Huong dan su dung phan mem Pspice
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×
 

Huong dan su dung phan mem Pspice

on

  • 4,709 views

 

Statistics

Views

Total Views
4,709
Views on SlideShare
4,709
Embed Views
0

Actions

Likes
4
Downloads
173
Comments
1

0 Embeds 0

No embeds

Accessibility

Categories

Upload Details

Uploaded via as Adobe PDF

Usage Rights

© All Rights Reserved

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment

Huong dan su dung phan mem Pspice Huong dan su dung phan mem Pspice Document Transcript

  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Tài liệu lưu hành nội bộ Hướng dẫn sử dụng phần mềm PSpice ứng dụng trong phân tích và giải cácmạch điện Trong báo cáo này tôi trình bày việc ứng dụng phần mềm PSpice trongphân tích và giải mạch điện. Nội dung của báo cáo gồm hai chương: Chương 1 đềcập đến lịch sử phát triển, các tính năng chính của phần mềm Spice, PSpice vàOrCAD; Chương 2 mô tả quy trình thực hiện một số phân tích cơ bản như phântích một chiều, xoay chiều, quá độ, hồi đáp tần số và thời gian và các bước để thựchiện một số ví dụ đơn giản.Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version MỤC LỤCChương 1 TỔNG QUAN VỀ SPICE, PSPICE VÀ ORCAD .........................................1 1.1. Tổng quan về OrCAD..............................................................................................1 1.1.1. Capture ............................................................................................................1 1.1.2. Layout ..............................................................................................................2 1.2. Tổng quan về Spice và PSpice ................................................................................3 1.2.1. Lịch sử ra đời ..................................................................................................3 1.2.2. Các phiên bản và tính năng của PSpice A/D................................................4 1.2.3. Thư viện mô hình............................................................................................5 1.2.4. Các bước tiến hành mô phỏng và phân tích mạch điện ..............................6 1.2.5. Chương trình mô phỏng mạch điện bằng PSPICE .....................................7Chương 2 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PSPICE CỦA OrCAD 10.0...............................9 2.1. Các bước tiến hành .................................................................................................9 2.2. Thực hiện một số phân tích cơ bản ......................................................................17 2.2. 1. Phân tích quá trình quá độ .........................................................................17 2.2.2. Phân tích quá trình quét của nguồn AC.....................................................20 2.2.3. Mô phỏng quá trình làm việc của máy biến áp..........................................22 2.2.4. Mạch chỉnh lưu và quá trình quét tham số ................................................23Tài liệu tham khảo ...........................................................................................................27Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Chương 1 TỔNG QUAN VỀ SPICE, PSPICE VÀ ORCAD1.1. Tổng quan về OrCAD OrCAD là một bộ công cụ dùng cho quá trình thiết kế mạch điện tử. Bộphần mềm này được phát triển và cung cấp bởi tập đoàn Cadence. Phiên bản hiệntại của OrCAD là 10.0. Đây là một bộ công cụ gồm nhiều phần mềm khác nhauphục vụ cho việc thiết kế mạch nguyên lý, xuất mạch in, mô phỏng, phân tíchmạch điện. Các công cụ chính của OrCAD là Capture, Layout, PSPICE, bên cạnhđó còn một số phần mềm hỗ trợ quá trình phân tích, tối ưu hoá mạch điện cũngnhư quản lý các tệp tin của dự án...1.1.1. Capture Là công cụ dùng để xây dựng các sơ đồ mạch trong quá trình thiết kế. Sơ đồmạch nguyên lý là sơ đồ mà trong đó các phần tử của mạch điện được thể hiệndưới dạng các ký hiệu của chúng và được kết nối với nhau theo một quy tắc nhấtđịnh nhằm đảm bảo hoạt động của mạch điện đúng như mong đợi. Hình 1: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi DC sang AC công suất 300mA Với công cụ này chúng ta có thể xây dựng các sơ đồ nguyên lý của mạchđiện tử dựa trên một thư viện về các phần tử hết sức phong phú và đa dạng, bêncạnh đó nó còn cho phép người dùng tạo ra các thư viện của riêng mình và thêmvào cơ sở dữ liệu của chương trình. Việc xây dựng sơ đồ nguyên lý là một việclàm hết sức cần thiết trong quá trình thiết kế một mạch điện tử. Dựa trên sơ đồnguyên lý người ta có thể kiểm tra lại tính chính xác của mạch điện cũng như dựđoán được khả năng làm việc của thiết bị thực. Đây cũng là giai đoạn ban đầuVũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 1
