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Démarrer avec Orcad Capture et Pspice

La suite Orcad (aujourd'hui Cadence) inclut entre autres un logiciel de saisie de schéma et un simulateur Pspice. Une version d’évaluation gratuite, est disponible sur http://www.artedas.fr/Telechargements/Versions_evaluation.php Notre objectif est ici de passer en revue les principales fonctionnalités. Ce didacticiel à été réalisé avec la version 9.1 ; on trouvera quelques différences pour les versions supérieures.

1 Le minimum à connaître…

1.1 Saisir le schéma Commencer par ouvrir un projet :

Donner un nom, une localisation et, indispensable pour accéder au simulateur, spécifier le contexte en validant l’option Analog or Mixed Circuit Wizard :

Attention : le nom du projet et de l’arborescence y conduisant ne doit comporter aucune lettre accentuée, ni espace.



Ajouter éventuellement des bibliothèques de modèles et symboles (cette opération pourra être faite plus tard) :

Si la barre d’outils à gauche n’apparaît pas, cliquer gauche au milieu de la feuille : Pour visualiser la fonction d’une icône, il suffit de rester dessus avec le pointeur de la souris.

changer de menu

prendre et placer des composants

placer les connexions

zoom avant et arrière

placer des sondes de courant et tension

placer la masse



Nous allons faire une simulation temporelle dans un premier temps, du schéma suivant :

Ve

TD = 0

TF = 0PW = 10uPER = 200u

V1 = -5

TR = 0

V2 = 5

C1

30p

Valim

0

Vcapa

0

R1

1.2Meg

La source de tension, de nom « Ve » ici, est le composant « Vpulse » de la bibliothèque « sources », qui fournit une tension rectangulaire périodique, dont le niveau de repos est V1 (ici -5 V), le niveau à l’état haut V2 (de valeur 5 V), de temps de retard par rapport à l’origine temporelle TD, de temps de montée TR, de descente TF, de largeur PW (ici 10 µs) et de période PW (ici 200 µs). Placer les symboles nécessaires en sélectionnant une bibliothèque ; citons les bibliothèques les plus utiles :

- ANALOG du répertoire Pspice où on trouvera résistances, inductances et condensateurs, - SOURCE du répertoire Pspice où on trouvera toutes sortes de sources de tension et courant:

Remarque : dans le cas où une analyse de type Bode est souhaitée (ACsweep/ Noise –voir plus loin-), il est nécessaire d’utiliser la source VAC.

Une fois le ou les symboles placés, appuyer sur « Echap » pour se débarrasser du symbole. Attention pour effectuer une simulation, le potentiel de référence doit présenter le chiffre « 0 » :



Pour supprimer un symbole, le sélectionner (clic gauche) et appuyer sur « Suppr ». Pour accéder au menu contextuel (copier, supprimer, symétrie, rotation etc), sélectionner le composant, puis clic droit. Pour définir un paramètre, double cliquer gauche sur le paramètre et entrer la valeur choisie :

indispensable pour la simulation



Attention à la syntaxe : - fento : f ou F - pico : p ou P - nano : n ou N - micro : u ou U (ET NON PAS µ) - milli : m ou M - kilo : k ou K - mega : meg ou MEG (ET NON PAS M réservé à « milli ») - tera : t ou T - la « virgule » s’écrit avec un « point » ex :1.2 - il n’est pas nécessaire de préciser l’unité (V, s etc…)

Placer éventuellement des sondes de mesures aux endroits désirés, mais il est plus pratique de donner des noms aux nœuds que l’on souhaite visualiser (voir ci-après).

1.2 Donner des noms aux nœuds Lorsque le schéma est complexe, afin de se repérer facilement dans le choix des courbes à afficher, plutôt que de placer des sondes pour indiquer les points de mesure, il est préférable de donner un nom aux nœuds à l’aide de l’icône « Place Net Alias ».

1.3 Définir un profil de simulation, simuler et aff icher Donne un nom à la simulation :

nom placé sur un nœud

l’icône de placement de nom de nœuds et la fenêtre correspondante



Définir le type de l’analyse, qui peut être : - temporelle (l’axe des abscisses est le temps), - fréquentielle (l’axe des abscisses est la fréquence), - continue (l’axe des abscisses est une grandeur continue), - de polarisation (pas de courbes affichées, juste des points de polarisation), - paramétrique (plusieurs courbes associées à un paramètre sont affichées en fonction du

temps, de la fréquence, d’une variable continue … suivant la demande). Dans le cas d’une simulation temporelle générale, préciser :

- la durée de simulation - le pas de calcul maximal ; plus ce paramètre sera faible , meilleure sera la précision des

résultats, mais le temps de simulation sera important ; une valeur généralement acceptable dans le cas de signaux périodiques, est d’un dixième de la période du signal le plus rapide.

