Hướng Dẫn Sử Dụng Phần Mềm PSpice for DOS

• Đề tài: Hướng Dẫn Sử Dụng Phần Mềm PSpice For DOS

• LỜI CẢM TẠ
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. PHẦN 1: DẪN NHẬP
• 1.1. Giới thiệu sơ lược về WWW (World Wide Web)
• 1.2. Khái niệm cơ bản về WWW
• 1.3. Cấu tạo mạng WWW
• 1.4. Tại sao phải có những trang WEB
• 1.5. Giới thiệu phần mềm PSpice
• 1.6. Các vấn đề đặt ra trong luận án và hướng giải quyết
• 1.6.1. Vấn đề chính
• 1.6.2. Ý niệm thiết kế trang WEB
• 1.6.3. Mục đích của WEB Site cần thiết kế
• 1.6.4. Xác định mục tiêu cơ bản của WEB Site
• 1.6.5. Xác định độc giả
• 1.6.6. Chiến lược thiết kế
• 2. PHẦN 2: NỘI DUNG CHÍNH
• 2.1. CHƯƠNG 1: Những vấn đề cơ bản để sử dụng PSpice for DOS
• 2.1.1. Cài đặt chương trình
• 2.1.2. Cấu trúc tập tin ngõ vào
• 2.1.3. Các ký hiệu vĩ ngữ bội số
• 2.1.4. Soạn tập tin ngõ vào như thế nào?
• 2.2. CHƯƠNG 2: Phân tích DC với PSpice
• 2.2.1. Các linh kiện thụ động
• 2.2.2. Các nguồn độc lập
• 2.2.3. Bài tập ví dụ
• 2.2.3.1. Viết tập tin ngõ vào
• 2.2.3.2. Chạy PSpice phân tích mạch
• 2.2.3.3. Xem kết quả ở tập tin ngõ ra
• 2.2.3.4. Giải thích nội dung tập tin ngõ vào
• 2.2.3.5. Giải thích kết quả ở tập tin ngõ ra
• 2.2.4. Tụ điện trong mạch DC
• 2.2.5. Cuộn cảm trong mạch DC
• 2.3. CHƯƠNG 3: Phân tích độ nhạy DC
• 2.3.1. Cấu trúc khai báo dòng điều khiển
• 2.3.2. Bài tập ví dụ
• 2.3.2.1. Viết tập tin ngõ vào
• 2.3.2.2. Kết quả phân tích bằng PSpice
• 2.4. CHƯƠNG 4: Phân tích quét DC
• 2.4.1. Quét những nguồn với dòng điều khiển
• 2.4.2. Cú pháp tổng quát để khai báo thực hiện quét DC
• 2.4.3. Mô phỏng kết quả ở tập tin ngõ ra
• 2.4.4. Các nguồn phụ thuộc tuyến tính
• 2.4.4.1. Nguồn áp phụ thuộc áp - VCV
• 2.4.4.2. Nguồn dòng phụ thuộc dòng - CCCS
• 2.4.4.3. Nguồn dòng phụ thuộc áp - VCC
• 2.4.4.4. Nguồn áp phụ thuộc dòng - CCVS
• 2.4.4.5. Nguồn phụ thuộc đa thức
• 2.4.5. Mô phỏng kết quả bằng dòng điều khiển
• 2.4.6. Mạch điện phụ
• 2.5. CHƯƠNG 5: Hàm truyền
• 2.5.1. Dòng điều khiển
• 2.5.1.1. Viết tập tin ngõ vào
• 2.5.2. Kết quả phân tích ở tập tin ngõ ra
• 2.6. CHƯƠNG 6: Đáp ứng tần số
• 2.6.1. Khai báo các nguồn ngõ vào cho phân tích AC
• 2.6.2. Khai báo dòng điều khiển
• 2.6.3. Khai báo dòng điều khiển in và vẽ kết quả phân tích đáp ứng tần số
• 2.6.4. Đồ thị: Biên độ và pha
• 2.6.4.1. Bài thí dụ
• 2.6.4.2. Vẽ trở kháng ngõ vào
• 2.6.4.3. Vẽ trở kháng ngõ ra
• 2.7. CHƯƠNG 7: Đáp ứng quá độ
• 2.7.1. Khai báo các nguồn ngõ vào
• 2.7.1.1. Nguồn phát tín hiệu hàm mi
• 2.7.2. Nguồn phát tín hiệu xung
• 2.7.3. Nguồn phát tín hiệu PWL
• 2.7.4. Nguồn phát tín hiệu SFEM
• 2.7.5. Nguồn phát tín hiệu SIN
• 2.8. CHƯƠNG 8: Phân tích Fourier
• 2.8.1. Dòng điều khiển
• 2.8.2. Phân tích Fourier
• 2.9. CHƯƠNG 9: Giới thiệu tóm tắt một số dòng điều khiển thường dùng khác
• 2.9.1. Dòng điều khiển FUNC
• 2.9.2. Dòng điều khiển
• 2.9.3. Dòng điều khiển
• 2.9.4. Dòng điều khiển
• 2.9.5. Dòng điều khiển
• 2.9.6. Dòng điều khiển
• 2.9.7. Dòng điều khiển STIMULUS
• 2.10. CHƯƠNG 10: Các menu của PROBE
• 3. PHẦN 3: KẾT LUẬN - NHẬN XÉT
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan PSpice for DOS Hướng dẫn từ nền tảng cơ bản

