MicroSim 8

I programmi di simulazione circuitale costituiscono uno strumento di estrema utilità per chi si occupa di progettazione di circuiti elettronici. Il loro impiego diviene pressoché indispensabile nel caso di progettazione di circuiti integrati. Infatti, sebbene il modo più semplice per verificare la rispondenza alle specifiche di progetto di un circuito elettronico sia quello di costruirne un prototipo ed effettuare misure su di esso, l'avvento della tecnologia dei circuiti integrati ha reso molto problematico questo procedimento. La realizzazione di un prototipo di circuito integrato deve essere effettuata con le stesse tecnologie impiegate per la realizzazione del circuito definitivo, con costi e tempi notevoli per una semplice verifica di progetto.

Per questo motivo, già a partire dai primi anni '70, sono stati sviluppati programmi di simulazione circuitale sempre più sofisticati e potenti. Lo scopo di questi programmi è, infatti, quello di costituire un'alternativa alla realizzazione di prototipi. In termini molto semplici, questi programmi simulano un banco di laboratorio sul quale sia possibile costruire un circuito elettronico e provarlo.

Da diversi anni uno dei programmi più accreditati nel campo della simulazione circuitale è SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Enphasis). La prima versione di questo programma fu sviluppata, durante la prima metà degli anni '70, all'Università di Berkeley in California. Negli anni successivi il programma ha subito continui miglioramenti e, accanto alla versione originale, sono state sviluppate versioni commerciali, prodotte da varie ditte. Attualmente sono disponibili un gran numero di prodotti che possono essere considerati come parte della famiglia SPICE. Questi programmi esistono sia per grandi calcolatori, che per Workstation. Da circa 10 anni sono anche disponibili versioni di SPICE per personal computer. Ovviamente, al variare del computer utilizzato, cambiano le prestazioni ottenibili dalle varie versioni in termini di tempo di calcolo e dimensioni del circuito che è possibile simulare. Tuttavia, tutti i programmi della famiglia di SPICE utilizzano, essenzialmente, gli stessi algoritmi di calcolo e richiedono le stesse modalità d'uso da parte dell'utilizzatore.

Il programma di gran lunga più diffuso a livello di personal computer è Pspice, prodotto dalla ditta MicroSim Corporation (ora incorporata nella ditta OrCad).

La versione di valutazione è dotata di quasi tutte le prerogative della versione commerciale che permettono di ben esplorare le potenzialità del programma. La stessa presenta alcune limitazioni che, ovviamente, ne limitano il campo di utilizzo alla didattica o poco più.

L'ultima Evaluation Version dispone di un potente editor (Schematics) che permette di creare lo schema grafico del circuito da simulare, proprio come lo disegneremmo sul foglio. Alla fine, se il circuito non presenta errori, l'editor grafico crea automaticamente l'equivalente netlist e lancia, sempre automaticamente, il programma Pspice vero e proprio che esegue le varie simulazioni richieste. Sequenzialmente, finita la fase di simulazione e se il tipo di simulazione lo richiede, viene lanciato il programma Probe che visualizza le tensioni e le correnti specificate nelle schema oppure attende gli appositi comandi per visualizzarli. Il tutto avviene operando all'interno di Windows 95 permettendo un semplice interscambio di dati e grafici fra applicazioni di tipo diverso.

L'installazione del programma avviene in modo assistito, come del resto gran parte dei programmi creati in ambiente Windows95 e crea un gruppo di programmi all'interno del menù Avvio. Il nucleo del programma è costituito dalle seguenti applicazioni:

Le altre applicazioni sono di tipo specifico ed esulano dalla descrizione preliminare che si vuole fornire in questa sede.

Schematics fornisce un foglio di lavoro grafico sul quale è possibile disegnare il circuito avvalendosi di tutta una serie di simboli grafici corrispondenti ai vari componenti circuitali. Nello stesso foglio è possibile inserire finestre e righe per i commenti e, addirittura, grafici. Il circuito così costruito viene registrato su un file con estensione .SCH. Solo in un secondo tempo, dopo aver impostato i tipi di analisi richieste, si può far partire la simulazione e Schematics provvederà automaticamente a generare e a registrare la corrispondente netlist su un file .CIR. Se aperta con un qualsiasi editor di testo, la netlist apparirà in una forma simile a quella delle vecchie versioni di Pspice in quanto il simulatore è rimasto invariato nelle sue componenti fondamentali.
Il circuito viene costruito mediante l'apposizione sul foglio di lavoro dei vari componenti e, quindi, la realizzazione delle necessarie interconnessioni. La scelta dei componenti avviene facendo click sul pulsante contrassegnato da

