Програма моделювання аналогових та цифрових пристроїв QSPICE, частина 2

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

В. Макаренко

У другій частині статті розглянемо генератори сигналів програми QSPICE.

Генератор прямокутних імпульсів

Виклик генератора натисканням клавіші v.

Синтаксис параметрів генератора має вигляд:

pulse(Voff Von Tdelay Trise Tfall Ton Tperiod Ncycles),

де:

• Voff -мінімальна напруга імпульсу, В
• Von – максимальна напруга імпульсу, В
• Tdelay- час затримки початку формування ім­пульсів, с
• Trise – тривалість фронту імпульсу, с
• fall – тривалість спаду імпульсу, с
• Ton- тривалість сталого стану імпульсу, с
• Tperiod- тривалість переіоду слідування ім­пульсів, с
• Ncycles- кількість імпульсів (при відсутності цього параметру формується неперервна послідов­ність імпульсів).

Параметри можна писати як в дужках, так і без них.

На рис. 1 наведена модель генератора, на рис. 2 – результат формування 5 імпульсів з амплітудою +3 В і затримкою 10 мкс. На рис. 3 наведена – неперерв­на послідовність однополярних імпульсів ампліту­дою 3 В (при відсутності Ncycles у параметрах гене­ратора імпульсів).

Рис. 1. Модель для дослідження генератора імпульсів

Рис. 2. Результат формування імпульсних сигналів відповідно моделі на рис. 1

Рис. 3. Неперервна послідовність імпульсів (при відсутності Ncycles у параметрах генератора імпульсів)

Генератор імпульсів може формувати трикутні та пилкоподібні імпульси. На рис. 4 наведена модель генератора двох біполярних трикутних імпульсів, а на рис. 5 – часові діаграми сформованого сигналу.

Змінюючи напругу зміщення, тривалості фронту, спаду, вершини та інтервалу між імпульсами, можна сформувати імпульсний сигнал довільної форми, що складається з чотирьох лінійних відрізків.

Рис. 4. Модель генератора трикутних біполярних імпульсів

Рис. 5. Часові діаграми вихідного сигналу генератора трикутних імпульсів

Генератор експоненціальних імпульсів

Синтаксис параметрів генератора має вигляд:

pulse EXP V1 V2 Td1 Tau1 Td2 Tau2 Td3 N Tperiod, де:

• V1 – початкове значення напруги, В
• V2 – амплітуда імпульсу, В
• Td1 – час затримки підйому, с
• Tau1 – постійна часу наростання, с
• Td2 – час затримки спаду, с
• Tau2 – постійна часу спаду, с
• Td3 – час затримки повтору імпульсів, с
• N – кількість імпульсів
• Tperiod – період повторення, с.

На рис. 6 наведена модель генератора експо­ненціальних імпульсів.

Рис. 6. Модель генератора експоненціальних імпульсів для формування одного імпульсу

Форма сигналу, сформованого генератором експоненціальних імпульсів, наведена на рис. 7.

Рис. 7. Експоненціальний імпульс сформований генератором на рис. 6

При формуванні повторюваних пакетів з декіль­кох імпульсів потрібно ввести всі параметри генера­тора. На рис. 8 наведена модель формування непе­рервної послідовності пакетів з трьох експоненці­альних імпульсів, а на рис. 9 – часові діаграми сфор­мованого сигналу.

Рис. 8. Модель формування неперервної послідовності пакетів з трьох експоненціальних імпульсів

Рис. 9. Часові діаграми неперервної послідовності пакетів з трьох експоненціальних імпульсів

При значеннях часу, менших Td1, вихідна напруга дорівнює V1. При значеннях часу між Td1 і Td2 напру­га визначається рівнянням:

V(t) = V1 + (V2 – V1)-(1 – exp- (t – Td1)/Tau1)).

Для значень часу після Td2 напруга задається формулою:

V(t) = V1 + (V2 – V1)-(1- exp -(t -Td1)/Tau1)) – – (V2 – V1)-(1- exp(-(t – Td2)/Tau2)).

Генератор частотно-модульованого сигналу

Синтаксис параметрів генератора має вигляд:

SFFM Voff Vamp Fcar MDI Fsig,

де:

• Voff – постійне зміщення, В
• Vamp – амплітуда вихідного сигналу, В
• Fcar – частота носійного коливання, Гц
• MDI – індекс модуляції
• Fsig – частота модулюючого коливання, Гц.