PSpice for DOS là một phần mềm kinh điển, đặt nền móng cho lĩnh vực mô phỏng mạch điện hiện đại. Được phát triển từ SPICE (Simulation Program for Integrated Circuit Emphasis) của Đại học California, Berkeley vào năm 1975, phiên bản MicroSim PSpice cho máy tính cá nhân ra đời năm 1984 đã tạo ra một cuộc cách mạng. Nó cho phép các kỹ sư, sinh viên thực hiện phân tích mạch phức tạp mà không cần đến các máy tính lớn (mainframe). Mặc dù các công cụ hiện đại như OrCAD đã phổ biến, việc nắm vững hướng dẫn sử dụng phần mềm PSpice for DOS vẫn mang lại giá trị to lớn. Nó giúp người học hiểu sâu về bản chất của việc mô phỏng, cách thức hoạt động của các thuật toán phân tích và cú pháp netlist – ngôn ngữ giao tiếp cốt lõi với trình mô phỏng. Tài liệu "Hướng dẫn sử dụng phần mềm PSpice for DOS" (Vương Đình Tuấn Anh & Lưu Văn Được, ĐHSPKT TP.HCM, 1999) đã chỉ ra rằng việc thành thạo phiên bản DOS là bước đệm vững chắc để chuyển sang các phiên bản PSpice cho Windows một cách dễ dàng. Bài viết này sẽ hệ thống hóa kiến thức, cung cấp một lộ trình chi tiết để người mới bắt đầu có thể tiếp cận và làm chủ công cụ mạnh mẽ này, từ việc cài đặt trên hệ điều hành hiện đại đến việc thực hiện các phân tích chuyên sâu.

1.1. Lịch sử và tầm quan trọng của MicroSim PSpice

Phần mềm PSpice có nguồn gốc từ phòng thí nghiệm của trường Đại học Berkeley, California vào năm 1975. Phiên bản đầu tiên, SPICE, là một chương trình mạnh mẽ trong việc phân tích và mô phỏng mạch điện tương tự. Đến năm 1984, MicroSim PSpice ra mắt, trở thành phiên bản thương mại đầu tiên có thể chạy trên máy tính cá nhân IBM-PC. Sự ra đời này đã dân chủ hóa khả năng phân tích mạch, không còn giới hạn trong các viện nghiên cứu lớn. Tầm quan trọng của PSpice nằm ở khả năng thực hiện nhiều kiểu phân tích cốt lõi: phân tích DC phi tuyến, phân tích quá độ theo thời gian, phân tích đáp ứng tần số AC, phân tích nhiễu và độ nhạy. Nó cung cấp một thư viện linh kiện PSpice chuẩn cho cả mạch tương tự và số, giúp việc mô phỏng trở nên trực quan và chính xác hơn.

