電気回路のコンピュータシミュレーション
コンピュータは、特に科学と工学の分野で適切に使用されれば、強力なツールになる可能性があります。コンピュータによる電気回路のシミュレーション用のソフトウェアが存在します。これらのプログラムは、回路設計者が実際に実際の回路を構築する前にアイデアをテストするのに非常に役立ち、時間とお金を大幅に節約できます。
これらの同じプログラムは、電子工学の初心者にとって素晴らしい助けとなり、実際の回路を組み立てる必要なしに、アイデアをすばやく簡単に探索することができます。もちろん、実際に実際の回路を構築してテストすることに代わるものはありませんが、コンピュータシミュレーションは、学生が変化を実験して回路に与える影響を確認できるようにすることで、学習プロセスを確実に支援します。
この本全体を通して、重要な概念を説明するために、回路シミュレーションからのコンピューターのプリントアウトを頻繁に取り入れます。コンピュータシミュレーションの結果を観察することで、学生は抽象的な数学的分析を恐れることなく、回路の動作を直感的に把握できます。
SPICEを使用した回路シミュレーション
コンピューター上の回路をシミュレートするために、私はSPICEと呼ばれる特定のプログラムを利用します。このプログラムは、テキストのリストを使用してコンピューターに回路を記述することによって機能します。本質的に、このリストはそれ自体が一種のコンピュータプログラムであり、SPICE言語の構文規則に準拠している必要があります。
次に、コンピューターを使用してSPICEプログラムを処理または「実行」します。このプログラムは、回路を説明するテキストリストを解釈し、詳細な数学的分析の結果をテキスト形式で出力します。 SPICEの使用に関する多くの詳細は、より多くの情報が必要な人のために、この本シリーズの第5巻（「リファレンス」）に記載されています。ここでは、基本的な概念を紹介してから、これまで読んできたこれらの単純な回路の分析にSPICEを適用します。
まず、コンピューターにSPICEをインストールする必要があります。無料のプログラムとして、インターネット上でダウンロードでき、さまざまなオペレーティングシステムに適した形式で入手できます。この本では、使いやすさのために、SPICEの以前のバージョンの1つであるバージョン2G6を使用しています。
次に、SPICEが分析するための回路が必要です。この章の前半で説明した回路の1つを試してみましょう。概略図は次のとおりです。
この単純な回路は、バッテリーと抵抗を直接接続して構成されています。バッテリーの電圧（10ボルト）と抵抗器の抵抗（5Ω）はわかっていますが、回路については他に何もわかりません。この回路をSPICEに説明すると、オームの法則（I =E / R）を使用して、（少なくとも）回路に流れる電流の量を知ることができるはずです。
SPICEはテキストベースのプログラムです
SPICEは、スケマティックダイアグラムやその他の形式のグラフィック記述を直接理解することはできません。 SPICEはテキストベースのコンピュータプログラムであり、回路をその構成要素と接続ポイントの観点から説明する必要があります。回線内の各固有の接続ポイントは、SPICEでは「ノード」番号で表されます。シミュレートする回路内で電気的に共通しているポイントは、同じ番号を共有することでそのように指定されます。
前のセクションで示した定義に従って、これらの番号を「ノード」番号ではなく「ワイヤ」番号と考えると役立つ場合があります。これは、コンピュータが何が何に接続されているかを知る方法です。つまり、共通のワイヤまたはノードの番号を共有することによってです。この例の回路では、上部のワイヤと下部のワイヤの2つの「ノード」しかありません。 SPICEは、回路のどこかにノード0があることを要求するため、ワイヤに0と1のラベルを付けます。
上の図では、共通のノード番号を共有する共通のポイントの概念を強調するために、それぞれのワイヤの周りに複数の「1」と「0」のラベルを示していますが、これはテキストの説明ではなく、グラフィックイメージです。 SPICEは、分析を進める前に、コンポーネント値とノード番号をテキスト形式で指定する必要があります。
テキストエディタを使用したSPICEファイルの作成<
