a semiconduttore (diodi, BJT, Mosfet, etc.).

Caratteristiche di Pspice

Caratteristiche di Pspice Interfaccia per la scelta del tipo di analisi

Caratteristiche di Pspice Interfaccia per la scelta del tipo di analisi l’Analisi Monte Carlo è essenzialmente un'analisi statistica che calcola la risposta di un circuito quando i parametri del modello del dispositivo variano in modo casuale tra gli specificati limiti di tolleranza secondo una distribuzione statistica definita. L’Analisi parametrica consente l’esame del comportamento di un circuito al variare di un parametro o della temperatura. L’ Analisi della sensitività consente di quantificare la dipendenza delle grandezze del circuito dalla variazione di una di loro

Pspice student La versione free per studenti è scaricabile dai siti: www.cadence.com /products/si_pk_bd/pspice.aspx http://www.electronics-lab.com/downloads/schematic/013/ http://pspice.softonic.it/ Oppure utilizzando un motore di ricerca digitando “Pspice student version download” *** *** Se in Part Browser Advanced non compaiono elencati i componenti bisogna della libreria occorre aggiungere i file delle librerie manulamnete dal menù principale : Option / Editorconfiguration / library settings Selezionando i file uno alla volta e premendo Add oppure Add local

Pspice student Se in Part Browser Advanced non compaiono i componenti occorre aggiungere le librerie manualmente da: Option/Editor configuration/ library settings Andare sul Browse e caricare le librerie con Add

Schema di funzionamento Preprocessing Processing Postprocessing Text Editor Text Editor *.out ASCII *.cir ASCII Pspice *.dat BIN Probe Schematics *.sch BIN *.lib ASCII

Applicazioni principali del pacchetto Pspice student 9.1 (I) Schematics: editor grafico, usato per disegnare sullo schermo il circuito da simulare, esso consente di posizionare i componenti, collegarli assieme per formare il circuito mediante una matita virtuale con il mouse e specificare il tipo di analisi da eseguire.

Applicazioni principali del pacchetto Pspice student 9.1 (II) Pspice A D (Advanced Analysis): Il programma che simula il circuito creato con Schematics. Simulare un circuito significa costruire un modello matematico del circuito a partire dai modelli dei componenti e risolvere le equazioni risultanti. Probe: Programma che fornisce una visualizzazione grafica dei risultati generati da Pspice. Può essere utilizzato per tracciare il grafico di una qualunque tensione o corrente del circuito o ottenere altre grandezze da queste derivate. Text Edit: semplice editor di testo.

Fasi per l’analisi di un circuito Creazione di un circuito Simulazione Stampa dei risultati Schematics Pspice A D Probe

Schematics: interfaccia grafica

Schematics Il circuito viene costruito mediante l'apposizione sul foglio di lavoro dei vari componenti e, quindi, la realizzazione delle necessario interconnessioni. La scelta dei componenti avviene facendo click sul pulsante contrassegnato da il quale permette l'accesso alla lista completa dei componenti disponibili. .

Schematics Per selezionare un oggetto: click sul pulsante sinistro una sola volta. Per eseguire un’azione: doppio click sul pulsante sinistro. Per annullare una qualunque operazione: premere <Esc>.

Creazione dei circuiti con Schematics Locazione dei componenti del circuito Collegamento dei componenti tra loro per formare il circuito con la matita virtuale con il mouse Modifica degli attributi delle dei componenti

Locazione dei componenti - Clicccare sul pulsante oppure - Selezionare dal menu Draw: Draw/Get new part per aprire la finestra di dialogo Part Browser advanced

Locazione dei componenti Part Browser Advanced Usare la barra di scorrimento per selezionare il componente, oppure scrivere il nome dell’elemento nel Part Name (es. C per il condensatore)

