В статье предлагается макромодель управляемого напряжением потенциометра для САПР OrCAD, имеющей мощную подсистему моделирования на базе PSpice. Это позволяет более эффективно моделировать некоторые проекты, для которых важна возможность изменять положение движка потенциометра при моделировании в режиме TRANSIENT. Управляемый потенциометр полезен также при написании макромоделей некоторых микросхем.
В OrCAD v16.6 есть модель постоянного и переменного резистора (Рисунок 1). Они находятся в библиотеке analog.olb. Переменный резистор управляется параметром «SET», который меняется в диапазоне от 0 до 1.
 |
|
| Рисунок 1. | Постоянный и переменный резистор из библиотеки analog.olb. |
В OrCAD v16.6 есть также модель потенциометра (Рисунок 2). Она находится в библиотеке breakout.olb. Положение движка этого потенциометра управляется параметром «SET», который меняется в диапазоне от 0 до 1.
 |
|
| Рисунок 2. | Потенциометр из библиотеки breakout.olb. |
И, наконец, в OrCAD v16.6 в библиотеке spice_elem.olb есть модель управляемого напряжением резистора (Рисунок 3). Источник напряжения может быть плавающим и должен изменяться в диапазоне (0…1) В.
 |
|
| Рисунок 3. | Управляемый напряжением резистор из библиотеки spice_elem.olb. |
Однако, в OrCAD v16.6 (как и в более старых версиях [1, 2, 3, 4, 5]) нет моделей потенциометра с динамической (или анимированной) регулировкой для режима TRANSIENT, как, например, в Micro-CAP или MultiSim. Это не позволяет моделировать в OrCAD некоторые схем, для которых важно иметь возможность изменять положение движка потенциометра при моделировании в режиме TRANSIENT.
Итак, приступим к созданию PSpice макромодели управляемого напряжением потенциометра.
Сначала построим модель обычного резистора. Для этого будем использовать блоки поведенческого моделирования [3, 6] из библиотеки AMB.olb.
 |
|
| Рисунок 4. | Поведенческая модель резистора. |
Из закона Ома следует, что сопротивление есть функция тока, зависящая от напряжения – G(V). На схеме в OrCAD (Рисунок 4) это можно отобразить с помощью поведенческого блока AMB2I1 (источник тока, управляемый напряжением). Для того чтобы он стал резистором, надо соединить его входы и выходы. В функцию блока AMB2I1, описывающегося выражением на языке PSpice
(V(%IN1) - V(%IN2))/RES
мы добавили масштабирующий коэффициент RES, который будет задавать номинал резистора. Без него это будет сопротивление величиной 1 Ом, а при RES=10 – 10 Ом. Если подключить к такому резистору на источнике тока источник напряжения величиной 10 В, то через источник AMB2I1 должен потечь ток 1 А. Именно это мы увидим, если после запуска моделирования в режиме TRANSIENT нажмем в редакторе OrCAD Capture кнопку включения показа токов на схеме (Рисунок 4).
Более сложный тест созданного резистора показан на Рисунке 5. Здесь промоделированы две схемы (а и б), которые должны работать одинаково, если RES=R4=1К. Мы видим, что узловые напряжения равны. Таким образом, мы действительно получили резистор.
 |
|
| Рисунок 5. | Тестирование поведенческой модели резистора. |
Следующим шагом необходимо сделать поведенческую модель резистора, управляемого напряжением. Это тоже можно выполнить с помощью блока AMB2I1 (Рисунок 6). В качестве его функции запишем следующее выражение на языке PSpice:
{V(1,0)/(1- V(%IN1,%IN2))/RES}
В этом выражении соединение входов с выходами источника тока AMB2I1 описано переменной V(1,0) (это означает V(1)–V(0)), а масштабный коэффициент (номинал резистора) стал зависеть от разности напряжений между входами IN1 и IN2. Эта зависимость такова, что если напряжение V(%IN1,%IN2) меняется в диапазоне от 0 до 1 В, то сопротивление такого резистора будет меняться в диапазоне от 0 до RES.