コンピューターでテキストファイルを作成するには、テキストエディターと呼ばれるプログラムを使用する必要があります。 。ワードプロセッサと同様に、テキストエディタを使用すると、テキストを入力して、入力した内容をコンピュータのハードディスクに保存されているファイルの形式で記録できます。テキストエディタには、ワードプロセッサのフォーマット機能がありません（斜体はありません）。 、太字 、または下線付きの文字）、これは良いことです。SPICEなどのプログラムはこの追加情報をどう処理するかわからないからです。選択したキーボード文字以外は何も記録されていないプレーンテキストファイルを作成する場合は、テキストエディタが使用するツールです。
DOSやWindowsなどのMicrosoftオペレーティングシステムを使用している場合は、システムでいくつかのテキストエディタをすぐに利用できます。 DOSには、古い編集があります。 テキスト編集プログラム。コマンドプロンプトでeditと入力すると呼び出すことができます。 Windows（3.x / 95/98 / NT / Me / 2k / XP）では、メモ帳 テキストエディタはあなたのストックの選択です。
他の多くのテキスト編集プログラムが利用可能であり、いくつかは無料ですらあります。たまたま Vim というフリーテキストエディタを使用しています 、およびWindows95とLinuxオペレーティングシステムの両方で実行します。どのエディタを使用するかはほとんど問題にならないので、このセクションのスクリーンショットが自分のものに見えなくても心配しないでください。ここで重要な情報は、入力内容です。 、どのエディタではありません たまたま使用します。
この単純な2コンポーネント回路をSPICEに説明するために、テキストエディタプログラムを呼び出して、回路の「タイトル」行を入力することから始めます。
文字「v」（「電圧源」を表す）で始まるテキスト行を入力し、バッテリーの各端子が接続するワイヤー（ノード番号）、およびバッテリーの電圧を特定することで、コンピューターにバッテリーを説明できます。 、このように：
このテキスト行は、ノード1と0の間に電圧源が接続されていること、直流（DC）、10ボルトであることをSPICEに伝えます。コンピュータがバッテリーに関して知る必要があるのはこれだけです。次に、抵抗器に目を向けます。SPICEでは、抵抗器を文字「r」、2つのノード（接続ポイント）の数、およびオーム単位の抵抗で記述する必要があります。これはコンピュータシミュレーションであるため、抵抗の電力定格を指定する必要はありません。これは、「仮想」コンポーネントの優れた点の1つです。つまり、過度の電圧や電流によって損傷を受けることはありません。
これで、SPICEは、ノード1と0の間に5Ωの値で接続された抵抗があることを認識します。この非常に短いテキスト行は、バッテリーと同じ2つのノード（1と0）の間に抵抗値5Ωの抵抗（ "r"）が接続されていることをコンピューターに示しています。
このSPICEコマンドのコレクションに.endステートメントを追加して、回路の説明の終わりを示すと、SPICEが必要とするすべての情報が1つのファイルに収集され、処理できるようになります。コンピュータファイル内のテキスト行で構成されるこの回路の説明は、技術的にはネットリストとして知られています。 、またはデッキ ：
テキストエディタファイルのSPICEへの移動
必要なすべてのSPICEコマンドの入力が完了したら、SPICEが呼び出されたときに参照できるように、それらをコンピューターのハードディスク上のファイルに「保存」する必要があります。これは私の最初のSPICEネットリストなので、ファイル名「circuit1.cir」で保存します（実際の名前は任意です）。
8 + 3文字（名前に8文字、3文字）を使用するなど、オペレーティングシステムのファイル名規則に違反しない限り、最初のSPICEネットリストにまったく異なる名前を付けることを選択できます。拡張子：12345678.123）DOSで。
SPICEを呼び出す（circuit1.cirネットリストファイルの内容を処理するように指示する）には、テキストエディタを終了し、コマンドプロンプト（Microsoftユーザーの場合は「DOSプロンプト」）にアクセスして、テキストコマンドを入力する必要があります。従うべきコンピュータのオペレーティングシステム。