Locazione dei componenti Click su Place o Place & Close Spostare il mouse fino alla posizione desiderata sullo schermo Doppio click con il pulsante sinistro per terminare la modalità di locazione Per ruotare: <Ctrl R> oppure Edit/Rotate Per ottenere l’immagine speculare : <Ctrl F> oppure Edit/Flip Per cancellare: <Ctrl X> oppure Edit/Cut

Elementi circuitali Principali componenti passivi Part name Attributi

Generatori indipendenti di tensione Sorgente di tensione nel dominio del tempo e della frequenza Sorgente di tensione costante (Analisi DC) Sorgente di tensione nel dominio della frequenza (Analisi AC) Sorgente di tensione nel dominio del tempo (Analisi Transient)

Generatori indipendenti di corrente Sorgente di corrente nel dominio del tempo e della frequenza Sorgente di corrente costante (Analisi DC) Sorgente di corrente nel dominio della frequenza (Analisi AC) Sorgente di corrente nel dominio del tempo (Analisi Transient)

Generatori controllati in tensione e in corrente

Dispositivi a semiconduttore

Interruttori ideali

Amplificatori operazionali e alimentazioni generiche

Altri elementi del circuito Nel modello circuitale (nel foglio grafico) dovrà essere SEMPRE presente almeno un riferimento di massa (NODO 0) AGND=analog ground  Sul foglio grafico possono essere specificate le tensioni e le correnti che si intende visionare facendo uso degli appositi marker. Marker più specifici relativi a tensioni e correnti in dB, alla fase, alle componenti reali o immaginarie sono disponibili nel corrispondente menù a tendina Markers. 

Esempio

Collegamento dei componenti Si seleziona Draw/Wire oppure <Ctrl-W>, se con il cursore si collegano i due punti. oppure cliccare su Attenzione!!! → Pspice richiede il collegamento di massa AGND (analog ground), nodo di riferimento per tutte le tensioni

Modifica degli attributi delle parti Nome Ciascun attributo consiste di un nome e del suo corrispondente valore Valore Attributo

Modifica degli attributi delle parti Cliccando sul nome attiviamo la finestra di dialogo Edit Reference Designator

Modifica degli attributi dei componenti Cliccando sul valore attiviamo la finestra di dialogo Set Attribute Value

Fattori di scala Per maggior comodità è possibile esprimere i valori numerici per mezzo di fattori di scala riportati in tabella

Esempio

Voltmetri Amperometri Inseriamo 2 voltmetri Viewpoint Inseriamo 1 Amperometro Iprobe

Esempio

Simulazione Salvare lo schema del circuito con save (file *.sch) Schematics crea la netlist corrispondente in una forma del tutto simile a quella delle vecchie versioni di Pspice, e quindi viene lanciato il simulatore vero e proprio che inizialmente controlla l'assenza di errori nella netlist generata. Quindi: se tutto va bene, la simulazione viene avviata, altrimenti il programma si interrompe e, mediante MicroSim Message Viewer, informa l'utente degli errori riscontrati.

Analysis → Examine netlist Simulazione Si esegue Pspice selezionando Analisis/Simulate Viene attivata la fase di electric rule check (ERC), nella quale viene generata la netlist (*.cir) che può essere visualizzato dal menu principale in Analysis → Examine netlist Se ci sono errori, viene creata la error list Se non ci sono errori, il sistema avvia automaticamente Pspice ed esegue la simulazione (analisi nodale) L'impostazione delle varie simulazioni effettuabili avviene attraverso un'apposita finestra richiamabile mediante l'icona oppure selezionando la voce Setup … dal menu Analisys. 

Simulazione: Principali tipi di analisi effettuabili Analisi in continua (DC Sweep…): si rende variabile un generatore o un parametro nel calcolo del punto di lavoro in continua; Analisi in frequenza (AC Sweep…): si rende variabile la frequenza dei generatori AC presenti nel circuito;  Analisi del transitorio (Transient…): dove si effettua la simulazione del circuito nel dominio del tempo nell’intervallo considerato e con la risoluzione desiderata. Definizione del punto di lavoro: Operational points or Bias point Detail

Simulazione Se non viene indicato il tipo di analisi da effettuare, Pspice si limiterà a calcolare il punto di lavoro in continua che è il tipo di analisi che il simulatore effettua sempre, prima di ogni altro tipo di simulazione.