На рис. 10 наведена модель ЧМ-генератора з но- сійною частотою 20 кГц, частотою модулюючого сигналу 3 кГц і індексом модуляції 2. Форма та спектр сформованого ЧМ-сигналу наведені на рис. 11 і 12, відповідно.

Рис. 10. Модель генератора ЧМ-сигналу

Рис. 11. Вихідний сигнал ЧМ-генератора

Рис. 12. Спектр ЧМ-сигналу виміряний з використанням вагової функції Kaiser

Генератор імпульсів Гауса

Синтаксис параметрів генератора має вигляд:

GAUSS Td Amp Sigma , де:

• Td – час затримки, с
• Amp – амплітуда сигналу, В
• Sigma – стандартна девіація, с
• – період повторення (не обов’язко­во).

Модель генератора Гауса наведена на рис. 13, а форма періодичного сигналу на його виході – на рис. 14.

Рис. 13. Модель генератора імпульсів Гауса

Рис. 14. Форма сигналу періодичної послідовності імпульсів Гауса

Уявне імпульсне джерело Гауса Imaginary Gaussian Pulse Voltage Source

Синтаксис параметрів генератора має вигляд:

IGAUSS Td Period Sigma Amp,

де:

• Td – час затримки, с
• Period – період повторення
• Sigma – стандартна девіація, с
• Amp – амплітуда сигналу, В.

Модель генератора Гауса наведена на рис. 13, а форма періодичного сигналу на його виході – на рис. 14.

Рис. 15. Модель уявного генератора імпульсів Гауса

Рис. 16. Форма сигналу періодичної послідов- ності імпульсів на виході уявного Гауса

Джерело частотно-маніпульованого сигналу з частотною модуляцією Piece–wise Linear Chirp Source

Синтаксис параметрів генератора має вигляд:

CHIRP AMP T1 FREQ1 T2 FREQ2 .

У моменти часу до T1 напруга являє собою си­нусоїдальну хвилю з амплітудою AMP і частотою FREQ1, в періоди часу між T1 і T2 частота змі­нюється лінійно між частотами 1 і 2. Може бути задано будь-яку кількість часових і частотних то­чок. Для часу, що минув після останнього разу, частота не змінюється.

На рис. 17 наведена модель генератора з лі­нійною частотною модуляцією від 30 кГц до 3 кГц на обмеженому інтервалі часу від 0 до 2 мс. На ін­тервалі часу від 2 до 4 мс вихідна частота генера­тора не змінюється і дорівнює 3 кГц.

Якщо додатково ввести параметри (рис. 19), то частота сигналу змінюється на всьому і сигнал приймає вигляд наведений на рис. 20.

Як випливає з рис. 20, частота змінюється від початкового значення до заданого на протязі перши 2 мс, а на інтервалі часу після 2 мс продов­жує змінюватись і знижується до 0.

Якщо у параметрах генератора записати до­датково тільки XTRAP (рис. 21), то формується сигнал з лінійною частотною модуляцією у якому на інтервалі часу 2 мс частота знижується з 30 до 3 кГц, а на інтервалі часу від 2 до 10 мс – зростає від 3 до 30 кГц (рис. 22).

Рис. 17. Модель генератора з лінійною частотною модуляцією на обмеженому інтервалі часу

Рис. 18. Форма сигналу з лінійною частотною модуляцією на інтервалі часу 0…2 мс

Рис. 19. Модель генератора з лінійною частотною модуляцією і додатковими параметрами

Рис. 20. Форма сигналу з лінійною частотною модуляцією і додатковими параметрами

Рис. 21. Модель генератора з лінійною частотною модуляцією і додатковим параметром

Рис. 22. Форма сигналу з лінійною частотною модуляцією і додатковим параметром

На рис. 23 наведено приклад генератора з трьома заданими інтервалами. На інтервалі 0…2 мс частота змінюється від 30 ло 3 кГц, на інтервалі 2.4 мс частота змінюється від 3 до 6 Гц і на ін­тервалі 6.10 мс дорівнює 1 кГц.

Рис. 23. Модель генератора з трьома заданими інтервалами зміни частоти

Рис. 24. Сигнал на виході генератора з трьома заданими інтервалами зміни частоти

Розглянуті приклади демонструють широкі можливості такого генератора.