1.2. Tại sao cần học PSpice for DOS trong thời đại mới

Trong bối cảnh các phần mềm mô phỏng với giao diện đồ họa phát triển mạnh mẽ, câu hỏi đặt ra là tại sao vẫn cần học PSpice for DOS. Câu trả lời nằm ở giá trị nền tảng. Sử dụng PSpice for DOS buộc người dùng phải làm việc trực tiếp với cú pháp netlist và các dòng lệnh. Điều này giúp xây dựng một tư duy logic mạch lạc về cách một mạch điện được định nghĩa và phân tích. Người học sẽ hiểu rõ từng khai báo linh kiện, từng lệnh điều khiển mô phỏng thay vì chỉ kéo-thả trên giao diện. Kiến thức này là vô giá khi cần gỡ lỗi các mô phỏng phức tạp hoặc tùy chỉnh các model linh kiện trên những phần mềm hiện đại như OrCAD. Hơn nữa, PSpice for DOS cực kỳ nhẹ, có thể chạy trên mọi cấu hình máy tính thông qua trình giả lập DOS, là công cụ lý tưởng cho mục đích giáo dục và nghiên cứu các khái niệm cơ bản về điện tử.

II. Cách cài đặt PSpice for DOS trên máy tính Windows 10 11

Thách thức lớn nhất khi bắt đầu với hướng dẫn sử dụng phần mềm PSpice for DOS là làm cho nó hoạt động trên các hệ điều hành hiện đại như Windows 10 hay 11. Do được thiết kế cho môi trường DOS 16-bit, phần mềm này không thể chạy trực tiếp trên các hệ thống 64-bit ngày nay. Giải pháp hiệu quả nhất là sử dụng một trình giả lập DOS có tên là DOSBox. DOSBox tạo ra một môi trường ảo, mô phỏng lại hoàn toàn hệ điều hành MS-DOS, cho phép các chương trình cũ như PSpice hoạt động trơn tru. Quá trình cài đặt bao gồm việc tải và cấu hình DOSBox, sau đó tiến hành cài đặt bộ phần mềm PSpice, chẳng hạn như phiên bản PSpice 9.1 student version, vào bên trong môi trường ảo đó. Việc thiết lập đúng các đường dẫn và các lệnh 'mount' trong DOSBox là chìa khóa để đảm bảo PSpice có thể tìm thấy các file thư viện và lưu trữ kết quả mô phỏng. Nắm vững kỹ thuật này không chỉ giải quyết được vấn đề tương thích mà còn mở ra khả năng sử dụng nhiều phần mềm học thuật kinh điển khác.

2.1. Chuẩn bị phần mềm cần thiết DOSBox và PSpice

Để bắt đầu, cần chuẩn bị hai thành phần chính. Thứ nhất là DOSBox, một trình giả lập mã nguồn mở và miễn phí, có thể tải về từ trang chủ chính thức. DOSBox tương thích với mọi hệ điều hành phổ biến. Thứ hai là bộ cài đặt PSpice for DOS. Một phiên bản phổ biến cho mục đích học tập là PSpice 9.1 student version hoặc các phiên bản cũ hơn như 5.x, 6.x. Các bộ cài này thường được lưu trữ dưới dạng file nén. Cần tạo một thư mục làm việc trên ổ đĩa, ví dụ C:\DOS\PSPICE, và giải nén bộ cài PSpice vào đó. Thư mục này sẽ được 'mount' (gắn kết) làm ổ đĩa ảo bên trong DOSBox để tiến hành cài đặt.

2.2. Hướng dẫn cài đặt PSpice từng bước với DOSBox

Quá trình cài đặt PSpice trên Win 10 hoặc 11 qua DOSBox bao gồm các bước sau. Đầu tiên, khởi chạy DOSBox. Tại dấu nhắc lệnh Z:\>, gõ lệnh mount c C:\DOS để gắn thư mục C:\DOS trên máy thật thành ổ C: trong môi trường ảo. Tiếp theo, chuyển sang ổ đĩa ảo bằng lệnh C:. Di chuyển vào thư mục chứa bộ cài PSpice, ví dụ cd PSPICE. Chạy file cài đặt (thường là install.exe hoặc tương tự). Làm theo các chỉ dẫn trên màn hình để hoàn tất cài đặt. Sau khi xong, PSpice sẽ nằm trong một thư mục con, ví dụ C:\DOS\MSIMEV. Để chạy PSpice, chỉ cần khởi động lại DOSBox, mount lại ổ đĩa và chạy file thực thi chính (ps.exe hoặc pshell.exe).

