PSpice Student 9.1. Saisie de schéma et simulation

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1 PSpice Student 9.1 Saisie de schéma et simulation 1. Présentation Schematics Les barres d outils Saisie du schéma Placement des composants Placement des générateurs et stimulis Changer la valeur d un composant Connecter les composants Placer les appareils de mesure Identification des liaisons par des Labels Commentaires Vérifications et sauvegardes Simulation Paramétrer l analyse DC Sweep AC Sweep Transient Bias Point Analyse du circuit avec PSpice A/D Visualisation manuelle des résultats Visualisation automatique des résultats Interprétation des résultats...18 PSpice Studant 9.1 Page 1 / 18

2 1. Présentation PSpice est un outil puissant qui permet de réaliser des simulations de circuits électriques, analogique ou numérique ou mixte. Un peu complexe au premier abord, une fois passés les problèmes de prise en main pratique du logiciel et surtout après avoir saisi les différents modes de simulation possibles, il devient un outil puissant, rapide et pratique. Vous devez trouver dans le menu «démarrer» et dans le sous menu «Pspice Student» les logiciels suivants : Nous nous intéressons ici aux programmes suivants : - PSpice AD Student, le logiciel de simulation à proprement parlé - Schematics : le logiciel qui permet de saisir le schéma à simuler, de régler les paramètres de simulation et ; de la lancer 2. Schematics Cliquez sur cette icône pour vous rendre dans le module Schematics. Vous obtenez l'écran cidessous: Maintenant que nous sommes dans Schematics, nous pouvons: créer un nouveau schéma à partir d'une feuille blanche PSpice Studant 9.1 Page 2 / 18

3 ouvrir un schéma existant (commande File/Open) modifier à volonté notre schéma paramétrer l'analyse sauvegarder notre travail (y compris les paramètres d'analyse) 2.1. Les barres d outils On retrouve les fonctions classiques de Windows (ouvrir, fermer, imprimer, etc ), les fonctions de zoom et des fonctions qui vont plus particulièrement nous intéresser : choisir les composants (Get New Part) les connecter (Draw Wire) placer les appareils de mesure (Voltage Marker, Current Marker) paramétrer l'analyse (Setup Analysis) lancer la simulation (Simulate) 3. Saisie du schéma 3.1. Placement des composants On commence par cliquer sur le bouton "Get New Part" ( ), ou si on préfère par la commande Draw/Get New Part..., ou encore par le raccourci-clavier Ctrl+G. Une liste de composants s'affiche aussitôt: PSpice Studant 9.1 Page 3 / 18

4 Il suffit maintenant de choisir le ou les composants dans la liste déroulante (par exemple: r), puis de cliquer sur le bouton Place (si on veut ensuite choisir d'autres composants) ou Place & Close (pour placer le composant choisi sur la feuille et fermer la liste). A noter qu'une brève description du composant est affichée sous sa désignation (Part Name): Pour gagner du temps : afin d atteindre directement le composant resistor dans la (longue!) liste, on peut taper "R" dans le champ Part Name. On tapera "C" pour capacitor, "V" pour VAC, etc... PSpice Studant 9.1 Page 4 / 18