- un pas de calcul trop grand peut conduire à des résultats faux. Dans certains cas, il est préférable que le logiciel ignore le calcul de la polarisation du point transitoire initial du circuit.

définir nom et paramètres de la simulation

modifier ultérieurement les paramètres de simulation



Avant d’arriver au résultat escompté, il sera généralement nécessaire de lancer plusieurs simulations. Afin d’avoir à éviter de définir à chaque fois ce que le logiciel doit afficher comme grandeurs, valider l’option « show last plot » dans le menu « Probe windows » du profil de simulation.

1.4 Simuler et afficher les résultats

lancer la simulation



Lancer la simulation, s’il n’y a pas eu d’erreur, une fenêtre chronogramme vide s’ouvre toute seule : On a alors accès aux différents noms donnés précédemment aux nœuds dans le menu Trace / Add Trace de la fenêtre d’affichage :

On obtient alors le résultat de la simulation :

Modifier éventuellement le format de l’affichage (nombre de fenêtres, courbes affichées, échelles, durées etc) :



1.5 Faire une analyse de Fourrier On peut passer du domaine temporel à celui de Fourier :

icône FFT

ajouter ou enlever des courbes

modifier les échelles et la durée d’affichage, ajouter des fenêtres

échelles linéaires et logarithmiques

les zooms

les curseurs



Pour utiliser correctement la transformation de Fourrier, il faut avoir à l’esprit que notre logiciel effectue ses calculs sur des échantillons ; il se comporte donc comme tout les systèmes échantillonnés, à savoir :

- un temps d’analyse est important donnera une meilleure résolution (des raies plus fines dans le cas d’un signal périodique),

- un pas de calcul faible (c’est à dire un échantillonnage à fréquence plus élevée) donnera une grande excursion de fréquence .

Le temps d’analyse (Run to time ) et le pas de calcul (Maximum step size ) se paramètrent dans le profil de simulation, avec l’onglet Analysis .

1.6 Faire une analyse de Bode La source d’excitation doit alors être de type VAC de la bibliothèque SOURCE. Eventuellement, des marqueurs en dB sont disponibles dans le menu PSpice / Markers / Advanced / dB Magnitude of Volta ge. De la même manière, on pourra placer un marqueur de phase.

Dans le profil de simulation, après avoir sélectionné l’option ACSweep / Noise , on précise les fréquences extrêmes et le pas. Lors de l’affichage, les marqueurs peuvent avantageusement être remplacés par les opérations mathématiques disponibles dans le menu Trace / Add Trace .



Nous avons utilisé ici DB(V(Vcapa)) et P(V(Vcapa)) pour afficher le gain et la phase (la référence étant la tension d’excitation, le résultat en dB et degrés) ; nous aurions aussi pu écrire 20*LOG10(ABS(V(Vcapa))) pour le gain et ARCTAN(IMG(V(Vcapa))/R(V(Vcapa))) pour la phase (attention résultat en radians).

2 Quelques compléments…

2.1 Importer le graphique dans un document texte Dans la fenêtre d’affichage, le sous menu « Copy to Clipboard… » du menu « Windows » permet entre autres de supprimer le fond noir lors de la copie dans le presse papier, ce qui simplifiera l’impression :

L’affichage est alors le suivant :

Time

0s 0.2ms 0.4ms 0.6ms 0.8ms 1.0msV(Valim) V(Vcapa)

-5.0V

0V

5.0V

Le chronogramme importé est généralement plus lisible, si on a au préalable grossit le trait des courbes avant l’importation : pour cela cliquer sur la courbe à l’intérieur du chronogramme pour la sélectionner, puis par un clic droit accéder au menu contextuel, pour enfin choisir la forme et l’épaisseur du trait. Il est aussi possible d’ajouter des commentaires, de modifier les échelles, les grilles etc…



Time

0s 0.1ms 0.2ms 0.3ms 0.4ms 0.5ms 0.6ms 0.7ms 0.8ms 0.9ms 1.0msV(Valim) V(Vcapa)

-5.0V

0V

5.0V

tension aux bornes de C1

tension d'alimentation

2.2 Imposer des conditions initiales Il est possible d’imposer des conditions initiales (tension aux bornes d’un condensateur, courant dans une inductance), limitant ainsi la durée d’un éventuel régime transitoire ; pour cela, sélectionner le composant, afficher par clic droit le menu contextuel, et dans les propriétés, entrer la valeur choisie dans la colonne « IC », sélectionner cette colonne puis rendre le paramètre visible sur le schéma (facultatif). Fermer la fenêtre.

Pour le logiciel, condensateurs et inductances sont des éléments polarisés, le point de référence pour un condensateur est la borne 2, et pour une inductance un courant est positif s’il entre par la borne 1 ; on peut identifier les bornes en éditant leurs propriétés. L’élément IC1 de la bibliothèque SPECIAL du répertoire Pspice permet aussi d’imposer des conditions initiales.