2.3. Khắc phục các lỗi PSpice thường gặp khi cài đặt

Một số lỗi PSpice phổ biến có thể xảy ra. Lỗi 'file not found' thường xuất hiện khi đường dẫn 'mount' trong DOSBox không chính xác hoặc người dùng chưa chuyển vào đúng thư mục làm việc trước khi chạy chương trình. Lỗi liên quan đến bộ nhớ (memory errors) có thể được khắc phục bằng cách điều chỉnh các thông số memsize trong file cấu hình của DOSBox. Đôi khi, chương trình chạy quá nhanh hoặc quá chậm; điều này có thể tinh chỉnh bằng tổ hợp phím Ctrl+F11 (giảm tốc độ) và Ctrl+F12 (tăng tốc độ) trong DOSBox. Việc đảm bảo cấu trúc thư mục đơn giản và không chứa ký tự đặc biệt cũng giúp tránh các sự cố không đáng có.

III. Hướng dẫn viết Netlist Cấu trúc file

Linh hồn của PSpice for DOS nằm ở tập tin ngõ vào, hay còn gọi là file .CIR. Đây là một file văn bản thuần túy mô tả toàn bộ mạch điện và các yêu cầu phân tích. Việc nắm vững hướng dẫn sử dụng phần mềm PSpice for DOS chính là nắm vững cách viết một netlist chính xác và hiệu quả. Theo tài liệu gốc, một file .CIR tiêu chuẩn bao gồm bốn phần chính: Dòng tiêu đề (Title line), các dòng khai báo thành phần (Element lines), các dòng lệnh điều khiển (Control lines), và dòng kết thúc (.END). Mỗi dòng khai báo thành phần định nghĩa một linh kiện điện tử như điện trở, tụ điện, nguồn áp, cùng với các nút kết nối và giá trị của nó. Các dòng lệnh điều khiển, bắt đầu bằng dấu chấm (.), ra lệnh cho PSpice thực hiện các kiểu phân tích mạch cụ thể như phân tích DC sweep, phân tích quá độ, hay đáp ứng tần số. Viết netlist bằng tay giúp người học hiểu rõ mối quan hệ giữa sơ đồ nguyên lý và cách máy tính diễn giải nó, một kỹ năng cơ bản nhưng cực kỳ quan trọng.

3.1. Cấu trúc 4 phần của một tập tin ngõ vào .CIR

Một file .CIR luôn tuân theo một cấu trúc rõ ràng. Phần đầu tiên là Dòng tiêu đề, là dòng bắt buộc đầu tiên dùng để mô tả mạch, ví dụ: * Mach loc thong thap RLC. Dấu * biểu thị dòng chú thích. Phần thứ hai là các Dòng khai báo thành phần, nơi tất cả các linh kiện điện tử được định nghĩa. Ví dụ: R1 1 2 1k khai báo một điện trở R1 có giá trị 1kΩ nối giữa nút 1 và nút 2. Phần thứ ba là các Dòng lệnh điều khiển, như lệnh .TRAN hoặc lệnh .AC, chỉ định loại phân tích cần thực hiện. Phần cuối cùng và bắt buộc là Dòng kết thúc, chỉ gồm một từ khóa .END, báo hiệu cho PSpice biết đây là điểm kết thúc của netlist.

3.2. Cú pháp khai báo linh kiện điện tử cơ bản R L C V I

Việc khai báo linh kiện điện tử trong PSpice tuân theo một cú pháp chuẩn. Điện trở được khai báo với ký tự R, ví dụ Rload 3 0 10k. Tụ điện bắt đầu bằng C, ví dụ C1 2 3 10uF. Cuộn cảm bắt đầu bằng L, ví dụ L1 3 4 1mH. Nguồn áp độc lập DC bắt đầu bằng V, ví dụ VCC 1 0 5V. Nguồn dòng độc lập DC bắt đầu bằng I, ví dụ Isource 0 2 10mA. Các nút được đánh số nguyên, với 0 luôn được mặc định là nút đất (GND). Việc đặt tên cho linh kiện (phần xxx trong Rxxx) giúp quản lý netlist dễ dàng hơn, đặc biệt với các mạch lớn.