プログラムを呼び出すこの「原始的な」方法は、「ポイントアンドクリック」のグラフィカル環境に慣れているコンピュータユーザーには古風に見えるかもしれませんが、非常に強力で柔軟な方法です。
ここでSPICEを使用して行っているのは、単純な形式のコンピュータープログラミングであり、マウスを使用してアイコン画像をクリックするのではなく、コンピューターのテキスト形式のコマンドを実行する方が快適です。コンピューターを使いこなすことができます。
コマンドプロンプトが表示されたら、このコマンドを入力してから[Enter]キーストロークを入力します（この例ではファイル名circuit1.cirを使用します。ネットリストファイルに別のファイル名を選択した場合は、それを置き換えます）：
スパイス[Enter]キーを押す直前の、これが私のコンピューター（Linuxオペレーティングシステムを実行している）でどのように見えるかを次に示します。
[Enter]キーを押してこのコマンドを発行するとすぐに、SPICEの出力からのテキストがコンピューター画面上をスクロールします。これは、SPICEがコンピューターに出力する内容を示すスクリーンショットです（「ターミナル」ウィンドウを長くして全文を表示しました。通常サイズのターミナルでは、テキストが1ページの長さを簡単に超えます）：
SPICEは、タイトル行と.endステートメントを備えたネットリストの繰り返しから始まります。シミュレーションの約半分で、ノード0を参照するすべてのノードの電圧が表示されます。この例では、ノード0以外のノードが1つしかないため、そこに電圧が表示されます：10.0000ボルト。
次に、各電圧源を流れる電流を表示します。回路全体に電圧源が1つしかないため、その電圧源を流れる電流のみが表示されます。この場合、ソース電流は2アンペアです。 SPICEが電流を分析する方法に癖があるため、2アンペアの値は負（-）2アンペアとして出力されます。
コンピュータの分析レポートの最後のテキスト行は「総消費電力」です。この場合、「2.00E + 01」ワット：2.00 x 101、つまり20ワットとして示されます。 SPICEは、ほとんどの数値を通常の（固定小数点）表記ではなく科学的記数法で出力します。
これは最初はもっと混乱しているように見えるかもしれませんが、非常に大きな数または非常に小さな数が関係している場合は、実際にはそれほど混乱しません。科学的記数法の詳細については、この本の次の章で説明します。
SPICEなどの「プリミティブ」テキストベースのプログラムを使用する利点の1つは、処理されるテキストファイルが他のファイル形式、特に他の回路シミュレーションソフトウェアで使用されるグラフィック形式に比べて非常に小さいことです。
また、SPICEの出力がプレーンテキストであるという事実は、SPICEの出力を別のテキストファイルに転送して、さらに操作できることを意味します。これを行うには、コンピューターのオペレーティングシステムにコマンドを再発行して、SPICEを呼び出します。今回は、出力を「output.txt」と呼ぶファイルにリダイレクトします。
今回、SPICEは「サイレント」に実行され、以前のようにコンピューター画面にテキストストリームが出力されることはありません。新しいファイルoutput1.txtが作成されます。このファイルは、テキストエディタまたはワードプロセッサを使用して開いたり変更したりできます。この図では、同じテキストエディタ（ Vim ）を使用します ）このファイルを開くには：
これで、このファイルを自由に編集して、無関係なテキスト（日付と時刻を示す「バナー」など）を削除し、回路の分析に関連すると思われるテキストのみを残すことができます。
同じファイル名（この例ではoutput.txt）で適切に編集および再保存すると、テキストは任意の種類のドキュメントに貼り付けることができます。「プレーンテキスト」は、ほとんどすべてのコンピューターシステムのユニバーサルファイル形式です。次のように、「スクリーンショット」のグラフィックイメージとしてではなく、この本のテキストに直接含めることもできます。
私の最初の巡回区 v 1 0 dc 10 r 1 0 5 。終わり ノード電圧 （1）10.0000 電圧源電流 現在の名前 v -2.000E + 00 総消費電力2.00E + 01ワットちなみに、これは、この本シリーズのSPICEシミュレーションからのテキスト出力に推奨される形式です。グラフィックのスクリーンショット画像ではなく、実際のテキストとしてです。
