Програма моделювання аналогових та цифрових пристроїв QSPICE, частина 3

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

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

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.

Рис. 1. Амплітудний модулятор та детектор АМ-сигналів на основі довільного джерела напруги

Рис. 2. Сигнали на виходах АМ-модулятора та детектора АМ-сигналів (червоний)

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.

Рис. 3. Синхронний детектор на основі генератора В2

Рис. 4. Сигнали на виходах АМ-модулятора та синхронного детектора АМ-сигналів (червоний)

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.

Рис. 5. Детектор на основі генератора В2 з використанням функції abs(x)

Рис. 6. Сигнали на виходах АМ-модулятора та детектора АМ-сигналів (червоний), побудованого з використанням функції abs(x)

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.

Рис. 7. Використання генератора довільної форми з функцією buf

Рис. 8. Результат формування сигналу на виході генератора довільної форми при використанні функції buf

Перелік функцій, що реалізуються генераторами довільної форми:

• 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.

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

Рис. 9. Використання функції delay для затримки сигналу

Рис. 10. Результат затримки АМ-сигналу (синій) 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.

Рис. 11. Приклад використання джерела струму, що управляється струмом

Рис. 12. Результат формування струму джерелом струму F1

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.

Рис. 13. Приклад використання джерела струму, що управляється напругою

Рис. 14. Результат формування струму джерелом струму, що управляється напругою

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:

Рис. 15. Джерело напруги Е1, що управляється напругою

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 Тевеніна, 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.

Рис. 17. Джерело напруги Н, що управляється струмом джерела Vsense

Рис. 18. Вихідна напруга джерела напруги Н, що управляється струмом, та струм управління (синя крива)

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.

Рис. 19. Модель для ілюстрація роботи ключа з гістерезисом

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.

Рис. 20. Результат моделювання роботи ключа з гістерезисом

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.

Рис. 21. Модель з використанням ключа без гістерезиса

Рис. 22. Результат моделювання роботи ключа без гістерезиса

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.

Рис. 23. Результат моделювання роботи ключа з гістерезисом 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.

Рис. 24. Модель генератора пилкоподібної напруги з використанням аналогового ключа

Рис. 25. Сигнал на виході генератора пилкоподібної напруги з атрибутом SWMOD on

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.

Рис. 26. Сигнал на виході генератора пилкоподібної напруги з атрибутом 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