5 Attention : Après avoir choisi un composant, on le dépose en cliquant sur la feuille, mais un autre composant identique apparait aussitôt. Si on ne souhaite qu'un seul exemplaire de ce composant, on doit cliquer avec le bouton droit de la souris. Sinon, on dépose sur la feuille autant de composants que nécessaire. Peu importe, dans un premier temps, le placement exact. Pour supprimer un composant, on le sélectionne par pointage et clic (il devient rouge), et on le supprime à l'aide du bouton Cut (les ciseaux) ou de la touche Suppr. Lorsque tous les composants nécessaires sont déposés sur la feuille, on les place en bon ordre en les sélectionnant à tour de rôle et en les faisant glisser, grosso modo, à l'endroit voulu. Pour obtenir une rotation de 90 d'un composant, on le sélectionne puis on se sert de Edit/Rotate ou de la combinaison de touches Ctrl+R Placement des générateurs et stimulis Le placement des générateurs et stimulis s effectue comme pour le placement d un composant : en cliquant sur le bouton "Get New Part" ( ), ou si on préfère par la commande Draw/Get New Part..., ou encore par le raccourci-clavier Ctrl+G. Le potentiel 0 : Après simulation, PSpice permet d afficher n importe quel potentiel du circuit. A cet effet, il faut nécessairement un potentiel de référence Attention : PSpice refusera donc toute simulation s il n y a pas au moins un potentiel 0 dans le circuit. De même qu il indiquera une erreur s il y a des potentiels non référencés (erreur floating node). La source continue : (VDC) 5Vdc V1 La source alternative : (VAC pour l analyse fréquentielle ou VSIN pour l analyse transitoire) + - VSIN - Pour l'analyse fréquentielle (AC Sweep) PSpice utilise : DC = Valeur de la composante continue AC = Amplitude de la composante alternative - Pour l'analyse transitoire ou temporelle (Transient) PSpice utilise : VOFF = Valeur de la composante continue V VAMPL = Amplitude de la composante alternative VOFF FREQ = Fréquence en Hz TD = Délai d'apparition du signal (0 par défaut) DF = Coefficient d'amortissement (0 par défaut) TD PHASE = Phase (0 par défaut) T=1/f VAMPL t PSpice Studant 9.1 Page 5 / 18

6 La source de signal «carré» : + - VPULSE V2 V1 TD TR PW PER TF t(s) V1 : tension de repos V2 : Tension impulsionnelle TD : Delay Time,temps de retard TR : Rise Time, temps de montée (>0!) TF : Fall Time, temps de descente (>0!) PW : Pulse Width, largeur de l'impulsion PER : Period, période Remarques : Ce type de source est évidemment utilisé en analyse transitoire. Si on effectue une analyse fréquentielle, la source devient sinusoïdale et utilise les paramètres AC et DC. On doit aussi noter que TF et TR ne doivent pas être nuls (ce qui correspond à la réalité). Pour avoir des signaux «carrés», il faut utiliser de très faibles valeurs. La source définie par segments : + - VPWL V3 V2 V1 V4 t1 t2 t3 t4 t(s) Remarques : Comme la source de signal carré, ce type de source est évidemment utilisé en analyse transitoire. Si on effectue une analyse fréquentielle, la source devient sinusoïdale et utilise les paramètres AC et DC. La source de tension de forme exponentielle : V2 V1 T(s) TD1 TD2 Paramètres : V1: tension initiale V2: tension maximale TC1: constante de temps du front montant TC2: constante de temps du front descendant TD1: temps absolu du début du front montant TD2: temps absolu du début du front descendant Les pseudo-symboles : HI LO Niveau logique haut Niveau logique bas Ils permettent de fixer les états logiques sur une entrée. Ces pseudo-symboles sont disponibles par la commande «Place, Power» (ou par le bouton PWR de la barre d'outils). PSpice Studant 9.1 Page 6 / 18

7 L'horloge numérique :(DigClock de la bibliothèque SOURCE) Ce stimulus permet de définir un signal d'horloge périodique. On peut programmer les paramètres suivants : OFFTIME : durée de l'état bas ONTIME : durée de l'état haut DELAY : temps de retard pour le déclenchement du signal STARTVAL = 0 OPPVAL = 1 Les stimulus numériques de bits : (STIMx de la bibliothèque SOURCE) Ce stimulus permet de définir 16 états pour une ligne (1bit) ou un bus (4, 8 ou 16 bits). On programmera les couples temps - valeur numérique (16 au maximum). Les stimulus de 4, 8 et 16 bits doivent être obligatoirement reliés à un bus. Code utilisé pour les valeurs numériques : Création d un bus : stimulus 1 bit : binaire sur 1 chiffre stimulus 4 bits : binaire sur 4 chiffres stimulus 8 bits : binaire sur 8 chiffres stimulus 16 bits : hexadécimal sur 4 chiffres Exemple de paramètres pour un stimulus de 16 bits et résultat d'une simulation On accédera à la boite de dialogue ci - dessous par un double clic sur le symbole du stimulus Changer la valeur d un composant Vous observerez que certains composants sont dotés d'une valeur par défaut: 0 V pour le générateur de tension VDC, 1 k pour la résistance, 1 nf pour le condensateur... Si la valeur par défaut ne vous convient pas, modifiez-la en sélectionnant le composant, puis en doublecliquant dessus, ou en utilisant la commande Edit/Attributes... PSpice Studant 9.1 Page 7 / 18