il quale permette l'accesso alla lista completa dei componenti disponibili. Alternativamente, possiamo ricorrere al contiguo menù a tendina che mette a disposizione gli ultimi componenti utilizzati. Il componente può essere ruotato mediante CTRL+R (rotate) oppure rovesciato mediante CTRL+F (flip). Le successive interconnessioni vengono fatte usando lo strumento contrassegnato da

La denominazione dei componenti viene fatta, solitamente, in modo automatico da Schematics con una numerazione progressiva. L'utente può comunque rinominare il componente in ogni momento facendo un doppio click sulla vecchia denominazione al che apparirà una finestra dove il programma fa richiesta del nuovo nome. Il valore del componente viene impostato facendo doppio click sul valore di default (es. 1k per le resistenze, 1n per i condensatori). Gli stessi possono essere indicati per esteso, in notazione scientifica, o anche usando i seguenti suffissi di scala:

Per esempio, il valore di un condensatore da 15 mF potrà essere indicato, indifferentemente, come 0.000015, 15E-6 oppure 15U. Con un doppio click sul componente vero e proprio si ha, infine, accesso ad una finestra che riassume tutte le varie caratteristiche del componente stesso con la possibilità di aggiornare le stesse.

Generatori	Diodi e transistor

Sul foglio grafico possono essere specificate le tensioni e le correnti che si intende visionare facendo uso degli appositi marker:

selezionabili mediante le corrispondenti icone

. Marker più specifici relativi a tensioni e correnti in dB, alla fase, alle componenti reali o immaginarie sono disponibili nel corrispondente menù a tendina Markers.

La simulazione può essere lanciata premendo F11 oppure facendo click sull'icona

. In primo luogo, Schematics crea la netlist corrispondente in una forma del tutto simile a quella delle vecchie versioni di Pspice, quindi viene lanciato il simulatore vero e proprio che inizialmente controlla l'assenza di errori nella netlist generata. Se tutto va bene, la simulazione viene avviata, altrimenti il programma si interrompe e, mediante MicroSim Message Viewer, informa l'utente degli errori riscontrati. Notare che, quando le informazioni fornite non sono sufficienti alla risoluzione del problema, può essere utile esaminare il file di uscita con estensione .OUT che Pspice crea in ogni caso: tale operazione può essere compiuta selezionando la voce Examine Output dal menù Analisys che apre il suddetto file con MicroSim Text Editor.

Prima del lancio della simulazione, occorre indicare il tipo di analisi da effettuare, altrimenti Pspice si limiterà a calcolare il punto di lavoro in continua che è il tipo di analisi che il simulatore effettua sempre, prima di ogni altro tipo di simulazione. Il calcolo del punto di lavoro in continua è sufficiente per la risoluzione di reti resistive contenenti solo generatori in continua oppure per visionare la polarizzazione di un transistor. I risultati del calcolo del punto di lavoro in continua sono visionabili in ogni momento, dopo aver lanciato la simulazione, direttamente sul foglio di lavoro di Schematics facendo uso delle icone

. Le suddette inseriscono, nello schema, un blocco verde in corrispondenza di ogni nodo ad indicarne la tensione e un blocco blu in corrispondenza di ogni componente ad indicare la corrente che vi scorre

L'impostazione delle varie simulazioni effettuabili avviene attraverso un'apposita finestra richiamabile mediante l'icona

oppure selezionando la voce Setup…dal menu Analisys.

In pratica, questa finestra aggiunge automaticamente i vecchi comandi "." alla netlist che verrà creata successivamente.

I risultati della simulazione possono essere ottenuti in forma grafica direttamente sullo schermo del computer ricorrendo all'uso del postprocessore grafico Probe che Microsim fornisce a corredo di Pspice. Probe è molto semplice da usare in quanto si tratta di un programma a menù e, quindi, non c'è la necessità di ricordarsi comandi o istruzioni particolari. Una volta lanciato il programma, il calcolatore imposta una schermata in modalità grafica simile allo schermo dell'oscilloscopio sul quale visionare le tracce relative alle grandezze desiderate. Sono inoltre disponibili, sempre tramite menù appositi, varie opzioni (cambiamenti di scala sia per l'asse verticale che per quello orizzontale, funzioni di cursore, ecc.) ed è possibile stampare il grafico ottenuto.