SPICEでの値の変更
シミュレーションでコンポーネント値を変更するには、ネットリストファイル（circuit1.cir）を開き、回路のテキストの説明に必要な変更を加えてから、それらの変更を同じファイル名に保存し、でSPICEを再度呼び出す必要があります。コマンドプロンプト。
テキストファイルを編集および処理するこのプロセスは、すべてのコンピュータープログラマーによく知られています。私がSPICEを教えるのが好きな理由の1つは、学習者がコンピュータープログラマーのように考えて作業できるようにすることです。これは、コンピュータープログラミングが高度な電子機器の重要な分野であるためです。
以前、オームの法則を使用して電気回路の3つの変数（電圧、電流、または抵抗）のいずれかを変更した場合の結果を調査し、何が起こるかを数学的に予測しました。それでは、SPICEを使用して同じことを試して、計算を行ってみましょう。
最後の例の回路の電圧を10ボルトから30ボルトに3倍にし、回路抵抗を変更しない場合、電流も3倍になると予想されます。最初のファイルを上書きしないように、ネットリストファイルの名前を変更して、これを試してみましょう。
このようにして、両方 将来の使用のためにコンピュータのハードドライブに保存されている回路シミュレーションのバージョン。次のテキストリストは、この変更されたネットリストのSPICEの出力であり、コンピューター画面のグラフィックイメージではなくプレーンテキストとしてフォーマットされています。
2番目の回路例 v 1 0 dc 30 r 1 0 5 。終わり ノード電圧 （1）30.0000 電圧源電流 現在の名前 v -6.000E + 00 総消費電力1.80E + 02ワット予想通り、電圧が上がると電流は3倍になりました。電流は以前は2アンペアでしたが、現在は6アンペア（-6.000 x 100）に増加しています。回路の総消費電力がどのように増加したかも注意してください。以前は20ワットでしたが、現在は180ワット（1.8 x 102）です。
電力が電圧の2乗に関連していることを思い出すと（ジュールの法則：P =E2 / R）、これは理にかなっています。回路電圧を3倍にすると、電力は9倍に増加するはずです（32 =9）。 20の9倍は確かに180であるため、SPICEの出力は、電気回路の電力について私たちが知っていることと実際に相関しています。
SPICEでのコメントの作成
この単純な回路が広範囲のバッテリ電圧でどのように応答するかを確認したい場合は、SPICE内のより高度なオプションのいくつかを呼び出すことができます。ここでは、「。dc」分析オプションを使用して、バッテリー電圧を0から100ボルトまで5ボルト刻みで変化させ、すべてのステップで回路電圧と電流を出力します。
スター記号（ "*"）で始まるSPICEネットリストの行は、コメントです。 。つまり、回路解析に関連することをコンピュータに指示するのではなく、ネットリストのテキストを読む人間へのメモとして機能するだけです。
3番目の回路例 v 1 0 r 1 0 5 *「。dc」ステートメントは、「v」供給をスイープするようにスパイスに指示します * 5ボルトステップで0から100ボルトまでの電圧。 .dc v 0100 5 .print dc v（1）i（v） 。終わり
印刷およびプロットコマンド
このSPICEネットリストの.printコマンドは、分析の各ステップに対応する番号の列を印刷するようにSPICEに指示します。
v i（v） 0.000E + 00 0.000E + 00 5.000E + 00 -1.000E + 00 1.000E + 01 -2.000E + 00 1.500E + 01 -3.000E + 00 2.000E + 01 -4.000E + 00 2.500E + 01 -5.000E + 00 3.000E + 01 -6.000E + 00 3.500E + 01 -7.000E + 00 4.000E + 01 -8.000E + 00 4.500E + 01 -9.000E + 00 5.000E + 01 -1.000E + 01 5.500E + 01 -1.100E + 01 6.000E + 01 -1.200E + 01 6.500E + 01 -1.300E + 01 7.000E + 01 -1.400E + 01 7.500E + 01 -1.500E + 01 8.000E + 01 -1.600E + 01 8.500E + 01 -1.700E + 01 9.000E + 01 -1.800E + 01 9.500E + 01 -1.900E + 01 1.000E + 02 -2.000E + 01
