Simulácia KiCAD 5 a Spice: Rozdiel medzi revíziami

Aktuálna revízia z 10:29, 8. marec 2024

Príklady pre KiCAD8 (2024) - aj digitálna simulácia(!):

PSPICE - simulácia obvodov.

V tomto materiáli sa stručne oboznámite so základnými príkazmi simulačného programu SPICE (Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis). 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.

Budeme používať program ngSpice, ktorý je zadarmo dostupný a integrovaný od verzie 5 v programe KiCAD. Samostatne si ho však treba nainštalovať tiež, pretože niektoré analýzy sa nedajú spúšťať priamo. Program si môžete nainštalovať odtiaľto: http://sourceforge.net/projects/ngspice/files/ng-spice-rework/30/ngspice-30_64.zip

Až na výnimky však budeme používať priamo KiCAD a jeho zabudovaný simulátor.

Podrobnejší návod je tu: http://ngspice.sourceforge.net/ngspice-eeschema.html

Úloha č.1. Lineárny obvod

Na prvom riadku je vždy názov simulovaného obvodu:

 Simulacia linearneho obvodu - Jozko Mrkvicka

Potom nasledujú jednotlivé prvky, začneme odpormi:

 R1 1 2 1k  ;za bodkociarkou moze byt komentar
 R2 2 0 4k7

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 0. Potom vložíme napäťový zdroj:

 Vin 1 0 10V ;kladný pól 1, záporný 0, veľkosť 10V

A napokon vložime riadiace príkazy (začínajú bodkou):

 .OP
 .END

To znamená, že chceme len vypočítať veľkosti napätí v obvode (.OP - operating point) a skončiť (.END)

Súbor uložíme napr. pod názvom priklad1.cir a spustíme program Spice s parametrom:

ngspice_con.exe < priklad1.cir > priklad1.out

Ak je všetko v poriadku, vytvorí sa súbor priklad1.out, v ktorom sú výsledky simulácie.

Úloha: Určte veľkosti napätí v obvode podľa obrázku.

Príklad č.2: Stabilizátor so Zenerovou diódou.

Použijeme zapojenie podľa obrázku, parametre podľa vašej domácej úlohy. Ak budeme schému kresliť v programe KiCAD tak ako zdroj môžeme použiť ľubovoľnú schematickú značku, podstatné je označenie a hodnota, z ktorej si simulátor vezme potrebné parametre. Obrázok samotný pre simuláciu nie je podstatný. V našom prípade sme použili značku voltmetra.

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)

Pozor, dióda môže mať v KiCADe prehodené poradie vývodov a potom na výstupe uvidíte len napätie 0,7 V (t.j. dióda v priepustnom smere). V takom prípade treba buď prekresliť symbol, alebo súčiastke priradiť nové (User Field) pole s názvom [Spice_Node_Sequence] and define sequence: 2,1,0

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

    Stabilizator so zenerovou diodou - Jozko Mrkvicka
    Vin 1 0 sin (18 2 50)
    R0  1 2 500
    Rz  2 0 2k
    D1  0 2 KZZ74               ;v zavernom smere!
    .model KZZ74 D (Is=0.1uA N=1 Rs=12 Bv=9.7 Ibv=5mA)

Záťaž predstavuje rezistor Rz s hodnotou, ktorá sa mení od 1k až po 10k. Ako prvý odhad zadáme 2k a potom budeme používať nástroj Tune v KiCADe.

Zaujíma nás časový priebeh výstupného napätia, preto zadáme typ analýzy .TRAN (transient - prechodová) a zavoláme grafický postprocesor:

    .tran 1ms 0.1s                ;od 0 po 0.1s po 1ms
    .end

Úloha: Aké je maximálne zvlnenie výstupného napätia (v %) pre najhorší možný prípad? (t.j. max povolený rozptyl vstupného napätia a najhorší prípad zo simulovaných záťaží).

Príklad č.4: Operačný zosilňovač.

Použijeme zapojenie a parametre podľa obrázku.