8 Une boîte de dialogue s'ouvre alors: commencez par décocher les cases Include Non-changeable Attributes et Include System-defined Attributes. Choisissez la valeur à modifier s'il y en a plusieurs (souvent il n'en reste qu'une), entrez la nouvelle valeur, puis cliquez sur le bouton Save Attr, puis sur le bouton OK. Vous pouvez aussi directement double-cliquer sur la valeur du composant : Remarque : les valeurs des composants discrets doivent être mentionnées avec les conventions du simulateur «Spice» : - l'unité est facultative, mais il est préférable de la mentionner (sauf pour les résistances, le caractère Ω est impossible à obtenir) - la valeur 4,7 k s'écrit 4.7k; la valeur 9 volts s'écrit 9V; la valeur 1 µf s'écrit 1u. Ne laissez pas d'espace entre le nombre et le multiplicateur ou l'unité de mesure - les préfixes sont les suivants : p (pico) = 10-12, n (nano) = 10-9, u (micro) = 10-6, m (mili) = 10-3, k (kilo) = 10 +3, meg (mega) = 10 +6, g (giga) = Attention : PSpice confondant majuscules et minuscules (M = m = 10-3 ). Il est également possible, dans un souci de clarté, de déplacer sur le schéma l'étiquette portant le nom ou la valeur du composant: sélectionnez le composant (il devient rouge), puis cliquez sur l'étiquette et faitesla glisser à l'endroit voulu Connecter les composants Nous allons connecter les composants entre eux à l'aide du bouton "Draw Wire" (le crayon). Vous pouvez aussi faire Draw/Wire ou, si vous êtes adepte des raccourcis clavier, Ctrl+W. Attention : Tous les composants doivent être reliés! Aucune connexion ne doit rester "en l'air". Et n'oubliez pas la masse (GND_EARTH). Pour relier les composants, il suffit de cliquer sur "Draw Wire": le curseur de la souris prend alors la forme d'un crayon. Cliquez alors sur l'extrémité de départ d'une connexion, puis sur celle d'arrivée: le programme trace le fil de liaison (ligne droite ou coudée à 90 ). PSpice Studant 9.1 Page 8 / 18

9 Au besoin, les fils de liaison peuvent être allongés ou raccourcis: pour ce faire, sélectionnez le segment de fil par pointage et clic (le fil devient rouge), puis déplacez-le. On peut aussi les supprimer avec Cut. Un conseil: faire un schéma lisible et aéré pour y placer les appareils de mesure. S'il y a lieu, zoomez pour ajuster sa taille à l'écran Placer les appareils de mesure Une fois le schéma complètement dessiné, il convient de "brancher" vos appareils de mesure afin de visualiser le comportement de votre montage. On utilisera pour ce faire les boutons Voltage Marker et Current Marker. On ne procède pas exactement comme on le ferait avec un voltmètre ou un ampèremètre réel : le voltmètre et l ampèremètre ne possède qu une borne : - Le voltmètre mesure toujours par rapport à la masse (GND_EARTH) (sauf avec le voltmètre différentielle qui lui possède alors 2 bornes) - L ampèremètre lui aussi ne possède qu une borne ; il suffit juste de le «poser» sur le borne du composant duquel on souhaite connaître le courant. Ce ne sont pas les seules différences, notons par exemple que ces «markers» se comportent plutôt comme un oscilloscope (simulation temporelle) ou comme un analyseur de spectre (simulation fréquentielle). Pour résumer, ces outils sont bien plus puissants et pratiques que les appareils réels, mais n oublions pas que nous sommes dans un domaine virtuel et que la réalité est parfois plus complexe (d un point de vue résultat de mesures). Cliquez sur le bouton Voltage Marker: une "pointe de touche", avec une bulle contenant un V, apparait au bout du curseur de la souris. Déposez le marker sur le schéma de manière à ce que la pointe de touche se place sur le fil (wire) ou la connexion (pin) voulue. Il faut prendre garde de ne pas placer le marker ailleurs, sous peine d'un message d'erreur. S'il n'est pas correctement placé, le marker sera ignoré par le module de simulation. PSpice Studant 9.1 Page 9 / 18