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Versionnhằm cung cấp mạch đầu vào cho quá trình phân tích các đặc tính của mạch điệnsử dụng PSPICE, cũng như là nguồn để tạo ra phần phôi của mạch in, từ đó cungcấp các dữ liệu cho quá trình sản xuất mạch in.1.1.2. Layout Công cụ này dùng để sắp xếp các phần tử thực của mạch điện trên một bảngmạch. Bảng mạch in (Printed Circuit Board – PCB) được dùng để hỗ trợ việc kếtnối các thành phần của bảng điện tử, trên đó đường nối giữa các phần từ được tạora bằng các cho axit ăn mòn lớp đồng nằm trên các phiến không dẫn điện. Cácphần tử được định vị trên bảng mạch nhờ các lỗ cắm. Với công cụ này chúng ta có thể sắp xếp các phần tử thực của mạch điệnmột cách hợp lý và khoa học. Đầu ra của công cụ này là một bảng mạch in trên đócó các dấu của đường dẫn cũng như vị trí của các lỗ cắm linh kiện, từ đó nhà sảnxuất có thể sử dụng các máy điều khiển số để khoan lỗ cũng như cho ăn mòn cáctấm bakelet đồng để tạo đường dẫn của mạch điện. Với OrCAD chúng ta có thể kết nối với các máy sản xuất số tạo nên dâychuyền sản xuất sản phẩm từ quá trình thiết kế mạch nguyên lý cho đến sản phẩmthực. Hình 2: Bảng mạch in của bảng ma trận điện tửVũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 2
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version1.2. Tổng quan về Spice và PSpice1.2.1. Lịch sử ra đời Kỹ thuật điện là ngành khoa học nghiên cứu về những ứng dụng của cáchiện tượng điện, từ nhằm biến đổi năng lượng và tín hiệu, bao gồm việc phát,truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng trong sản xuất và đời sống. Kỹ thuật điện tử là ngành khoa học nghiên cứu về những ứng dụng của cáctín hiệu điện tử bao gồm việc thu thập, gia công, xử lý, truyền tải tín hiệu. Để thuận tiện cho việc tính toán, thiết kế các thiết bị điện từ, người tathường thay thế các mạch điện thực tế bằng các mô hình thay thế và các sơ đồmạch điện tương đương. Việc phân tích các mạch điện nhằm dự đoán và kiểm trakhả năng làm việc của các thiết bị điện từ hoặc nhằm đưa ra các sản phẩm phù hợpvới yêu cầu đặt ra. Phương pháp thực tế để kiểm tra một mạch điện là xây dựng chúng. Tuynhiên, từ những năm 1970, khi mà các thành phần của một mạch tích hợp hợp cókích thước ngày càng nhỏ bé thì việc xây dựng các vi mạch này trở nên rất khókhăn. Bên cạnh đó, những tác động vật lý - âm thanh, ánh sáng... không ảnh hưởngđến những mạch điện thông thường nhưng lại gây nhiễu rất lớn đối với các vimạch. Vì vậy việc lắp ráp các vi mạch từ các thành phần thực trong phòng thínghiệm đòi hỏi nhiều thời gian, công sức và tiền bạc. Sự phát triển của công nghệ thông tin cho phép xây dựng các phần mềm môphỏng và phân tích quá trình làm việc của mạch điện tử. Khi đó ta có thể xâydựng, thử nghiệm, khảo sát hoạt động của mạch ứng với các trường hợp cũng nhưthay đổi các thông số kỹ thuật và khảo sát ảnh hưởng của chúng đến quá trình làmviệc của toàn mạch. Do đó tăng tính mềm dẻo và khả năng khảo sát nhiều trườnghợp, tình huống khác nhau Vấn đề khó khăn khi sử dụng các phần mềm đó là tính chính xác của cácmô hình. Nếu các mô hình không có các đặc tính giống như các phần tử thực thìviệc mô phỏng là vô nghĩa. Spice (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) là mộtchương trình tính toán được phát triển từ những năm 1970 tại đại học California ởBerkeley, chương trình này được sử dụng để mô phỏng và mô hình hoá các mạchđiện tử tương tự. PSpice (Power Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)được phát triển bởi hãng MicroSim, là một trong những phiên bản thương mạiVũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 3
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Versionđược phát triển từ Spice và trở thành một phần mềm mô phỏng mạch điện phổ biếntrên thế giới. PSpice có cùng các giải thuật và cấu trúc như Spice. Nó cho phépchúng ta mô phỏng các thiết kế trước khi bắt tay vào xây dựng phần cứng. Cácchương trình mô phỏng cho phép chúng ta quan sát ứng xử của mạch điện cũngnhư những thay đổi của chúng khi ta thay đổi các tín hiệu đầu vào hoặc giá trị củacác thành phần trong mạch điện. Do đó có thể kiểm tra lại các thiết kế được coi làđã hoàn thành để xem chúng có chạy đúng trong thực tế hay không. PSpice chỉ môphỏng và tiến hành các phép đo kiểm tra chứ không phải là phần thiết kế các mạchđiện.1.2.2. Các phiên bản và tính năng của PSpice A/D PSpice được đưa ra thị trường với nhiều phiên bản khác nhau: PSpice A/D,PSpice A/D basics và PSpice. Mỗi phiên bản cung cấp các tính năng khác nhau tuỳthuộc vào giá thành và yêu cầu của khách hàng. Trong chuyên đề này, tôi tập trung vào phần mềm PSpice A/D đi kèm trongbộ phần mềm OrCAD của hãng Cadence. PSpice A/D là chương trình dùng để mô phỏng các mạch điện tương tự vàsố. Các tính năng chính của PSpice A/D là: • Phân tích xoay chiều, một chiều, quá độ. Tính năng này cho phép chúng ta kiểm tra các đáp ứng của mạch điện khi được cung cấp các đầu vào khác nhau. Cụ thể: o Phân tích một chiều (DC analysis) hay còn được gọi là phân tích tĩnh. Tính năng này cho phép xác định điện áp dịch mức và trị số dòng điện cho tất cả các nút của mạch bằng cách quét toàn bộ giá trị của điện áp trong một khoảng do người dùng định nghĩa. Điều này rất có ý nghĩa khi muốn xác định đường đặc tính của các mạch điện có chứa các phần tử phi tuyến (như diode, transistor...) hoặc muốn xác định điện thế dịch mức của các mạch khuếch đại. o Phân tích quá độ (Transient Analysis). Mục tiêu của phân tích quá độ (phân tích miền thời gian) là nhằm dự đoán các ứng xử của mạch điện khi có các sự kiện quá độ xảy ra. o Phân tích xoay chiều (AC Analysis). Với phương thức phân tích này ta có thể mô phỏng hồi đáp tần số của mạch điện, tức là ta có thể quan sát được ứng xử của mạch điện khi tần số của nguồn điện thayVũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 4
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version đổi trong một dãy cho trước. Dựa vào đó ta có thể tìm thấy tần số cộng hưởng của mạch. • Phân tích tham số, độ nhạy, giá trị tới hạn. Với những tính năng này chúng ta có thể quan sát những ứng xử của mạch điện khi thay đổi giá trị của các thành phần của nó. • Phân tích thời gian của các mạch số cho phép tìm ra sự cố về thời gian xuất hiện khi kết nối các tín hiệu tần số cao với các tín hiệu có tần số thấp trong quá trình truyền dẫn tín hiệu.1.2.3. Thư viện mô hình PSpice A/D có thư viện mô hình của hơn 15,000 thiết bị tương tự và 1,600thiết bị số của các nhà sản xuất linh kiện ở Bắc Mỹ, Nhật Bản và Châu Âu. Nộidung của các thư viện này là các mô hình số hoá với các tham số mà ta có thể canthiệp và thay đổi cho từng thiết bị cụ thể. Đây là một tính năng hết sức quan trọng,nó cho phép chúng ta có thể xây dựng những mô hình phù hợp với yêu cầu thiếtkế, điều này cho phép chương trình mô phỏng gần sát với thực tế hơn cũng nhưcung cấp cho các nhà thiết kế một công cụ hữu ích trong quá trình xây dựng vàphát triển sản phẩm mới. PSpice A/D cũng cung cấp các mô hình hoá về các ứng xử của các thiết bịtương tự và số, vì vậy chúng ta có thể mô tả các hàm chức năng của mạch điện sửdụng các biểu thức và hàm toán học. Do đó ta có thể xây dựng và phân tích cácđặc tính phức tạp của thiết bị thông qua mô hình toán học. Tuy nhiên không phải tất cả các phần tử đều có sẵn, nhất là các linh kiện,phần tử bán dẫn công suất lớn hay các phần tử kiểu mới. Vì vậy khi cần ta phảixây dựng các mô hình riêng và thiết lập thư viện riêng cho mục đích của mình. Các mô hình hoá được xây dựng trong PSpice A/D không chỉ là các điệntrở, điện cảm, điện dung mà còn có các mô hình sau: Mô hình dây dẫn, bao gồm độ trễ, độ dội, tổn hao, tán xạ và tạp âm. Mô hình của cuộn dây từ phi tuyến, bao gồm độ bão hoà và từ trễ Sáu mô hình của transistor trường MOSFET Mô hình của Transistor trường có cực điều khiển cách ly IGBT MOFET Mô hình của các thành phần số với vào ra tương tự.Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 5
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Phiên bản gốc của PSpice chạy trong môi trường DOS, phiên bản hiện tạicủa hãng MicroSim là phiên bản 10.0 cho phép chạy trên các hệ điều hànhWindow và Linux. Đầu vào của chương trình mô phỏng là cách tệp tin dạng chữ có phần mởrộng là “.cir”. Đầu ra của chương trình có thể là tệp tin dạng chữ có cùng tên vớitệp đầu vào nhưng có phần mở rộng là “.out”. Kết quả tính toán được đưa vào tệptin cùng tên với phần mở rộng là “.dat”. Chúng ta chỉ phải đặt tên cho tệp tin đầuvào, các tệp tin đầu ra và tệp tin kết quả được đặt tên tự động trùng với tên của tệpđầu vào. Cũng giống như các ngôn ngữ lập trình khác, tệp tin “*.cir” phải tuân theomột số thủ tục nhất định như: dòng đầu tiên là tên chương trình, kết thúc chươngtrình phải là “.END”, phải có các lệnh về phân tích mạch v.v. Trước khi chạychương trình, tệp tin “*.cir” sẽ được kiểm tra lỗi và đưa ra thông báo ở tệp tin“*.out”. Cấu trúc chương trình sẽ sáng sủa hơn nếu như mô hình phần tử mới đượcthiết lập dưới dạng các mạch con (subcircuit) và cất sẵn trong thư viện, khi sửdụng, chương trình chỉ cần gọi tên các mạch con là đủ. Điều này rất thuận lợi khimạch khảo sát có sử dụng nhiều các nhóm phần tử giống nhau. Các phân tích chính được đề cập đến trong SPICE là đặc tuyến truyền đạt,đáp ứng tần số, điểm làm việc một chiều, đặc tính động (thời gian). Trong mô phỏng và phân tích mạch điện tử công suất thì quan trọng nhất làphân tích quá trình quá độ (transient analysis). Chế độ phân tích này thường tiêutốn nhiều thời gian của máy tính vì chương trình sẽ phải tính điện áp của tất cả cácnút của mạch khảo sát