Програма моделювання аналогових та цифрових пристроїв QSPICE, частина 3

Пристрої формування сигналів у безкоштовній програмі QSPICE

У статті наведена коротка інформація про при­строї формування сигналів у безкоштовній програмі моделювання аналогових та цифро­вих пристроїв QSPICE від компанії Qorvo. Пока­зані особливості налаштування та роботи з при­строями.

В. Макаренко

Приклади використання пристроїв у QSPICE

У третій частині статті розглянемо приклади ви­користання розглянутих пристроїв та інші пристрої програми QSPICE.

Амплітудний модулятор та детектори

Модулятор та детектор на основі довільного джерела

На рис. 1 наведена модель амплітудного моду­лятора та детектора АМ-сигналів на основі довіль­ного джерела напруги. З сигналів генераторів на­пруги V1 (джерела модулюючого коливання) та V2 (джерела носійного коливання) за допомогою до­вільного джерела напруги В1 формується АМ-сиг- нал, а за допомогою В2, яке виконує функцію вилу­чення квадратного кореня, формується однополяр- ний сигнал (рис. 2). Нагадаємо параметри генера­тора напруги: sine 1.2 1 2K – синусоїдальний сигнал з постійним зміщенням 1.2 В, амплітудою 1 В та ча­стотою 2 кГц.

Синхронний детектор

На основі генератора довільної форми можна по­будувати синхронний детектор шляхом множення АМ-сигналу на сигнал носійної частоти. На рис. 3 ге­нератор В2 виконує функцію аналогового перемно­жувача напруги. Результат детектування наведений на рис. 4.

Детектор з функцією abs(x)

На основі генератора довільної форми можна по­будувати детектор іншим способом. На рис. 5 гене­ратор В2 виконує функцію знаходження абсолютної величини. Результат детектування наведений на рис. 6.

Використання функції buf

Ще одна функція довільного джерела напруги – buf. Ця функція формує на виході генератора напру­гу з рівнем 1 В при умові, що х більше 0.5, а в усіх ін­ших випадках формує 0. Модель з використанням функції buf наведена на рис. 7, а результат виконан­ня моделювання – на рис. 8. Коли амплітуда АМ-сиг- налу перевищує 0.5 В, на виході В2 формується па­кет імпульсів з частотою носійного коливання амплі­тудою 1 В.

Функції генератора довільної форми

Перелік функцій

• abortsim(x) – симуляція зупиняється коли x > 5, в іншому випадку повертає значення x
• abs(x) – абсолютне значення x
• acos(x), arccos(x) – arccos(x)
• acosh(x) – повертає гіперболічний косинус числа x
• asin(x) – arcsin(x)
• arcsin(x) – синоним asin()
• asinh(x) – гіперболічний арксинус числа х
• atan(x) – arctn(x)
• arctan(x) – синоним atan()
• atan2(y,x) – чотирьохквадрантний arctn y/x
• atanh(x) – гіперболічний arctn
• buf(x) – 1 при x > 0.5, в інших випадках 0
• ceil(x) – ціле число, рівне або більше x
• cos(x) – косинус x
• cosh(x) – – гіперболічний косинус x
• ddt(x) – похідна за часом від x
• delay(x,y) – x затримується на y
• delay(x,y,z)2 – x затримується на y, але зберігає історію не більше ніж на z
• dlim(x,y,z) – x, обмежений y, до якого він асимп­тотично починає наближатися при y + z як до першо­го ряду Лорана зворотного порядку
• exp(x) – ex
• floor(x) – ціле число, рівне або менше x
• hypot(x,y) – sqrt(x2 + y2)
• idt(x,y,z) – інтеграл часу від x з початковою умо­вою, скидається у 0 коли z>0.5
• if(x,y,z) – якщо x > 0.5, то y, інакше z
• int(x) – перетворює x у ціле число
• inv(x) – 0 якщо x > 0.5, в іншому випадку 1
• limit(x,y,z) – проміжне значення x, y і z
• ln(x) – натуральний логарифм від x
• log(x) – альтернативний синтакс для ln()
• log10(x) – логарифм за основою 10
• max(x,y) – найбільше зі значень x або y
• min(x,y) – найменше зі значень x або y
• pow(x,y) – xy
• pwr(x,y) – abs(x)y
• pwrs(x,y) – sgn(x)-abs(x)y – повертає представ­лення числа у вигляді значення типу Integer (String), яке позначає знак числа abs(x)y
• random(x) – випадкове число від 0 до 1 в залеж­ності від цілого значення x, інтерполяція між випад­ковими числами лінійна для нецілих значень x
• resetwave(x) – очищає дані форми сигналу, якщо x>0.5
• sin(x) – синус x
• sinh(x) – гіперболічний синус x
• sqrt(x) – квадратний корінь з x
• state(n,x) – значення часу, що пройшов x n кро­ків назад, n округлюється до найближчого цілого числа і обмежується діапазоном від 0 до 3
• table(x,a,b,c,d,…) – інтерполяція x з довідкової таблиці, представленої у вигляді набору пар постій­них значень
• tan(x) – тангенс x
• tanh(x) – гіперболічний тангенс x
• ulim(x,y,z) – x, обмежений y, до якого він асимп­тотично починає наближатися в точці y-z як до пер­шого ряду Лорана зворотного порядку