10 Notez bien que la tension sera mesurée entre le point choisi et la masse, qui sert de référence. Le current marker, quant à lui, doit être placé sur une broche d'un composant à 2, 3 ou 4 connexions, et non sur le composant lui-même ou sur un fil de câblage. En cas d'erreur, vous aurez droit à ce message: Cliquez sur OK pour effacer le message et replacez correctement votre ampèremètre, par exemple sur une connexion d'une résistance ou une borne d'une pile (VDC). Pour supprimer un marker: sélectionnez-le en cliquant dessus, puis Edit/Cut, ou l'icône "ciseaux", ou la touche Suppr Identification des liaisons par des Labels Les équipotentielles (Net) peuvent être identifiées par un label ou Net Alias. Un nom d'alias ne doit pas comporter de lettre accentuée, ni d'espace. Les alias permettent d'identifier des liaisons sans que celles-ci soient effectivement représentées par des fils. Pour nommer un fil, double-cliquer dessus et une fenêtre de saisie de Label apparaît. PSpice Studant 9.1 Page 10 / 18

11 3.7. Commentaires Il est possible d'ajouter du texte et / ou des graphiques pour commenter un schéma. Ceci s'effectue grâce aux icônes ci-contre. Les traits utilisés ne sont en aucun cas des fils de liaison. Le style des différents traits peut être modifié en double cliquant sur le trait 3.8. Vérifications et sauvegardes Le circuit est dessiné, les appareils de mesure en place, le dispositif d'analyse paramétré: nous sommes donc prêt à simuler le fonctionnement de notre circuit. Enfin, presque... S'il s'agit d'un nouveau schéma (et non d'un schéma précédemment sauvegardé), vous devez le sauvegarder. Cliquez pour cela sur le bouton Save (la disquette rouge), ou faites File/Save. Choisissez un dossier et un nom, qui se terminera par l'extension.sch. Si d'aventure vous oubliez de sauvegarder votre schéma avant de lancer la simulation, vous serez gratifié de ce message: D'autre part, PSpice vérifie que votre schéma est correct et, si tel n'est pas le cas, il vous en informe par le truchement du Message Viewer: Dans l'exemple ci-dessus, deux erreurs (ERROR, en rouge) sont signalées, à savoir que V1 et R1 ne sont pas connectés (floating pin). Corrigez votre schéma, puis sauvegardez-le. PSpice Studant 9.1 Page 11 / 18

12 4. Simulation Icônes spécifiques à la simulation 4.1. Paramétrer l analyse Nous approchons du but, mais il nous reste à étudier un point crucial et fort complexe: le paramétrage de l'analyse. Pour ne décourager personne, nous nous bornerons à des réglages élémentaires. Cliquez sur le bouton Setup Analysis ( ). Un panneau de boutons et de cases à cocher apparait: Comme d'habitude, nous allons grandement simplifier: cochez toujours Bias Point Detail et ne vous occupez pas des autres boutons, sauf, éventuellement, AC Sweep, DC Sweep et Transient... Ces quatre boutons réclament un paramétrage détaillé. PSpice Studant 9.1 Page 12 / 18