trong từng bước tính và lưu giữ số liệu này vào một tệp tinriêng (tệp *.dat). Khi mạch phức tạp hoặc thời gian khảo sát lớn, dung lượng củatệp dữ liệu này có thể lên đến hàng trăm MB.1.2.4. Các bước tiến hành mô phỏng và phân tích mạch điện Để khảo sát một mạch điện nói chung cũng như một mạch điện tử công suấtnói riêng ta cần phải tiến hành theo các bước sau đây: 1. Xác định mô hình các phần tử cần thiết để xây dựng mạch điện. Đa sốcác phần tử này đều có trong thư viện mô hình của chương trình, tuy nhiên trongmột số trường hợp ta phải xây dựng mới. Việc xây dựng một mô hình mới là hết sứcquan trọng và đòi hỏi am hiểu sâu sắc về kỹ thuật điện - điện tử bởi vì mô hình phảiphản ánh đúng đặc điểm và tính chất vật lý của thiết bị thực. Mô hình càng gần vớiVũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 6
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Versionthực tế thì kết quả phân tích càng đáng tin cậy. Mặc dù vậy, trong một số trườnghợp, khi khảo sát một số đặc tính nào đó thì chỉ cần mô hình hoá các tham số, thôngsố liên quan đến đặc tính đó, tránh gây ra những phức tạp không cần thiết. 2. Thiết lập sơ đồ nguyên lý của mạch cần nghiên cứu. Cần phải đảm bảochắc chắn rằng sơ đồ nguyên lý được xây dựng là đúng đắn. 3. Chuyển đổi từ sơ đồ nguyên lý sang chương trình mô hình hoá theongôn ngữ chuyên dụng của phần mềm (Đối với phiên bản hiện tại của PSPICE thìviệc này được thực hiện tự động). 4. Thiết lập các thông số của sơ đồ và các tham số khảo sát. 5. Tiến hành khảo sát, thường chia làm hai giai đoạn: a) Chạy thử chương trình với chế độ quen thuộc mà kết quả đã biết trước đểkiểm tra độ chính xác của mô hình. b) Khi mô hình đạt độ tin cậy cần thiết, tiến hành nghiên cứu với các chế độcần khảo sát theo yêu cầu đặt ra.1.2.5. Chương trình mô phỏng mạch điện bằng PSPICE a) Tệp đầu vào Một tệp đầu vào (*.cir) gồm bốn phần sau: 1. Tiêu đề của chương trình mô phỏng: Thông thường đây là tên của mạch điện cần khảo sát do người soạn thảo đặt ra. Tiêu đề không bắt buộc phải có, vì PSPICE khi chạy sẽ chỉ bắt đầu từ dòng thứ hai. 2. Phần mô tả mạch điện và tham số các linh kiện có trong mạch. Ở phần này ta thực hiện cho từng phần tử theo sơ đồ nguyên lý của mạch cần khảo sát tương tự như ta hàn chúng lại với nhau trong mạch thực. Mỗi dòng của chương trình dành cho một phần tử và phải tuân theo thủ tục khai báo, đúng cú pháp của PSPICE, gồm ba phần: Tên và nhãn của phần tử: Bảng 1 là quy định về ký hiệu tên của các phầntử. Sau chữ cái này là chỉ số linh kiện (có thể là chữ hay số), tối đa là bảy ký tự.Các chữ cái có thể viết hoa hay thường, giữa các khai báo được phân tách nhau bởidấu cách. Các điểm nối của phần tử được gọi là nút để nối mạch. Các nút được đánhdấu bằng các số nguyên dương, trong đó bắt buộc phải có nút số 0 và luôn đượchiểu là điểm đất (Ground). Điểm 0 này rất quan trọng vì khi chạt trương trình máysẽ tính toán điện áp giữa mỗi nút trong mạch điện với điểm đất này trong từngbước tính.Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 7
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Giá trị của phần tử: Có thể là số, là một tham số hay một hàm phụ thuộc(biểu thức). Nếu dòng lệnh dài hơn một dòng soạn thảo thì đầu dòng kế tiếp phảidùng dấu “+” để thông báo Bảng 1: Tên gọi và ký hiệu của các phần tử K.H Tên gọi K.H Tên gọi B GsAs MOSFET J JFET C Tụ điện L Điện cảm D Diode M MOSFET E Nguồn áp điều khiển bằng điện áp Q Transistor lưỡng cực F Nguồn dòng điều khiển bằng dòng điện R Điện trở G Nguồn dòng điều khiển bằng điện áp S Khoá điều khiển bằng điện áp H Nguồn áp điều khiển bằng dòng điện V Nguồn điện áp độc lập I Nguồn dòng độc lập X Mạch con K Hỗ cảm W Khoá điều khiển bằng dòng điện 3. Các lệnh để chương trình tiến hành khảo sát theo yêu cầu. Đây cũng là phần bắt buộc phải có vì nó là mục đích của việc mô phỏng. Không thể dựng mô hình mạch mà không tiến hành khảo sát. Các lệnh điều khiển dùng để chỉ ra loại phân tích (phân tích một chiều, xoay chiều, phân tích động, đáp ứng tần số...) 4. Các lệnh cho đầu ra như vẽ đồ thị, lập bảng các sóng điều hoà theo khai triển Fourier, tính số điểm nút của mạch... 5. Lệnh kết thúc chương trình (.END): Một chương trình bắt buộc phải kết thúc bằng lệnh này. Trong khi viết chương trình có thể đưa thêm vào các chú thích để dễ theodõi và kiểm tra. Các dòng chú thích phải tuân theo quy tắc sau: - Nếu chú thích trong cùng một dòng lệnh thì dùng dấu “;” gặp dấu nàychương trình sẽ bỏ qua và chuyển xuống dòng lệnh tiếp theo - Nếu cả dòng lệnh là chú thích thì dùng dấu “*” để đánh dấu. Có thể cónhiều dòng chú thích. b) Tệp đầu ra Khi chạy mô phỏng, chương trình PSPICE sẽ duyệt tệp tin đầu vào và tạo ramột tệp tin đầu ra có cùng tên với phần mở rộng là “.out”. Nếu tệp đầu vào khôngcó lỗi thì chương trình mô phỏng được thực hiện ngay và dữ liệu kết quả được đưavào tệp tin cùng tên với phần mở rộng là “.dat”. Ngược lại, nếu có lỗi thì chúng sẽđược thông báo cụ thể ở tệp này. Trong tệp này còn có một số thông số khác nhưtổng công suất trên toàn mạch, thời gian cần thiết để mô phỏng (tính bằng giây).Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 8