Шматочно-лінійне джерело напруги (Piece–wise Linear Voltage Source)

Синтаксис параметрів генератора:

PWL t1 v1 t2 v2 t3 v3… , PWL FILE file.txt .

Для періоду часу до t1 напруга дорівнює v1. Для періоду часу між t1 і t2 напруга змінюється лінійно між v1 і v2. Може бути вказано будь-яку кількість ча­сових точок напруги. Після останнього значення часу напруга не змінюється і її значення долівнює останньому вказаному значенн.

Другий синтаксис дозволяє завантажувати пари точок часу та значення з файлу file.txt.

Точки PWL можна повторити з наступним синтак­сисом:

PWL REPEAT FOR 3 t1 v1 t2 v2 t3 v3… ENDREPEA, PWL REPEAT FOREVER t1 v1 t2 v2 t3 v3… ENDREPEAT.

На рис. 25 наведена модель для формування сигналу з двох відрізків, а саме трикутного ім­пульсу амплітудою 1 В і тривалістю фронту і спа­ду по 100 мкс. Форма сигналу на виході цього ге­нератора наведена на рис. 26.

Рис. 25. Модель для формування сигналу з двох відрізків

Рис. 26. Форма сигналу сформованого з двох відрізків генератором на рис. 25

На рис. 27 наведено генератор, що формує сигнал з п’яти відрізків, а на рис. 28 – форма сиг­налу на його виході.

Рис. 27. Модель для формування сигналу з декількох відрізків

Рис. 26. Форма сигналу сформованого з декількох відрізків генератором на рис. 27

На жаль у файлі підказки програми у переліку ге­нераторів більше ніяких пристроїв немає. Для фор­мування складних сигналів струму або напруги по­трібно використовувати джерела з модифікацією поведінки або, так звані, довільні генератори.

Довільне джерело напруги або струму (Arbitrary Behavioral Voltage or Current Source)

Довільне джерело напруги або струму натискан­ням клавіши B, а струму – утриманням клавіши B поки не з’явиться джерело струму (рис. 33).

Рис. 33. Довільні джерела напруги і струму

Вирази, що визначають функціонування джерел напруги V, струму I та функціонального резистора R мають синтаксис:

V=<eupa3> , 1=<вираз> , R=<eupa3> .

У виразах прийняті наступні позначення:

• ic (Initialvalue) – початкове значення у амперах чи вольтах
• CPAR – паралельна ємність, Ф
• Rser – послідовний опір, Ом
• Rpar – паралельний опір, Ом
• SYNTHESIZE- синтезована схема Лапласа на­віть для анлізу на змінному струмі .AC
• THEVENIN-еквівалент Theveninдля довільного опору.

За допомогою <виразу> можна отримати доступ до напруги і струмів будь-якого пристрою, пред­ставленого в еквіваленті Thevenin: V-пристроїв, E- пристроїв, І-пристроїв, h-пристроїв і B-пристроїв, які представляють собою напругу або резистори, зазначені як Thevenin.

Також можна отримати доступ до струмів деяких пристроїв, представлених у Norton equivalent: F- пристроїв, G-пристроїв, R-пристроїв, s-пристроїв та W-пристроїв. Значення струмів цих еквівалентів Norton точні з точністю до ітерації і коректно функ­ціонують при аналізі змінного струму.

В якості незалежних змінних можуть використо­вуватися різні напруги і струми модельованої схеми, а також змінна time, що символізує поточний час мо­делювання. Над цими змінними можна здійснювати- різні математичні та логічні операції (табл. 1), а та­кож використовувати їх в якості аргументів різних математичних і логічних функцій (табл. 2).

Розглянемо приклад використання функціональ­ного джерела напруги. На рис. 34 наведена схема амплітудного модулятора, побудованого нетради­ційним способом. Модулятором служить джерело напруги B1, а джерелами носійного і модулюючого коливань, генератори напруги V1 і V2, відповідно.

Глибина модуляції задається величиною постій­ного зміщення генератора V2 (на моделі рис. 34 ця величина дорівнює 2.2 В).

Рис. 34. Амплітудний модулятор на основі довільного джерела напруги

Таблиця 1. Математичні і логічні операції

Таблиця 2. Математичні і логічні функції

Продовження таблиці 2

Рис. 35. Сигнали на виходах генераторів V1, V2 та B1

З іншими можливостями QSPICE будемо знайо­митись в наступних частинах статті.

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