Simulacija vezij – SPICE

Dejan Križaj, 2016

Brez simulacije vezij si praktično ne znamo več zamišljati resnega dela inženirja pri razvoju novega električnega vezja. V ta namen obstaja veliko rešitev, računalniških orodij, s katerimi si lahko pomagamo. Najbolj znano orodje za simulacijo vezij temelji na t.i. SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) konceptu,  katerega temelje so postavili na Univerzi v Brekleyu (ZDA) že leta 1973. Temeljila je na uporabi Kirchoffovih zakonov, mi bi rekli na metodi spojiščnih potencialov, ki temelji na uporabi prvega Kirchoffovega zakona (metoda ima seveda implicitno vgrajen tudi drugi KZ).

SPICE simulacija omogoča raznovrstno simulacijo vezij, od katerih so najbolj pomembne:

-                     DC analiza

-                     AC analiza (izmenični signali)

-                     Tranzientna analiza (prehodni pojav)

-                     Analiza šuma

-                     Analiza prenosne funkcije (Bode)

Obstaja vrsta verzij simulatorjev vezij, ki temeljijo na konceptu SPICE, veliko je tudi brezplačnih. Najpogosteje uporabljamo programe LTSpice, NI Multisim, Tina-Ti, PSpice idr. Oglejte si seznam programov za simulacijo vezij na tej spletni strani. Več si lahko preberete na primer na straneh

https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_EDA_software ali http://www.circuitstoday.com/circuit-design-and-simulation-softwares

https://mixedsignal.wordpress.com/2011/02/04/top-ten-circuit-simulators/.

In še posebnost: na Fakulteti za elektrotehniko deluje skupina, ki zelo uspešno razvija lastno verzijo Opus SPICE, ki je specializirana za optimizacijske postopke: http://www.spiceopus.si/

5SPICE

Za prvi stik s SPICE simulacijo je pomembno, da je uporabniška izkušnja dobra, to pomeni, da lahko študent zelo hitro pride do uporabnih rezultatov. Program, ki ga predlagam za začetek je 5spice (http://www.5spice.com ). Pri tem se zavedam, da to ni najbolj popularen program, oziroma program, ki se največ uporablja v praksi. Ima pa določene prednosti, predvsem enostavnost uporabe, ki, kot sem že omenil, je ključna v uvajalnem obdobju.

http://physics.wm.edu/~evmik/classes/Physics_252_Analog_Electronics/lab_manuals/LabManual_Chpt12.pdf

Video tutorial: https://www.youtube.com/channel/UCC1qbSb4QSiS_0mZziTIxTA

Moje prvo vezje

1. S File/New začnemo novo shemo

2. Na desni je orodjarna z elementi. Izberemo elemente in jih postavimo na namizje. S pritiskom na tipko R zavrtimo (Rotate) element. Lahko ga tudi spustimo, ponovno izberemo (se obarva rdeče) in s tipko R zavrtimo. Sedaj ste vi na vrsti. Narišite preprosto vezje, podobno ali enako kot na sliki. Z dvojnim klikom se pojavi okno v katerem vpišemo potrebne parametre. Na primer, za upor moramo izbrati upornost, lahko pa tudi toleranco in temperaturni koeficient.

 

Postavljene elemente povežemo z vezicami. Predhodno lahko izberemo tudi element Ampermeter  in ga postavimo na mesto v vezju, kjer želimo »meriti« tok.

 

3. Kliknemo Analyze/Select in izberemo način analize (F8). Za začetek je to lahko DC analiza. Pri tej analizi ni potrebno vpisati nobenih dodatnih vrednosti, le pritisnemo Apply and Run levo spodaj

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Izračunane vrednosti vidimo tako, da postavimo kurzor na mesto v vezju in odčitamo vrednost napetosti. Lahko tudi kliknemo na zavihek DC bias, v katerem je tabela tokov in potencialov v vezju.

5. Nato lahko opravimo še Tranzientno analizo. V zavihku Analysis izberemo Transient. Pri tej analizi je potrebno predvsem izbrati začetni in končni čas simulacije (obarvano na sliki spodaj). Lahko pa nastavimo tudi druge vrednosti kot časovni korak, ki je lahko bolj ali manj natančen, spreminjanje temperature ali parametrično analizo s spreminjanjem vrednosti enega ali več parametrov. V tem primeru dobimo kot rezultat izris več krivulj.

 

5. Pred izračunom izberemo še zavihek Graph/Table in izberemo katere vrednosti želimo izrisati po izračunu. To so tokovi ali napetosti/potenciali, ki smo jih definirali s postavitvami ampermetrov, voltmetrov ali merilnikov potencialov. V našem primeru na levi osi izrišemo napetost, na desni pa tok (Ampermeter smo naknadno dodali v vezje). Po potrebi nastavimo še druge vrednosti kot so max in min vrednosti osi itd. V našem primeru smo uporabili še možnost izračuna in izrisa poljubne enačbe, s katero smo zmnožili tok in napetost na kondenzatorju, kar nam omogoča še izris moči na kondenzatorju pri prehodnem pojavu.

6. Nato kliknemo le še Apply and Run in simulacija se bo zagnala in prikazal se bo izračun kot prikazuje spodnja slika. Ker smo opravili parametrično analizo lahko vidimo več potekov za različne vrednosti temperature. Desno lahko izberemo, katero krivuljo želimo opazovati (rumeno obarvano). Na grafu lahko povlečemo še drsnik, ki ga nastavimo na določen čas in na desni razberemo vrednosti ob tem času.

 

Spice simulacija transformatorja

5Spice (in seveda tudi drugi Spice programi) omogoča simulacijo vezij, ki vključujejo element transformator. Delovanje transformatorja proučujemo v laboratorijski vaji. Vaša naloga je, da pripravite Spice model, ki bo upošteval parametre navitij ter vzbujanja in opravite simulacijo. Navodila: PDF. 

 

---

POGOSTE NAPAKE (FAQ):

1) Na tabli imam izbran element, a ko ga postavim na namizje, mi ostane izbran in ne morem izbrati drugega iz orodjarne. Rešitev: pritisnite tipko Escape (Esc) in element ne bo več izbran.

2) Ko vnesem vrednosti elementov z decimalno vejico, mi program javi napako. Rešitev: uporabite decimalno piko.

3) Ne uspe mi uporabiti vira s poljubno definirano obliko (Piece-wise). Rešitev: izbrišite time in amplitude in namesto time vpišite vrednost časa in namesto amplitude napišete vrednost pri tem času. Primer je spodaj

      

Še kaj? Pišite na Ta e-poštni naslov je zaščiten proti smetenju. Za ogled potrebujete Javascript, da si jo ogledate.  in bom dodal.