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Chương 2 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PSPICE CỦA OrCAD 10.02.1. Các bước tiến hành Trước khi mô phỏng một mạch điện ta phải thiết lập các cấu hình cho mạchđiện đó. Có nhiều cách khác nhau để thực hiện điều này. Cách thứ nhất là nhập cácmô tả về mạch điện vào một tệp tin đầu vào theo cấu trúc như đã trình bày ở trên. Việc mô tả mạch điện trong một tệp tin như trên có ưu điểm là giúp chúngta nắm rõ hơn về cấu trúc mạch, cấu trúc của chương trình mô phỏng, các câulệnh... Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là người dùng phải nhớ rấtnhiều cấu trúc lệnh khác nhau từ các lệnh mô tả, khai báo các phần tử đến các lệnhđiều khiển, xuất dữ liệu...Hơn nữa với những người phải đọc lại tệp tin này rất khóhình dung ra mạch điện thực cũng như nguyên lý hoạt động của nó. Một cách khác để thiết lập các cấu hình của mạch điện là sử dụng các phầnmềm thiết kế mạch nguyên lý, ví dụ như OrCAD CAPTURE. Từ phiên bản 9.0,OrCAD đã phát triển sự liên kết giữa phần mềm CAPTURE dùng để thiết kế sơ đồmạch nguyên lý với phần mềm PSPICE A/D dùng để mô phỏng mạch điện. Sựliên kết này cho phép chúng ta xây dựng các sơ đồ mạch nguyên lý, thiết lập giá trịcho các phần tử của mạch cần mô phỏng trong CAPTURE và sẽ dùng PSPICE ADđể mô phỏng, phân tích và quan sát kết quả đạt được. Sơ đồ sau mô tả các bước cần thực hiện để mô tả một mạch điện bằngPSPICEVũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 9
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Bước1: Thiết kế mạch bằng Bước 2: Xác định kiểu mô phỏng CAPTURE Tạo tệp tin mô tả Tạo một dự án Analog Or Xác định kiểu phân tích: Một Mixed A/D chiều, xoay chiều, quá độ,thời Đưa vào các phần tử gian, tần số Nối các phần tử lại với nhau Chạy PSPICE Bước3: Quan sát kết quả Thêm các đường đồ thị Sử dụng con trỏ để phân tích dạng sóng Kiểm tra tệp tin đầu ra nếu cần Lưu hoặc in ấn kết quả Hình 3: Các bước cần thực hiện để mô phỏng mạch điện với PSPICE Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này đó chính là tính trực quan. Ngườidùng dễ dàng chuyển đổi từ sơ đồ mạch bình thường sang kiểu sơ đồ mạch dùngcho quá trình mô phỏng. Với những ưu điểm của giao diện đồ họa, phương phápnày giúp người dùng dễ dàng quan sát, xây dựng cũng như thiết lập các giá trị chocác thành phần cũng như xác định các kiểu mô phỏng và quan sát kết quả. Ví dụ 17: Mô phỏng và phân tích mạch điện sau với PSPICE Hình 4: Mạch điện cần mô phỏng Bước 1: Xây dựng sơ đồ mạch với CAPTURE 1. Tạo một dự án mới 1. Khởi động chương trình OrCAD CAPTURE 2. Tạo một dự án mới: File New Project 3. Nhập tên và địa chỉ của dự án mới 4. Chọn Analog Or Mixed A/DVũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 10
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Hình 5: Tạo một dự án mới 5. Sau khi nhấn nút OK ở hộp thoại New Project, hộp thoại Create PSpiceProject sẽ hiện ra, đánh dấu chọn Create based upon an existing project và kíchvào nút OK Khi đó sẽ có một hộp thoại xuất hiện để xác nhận chương trình mô phỏngđược sử dụng, ở đây chương trình mặc định là PSpice A/D nên ta chọn OK để tiếptục. Một trang mới được mở ra trong trình quản lý dự án Project Design Managernhư ở hình 6.Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 11
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Hình 6: Giao diện chính của chương trình OrCAD CAPTURE 2. Thêm các thành phần và kết nối chúngvới nhau 1. Chọn cửa sổ Schematics, đây là khu vực để xây dựng mạch 2. Để thêm vào các phần tử, chọn từ thực đơn Place Part(nhấn phím P) ,hoặc kích vào biểu tượng Place Part , khi đó hộp thoại Place Part sẽ xuất hiện Hình 7: Cửa sổ Place Part 3. Lựa chọn thư viện chứa các thành phần cần dùng. Có thể chọn theo danhsách các thành phần của thư viện hiện hành trong phần Part List hoặc đánh chữcái đầu của tên thành phần ở ô Part. Nếu thư viện hiện thời không chứa thànhphần cần dùng, kích vào nút , cửa sổ Add Library sẽ xuất hiện, hãychọn thư viện phù hợp. Để mô phỏng bằng PSpice, ta phải chọn các thư viện từ thưmục Capture/Library/PSpice. Một số thư viện thông dụng dùng trong mô phỏng mạch điện với PSpicebao gồm: Analog: chứa các phần tử thụ động (R,L,C), hỗ cảm, đường truyền và cácnguồn dòng, nguồn áp phụ thuộc (nguồn áp phụ thuộc điện áp E, nguồn dòng phụthuộc dòng điện F, nguồn dòng phụ thuộc điện áp G và nguồn áp phụ thuộc dòngđiện H). Source: bao gồm các loại nguồn dòng và nguồn áp độc lập như Vdc, Idc,Vac, Iac, Vsin, Vexp, xung...Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 12
