Tài liệu hướng dẩn sử dụng PSpice để mô phỏng mạch điện trong ORCAD

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 các
mạch điện
Trong báo cáo này tôi trình bày việc ứng dụng phần mềm PSpice trong
phân tích và giải mạch điện. Nội dung của báo cáo gồm hai chương: Chương 1 đề
cập đến lịch sử phát triển, các tính năng chính của phần mềm Spice, PSpice và
OrCAD; Chương 2 mô tả quy trình thực hiện một số phân tích cơ bản như phân
tích một chiều, xoay chiều, quá độ, hồi đáp tần số và thời gian và các bước để thực
hiện 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 LỤC

Chương 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 7
Chương 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 23

Tài liệu tham khảo 27
Vũ 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 ORCAD
1.1. Tổng quan về OrCAD
OrCAD là một bộ công cụ dùng cho quá trình thiết kế mạch điện tử. Bộ
phần mềm này được phát triển và cung cấp bởi tập đoàn Cadence. Phiên bản hiện
tại của OrCAD là 10.0. Đây là một bộ công cụ gồm nhiều phần mềm khác nhau
phục vụ cho việc thiết kế mạch nguyên lý, xuất mạch in, mô phỏng, phân tích
mạch điện. Các công cụ chính của OrCAD là Capture, Layout, PSPICE, bên cạnh
đó còn một số phần mềm hỗ trợ quá trình phân tích, tối ưu hoá mạch điện cũng
như 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 đồ
mạch nguyên lý là sơ đồ mà trong đó các phần tử của mạch điện được thể hiện
dưới dạng các ký hiệu của chúng và được kết nối với nhau theo một quy tắc nhất
định 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 mạch
điện tử dựa trên một thư viện về các phần tử hết sức phong phú và đa dạng, bên
cạnh đó nó còn cho phép người dùng tạo ra các thư viện của riêng mình và thêm
vào cơ sở dữ liệu của chương trình. Việc xây dựng sơ đồ nguyên lý là một việc
làm hết sức cần thiết trong quá trình thiết kế một mạch điện tử. Dựa trên sơ đồ
nguyên lý người ta có thể kiểm tra lại tính chính xác của mạch điện cũng như dự
đoán được khả năng làm việc của thiết bị thực. Đây cũng là giai đoạn ban đầu
Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN
1
Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version

nhằm cung cấp mạch đầu vào cho quá trình phân tích các đặc tính của mạch điện
sử dụng PSPICE, cũng như là nguồn để tạo ra phần phôi của mạch in, từ đó cung
cấp 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 bảng
mạch.
Bảng mạch in (Printed Circuit Board – PCB) được dùng để hỗ trợ việc kết
nối các thành phần của bảng điện tử, trên đó đường nối giữa các phần từ được tạo
ra bằng các cho axit ăn mòn lớp đồng nằm trên các phiến không dẫn điện. Các
phần 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 điện
một cách hợp lý và khoa học. Đầu ra của công cụ này là một bảng mạch in trên đó
có các dấu của đường dẫn cũng như vị trí của các lỗ cắm linh kiện, từ đó nhà sản
xuất có thể sử dụng các máy điều khiển số để khoan lỗ cũng như cho ăn mòn các
tấm 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 dây
chuyền sản xuất sản phẩm từ quá trình thiết kế mạch nguyên lý cho đến sản phẩm
thực.