Medzi príkazmi pre simulátor je viacero analýz súčasne, preto treba niektorú z nich zakomentovať napr. znakom *

Aby vám to fungovalo, musíte si vytvoriť vlastnú značku pre operačný zosilňvač, takú, ktorá bude korešpondovať s poradím vývodov v modeli. Model operačného zosilňovača nájdete na stránkach výrobcu, alebo si ho stiahnete dočasne tu Médiá:TL074.mod

Literatúra:

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

Samotný program si môžete nahrať na ftp://ftp.microsim.com/
alebo http://www.microsim.com/

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:

Spice a KiCAD:

Nove linky 2023:

@@ Riadok 1: / Riadok 1: @@
+Príklady pre KiCAD8 (2024) - aj digitálna simulácia(!):
+* https://forum.kicad.info/t/simulation-examples-for-kicad-eeschema-ngspice/34443
+* https://forum.kicad.info/t/more-simulation-examples-for-kicad-eeschema-ngspice/45546
+* https://ngspice.sourceforge.io/ngspice-eeschema.html
+* https://www.youtube.com/@holger8105
 '''PSPICE - simulácia obvodov.'''
@@ Riadok 6: / Riadok 13: @@
 Až na výnimky však budeme používať priamo KiCAD a jeho zabudovaný simulátor.
+Podrobnejší návod je tu: http://ngspice.sourceforge.net/ngspice-eeschema.html
 == <span>Úloha č.1.</span> Lineárny obvod ==
@@ Riadok 39: / Riadok 48: @@
 ''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]]
+== <span>Príklad č.2:</span> Stabilizátor so Zenerovou diódou. ==
+Použijeme zapojenie podľa obrázku, parametre podľa vašej domácej úlohy.
+Ak budeme schému kresliť v programe KiCAD tak ako zdroj môžeme použiť ľubovoľnú schematickú značku,
+podstatné je označenie a hodnota, z ktorej si simulátor vezme potrebné parametre. Obrázok samotný
+pre simuláciu nie je podstatný. V našom prípade sme použili značku voltmetra.
-Na vstupe bude meniteľný zdroj V1:
-<source lang="lisp">
- V1 2 0 ;veľkosť určíme neskôr
-</source>
-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:
-<source lang="lisp">
- Vd 2 1 0
-</source>
 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:
 <source lang="lisp">
@@ Riadok 60: / Riadok 63: @@
   .model KZZ74 D (Is=0.1uA N=1 Rs=12 Bv=9.7 Ibv=5mA)
 </source>
-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:
-<source lang="lisp">
- .DC V1 -12 1 0.1
-</source>
-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>).
-<source lang="lisp">
- .print DC I(Vd)
- .plot DC I(Vd)
-</source>
-Posledný príkaz zapíše výsledky v binárnom tvare vhodnom pre grafický postprocesor:<br />
-<source lang="lisp">
- .probe I(Vd)
- .end
-</source>
-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.
-Ak budeme schému kresliť v programe KiCAD tak ako zdroj môžeme použiť ľubovoľnú schematickú značku,
-podstatné je označenie a hodnota, z ktorej si simulátor vezme potrebné parametre. Obrázok samotný
-pre simuláciu nie je podstatný. V našom prípade sme použili značku voltmetra.
 Pozor, dióda môže mať v KiCADe prehodené poradie vývodov a potom na výstupe uvidíte len napätie 0,7 V
@@ Riadok 101: / Riadok 76: @@
      Vin 1 0 sin (18 2 50)
      R0  1 2 500
+    Rz  2 0 2k
      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}
+Záťaž predstavuje rezistor Rz s hodnotou, ktorá sa mení od 1k až po 10k. Ako prvý odhad zadáme 2k a potom budeme používať nástroj Tune v KiCADe.
-    .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).
 == <span>Príklad č.4:</span> Operačný zosilňovač. ==
@@ Riadok 152: / Riadok 131: @@
 * http://stffrdhrn.github.io/electronics/2015/04/28/simulating_kicad_schematics_in_spice.html
 * https://github.com/stffrdhrn/kicad-spice-demo
+Nove linky 2023:
+* https://blog.mbedded.ninja/electronics/general/kicad/kicad-tips-and-tricks/#_windows (vela dobrych info!)
+* https://www.woolseyworkshop.com/2019/07/01/performing-a-circuit-simulation-in-kicad/
+* https://ngspice.sourceforge.io/ngspice-eeschema.html#BipAmp
+* https://forum.kicad.info/t/simulation-examples-for-kicad-eeschema-ngspice/34443/43