Zobrazenie zdroja stránky Simulácia KiCAD a Spice

'''PSPICE - simulácia obvodov.'''

V tomto materiáli sa stručne oboznámite so základnými príkazmi simulačného programu SPICE (<span>'''S'''</span>imulation <span>'''P'''</span>rogram with <span>'''I'''</span>ntegrated <span>'''C'''</span>ircuits <span>'''E'''</span>mphasis). Tento program je jedným z najrozšírenejších na svete a má za sebou pomerne dlhú históriu. Vznikol r.1975 (!) na University of California v Berkeley. Umožňuje simulovať obvody v ustálenom stave (metódou uzlových napätí), prechodovú analýzu, frekvenčnú analýzu, citlivostnú analýzu (aj teplotnú) a mnoho ďalších. Samotný program je ovládaný príkazovo, užívateľské rozhranie je veľmi strohé, vidno, že pôvod programu je v UNIXe. Dnes však existuje veľa nastavbových programov - posledným z nich je kompletný vývojový balík bežiaci pod W95 obsahujúci schematický editor, systém na návrh plošných spojov, na návrh programovateľných (PLD) obvodov a samozrejme aj simuláciu.

== Výpočet pomerov v ustálenom stave - odporový delič ==

Nakreslíme jednoduchú schému odporového deliča podľa obr.

[[Súbor:SpiceSim01.png|300px]]

Vygenerujeme netlist (.cir) pre program Spice a zavoláme simulátor. 

[[Súbor:SpiceSettings.png]]

Vygenerovaný netlist by mal vyzerať podobne ako tento:

<source lang="lisp">
 * Sheet Name: Odporovy delic
 V1  /1 0 10V
 R1  Vystup /1 1k0
 R2  0 Vystup 3k0
 
 .OP
 .END
</source>

Ak je všetko v poriadku, tak sa simulátor spustí automaticky a hľadané výstupné napätie nájdeme vypísané v okne programu.


V nasledujúcom príklade si ukážeme, aký vplyv na odporový delič (jeho výstupné napätie) má zaťaženie meracím prístrojom s reálnym vstupným odporom (teda nie nekonečným).
Schému zapojenia doplníme o odpor Rz. Mohli by sme simuláciu spustiť niekoľkokrát za sebou pre rozličné hodnoty Rz, ale dá sa to spraviť aj automaticky. Preto hodnotu
odporu neudáme ako číslo, ale ako zatiaľ neznámu hodnotu Rz, ktorú potom budeme meniť príkazom pre Spice.

[[Súbor:SpiceSim02.png|600px]]

<source lang="lisp">
 * Sheet Name: Odporovy delic so zatazou

 V1  /1 0 10V
 R1  Vystup /1 1k0
 R2  0 Vystup 3k0
 R3  0 Vystup {X}

 .STEP PARAM X list 1k 2k 3k 5k 10k 50k 100k
 .STEP PARAM X  1k 50k 5k
 .PRINT V(Vystup)
 .OP
 .END
</source>

== <span>Úloha č.1.</span> Lineárny obvod ==


[[Súbor:Spice01.png|400px]]

Na prvom riadku je vždy názov simulovaného obvodu:<br>
<code>
 Simulacia linearneho obvodu - Jozko Mrkvicka
</code>
Potom nasledujú jednotlivé prvky, začneme odpormi:<br>
<source lang="lisp">
 R1 1 2 1k  ;za bodkociarkou moze byt komentar
 R2 2 0 4k7
</source>
Prvé je označenie prvku, potom prvý uzol a druhý uzol a napokon hodnota. Označenie i uzly môžu byť ľubovolné, ale aspoň jeden z uzlov sa musí volať <span>0</span>. Potom vložíme napäťový zdroj:<br>
<code>
 Vin 1 0 10V ;kladný pól 1, záporný 0, veľkosť 10V
</code>
A napokon vložime riadiace príkazy (začínajú bodkou):<br />
<code>
 .OP
 .END
</code>
To znamená, že chceme len vypočítať veľkosti napätí v obvode (.OP - operating point) a skončiť (.END)

Súbor uložíme napr. pod názvom <tt>priklad1.cir</tt> a spustíme program PSpice s parametrom:

<pre>pspice.exe priklad1</pre>
Ak je všetko v poriadku, vytvorí sa súbor <span>priklad1.out</span>, v ktorom sú výsledky simulácie.

''Úloha:'' Určte veľkosti napätí v obvode podľa obrázku.

== <span>Príklad č.2:</span> V-A charakteristika diódy. ==

Ukážeme si, ako sa simulujú zložitejšie prvky a ako zobraziť výsledky simulácie graficky. Pre meranie charakteristiky musímer diódu zapojiť podľa obrázku, princíp je podobný ako pri zobrazení charakteristiky na osciloskope.