2.3 Simuler un amplificateur linéaire intégré La version démonstration d’Orcad n’acceptant pas la simulation de ce type de circuit, il est possible de remplacer par le composant « Evalue » de la bibliothèque « ABM », qui permet d’amplifier la différence de potentielle entre ses deux bornes d’entrée, d’un gain paramétrable, en limitant l’excursion de la sortie. L’expression à entrer est alors « LIMIT((V(%IN+) - V(%IN-))*1e5,-15,15) » pour un ALI de gain 105 alimenté en */-15 V. L’exemple suivant simule un montage inverseur :

entreesortie

V1

FREQ = 1kVAMPL = 1VOFF = 0

R2

100k

0

0

E1

LIMIT((V(%IN+)-V( %IN-))*1e5,-15,15)

EVALUE

OUT+OUT-

IN+IN-

R1

10k

0

Remarque : un gain important, ici 105, conduit parfois à une divergence des calculs du simulateur, surtout si l’amplitude des signaux d’entrée est importante ; il suffit alors de diminuer la valeur de ce gain, par exemple à 103, pour mener à bien la simulation.

2.4 Gestion des fichiers Au sein d’un même projet, il est pratique de pouvoir simuler plusieurs schémas indépendants les uns des autres, dans notre exemple « SCHEMA_1 » et « SCHEMA_2 » au sein du projet « MULTIPLE ». Noter que ces fichiers peuvent être renommés à volonté à partir de leur menu contextuel (clic droit sur leur nom dans le gestionnaire de fichiers puis « rename ») :

- dans le gestionnaire de fichiers, sélectionner le projet MULTIPLE.dsn et créer un nouveau dossier schéma par Desing / New Schematic , puis le nommer ;

- créer une nouvelle page dans ce nouveau dossier schéma en le sélectionnant, puis Design / New Schematic Page (on pourra aussi copier par « Ctrl C » « CtrlV » le précédent schéma afin de la modifier ultérieurement);

- déclarer le dossier schéma comme dossier principal (celui qui est actif et peut être simulé) ; pour cela sauvegarder le projet, sélectionner le nouveau schéma (dans le gestionnaire de projet), puis Make Root à partir du menu contextuel ;



On vérifie bien que notre nouveau dossier schéma « SCHEMA_2 » se trouve au sommet de la hiérarchie et est prêt à être simulé. Il faudra évidemment pour cela créer un nouveau profil de simulation.

3 Quelques précisions pour le numérique…

3.1 Les stimulis numériques… Des stimulis numériques sont disponibles dans la bibliothèque SOURCSTM du répertoire Pspice . Après avoir placé les symboles sur le schéma et en avoir sélectionné un, le menu Edit / Pspice Stimulus permet de définir l’allure de celui-ci :

On peut choisir de décrire un signal d’horloge, ou un signal quelconque.



Dans ce dernier cas, à l’aide de l’icône en forme de crayon, il est possible de définir une à une la position des différentes transitions du signal. On annule ce mode de fonctionnement par un clic droit. Pour modifier une transition, cliquer dessus (en mode normal) pour la sélectionner ; on peut alors :

- supprimer la transition par la touche Suppr, - modifier sa position par un « glissé » - modifier précisément la position par un double clic droit.

3.2 Le cas des systèmes rebouclés… Lorsque le montage comprend un rebouclage sortie vers entrée, il est généralement nécessaire de préciser l’état initial 0 ou 1 des bascules à l’aide de l’onglet « option » du profil de simulation, le montage ci-après par exemple, ne fonctionnant pas sans cette précision :

Lorsque le potentiel d’une entrée numérique reste fixe, il est plus simple d’utiliser les symboles de mise à 1 (HI) ou de mise à 0 (LO) accessible depuis la bibliothèque SOURCE grâce à l’icône « Place Power ».



3.3 Les simulations mixtes… Elles sont parfois la source de quelques pièges ; dans le montage suivant par exemple, où un multivibrateur astable attaque une bascule D câblée en diviseur de fréquence par 2, la bascule ne fonctionnera que si elle a été initialisée par un stimulis plaçant la bascule à 0 en début de simulation (l’entrée CLR doit rester quelque temps à 0 puis repasser à 1). La solution précédente consistant à préciser l’état initial de la bascule dans le profil de simulation est sans effet.

D’une manière générale, on prendra ce type de précaution chaque fois qu’un signal analogique attaquera de manière directe ou indirecte une bascule. Dans quelques cas, il sera également nécessaire d'interdire l'état haute impédance en sortie des bascules ; pour cela l'option, dans le profile de simulation, l’option « Default I/O level for A/D interfaces » de l’onglet « Option » sera mise au niveau 4 pour les portes HC et HCT, et au niveau 2 pour les autres portes (plus d’information sur cette option nécessite la connaissance de la manière dont sont modélisés les circuits numériques dans Pspice).

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