Приклад використання функції delay

Наведемо ще одну модель в якій використано функцію delay (рис. 9). На рис. 10 наведено резуль­тат затримки АМ-сигналу (червона крива) на 10 мкс.

Всі функції перелічені вище використовуються також у генераторах струму.

Пристрій F – джерело струму що управляєть­ся струмом

F-пристрій визначає струм в пристрої <назва> і передає струм між вузлами N+ і N-.

Синтакс Fnnn N+ N- <назва> <підсилення>.

Відношення вихідного струму до вимірюваного струму задається за допомогою коефіцієнта підси­лення <gain>. Чутливим елементом може бути будь- який елемент, внутрішньо представлений у вигляді еквівалентної схеми, тобто E, H, L або V-пристрої. В- пристрій також може використовуватися в якості чутливого елемента, якщо В пристрій формує на­пругу.

F-пристрій було реалізовано в SPICE для того, щоб застосувати теорію модифікованого вузлового аналізу до всіх можливостей лінійно залежних дже­рел. Однак немає фізичних електронних компонен­тів, які поводяться як F-пристрій. Зазвичай найкра­щим підходом є використання B, G, Ґ, Б та J при­строїв, або навіть транзисторів, оскільки вони мо­жуть бути сконфігуровані так, щоб вести себе як ре­альні пристрої.

На рис. 11 наведено приклад моделі з викори­станням F пристрою, а на рис. 12 – результат моде­лювання.

Пристрій G – джерело струму, що управ­ляється напругою

G-пристрій (рис. 13) визначає вхідну напругу між вузлами NC+ і NC – і визначає струм між вузлами N+ і N-.

Синтаксис: Gnnn N+ N- NC+ NC- <провідність>

Відношення вихідного струму до вимірюваної на­пруги визначається параметром <провідність>. Ре­зультат формування струму джерелом струму, що управляється напругою наведено на рис. 14.

G-пристрої є найбільш корисними з лінійно за­лежних джерел у SPICE, оскільки вони представлені найбільш аналогічно транзисторам у модифіковано­му вузловому аналізі SPICE. Краще використовувати G-джерела замість E, F або H пристроїв.

Можна додати частотну залежність до G-джере- ла, вказавши передавальну функцію Лапласа:

Синтаксис: Nnn N + N-NC + NC – <провідність> LAPLACE=<вираз у S-області>.

Пристрій E – джерело напруги, що управ­ляється напругою

Синтаксис: Ennn N + N-NC + NC – <коефіцієнт підсилення>

Електронний пристрій (рис. 15) визначає вхідну напругу між вузлами NC+ і NC – і формує напругу між вузлами N+ і N-. Відношення вихідної напруги до ви­мірюваного визначається параметром <коефіцієнт підсилення>. Вказівка внутрішнього послідовного опору є необов’язковою.