Se non specificato diversamente alla voce Probe Setup… del menù Analisys di Schematics, il programma si attiva automaticamente alla fine di ogni simulazione che ne faccia richiesta andando ad aprire il file .DAT che il simulatore ha creato. Pspice salva su questo file, per default, i dati relativi a tutte le tensioni di nodo e a tutte le correnti di ramo, per cui non è necessario specificare le grandezze d'interesse. Ciò che vedremo sullo schermo saranno, inizialmente, le sole tracce relative ai markers apposti sul foglio di lavoro.

Per visualizzare altre tracce, è necessario premere INS, scegliere la voce Add… dal menù Trace oppure ancora cliccare

sull'icona

. Cosi facendo, avremo accesso alla lista completa delle variabili disponibili (tensioni di nodo e correnti sui componenti) e alle possibili operazioni matematiche effettuabili su di esse (ad esempio per il calcolo di una potenza). Per default, viene riportata l'ampiezza della grandezza richiesta anche se è possibile richiedere altre caratteristiche della grandezza, aggiungendo uno dei seguenti codici alla lettera "V" (per le tensioni) o "I" (per le correnti):

Per circuiti di una certa complessità, il fatto che Pspice registri sul file .DAT tutte le tensioni di nodo e le correnti sui componenti può portare alla creazione di file di dati di dimensioni piuttosto elevate. Per evitare questo, Pspice può essere impostato in modo che lo stesso salvi i soli dati relativi ai markers apposti sul foglio di lavoro di Schematics. Tale operazione si effettua selezionando l'opzione At Markers Only dal sottomenù Data Collection della finestra Probe Setup Options (apribile alla voce Probe Setup… del menù Analisys).

La simulazione nel dominio del tempo, o simulazione della risposta transitoria che dir si voglia, è senz'altro uno degli impieghi più comuni dei programmi della famiglia Pspice. Mediante questo tipo di simulazione si ha la possibilità di vedere come il circuito risponderà, istante per istante, alle forme d'onda delle eccitazioni applicate e vedere anche quali sono gli effetti delle eventuali non linearità presenti nel circuito. Si tratta anche della simulazione più complessa dal punto di vista algoritmico in quanto Pspice effettua la simulazione mediante una discretizzazione del circuito; in termini molto semplici: questo significa che le equazioni differenziali che descrivono il comportamento del circuito vengono trasformate in equazioni alle differenze finite. Un punto molto critico in questo tipo di approccio è la scelta del passo di discretizzazione, cioè dell'intervallo di tempo che intercorre tra una soluzione delle equazioni e la successiva; Pspice adotta, per questa scelta, un sofisticato algoritmo a passo variabile mediante il quale il tempo di campionamento viene adattato in base alla forma dei segnali presenti sul circuito.

Questo tipo di simulazione si attiva selezionando la voce Transient… dalla finestra di setup delle simulazioni. All'interno della stessa dovranno essere specificati:

In molti casi può essere interessante effettuare la simulazione della risposta transitoria del circuito con condizioni iniziali diverse da zero per i componenti reattivi. Pspice permette di ottenere questo in modo molto semplice: è sufficiente specificare, per ciascun componente reattivo, il valore della condizione iniziale nella scheda descrittiva a cui si accede cliccando sopra il componente interessato dalla condizione iniziale non nulla. Ovviamente il valore immesso sarà interpretato come tensione per i condensatori e corrente per gli induttori.

L'analisi si imposta accedendo alla voce AC Sweep… della finestra di setup delle simulazioni immettendo la frequenza iniziale, la frequenza finale, il tipo di scala desiderata e il numero di punti in cui si voglia effettuare l'analisi. La procedura è equivalente all'inserimento del vecchio comando .AC delle versioni con netlist. Al solito, sarà opportuno indicare con i marker le tensioni o le correnti che si desidera visualizzare.

L’asse delle ascisse può essere rappresentato in scala lineare o logaritmica.

Componenti passivi	Amplificatori operazionali

Introduzione all'uso di Pspice