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Còn rất nhiều thư viện khác bao chứa các thành phần của mạch điện nhưcác linh kiện điện tử công suất như diode, transistor, thyristor, mosfet, các cổnglogic, các thiết bị giao tiếp... 4. Định vị các điện trở, tụ điện (từ thư viện Analog), nguồn áp và nguồndòng một chiều (H 8a) a)Thêm thành phần của mạch vào sơ đồ b) Điểm tham chiếu GND Hình 8 5. Sau khi đã đặt hết các thành phần của mạch điện vào sơ đồ, ta cần đặtmột điểm tham chiếu GND bằng cách kích vào biểu tượng trên thanh công cụhoặc nhấn phím G. Hộp thoại Place Ground hiện ra, ta chọn thư viện SOURCEvà chọn ký hiệu 0 (H 8b). 6. Nối các phần tử lại với nhau bằng một trong các cách sau: sử dụng câulệnh Place wire từ thực đơn của chương trình; nhấn phím w hoặc kích vào biểutượng trên thanh công cụ. 7. Có thể gán tên cho các nút bằng việc sử dụng chọn Place Net Alias,sau đó sẽ chọn nút và tên cho từng cái. Ở đây ta sẽ đặt tên cho nút giao giữa nguồnáp Vdc và điện trở R1 là In và nút giao giữa R1,R2 và C1 là Out như trên hình 29. 3. Gán tên và giá trị cho các phần tử 1. Thay đổi giá trị của điện trở bằng cách nháy kép vào con số nằm bêncạnh điện trở sau đó ghi giá trị của điện trở vào trường Value của hộp thoạiDisplay Properties. Việc làm này cũng được tiến hành tương tự cho các linh kiệnkhác của mạch. Ta cũng có thể nháy kép vào dòng chữ bên cạnh của phần tử đểthay đổi tên hoặc gán tên cho phần tử này. 2. Đặt tên cho các nút cần khảo sát 3. Lưu dự án 4. Danh sách Nút lưới Danh sách các nút lưới bao gồm toàn bộ các phần tử của mạch được liệt kêtheo cấu trúc như được trình bày trong chương 2 ở trên. Để tạo ra các nút lưới từVũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 13
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Versionsơ đồ mạch nguyên lý, ta có thể dùng lệnh PSpice create netlist từ thực đơn củachương trình. Danh sách này được lưu trong tệp tin có đuôi .net và được quản lýbằng trình quản lý dự án, ta có thể chọn vào tệp tin này để xem nội dung bên trongcủa nó. Và đây là nội dung của tệp tin này ứng với ví dụ đang xét: * source VIDU_17 R_R1 N00157 N00166 10k R_R2 0 N00166 10k C_C1 0 N00166 5u V_V1 N00157 0 20Vdc I_I1 0 N00166 DC 1mAdc Bước 2: Xác định kiểu phân tích và mô phỏng Như đã trình bày ở trên, PSpice cho phép chúng ta phân tích một chiều,xoay chiều, phân tích động, quá độ với khai triển Fourier... 1. Phân tích Một chiều 1. Tạo một hồ sơ mô phỏng bằng việc chọn PSpice New SimulationProfile 2. Trong hộp thoại New Simulation, đánh một tên có ý nghĩa mô tả vào ôName 3. Chọn none trong danh sách Inherit From sau đó nhấn vào nút Create đểtạo hồ sơ. 4. Ở cửa sổ Simulation Settings, chọn Bias Point cho Analysis Type vàkích OK. 5. Tiến hành quá trình mô phỏng: chọn PSpice Run 6. Khi hộp thoại mới mở ra, ta có thể xem quá trình mô phỏng có thànhcông hay không. Các lỗi của chương trình sẽ được liệt kê ở tệp đầu ra. Hình 9: Tạo một hồ sơ mô phỏngVũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 14
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version 7. Để quan sát kết quả của quá trình mô phỏng phân tích một chiều, ta cóthể mở tệp đầu ra hoặc quay trở lại sơ đồ mạch và kích vào biểu tượng V (Chophép hiển thị điện áp dịch) hoặc I (dòng điện dịch) hoặc W (công suất tiêu tán trêncác phần tử). a) Điện áp định thiên b) Dòng điện định thiên c) Công suất tiêu tán Hình 10: Kết quả của quá trình phân tích tĩnh 2. Mô phỏng quá trình quét giá trị Ta vẫn sử dụng mạch như trên để đánh giá ảnh hưởng của quá trình thay đổigiá trị của nguồn điện áp từ 0 đến 20V. Giữ nguyên giá trị của nguồn dòng là 1mA 1. Tạo một hồ sơ mô phỏng mới và đặt tên cho nó là DC_Sweep. Chọn kiểuphân tích là DC Sweep. 2. Để phân tích quá trình quét giá trị này, ta phải chỉ ra tên của nguồn điệnáp sẽ sử dụng, giá trị đầu, giá trị cuối và bước nhảy cũng cần được xác định như ởhình 11.Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 15
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Hình 11: Thiết lập các thông số để mô phỏng 3. Tiến hành mô phỏng, PSpice sẽ tạo ra một tệp đầu ra chứa các giá trị điệnáp và dòng điện trong mạch. Bước 3: Hiển thị kết quả của quá trình mô phỏng PSpice có một giao diện người dùng thân thiện dùng để hiển thị kết quả củaquá trình mô phỏng. Sau khi quá trình mô phỏng hoàn thành, cửa sổ Probe sẽ hiệnra Hình 12: Đồ thị điện áp vào và điện áp ra 1. Từ thực đơn TRACE, chọn ADD TRACE và chọn những điện áp vàdòng điện muốn hiển thị kết quả. Ở đây ta chọn V(IN) và V(OUT).Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 16