 |
|
| Рисунок 6. | Поведенческая модель управляемого напряжением резистора. |
В схеме тестирования управляемого напряжением резистора (Рисунок 6) используется весьма полезная макромодель омметра (Ohmmeter), которая вычисляет сопротивление получившегося резистора в режиме TRANSIENT. Макромодель омметра представлена в Листинге 1. Она по закону Ома вычисляет величину подключенного к ней резистора Rx=(V1-V2)/Ix. Входное сопротивление омметра по входам V1, V2 равно бесконечности, а по входам Ix равно нулю. Напряжение величиной 1 В на выходе омметра соответствует сопротивлению резистора 1 Ом, подключенного к его входам. Соответственно, если к входу омметра подключен резистор 10 кОм, то напряжение на выходе омметра будет 10 КV.
 |
|
| Рисунок 7. | Установка времени моделирования режима TRANSIENT. |
К входу блока AMB2I1 подключен источник V2, генерирующий линейно нарастающее напряжение в диапазоне (0.1…1) В в течение 1 секунды. В соответствии с этим надо установить время моделирования в режиме TRANSIENT (Рисунок 7). Результат моделирования (Рисунок 8) показывает, что при установленном параметре RES=10К сопротивление нашего резистора меняется в диапазоне от 1К до 10К. Это доказывает работоспособность поведенческой модели управляемого напряжением резистора.
Листинг 1
*$
* Device name: Ohmmeter
* Aythor: [email protected] Petrakov Oleg
* Date: 16 Dec 2015
.SUBCKT Ohmmeter 1 2 3 4 5
EX 5 0 Value={(V(1)-V(2))/V(6)}
V1 3 4 0V
H1 6 0 V1 1
.ENDS
*$
 |
|
| Рисунок 8. | Результат моделирования поведенческой модели управляемого напряжением резистора (Рисунок 6). |
Очевидно, используя два таких последовательно соединенных управляемых напряжением резистора, но с противоположными зависимостями величины сопротивления от входного напряжения, можно сделать потенциометр, управляемый напряжением. На Рисунке 9 показана схема тестирования такой поведенческой модели потенциометра. Два поведенческих блока AMB2I1 и AMB2I2 управляемых напряжением источников тока управляются следующими выражениями, соответственно:
{V(1,3)/(1-LIMIT( V(%IN1,%IN2), 0.999999, 0))/RES}
{V(3,2)/LIMIT( V(%IN1,%IN2), 1, 1e-6)/RES}
 |
|
| Рисунок 9. | Поведенческая модель управляемого напряжением потенциометра. |
Функция LIMIT понадобилась для того, чтобы ограничить диапазон входных управляющих напряжений и не допустить деления на ноль (В этом случае моделирование в PSpice остановится). В нашем случае благодаря двум функциям LIMIT управляющим будет напряжение в диапазоне от 0.000001 В до 0.999999 В. Если входное напряжение выходит за этот диапазон, то движок потенциометра остановится в одном из крайних положений. Это убережет от непредвиденных эффектов при моделировании. Резисторы очень большого номинала R1 и R2 понадобились для того, чтобы PSpice не останавливалась, выдавая сообщение об ошибке: «Node 3 is floating» (Узел 3 плавает). Маловероятно, что кому-то понадобится потенциометр очень большого номинала, когда влияние этих резисторов на результат будет существенным. Во всяком случае, их всегда можно сделать еще больше.
Литература
- Разевиг В. Д. Система проектирования OrCAD 9.2. СОЛОН. Москва 2001 г.
- Архангельский А. Я. PSpice и Design Center. Ч. 1. Схемотехническое моделирование. Модели элементов. Макромоделирование. М.: МИФИ, 1996 г.
- Петраков О. М. Создание аналоговых PSPICE-моделей радиоэлементов.— М.: ИП РадиоСофт, 2004.— 208 с.: ил.— (Книжная полка радиолюбителя. Вып. 8)
- Хайнеман Р. Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE. Пер. с нем. – М.: ДМК Пресс, 2008. 336 с.: ил.
- Кеоун Дж. OrCAD Pspice. Анализ электрических цепей (+DVD). — М.: ДМК Пресс СПб.: Питер, 2008. — 640 с.: ил.
- Петраков О. М. Поведенческое моделирование в PSPICE. Журнал Схемотехника №3, №4 за 2003 г.