Hình 2: Bảng mạch in của bảng ma trận điện tử
Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN
2
Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version
1.2. Tổng quan về Spice và PSpice
1.2.1. Lịch sử ra đời
Kỹ thuật điện là ngành khoa học nghiên cứu về những ứng dụng của các
hiện 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 các
tín 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 ta
thường thay thế các mạch điện thực tế bằng các mô hình thay thế và các sơ đồ
mạch điện tương đương. Việc phân tích các mạch điện nhằm dự đoán và kiểm tra
khả năng làm việc của các thiết bị điện từ hoặc nhằm đưa ra các sản phẩm phù hợp
với yêu cầu đặt ra.
Phương pháp thực tế để kiểm tra một mạch điện là xây dựng chúng. Tuy
nhiên, từ những năm 1970, khi mà các thành phần của một mạch tích hợp hợp có
kích thước ngày càng nhỏ bé thì việc xây dựng các vi mạch này trở nên rất khó
khăn. Bên cạnh đó, những tác động vật lý - âm thanh, ánh sáng không ảnh hưởng
đến những mạch điện thông thường nhưng lại gây nhiễu rất lớn đối với các vi
mạch. Vì vậy việc lắp ráp các vi mạch từ các thành phần thực trong phòng thí
nghiệm 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 mô
phỏng và phân tích quá trình làm việc của mạch điện tử. Khi đó ta có thể xây
dựng, thử nghiệm, khảo sát hoạt động của mạch ứng với các trường hợp cũng như
thay đổi các thông số kỹ thuật và khảo sát ảnh hưởng của chúng đến quá trình làm
việc của toàn mạch. Do đó tăng tính mềm dẻo và khả năng khảo sát nhiều trường
hợp, tình huống khác nhau
Vấn đề khó khăn khi sử dụng các phần mềm đó là tính chính xác của các
mô hình. Nếu các mô hình không có các đặc tính giống như các phần tử thực thì
việc mô phỏng là vô nghĩa.
Spice (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) là một
chương trình tính toán được phát triển từ những năm 1970 tại đại học California ở
Berkeley, chương trình này được sử dụng để mô phỏng và mô hình hoá các mạch
điện tử tương tự.
PSpice (Power Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)
được phát triển bởi hãng MicroSim, là một trong những phiên bản thương mại
Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN
3
Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version

được phát triển từ Spice và trở thành một phần mềm mô phỏng mạch điện phổ biến
trên thế giới. PSpice có cùng các giải thuật và cấu trúc như Spice. Nó cho phép
chúng ta mô phỏng các thiết kế trước khi bắt tay vào xây dựng phần cứng. Các
chương trình mô phỏng cho phép chúng ta quan sát ứng xử của mạch điện cũng
như những thay đổi của chúng khi ta thay đổi các tín hiệu đầu vào hoặc giá trị của
các thành phần trong mạch điện. Do đó có thể kiểm tra lại các thiết kế được coi là
đã hoàn thành để xem chúng có chạy đúng trong thực tế hay không. PSpice chỉ mô
phỏng và tiến hành các phép đo kiểm tra chứ không phải là phần thiết kế các mạch
điện.
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 tuỳ
thuộc vào giá thành và yêu cầu của khách hàng.
Trong chuyên đề này, tôi tập trung vào phần mềm PSpice A/D đi kèm trong
bộ phần mềm OrCAD của hãng Cadence.
PSpice A/D là chương trình dùng để mô phỏng các mạch điện tương tự và
số. 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 thay
Vũ 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 1,600
thiết bị số của các nhà sản xuất linh kiện ở Bắc Mỹ, Nhật Bản và Châu Âu. Nội
dung của các thư viện này là các mô hình số hoá với các tham số mà ta có thể can
thiệp 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 thiết
kế, điều này cho phép chương trình mô phỏng gần sát với thực tế hơn cũng như
cung cấp cho các nhà thiết kế một công cụ hữu ích trong quá trình xây dựng và
phát triển sản phẩm mới.
PSpice A/D cũng cung cấp các mô hình hoá về các ứng xử của các thiết bị
tương tự và số, vì vậy chúng ta có thể mô tả các hàm chức năng của mạch điện sử
dụng các biểu thức và hàm toán học. Do đó ta có thể xây dựng và phân tích các
đặc 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 phải
xây 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 điện
trở, 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 tại
của hãng MicroSim là phiên bản 10.0 cho phép chạy trên các hệ điều hành
Window và Linux.
Đầu vào của chương trình mô phỏng là cách tệp tin dạng chữ có phần mở
rộng là “.cir”. Đầu ra của chương trình có thể là tệp tin dạng chữ có cùng tên với
tệp đầu vào nhưng có phần mở rộng là “.out”. Kết quả tính toán được đưa vào tệp
tin cùng tên với phần mở rộng là “.dat”. Chúng ta chỉ phải đặt tên cho tệp tin đầu
vào, các tệp tin đầu ra và tệp tin kết quả được đặt tên tự động trùng với tên của tệp
đầu vào.
Cũng giống như các ngôn ngữ lập trình khác, tệp tin “*.cir” phải tuân theo
một số thủ tục nhất định như: dòng đầu tiên là tên chương trình, kết thúc chương
trình phải là “.END”, phải có các lệnh về phân tích mạch v.v. Trước khi chạy
chương 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 được
thiết lập dưới dạng các mạch con (subcircuit) và cất sẵn trong thư viện, khi sử
dụng, chương trình chỉ cần gọi tên các mạch con là đủ. Điều này rất thuận lợi khi
mạch 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 là
phân tích quá trình quá độ (transient analysis). Chế độ phân tích này thường tiêu
tốn nhiều thời gian của máy tính vì chương trình sẽ phải tính điện áp của tất cả các
nút của mạch khảo sát trong từng bước tính và lưu giữ số liệu này vào một tệp tin
riêng (tệp *.dat). Khi mạch phức tạp hoặc thời gian khảo sát lớn, dung lượng của
tệp 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 suất
nói 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 số
các phần tử này đều có trong thư viện mô hình của chương trình, tuy nhiên trong
một số trường hợp ta phải xây dựng mới. Việc xây dựng một mô hình mới là hết sức
quan trọng và đòi hỏi am hiểu sâu sắc về kỹ thuật điện - điện tử bởi vì mô hình phải
phản ánh đúng đặc điểm và tính chất vật lý của thiết bị thực. Mô hình càng gần với
Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN
6
Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version
thực tế thì kết quả phân tích càng đáng tin cậy. Mặc dù vậy, trong một số trường
hợp, khi khảo sát một số đặc tính nào đó thì chỉ cần mô hình hoá các tham số, thông
số 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 bảo
chắc 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 theo
ngôn ngữ chuyên dụng của phần mềm (Đối với phiên bản hiện tại của PSPICE thì
việc 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 để
kiểm tra độ chính xác của mô hình.
b) Khi mô hình đạt độ tin cậy cần thiết, tiến hành nghiên cứu với các chế độ