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Hình 13: Chọn các biến cần hiển thị 2. Ta cũng có thể thực hiện điều này bằng việc sử dụng “Voltage Markers”từ bên sơ đồ mạch. Chọn PSpice Markers Voltage Level. Đặt đầu đánh dấutại các nút IN và OUT trên sơ đồ mạch. Hình 14: Sử dụng Voltage Marker để chỉ ra kết quả mô phỏng2.2. Thực hiện một số phân tích cơ bản2.2. 1. Phân tích quá trình quá độ Ta vẫn sử dụng mạch ở trên nhưng việc cấp nguồn được điều khiển bởi mộtcông tắc đóng theo thời gian (hình 15).Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 17
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Hình 15: Mạch phân tích quá độ 1. Chèn công tắc SW_TCLOSE từ thư viện Anal_Misc. Nháy kép vào giátrị của công tắc và nhập giá trị cho thời gian công tắc đóng là 5ms. 2. Thiết lập cho phân tích quá độ: chuyển đến PSPICE/ NEWSIMULATION PROFILE. 3. Đặt một tên bất kỳ (giả sử là transient). Sau khi cửa sổ SimulationSettings được mở ra, chọn phân tích “Time Domain (transient)”, nhập thời gianchạy của chương trình (run time) là 50ms. Đối với giá trị lớn nhất của bước phântích (Max Step), ta có thể để trắng hoặc nhập vào 10us. 4. Chạy PSpice 5. Khi đó cửa sổ Probe của PSpice sẽ được mở ra. Bây giờ ta có thể thêmcác đường vết để hiển thị kết quả. Ở hình sau là đồ thị của dòng điện đi vào tụ điện(hình trên) và điện áp rơi giữa hai bản cực của tụ điện (hình dưới). Ta sử dụng contrỏ để tìm hằng số thời gian của hàm mũ, Hình 16: Kết quả phân tích quá độ của mạch hình 34 6. Thay vì sử dụng một công tắc như ở trên, chúng ta có thể sử dụng mộtnguồn điện áp thay đổi theo thời gian. Việc này được thực hiện như ở hình 36,trong đó ta sử dụng nguồn VPULSE và IPULSE được lấy từ thư viện SOURCE.Ta cần phải nhập vào các giá trị: mức điện áp (V1 và V2), thời gian trễ (TD), thờigian tăng, giảm (TR, TF), độ rộng xung (PW) và chu kỳ (PER). Các giá trị khôngđược nhập vào như ở hình vẽ sauVũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 18
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Hình 17: Mạch điện sử dụng nguồn dòng, nguồn áp xung. 7. Sau khi thực hiện việc mô phỏng quá trình phân tích quá độ, ta cũng thuđược kết quả như ở trên. 8. Việc phân tích quá độ cũng có thể tiến hành bằng cách sử dụng nguồnđiện sin. Mạch điện như ở hình 18, ở đó nguồn có biên độ băng 10V và tần số là50Hz. Hình 18: Mạch điện sử dụng nguồn điện sin 9. Tạo tệp tin mô phỏng và chạy PSpice 10. Kết quả của quá trình mô phỏng cho điện áp đầu vào và đầu ra đượctrình bày ở hình 19.Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 19
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Hình 19: Phân tích quá độ sử dụng nguồn điện sin2.2.2. Phân tích quá trình quét của nguồn AC Để tiến hành phân tích này ta sử dụng một nguồn điện sin. Tần số củanguồn điện này sẽ được quét trong một khoảng xác định. Quá trình mô phỏng sẽtính toán biên độ, pha của điện áp và dòng điện ứng với từng tần số. Khi biên độđầu vào được cho bằng 1V thì điện áp đầu ra chính là hàm truyền cơ bản. Nếu như phân tích quá độ là quá trình phân tích trong miền thời gian thìphân tích AC chính là mô phỏng của trạng thái làm việc xác lập của mạch điện.Khi mạch điện chứa các phần tử phi tuyến như Diode hoặc Transistor, mô hình tínhiệu nhỏ của chúng sẽ được thay thế bởi giá trị của các thông số và được tính toánthông qua các điểm dịch điện thế của chúng. Ví dụ 18: Mô phỏng quá trình quét AC của mạch điện ở hình sau: Hình 20: Mạch lọc RC đơn giảnVũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 20
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Giải Tiến hành các bước như sau: 1. Tạo dự án mới và xây dựng mạch điện tương ứng 2. Sử dụng nguồn điện áp VAC từ thư viện Source 3. Lấy biên độ của nguồn vào là 1V 4. Tạo tệp tin mô phỏng, trong cửa sổ Simulation Settings chọn AC sweep/Noise. 5. Nhập tần số bắt đầu và tần số kết thúc và số lượng điểm lấy tần số trong mỗi mười đơn vị. Giả sử ta lấy lần lượt là 0,1Hz; 10kHz; 11. 6. Chạy mô phỏng 7. Trong cửa sổ Simulation, thêm đường vết để hiển thị điện áp đầu ra dưới dạng pha và dB (đánh VP(out) và VdB(Out) ở hộp Trace Expression) Hình 21: Thiết lập cấu hình mô phỏng 8. Phương pháp khác để hiển thị điện áp đầu ra dưới dạng dB và Pha là sử dụng công cụ Marker của Schematics:Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 21
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Hình 22: Sử dụng Markers của Schematics 9. Kết quả thu được như ở hình 23 Hình 23: Hiển thị điện áp đầu ra dưới dạng pha và dB2.2.3. Mô phỏng quá trình làm việc của máy biến áp Trong Spice không có mô hình của máy biến áp lý tưởng. Một máy biến áplý tưởng được mô phỏng bằng cách sử dụng cuộn dây hỗ cảm, với tỷ số biến ápN1/N2 = sprt(L1/L2). Thành phần này có tên là XFRM_LINEAR trong thư việnAnalog. Hệ số tương hỗ K được lấy xấp xỉ hoặc bằng 1. Điện cảm L được chọnsao cho ωL >> giá trị điện kháng của một cuộn dây. Mạch điện thứ cấp cần đượcnối trực tiếp xuống đất, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng một điện trở cóVũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 22