ネットリストファイルを再編集して、.printコマンドを.plotコマンドに変更すると、SPICEはテキスト文字で構成される大まかなグラフを出力します。
凡例：+ =v＃branch -------------------------------------------------- ---------------------- スイープv＃branch-2.00e + 01 -1.00e + 01 0.00e + 00 --------------------- | ------------------------ | --- --------------------- | 0.000e + 00 0.000e +00。 。 + 5.000e + 00 -1.000e +00。 。 +。 1.000e + 01 -2.000e +00。 。 +。 1.500e + 01 -3.000e +00。 。 +。 2.000e + 01 -4.000e +00。 。 +。 2.500e + 01 -5.000e +00。 。 +。 3.000e + 01 -6.000e +00。 。 +。 3.500e + 01 -7.000e +00。 。 +。 4.000e + 01 -8.000e +00。 。 +。 4.500e + 01 -9.000e +00。 。 +。 5.000e + 01 -1.000e +01。 +。 5.500e + 01 -1.100e +01。 +。 。 6.000e + 01 -1.200e +01。 +。 。 6.500e + 01 -1.300e +01。 +。 。 7.000e + 01 -1.400e +01。 +。 。 7.500e + 01 -1.500e +01。 +。 。 8.000e + 01 -1.600e +01。 +。 。 8.500e + 01 -1.700e +01。 +。 。 9.000e + 01 -1.800e +01。 +。 。 9.500e + 01 -1.900e +01。 +。 。 1.000e + 02 -2.000e + 01+。 。 --------------------- | ------------------------ | --- --------------------- | スイープv＃branch-2.00e + 01 -1.00e + 01 0.00e + 00
両方の出力形式で、数字の左側の列は、各間隔でのバッテリー電圧を表します。これは、一度に5ボルトずつ0ボルトから100ボルトに増加します。右側の列の数字は、これらの各電圧の回路電流を示しています。これらの数値をよく見ると、各ペア間の比例関係がわかります。
オームの法則（I =E / R）はすべての場合に当てはまり、回路抵抗は正確に5Ωであるため、各電流値はそれぞれの電圧値の1/5になります。繰り返しになりますが、このSPICE分析での電流の負の数は、他の何よりも奇妙です。特に指定がない限り、各数値の絶対値に注意してください。
SPICEデータを解釈および変換するためのコンピュータプログラム
SPICEによって出力された非グラフィカルデータを解釈してグラフィカルプロットに変換できるコンピュータプログラムもあります。これらのプログラムの1つはナツメグと呼ばれます 、およびその出力は次のようになります：
Nutmegが抵抗器の電圧v（1）（ノード1とノード0の暗黙の基準点の間の電圧）を正の傾き（左下から右上へ）の線としてプロットする方法に注意してください。 SPICEの使用に習熟したかどうかは、この本での適用とは関係ありません。
重要なのは、SPICEで生成されたレポートで数値が何を意味するのかを理解することです。今後の例では、SPICEの数値結果に注釈を付けて混乱をなくし、このすばらしいツールのパワーを解き放ち、電気回路の動作を理解できるように最善を尽くします。
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