cần 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 phần
tử. 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 bởi
dấu cách.
Các điểm nối của phần tử được gọi là nút để nối mạch. Các nút được đánh
dấu bằng các số nguyên dương, trong đó bắt buộc phải có nút số 0 và luôn được
hiểu là điểm đất (Ground). Điểm 0 này rất quan trọng vì khi chạt trương trình máy
sẽ tính toán điện áp giữa mỗi nút trong mạch điện với điểm đất này trong từng
bước 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 phải
dùng 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 điệnR 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 theo
dõi 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 này
chương 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 có
nhiều dòng chú thích.
b) Tệp đầu ra
Khi chạy mô phỏng, chương trình PSPICE sẽ duyệt tệp tin đầu vào và tạo ra
một tệp tin đầu ra có cùng tên với phần mở rộng là “.out”. Nếu tệp đầu vào không
có lỗi thì chương trình mô phỏng được thực hiện ngay và dữ liệu kết quả được đưa
vào tệp tin cùng tên với phần mở rộng là “.dat”. Ngược lại, nếu có lỗi thì chúng sẽ
được thông báo cụ thể ở tệp này. Trong tệp này còn có một số thông số khác như
tổng 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 10.0
2.1. Các bước tiến hành
Trước khi mô phỏng một mạch điện ta phải thiết lập các cấu hình cho mạch
điện đó. Có nhiều cách khác nhau để thực hiện điều này. Cách thứ nhất là nhập các
mô 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 chúng
ta nắm rõ hơn về cấu trúc mạch, cấu trúc của chương trình mô phỏng, các câu
lệnh Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là người dùng phải nhớ rất
nhiều cấu trúc lệnh khác nhau từ các lệnh mô tả, khai báo các phần tử đến các lệnh
điều khiển, xuất dữ liệu Hơn nữa với những người phải đọc lại tệp tin này rất khó
hình 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 phần
mềm 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 đồ
mạch nguyên lý với phần mềm PSPICE A/D dùng để mô phỏng mạch điện. Sự
liên kết này cho phép chúng ta xây dựng các sơ đồ mạch nguyên lý, thiết lập giá trị
cho các phần tử của mạch cần mô phỏng trong CAPTURE và sẽ dùng PSPICE AD
để 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 bằng
PSPICE
Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN
9
Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version