[[Súbor:SpiceSim03.png]]


Na vstupe bude meniteľný zdroj V1:
 
 V1 2 0 ;veľkosť určíme neskôr

Pretože PSpice používa pri výpočte metódu uzlových napätí, nedostaneme vo výsledku priamo veľkosti prúdov. Program vie vypočítať len veľkosti prúdov cez ideálne napäťové zdroje. Preto si pomôžeme zaradením zdroja napätia 0V:

 Vd 2 1 0

Diódu zadáme podobne ako ostatné prvky, ale pretože je to nelineárny prvok, musíme zadať aj jej správanie a parametre. Tie udáva príslušný model. Niektorí výrobcovia poskytujú konštruktérom modely konkrétnych typov súčiastok, takže program nemusí pracovať len s ideálnymi prvkami. V našom prípade:

 D1 1 0 KZZ74
 .model KZZ74 D (Is=0.1uA N=1 Rs=12 Bv=9.7 Ibv=5mA)

Nakreslíme si charakteristiku od -12 po 1V, v krokoch po 0,1V. Musíme teda povedať, že jednosmerný (DC) zdroj V1 sa má meniť v tomto rozsahu:

 .DC V1 -12 1 0.1

Nasledujúce dva príkazy vypíšu hodnoty zo simulácie do tabuľky (<span>.print</span>) a “vykreslia” charakteristiku v pseudografike do súboru <span>priklad2.out</span> (<span>.plot</span>).

 .print DC I(Vd)
 .plot DC I(Vd)

Posledný príkaz zapíše výsledky v binárnom tvare vhodnom pre grafický postprocesor:<br />

 .probe I(Vd)
 .end
Po uložení súboru spustíme simuláciu a po nej grafický postprocesor (ak sa nespustí sám):

 probe.exe priklad2

Príkazom <span><code>Add_trace</code></span> pridáme do (zatiaľ prázdneho) grafu našu charakteristiku: stlačíme a zo zoznamu vyberieme I(Vd). Ak nám nevyhovuje mierka, môžeme ju zmeniť buď <span><code>X_axis</code></span> alebo <span><code>Y_axis</code></span>. Ak vyberieme <span>Cursor</span> môžeme zmerať hodnoty v jednotlivých bodoch.

<span>''Úloha:''</span> nasimulujte diódu z cvičení a zmerjate veľkosť Zenerovho napätia a prúd If pri Uf=0.5V.

== <span>Príklad č.3:</span> Stabilizátor so Zenerovou diódou. ==

Použijeme zapojenie podľa obrázku, parametre podľa vašej domácej úlohy.



Kolísanie napätia na vstupe nasimulujeme pomocou zdroja harmonického napätia s offsetom: <math>U_{in} =  18 + 2 \cdot sin (2 \pi 50 ) \qquad  [V]</math> t.j. 18<math>\pm</math>2V s frekvenciou 50Hz.<br />


<pre>    Stabilizator so zenerovou diodou - Jozko Mrkvicka
    Vin 1 0 sin (18 2 50)
    R0  1 2 500
    D1  0 2 KZZ74               ;v zavernom smere!
    .model KZZ74 D (Is=0.1uA N=1 Rs=12 Bv=9.7 Ibv=5mA)</pre>
Záťaž predstavuje rezistor Rz s hodnotou, ktorá sa mení od 1k až po 10k. To zadáme nsaledovne:

<pre>    Rz  2 0 {R}
    .param R=1k                   ;inicializacna hodnota
    .step param (R) 1k 10k 2.5k   ;skokom od 1 po 10k po 2.5</pre>
Zaujíma nás časový priebeh výstupného napätia, preto zadáme typ analýzy <span>.TRAN</span> (transient - prechodová) a zavoláme grafický postprocesor:

<pre>    .tran 1ms 0.1s                ;od 0 po 0.1s po 1ms
    .probe
    .end</pre>
<span>''Úloha:''</span> Aké je maximálne zvlnenie výstupného napätia (v %) pre najhorší možný prípad? (t.j. max povolený rozptyl vstupného napätia a najhorší prípad zo simulovaných záťaží).

== Literatúra: ==

Návod pre začiatočníkov aj s príkladmi nájdete napr. na počítači <span>''University of Pennsylvania''</span> na adrese<br />
<span>http://www.seas.upenn.edu/ jan/spice/spice.overview.html</span><br />
Alebo na <span>http://www.coe.uncc.edu/project_posaic/mosaic_help/ecad/pspice</span>

Samotný program si môžete nahrať na <span>ftp://ftp.microsim.com/</span><br />
alebo <span>http://www.microsim.com/</span>

Existujú aj tlačené učebnice, tie si ale treba kúpiť:

P.Tuinenga: SPICE. A Guide to Circuit Simulation and Analysis Using PSpice, 3rd Ed., Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 1995

F.Monssen: MicroSim PSpice with Circuit Analysis, 2nd Ed., Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 1998


Az potialto to bol text z cviceni ES, dalej nove odkazy:

* http://vision.lakeheadu.ca/eng4136/
* [http://www.ngspice.com/index.php On-line NgSpice simulator]

Spice a KiCAD:

* http://mithatkonar.com/wiki/doku.php/kicad/kicad_spice_quick_guide
* http://stffrdhrn.github.io/electronics/2015/04/28/simulating_kicad_schematics_in_spice.html
* https://github.com/stffrdhrn/kicad-spice-demo