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

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.

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.

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).

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

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


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

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:

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


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

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