IV. Phương pháp phân tích mạch điện tử bằng lệnh PSpice DOS

Sau khi đã tạo xong file .CIR, bước tiếp theo trong hướng dẫn sử dụng phần mềm PSpice for DOS là thực thi các lệnh phân tích. PSpice cung cấp một bộ lệnh điều khiển (dot commands) mạnh mẽ để thực hiện các loại phân tích mạch khác nhau. Ba loại phân tích cơ bản và quan trọng nhất là phân tích DC, phân tích AC, và phân tích quá độ (transient). Mỗi loại phân tích phục vụ một mục đích riêng và được kích hoạt bởi một lệnh tương ứng. Lệnh .DC dùng để thực hiện phân tích DC sweep, quét giá trị của một nguồn điện áp hoặc dòng điện và tính toán điểm làm việc tĩnh của mạch. Lệnh .AC được sử dụng để phân tích đáp ứng tần số, khảo sát hành vi của mạch trong miền tần số. Cuối cùng, lệnh .TRAN thực hiện phân tích quá độ, mô phỏng hoạt động của mạch theo miền thời gian. Việc kết hợp các lệnh này cho phép người dùng có cái nhìn toàn diện về hoạt động của một thiết kế mạch điện tử.

4.1. Phân tích điểm làm việc tĩnh và quét DC lệnh .OP .DC

Phân tích DC là loại phân tích cơ bản nhất, dùng để xác định điện áp tại các nút và dòng điện qua các nhánh khi mạch ở trạng thái xác lập. Lệnh .OP (Operating Point) sẽ tính toán và in ra điểm làm việc tĩnh của tất cả các linh kiện bán dẫn. Để khảo sát sự thay đổi của mạch khi một nguồn thay đổi, ta dùng lệnh .DC. Cú pháp .DC Vsource start end step cho phép quét giá trị của nguồn Vsource từ start đến end với bước nhảy là step. Kết quả của phân tích DC sweep rất hữu ích để vẽ đặc tuyến V-I của transistor hoặc tìm dải hoạt động tuyến tính của một mạch khuếch đại.

4.2. Khảo sát đáp ứng tần số của mạch lệnh .AC

Để phân tích hành vi của mạch với các tín hiệu xoay chiều có tần số thay đổi, ta sử dụng lệnh .AC. Lệnh này thực hiện phân tích miền tần số, tính toán biên độ và pha của điện áp/dòng điện tại mọi điểm trong mạch. Cú pháp phổ biến là .AC DEC N Fstart Fend, trong đó DEC chỉ định quét theo thang loga thập phân, N là số điểm trên mỗi decade, Fstart và Fend là tần số bắt đầu và kết thúc. Phân tích đáp ứng tần số là công cụ không thể thiếu để thiết kế các bộ lọc, kiểm tra độ ổn định của các mạch khuếch đại và vẽ biểu đồ Bode.

4.3. Mô phỏng mạch trong miền thời gian lệnh .TRAN

Khi cần xem dạng sóng tín hiệu theo thời gian, phân tích quá độ với lệnh .TRAN là lựa chọn phù hợp. Lệnh này giải các phương trình vi phân của mạch để tính toán giá trị điện áp và dòng điện tại từng thời điểm. Cú pháp cơ bản là .TRAN Tstep Tstop, trong đó Tstep là bước thời gian in kết quả và Tstop là thời gian kết thúc mô phỏng. Phân tích quá độ được dùng để kiểm tra hoạt động của các mạch tạo xung, mạch số, hay quan sát phản ứng của mạch RLC với một tín hiệu đầu vào dạng xung vuông hoặc sin.