Bước1: Thiết kế mạch bằng
CAPTURE

 Tạo một dự án Analog Or
Mixed A/D
 Đưa vào các phần tử
 Nối các
p
hần tử lại với nhau
Bước 2: Xác định kiểu mô phỏng
 Tạo tệp tin mô tả
 Xác định kiểu phân tích: Một
chiều, xoay chiều, quá độ,thời
gian, tần số
 Chạ
y
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 ho
ặ
c in ấn kết
q
uả
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. Người
dùng dễ dàng chuyển đổi từ sơ đồ mạch bình thường sang kiểu sơ đồ mạch dùng
cho quá trình mô phỏng. Với những ưu điểm của giao diện đồ họa, phương pháp
này giúp người dùng dễ dàng quan sát, xây dựng cũng như thiết lập các giá trị cho
các 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: FileÆNewÆProject
3. Nhập tên và địa chỉ của dự án mới
4. Chọn Analog Or Mixed A/D
Vũ 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 PSpice
Project sẽ hiện ra, đánh dấu chọn Create based upon an existing project và kích
vào nút OK
Khi đó sẽ có một hộp thoại xuất hiện để xác nhận chương trình mô phỏng
được sử dụng, ở đây chương trình mặc định là PSpice A/D nên ta chọn OK để tiếp
tục. Một trang mới được mở ra trong trình quản lý dự án Project Design Manager
như 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 PlaceÆPart(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 danh
sách các thành phần của thư viện hiện hành trong phần Part List hoặc đánh chữ
cái đầu của tên thành phần ở ô Part. Nếu thư viện hiện thời không chứa thành
phần cần dùng, kích vào nút
, cửa sổ Add Library sẽ xuất hiện, hãy
chọn thư viện phù hợp. Để mô phỏng bằng PSpice, ta phải chọn các thư viện từ thư
mục Capture/Library/PSpice.
Một số thư viện thông dụng dùng trong mô phỏng mạch điện với PSpice
bao gồm:
Analog: chứa các phần tử thụ động (R,L,C), hỗ cảm, đường truyền và các
nguồn dòng, nguồn áp phụ thuộc (nguồn áp phụ thuộc điện áp E, nguồn dòng phụ
thuộc dòng điện F, nguồn dòng phụ thuộc điện áp G và nguồn áp phụ thuộc dòng
điện 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 như
các linh kiện điện tử công suất như diode, transistor, thyristor, mosfet, các cổng
logic, các thiết bị giao tiếp
4. Định vị các điện trở, tụ điện (từ thư viện Analog), nguồn áp và nguồn
dòng 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 đặt
một điểm tham chiếu GND bằng cách kích vào biểu tượng
trên thanh công cụ
hoặc nhấn phím G. Hộp thoại Place Ground hiện ra, ta chọn thư viện SOURCE
và chọn ký hiệu 0 (H 8b).
6. Nối các phần tử lại với nhau bằng một trong các cách sau: sử dụng câu
lệnh PlaceÆwire từ thực đơn của chương trình; nhấn phím w hoặc kích vào biểu
tượng
trên thanh công cụ.
7. Có thể gán tên cho các nút bằng việc sử dụng chọn PlaceÆ Net Alias,
sau đó sẽ chọn nút và tên cho từng cái. Ở đây ta sẽ đặt tên cho nút giao giữa nguồn
áp 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 bên
cạnh điện trở sau đó ghi giá trị của điện trở vào trường Value của hộp thoại
Display Properties. Việc làm này cũng được tiến hành tương tự cho các linh kiện
khác của mạch. Ta cũng có thể nháy kép vào dòng chữ bên cạnh của phần tử để
thay 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 kê
theo cấu trúc như được trình bày trong chương 2 ở trên. Để tạo ra các nút lưới từ
Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN
13
Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version
sơ đồ mạch nguyên lý, ta có thể dùng lệnh PSpiceÆcreate netlist từ thực đơn của
chương trình. Danh sách này được lưu trong tệp tin có đuôi .net và được quản lý
bằng trình quản lý dự án, ta có thể chọn vào tệp tin này để xem nội dung bên trong
của 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 PSpiceÆNew Simulation
Profile
2. Trong hộp thoại New Simulation, đánh một tên có ý nghĩa mô tả vào ô
Name
3. Chọn none trong danh sách Inherit From sau đó nhấn vào nút Create để
tạo hồ sơ.
4. Ở cửa sổ Simulation Settings, chọn Bias Point cho Analysis Type và
kích OK.
5. Tiến hành quá trình mô phỏng: chọn PSpice Æ Run
6. Khi hộp thoại mới mở ra, ta có thể xem quá trình mô phỏng có thành
công hay không. Các lỗi của chương trình sẽ được liệt kê ở tệp đầu ra.