13 DC Sweep Voyons pour commencer DC Sweep (balayage en courant continu): DC Sweep. Etude en statique du montage. Correspond à l'étude des variations des sources continues, de la température, variation de paramètres du montage ou des composants (Ex: béta d'un transistor)...). Permet d'étudier la polarisation, choix d'un point de repos optimum. Par exemple, si on utilise DC Sweep pour faire varier la tension d'un générateur continu d'une valeur mini à une valeur maxi: on laissera donc coché Voltage Source (par défaut) et Linear et on ne renseignera que les champs Name (nom du générateur qu'on veut faire varier), Start Value, End Value et Increment. Dans l'exemple ci-dessus, on fait varier V6 de manière linéaire, de 0 à 9 volts, avec un pas de 1 V. Si vous êtes curieux, vous pourrez essayer les autres options, notamment Nested Sweep, qui permet de faire varier deux paramètres en même temps, par exemple deux générateurs, ou un générateur et la température, etc. (N'oubliez pas de cocher la case Enable Nested Sweep.) Si vous choisissez Value List en Sweep Type, entrez les valeurs sous la forme: 1V 3V 5V, sans virgule ou autre signe de ponctuation. PSpice Studant 9.1 Page 13 / 18

14 AC Sweep AC Sweep permet d'obtenir un graphe de la tension en fonction de la fréquence. C est donc une analyse harmonique (Bode, Nyquist, Black). L'étude est faite en sinusoïdal petits signaux, en linéarisant les modèles autour du point de repos calculé. L'étude est faite d'une fréquence min à une fréquence max, soit linéairement soit de manière logarithmique. Attention : L'étude AC ne montrera jamais de limitation de l'amplitude des signaux à cause des alimentations (saturation des composants, dépassement). Il faut donc vérifier si les signaux obtenus sont possibles. Il est également possible d'autoriser une analyse de bruit, mais attention, tous les modèles ne comportent pas les paramètres de bruits. Si vous désirez un balayage sur une très large plage de fréquences, mettons de 10 Hz à 10 MHz, comme dans l'exemple ci-dessus, il sera préférable de choisir le type Decade, plus lisible. Pour l'option Noise Analysis se reporter au Reference Guide... PSpice Studant 9.1 Page 14 / 18

15 Transient Time Domain (Transient). Cette analyse permet de visualiser des signaux en fonction du temps (Chronogrammes en régime permanent ou en transitoire). Elle tient compte des modèles non linéaires (saturation, limitation par les alimentations,...), mais le temps de simulation peut être considérable (plusieurs heures) si l'on ne réfléchit pas correctement aux paramètres de simulation. Attention: Aucun modèle ne comporte de valeur maximale de tension ou de courants. C'est à l'utilisateur du simulateur de vérifier si les grandeurs obtenues en simulation, sont compatibles avec les valeurs maximales, annoncées par le constructeur. En ce qui nous concerne, nous resterons fidèles à notre politique minimaliste: nous ne remplirons que les champs Print Step et Final Time. Il faut savoir que, par défaut, l'instant t de départ est fixé à 0. Reste à déterminer l'instant t' de fin d'analyse (Final Time), la différence t'-t représente la durée de l'analyse. Ensuite, on choisi le nombre de mesures effectuées par le programme via le Print Step. Dans l'exemple ci-dessus, il est fixé à 1 ms, pour une durée totale de 80 ms. On se reportera au Reference Guide pour une explication détaillée des autres options, qui sortent largement du cadre de l'initiation Bias Point Bias Point. Calcul du point de repos appelé point de polarisation. Ce calcul est automatiquement lancé pour permettre le démarrage des autres simulations. Il est indispensable pour d'autres analyses qui en dépendent. Dans le cas de l'analyse harmonique (AC), les caractéristiques non linéaires de certains composants (Ex: transistors, diodes...) sont linéarisées (approximation par la tangente) à l'endroit du point de repos. PSpice Studant 9.1 Page 15 / 18