Можна додати до джерела електронного зв’язку залежність від частоти, вказавши передавальну функцію Лапласа:

Синтаксис: Ennn N + N-NC + NC – <коефіцієнт підсилення> LAPLACE=<eupa3 у S-області>

Пристрій H – джерело напруги, що управ­ляється струмом

Синтаксис: Hnnn N + N – <назва> <перехідний опір>

H пристрій (рис. 17) визначає струм в пристрої <назва> і встановлює напругу між вузлами N+ і N-. Відношення вихідної напруги до вимірюваного стру­му визначається параметром <перехідний опір>. Вимірювальним пристроєм може бути будь-який елемент, внутрішньо представлений у вигляді екві­валентної схеми Тевенена, тобто E, H, L або V при­строї. Пристрій B також може бути використаний як чутливий елемент, якщо цей B пристрій формує на­пругу. Вихідна напруга джерела напруги Н, що управляється струмом, та струм управління наведе­ні на рис. 18.

H-пристрій було реалізовано в SPICE для того, щоб застосувати теорію модифікованого вузлового аналізу до всіх можливостей лінійно залежних дже­рел. Оскільки не існує фізичних електронних компо­нентів, які насправді поводяться як H-пристрій, він знаходить обмежене застосування на практиці.

Пристрій S – аналоговий ключ що управ­ляється напругою

Синтаксис: Nnn N1 N2 NC+ NC- < модель>

Напруга між вузлами NC+ і NC- управляє опором ключа між вузлами N1 і N2. На рис. 19 наведена мо­дель ключа, що управляється генератором трикут­ної напруги V1 (рис. 20). Параметри моделі:

• OFF – ключ закритий за замовчуванням
• ON – ключ відкритий за замовчуванням
• Ron – опір ключа у відкритому стані
• Roff – опір ключа у закритому стані
• Vh – ширина петлі гістерезиса
• Vt – порогова напруга.

Ключ відкривається, коли керуюча напруга ста­новить Vt+Vh, і закривається при Vt-Vh. Пристрій дозволяє визначити, наскільки точно слід визначити час перемикання. Якщо напруга гістерезису Vh не­гативна, ключ плавно переходить від Ron до Roff, щоілюструє рис. 20. Це є стандартною поведінкою при моделюванні схем, оскільки більшість аналогових симуляторів не можуть обчислювати схеми з розри­вами.

Більш наочно ілюструє роботу ключа модель на рис. 21, результати роботи якої наведено на рис. 22. Напруга керування задана в діапазоні 0…2 В, поро- говий рівень спрацьовування ключа – 1 В, гістерезис відсутній.

Як випливає з рис. 22, пороговий рівень спраць­овування ключа дорівнює 1 В. На рис. 23 наведено результат моделювання при заданому значенні гі- стерезиса Vh=0.5 В.

Використання гістерезиса дає змогу імітувати роботу тригера Шмітта.

Ще один приклад використання ключа наведе­ний на рис. 24. Це генератор пилкоподібної наруги. Результат моделювання роботи генератора наведе­но на рис. 25.

Конденсатор С1 заряджається струмом 0.1 мА від джерела струму І1. Вхід управління ключа під­ключений до виходу джерела струсу. Коли ключ за­критий конденсатор С1 заряджається. При досяг­ненні порогу спрацьовування ключа Vt+Vh = 0.5+0.4 = 0.9 В він відкривається і конденсатор швидко роз­ряджається через відкритий ключ до величини Vt-Vh = 0.5-0.4 = 0.1 В (рис. 25), при якій ключ закриваєть­ся. Цикл заряду/розряду повторюється.

Змінюючи співвідношення між Vt і Vh, можна ре­гулювати амплітуду і початковий рівень вихідногосигналу такого генератора.

Для ілюстрації впливу параметра ключа ON/OFF на його поведінку скористаємось моделлю наведе­ною на рис. 24, замінивши атрибут SWMOD on на SWMOD off.

Як випливає з рис. 26, зміна атрибута ключа при- звеле тільки до зміни масштабу відображеня сигна­лу на виході генератора.

ЛІТЕРАТУРА

• https://www.qorvo.com/design- hub/blog/spicier-spice-free-fast-circuit-simulation- for-mixed-analog-and-digital
• https://www.qorvo.com/design-hub/design- tools/interactive/qspice