V. Bí quyết xem kết quả mô phỏng PSpice bằng file

Hoàn thành một mô phỏng mạch điện chỉ là một nửa công việc; nửa còn lại là diễn giải kết quả. Trong hướng dẫn sử dụng phần mềm PSpice for DOS, có hai cách chính để xem kết quả: đọc file văn bản ngõ ra (file .OUT) và sử dụng công cụ đồ họa PROBE. File .OUT chứa tất cả thông tin chi tiết của quá trình phân tích dưới dạng văn bản, bao gồm điểm làm việc tĩnh, bảng giá trị từ các phân tích quét DC hoặc AC. Mặc dù chi tiết, việc đọc file này có thể khó khăn. Để trực quan hóa dữ liệu, PSpice cung cấp chương trình PROBE. Bằng cách thêm lệnh .PROBE vào cuối file .CIR, PSpice sẽ tạo ra một file dữ liệu (.DAT) mà PROBE có thể đọc để vẽ đồ thị dạng sóng. PROBE là một công cụ mạnh mẽ, cho phép người dùng vẽ điện áp, dòng điện, công suất, thực hiện các phép toán trên các dạng sóng và đo lường các thông số quan trọng. Việc thành thạo cả hai phương pháp này đảm bảo không một thông tin giá trị nào từ kết quả mô phỏng bị bỏ sót.

5.1. Đọc và phân tích tập tin kết quả văn bản .OUT

Tập tin file .OUT là bản ghi chi tiết của toàn bộ quá trình mô phỏng. Nó bắt đầu bằng việc liệt kê lại nội dung netlist, sau đó là kết quả của các phân tích. Đối với phân tích DC, nó sẽ hiển thị điện áp tại các nút (NODE VOLTAGE) và dòng điện qua các nguồn (VOLTAGE SOURCE CURRENTS). Đối với phân tích AC hoặc DC sweep, kết quả sẽ được trình bày dưới dạng bảng, với một cột là biến được quét (tần số hoặc điện áp) và các cột khác là giá trị ngõ ra. Đọc file .OUT là kỹ năng cần thiết để kiểm tra nhanh các giá trị phân cực hoặc tìm thông báo lỗi chi tiết khi mô phỏng thất bại.

5.2. Trực quan hóa dạng sóng với lệnh .PROBE mạnh mẽ

Công cụ PROBE biến những con số khô khan thành các đồ thị trực quan. Sau khi chạy mô phỏng với lệnh .PROBE, người dùng chỉ cần gõ probe tại dòng lệnh DOS để khởi chạy chương trình. Giao diện của PROBE cho phép thêm các dạng sóng (traces) vào đồ thị. Người dùng có thể nhập V(1) để vẽ điện áp tại nút 1, hoặc I(R1) để vẽ dòng điện qua điện trở R1. PROBE cũng hỗ trợ các biểu thức toán học phức tạp, ví dụ V(1)*I(VCC) để tính công suất tức thời của nguồn VCC. Các chức năng như con trỏ (cursor), zoom, và đo lường giúp việc phân tích mạch trở nên hiệu quả và chính xác hơn rất nhiều.

5.3. Ví dụ thực tiễn Phân tích mạch RLC bằng PSpice

Để minh họa, hãy xem xét một mô phỏng mạch điện đơn giản: một mạch RLC nối tiếp. Ta có thể viết một file .CIR khai báo một nguồn xung (PULSE) nối với R, L, C. Sử dụng lệnh .TRAN, ta có thể mô phỏng phản ứng của mạch. Sau đó, dùng lệnh .PROBE và xem đồ thị điện áp trên tụ điện V(C1). Đồ thị sẽ cho thấy rõ hiện tượng dao động tắt dần đặc trưng. Tiếp theo, ta có thể thay nguồn xung bằng nguồn sin (SIN) và dùng lệnh .AC để thực hiện phân tích đáp ứng tần số. Đồ thị V(C1) trong PROBE sẽ hiển thị đặc tuyến của một bộ lọc thông dải, với đỉnh cộng hưởng tại tần số riêng của mạch. Ví dụ này cho thấy sức mạnh của PSpice trong việc khảo sát mạch từ cả hai góc độ thời gian và tần số.