16 4.2. Analyse du circuit avec PSpice A/D Le module de simulation est lancé à partir de Schematics en cliquant sur le bouton 2ème rangée), ou par Analysis/Run Probe, ou en tapant la touche F12. (le 2ème de la Vous obtenez alors un écran qui peut ressembler à ceci (si vous n avez pas d erreur): Si vous avez activé plusieurs sortes d'analyse (AC Sweep, DC Sweep, Transient...), vous aurez auparavant à choisir laquelle vous désirez visualiser: En ce qui concerne la signification des boutons de commande, voici une astuce: faites Tools/Customize..., puis choisissez l'onglet Commands. Cliquez sur les icônes, et vous obtiendrez une description de la commande associée. La plus intéressante de ces commandes est sans doute Add Trace(s). Pour plus de confort, utilisez les différentes options permettant d'ajuster l'affichage (plein écran, fenêtré, cascade, etc...). Prenez le temps de faire quelques essais, c'est sans danger! Vous trouverez rapidement l'affichage qui vous convient le mieux. Après visualisation des résultats de l'analyse, fermez le module Probe: vous retournez alors dans Schematics. Une bonne surprise vous y attend si vous cliquez sur les boutons Enable Bias Voltage Display (le V majuscule) et/ou Enable Bias Current Display (le I majuscule): les valeurs des tensions et des courants sont affichées directement sur le schéma. PSpice Studant 9.1 Page 16 / 18

17 Visualisation manuelle des résultats Pour visualiser les signaux, cliquer sur l'icône (Add Trace) Il suffit de sélectionner les traces à visualiser. Elles apparaissent dans le champ "Trace Expression" et s'afficheront dans cet ordre. Remarque : Pour identifier le nom des signaux que l'on souhaite visualiser, il est recommandé de nommer (Netname) tous ceux susceptibles d'être observés. Il est aussi possible d ajouter une autre fenêtre de visualisation (si l on souhaite avoir une abscisse différente par exemple), pour cela aller dans le menu «Plot» et sélectionner «Add Plot to Window». Cliquer sur une des deux zones «SELL >>» apparaît en bas à gauche et indique dans quelle zone vous aller ajouter une courbe. PSpice Studant 9.1 Page 17 / 18

18 Visualisation automatique des résultats Il est possible de préciser directement sur le schéma quels sont les signaux à visualiser. Sans fermer la fenêtre des résultats de simulation, aller dans Capture et cliquer sur l'icône de la sonde de tension Placer sur le schéma, autant de sondes V qu'il y a de signaux à visualiser. Retourner dans la fenêtre des résultats de simulation, les courbes sont automatiquement ajoutées Interprétation des résultats Visualisation des valeurs Pour relever les valeurs des tensions en utilisant des "curseurs", cliquer sur l'icône Puis utiliser les icônes suivantes : Curseur au maximum suivant Curseur au minimum suivant Curseur à la prochaine pente Curseur au minimum de la courbe Curseur au maximum de la courbe Curseur sur la donnée suivante Commande curseur Curseur sur la transitoire logique suivante Curseur sur la transitoire logique précedente Etiquette indiquant les coordonnées du curseur Un conseil: n'hésitez pas à modifier une ou plusieurs valeurs de composants, à rajouter ou déplacer des markers, à changer les paramètres d'analyse, etc... Observez ensuite le résultat de vos modifications sur le graphique, notez d'éventuelles différences, essayez de comprendre. C'est très pédagogique! Nous en resterons là en ce qui concerne la "prise en main" de PSpice, car vous en savez désormais assez pour vous débrouiller avec des schémas simples. Si vous êtes curieux, vous découvrirez dans les menus de nombreuses fonctions dont nous n'avons pas parlé ici. L'aide en ligne, globalement peu explicite, pourra parfois vous apporter quelques lumières. PSpice Studant 9.1 Page 18 / 18