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Versiongiá trị lớn hoặc nối cuộn sơ cấp và thứ cấp bằng một nút chung. Ví dụ sau minhhoạ quá trình mô phỏng máy biến áp. Trong ví dụ này L2 được lấy sao cho ωL2 >> 500Ω hay L2 > 500/(60*2π),ở đây lấy L2 lớn hơn ít nhất 10 lần, L2 = 20H. L1 được suy ra từ công thức L1/L2= (N1/N2)^2. Với máy biến áp có tỷ số biến áp là 10, điện cảm của cuộn dây sơcấp là L1=100*L2 = 2000H. Sơ đồ mạch được trình bày ở hình 24, kết quả mô phỏng cho ở hình 25 Hình 24: Mạch điện dùng để mô phỏng máy biến áp Hình 25: Đồ thị điện áp vào và ra của máy biến áp2.2.4. Mạch chỉnh lưu và quá trình quét tham số Trên hình 26 là mạch chỉnh lưu có tụ lọc, sử dụng một Diode D1N4148 và mộttải trở 500Ω. Kết quả của quá trình mô phỏng được trình bày trên hình 27. Độ nhấpnhô lớn nhất của điện áp ra là 777mV, trị số lớn nhất của điện áp ra là 13,997V nhỏhơn 1V so với biên độ của điện áp đầu vào.Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 23
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Hình 26: Mạch chỉnh lưu có tụ lọc Hình 27: Đồ thị điện áp vào và điện áp ra của mạch Bây giờ ta sẽ sử dụng phương thức quét tham số để quan sát tác động củatải trở đối với điện áp đầu ra và độ sóng của nó như thế nào. Hình 28: Mạch điện dùng để khảo sát 1. Thêm phần tử PARAM vào mạch điện a. Thay đổi giá trị của tải trở R1 từ 500W sang {RVal}. Khi đó Pspice sẽ biên dịch chuỗi text nằm giữa hai dấu ngoặc nhọn {} thành một biểu thức để thực thi một biểu thức số học.Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 24
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version b. Thêm thành phần PARAM vào mạch, thành phần này nằm trong thư viện SPECIAL. c. Thành phần PARAM sẽ đóng vai trò cung cấp tham số đầu vào cho biểu thức RVal ở trên. Để xác định các giá trị đầu vào của tham số, ta nháy kép vào thành phần PARAM, khi đó một bảng cơ sở dữ liệu dùng để định nghĩa PARAM sẽ hiện ra. Ta tiến hành thêm mới một cột và đặt tên cho nó là RVal. d. Sau khi đã tạo xong một thuộc tính mới cho PARAM, ta sẽ xác định giá trị ban đầu cho thuộc tính này, ở đây là 500W. Để hiển thị giá trị và tên của thành phần này trong mạch, ta chọn đến thuộc tính RVal vừa tạo ra, kích vào nút Display và đánh dấu vào tuỳ chọn “Name and Value”. e. Nhấn vào nút Apply để lưu lại những thay đổi vừa thực hiện Hình 29: Cửa sổ chỉnh sửa thuộc tính cho thành phần PARAM 2. Tạo tệp tin hồ sơ cho việc mô phỏng quá trình quét tham số a. Chọn PSpice/ NEW_SIMULATION_PROFILE b. Đặt tên cho tệp tin, chẳng hạn là Parametric c. Chọn kiểu phân tích mong muốn, ở đây ta chọn phân tích quá độ với thời gian phân tích là 100ms.. d. Ở phần tuỳ chọn, ta đánh dấu vào ô Parametric Sweep như ở hình 49 phía dưới. e. Đối với biến dùng để quét, ta chọn Global Parameter và nhập vào ô tên biến là RVal. Ở phần kiểu quét, nhập giá trị đầu, giá trị cuối, gia số cho biến quét.Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 25
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Hình 30: Thiết lập cấu hình mô phỏng 3. Chạy mô phỏng Sau khi quá trình mô phỏng hoàn thành, một hộp thoại sẽ hiện ra cho phép ta lựa chọn giá trị muốn hiển thị, nếu chọn All, ta có kết quả như ở hình 31. Nhìn vào đồ thị có thể thấy rằng, khi tải trở tăng thì độ nhấp nhô của điệnáp ra giảm. Nếu chọn được giá trị của R, C hợp lý thì điện áp đầu ra có thể đạt điệnáp một chiều lý tưởng. Hình 31: Đồ thị điện áp đầu ra và độ nhấp nhô của nó ứng với các giá trị khác nhau của tải trở RVũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 26
  • Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version Tài liệu tham khảo 1. Đặng Văn Đào, Lê văn Doanh, Kỹ thuật điện, NXB KHKT, 2007 2. Trần Kim Khôi, Kỹ Thuật điện - Điện tử, NXB Nông nghiệp, 2006 3. Đỗ Xuân Thụ, Kỹ thuật điện tử, NXB Giáo dục, 2003 4. OrCAD website for PSpice (http://www.orcad.com/pspicead.aspx). 5. OrCAD website for CAPTURE. (http://www.orcad.com/orcadcapture.aspx) 6. PSpice User’s manual, OrCAD Corp. (Cadence Design Systems, Inc.) 7. PSpice Reference Guide, OrCAD Corp. (Cadence Design Systems, Inc.) 8. PSpice Library Guide, OrCAD Capture Users Guide, (Cadence DesignSystems, Inc.) 9. OrCAD Capture User’s Guide, OrCAD Corp., (Cadence Design Systems, Inc.) 10. SPICE Tutorial, http://www.seas.upenn.edu/~jan/spice/ 11. A. Vladimirescu, The Spice Book, J. Wiley & Sons, New York, 1994. 12. B. Carter, Using Texas Instruments Spice Models in PSpice, ApplicationReport, SLOA070, Texas Instruments, Dallas, TX, September 2001.Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN 27