Simulazione Il calcolo del punto di lavoro in continua è sufficiente per la risoluzione di reti resistive contenenti solo generatori in continua oppure per visionare la polarizzazione di un transistor. I risultati del calcolo del punto di lavoro in continua sono visionabili in ogni momento, dopo aver lanciato la simulazione, direttamente sul foglio di lavoro di Schematics facendo uso delle icone: Esse inseriscono, nello schema, un blocco verde in corrispondenza di ogni nodo ad indicarne la tensione e un blocco blu in corrispondenza di ogni componente ad indicare la corrente che vi scorre.

Simulazione Per l’esempio di circuito mostrato si seleziona Bias Point Details Quando l’analisi è terminata, il programma visualizza Bias point calculeted , e genera un file risultati/uscita (*.out) che può essere visualizzato dal menu principale in Analysis → Examine output

Risultati riportati nella finestra grafica

Risultati I risultati della simulazione possono essere: direttamente riportati sul circuito nella finestra schematics scritti o stampati su file riportati in forma grafica direttamente sullo schermo del computer ricorrendo all'uso del postprocessore grafico Probe che Microsim fornisce a corredo di Pspice.

Risultati Probe dispone infine della possibilità di effettuare e mostrare la FFT (fast fourier transform) mediante l'icona: e tutta una serie di funzioni specifiche quali larghezza di banda, margine di fase, ecc. al cui elenco completo, insieme alla solita lista di variabili alle quali possono essere applicate, si accede mediante l'icona:  

Risultati Se non specificato diversamente alla voce Probe Setup… del menù Analisys di Schematics, il programma si attiva automaticamente alla fine di ogni simulazione che ne faccia richiesta andando ad aprire il file .DAT che il simulatore ha creato. Pspice salva su questo file, per default, i dati relativi a tutte le tensioni di nodo e a tutte le correnti di ramo, per cui non è necessario specificare le grandezze d'interesse.

Risultati Per visualizzare altre tracce, è necessario premere sulla la voce Add dal menù Trace oppure ancora cliccare sull'icona: Cosi facendo, avremo accesso alla lista completa delle variabili disponibili (tensioni di nodo e correnti sui componenti) e alle possibili operazioni matematiche effettuabili su di esse (ad esempio per il calcolo di una potenza istantanea come prodotto di tensione e corrente).

Risultati Per default, viene riportata l'ampiezza M della grandezza richiesta anche se è possibile richiedere altre caratteristiche della grandezza, aggiungendo uno dei seguenti codici alla lettera "V" (per le tensioni) o "I" (per le correnti): (nessun codice) ampiezza M ampiezza P fase DB ampiezza in decibel R parte reale I parte immaginaria

Risultati Per circuiti di una certa complessità, il file .DAT dove vengono riportate tutte le tensioni di nodo e le correnti può diventare un file di dati di dimensioni piuttosto elevate. Per evitare questo, Pspice può essere impostato in modo che lo stesso salvi i soli dati relativi ai markers apposti sul foglio di lavoro di Schematics, selezionando l'opzione At Markers Only dal sottomenù Data Collection della finestra Probe Setup Options (apribile alla voce Probe Setup… del menù Analisys).  

Risultati Per circuiti di una certa complessità, il file .DAT dove vengono riportate tutte le tensioni di nodo e le correnti può diventare un file di dati di dimensioni piuttosto elevate. Per evitare questo, Pspice può essere impostato in modo che lo stesso salvi i soli dati relativi ai markers apposti sul foglio di lavoro di Schematics, selezionando l'opzione At Markers Only dal sottomenù Data Collection della finestra Probe Setup Options (apribile alla voce Probe Setup… del menù Analisys).