Hình 9: Tạo một hồ sơ mô phỏng
Vũ 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 có
thể mở tệp đầu ra hoặc quay trở lại sơ đồ mạch và kích vào biểu tượng V (Cho
phép hiển thị điện áp dịch) hoặc I (dòng điện dịch) hoặc W (công suất tiêu tán trên
các 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 đổi
giá 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 kiểu
phân tích là DC Sweep.
2. Để phân tích quá trình quét giá trị này, ta phải chỉ ra tên của nguồn điện
áp sẽ sử dụng, giá trị đầu, giá trị cuối và bước nhảy cũng cần được xác định như ở
hình 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 điện
áp 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 của
quá trình mô phỏng. Sau khi quá trình mô phỏng hoàn thành, cửa sổ Probe sẽ hiện
ra

Hình 12: Đồ thị điện áp vào và điện áp ra
1. Từ thực đơn TRACE, chọn ADD TRACE và chọn những điện áp và
dòng 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 Æ MarkersÆVoltage Level. Đặt đầu đánh dấu
tại các nút IN và OUT trên sơ đồ mạch.

Hình 14: Sử dụng Voltage Marker để chỉ ra kết quả mô phỏng
2.2. Thực hiện một số phân tích cơ bản
2.2. 1. Phân tích quá trình quá độ
Ta vẫn sử dụng mạch ở trên nhưng việc cấp nguồn được điều khiển bởi một
công 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 giá
trị 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/ NEW
SIMULATION PROFILE.
3. Đặt một tên bất kỳ (giả sử là transient). Sau khi cửa sổ Simulation
Settings được mở ra, chọn phân tích “Time Domain (transient)”, nhập thời gian
chạy của chương trình (run time) là 50ms. Đối với giá trị lớn nhất của bước phân
tích (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 thêm
các 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 con
trỏ 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 một
nguồn 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), thời
gian tăng, giảm (TR, TF), độ rộng xung (PW) và chu kỳ (PER). Các giá trị không
được nhập vào như ở hình vẽ sau
Vũ 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 thu
được kết quả như ở trên.
8. Việc phân tích quá độ cũng có thể tiến hành bằng cách sử dụng nguồn
điện sin. Mạch điện như ở hình 18, ở đó nguồn có biên độ băng 10V và tần số là
50Hz.

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 được
trình 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 sin
2.2.2. Phân tích quá trình quét của nguồn AC
Để tiến hành phân tích này ta sử dụng một nguồn điện sin. Tần số của

nguồn điện này sẽ được quét trong một khoảng xác định. Quá trình mô phỏng sẽ
tính toán biên độ, pha của điện áp và dòng điện ứng với từng tần số. Khi biên độ
đầu 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 thì
phân 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 tín
hiệu nhỏ của chúng sẽ được thay thế bởi giá trị của các thông số và được tính toán
thông 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 giản
Vũ 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 dB
2.2.3. 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 áp
lý tưởng được mô phỏng bằng cách sử dụng cuộn dây hỗ cảm, với tỷ số biến áp
N1/N2 = sprt(L1/L2). Thành phần này có tên là XFRM_LINEAR trong thư viện
Analog. Hệ số tương hỗ K được lấy xấp xỉ hoặc bằng 1. Điện cảm L được chọn
sao cho ωL >> giá trị điện kháng của một cuộn dây. Mạch điện thứ cấp cần được
nối trực tiếp xuống đất, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng một điện trở có
Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN
22
Sử dụng phần mềm PSpice – Printed Version
giá trị lớn hoặc nối cuộn sơ cấp và thứ cấp bằng một nút chung. Ví dụ sau minh
hoạ 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 sơ
cấp 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 áp
2.2.4. 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 một
tải trở 500Ω. Kết quả của quá trình mô phỏng được trình bày trên hình 27. Độ nhấp
nhô lớn nhất của điện áp ra là 777mV, trị số lớn nhất của điện áp ra là 13,997V nhỏ
hơn 1V so với biên độ của điện áp đầu vào.
Vũ Trí Viễn – BM Kỹ thuật điện và Tự động hóa - ĐHLN
23