値を直読！「.meas」コマンド

■問題

　図1に示す回路のOUT端子の周波数特性を解析し，100Hzのときのレベルを表示したい．このときのコマンド記述として正しいのはA，Bどちら？
A　.meas ac f_100Hz find v(out) at 100
B　.meas ac f_100Hz deriv v(out) at 100

平賀　公久　Kimihisa Hiraga

図1　抵抗とコンデンサで構成した1次ローパス・フィルタ（LPF）の回路

■回答

　A
　Aは，100HzのときのOUT端子のレベルを見つけ出し，その結果をログ・ファイルへ出力する．

■解説

●「.meas」コマンドは，シミュレーション結果から知りたい測定値がわかる
　特定の周波数のレベルを目視で正確に知るのは困難です．Spiceには，シミュレーションの結果をログ・ファイルへ出力し，テキストとして得ることができる便利なコマンドがあります．このコマンドは，「ドット・コマンド」と呼ばれています．ドットは「．」であり，時間軸での変化を解析する「.tran」，周波数特性を解析する「.ac」などもそのコマンドです．
　ドット・コマンドには，シミュレーション結果から知りたい条件の測定値をログ・ファイルへ出力する「.meas」があり，今回の問題ではLTspiceのその機能を使いました．「.meas」の指定はLTspiceの文法に従って記述し，それを回路図へ置きます．追加のコマンドを指定する場合は，「Edit > Spice Directive」または，ショートカット・キーでキーボードのSを押します．Edit Text on the Schematicのウィンドウ中に入力し，OKを押すと回路図へ置くことができます．その後シミュレーションを実行すれば自動的にログ・ファイルへ出力されますので，解析が終了したらログ・ファイルから数値を得ることができます．
　「.meas」のコマンドをもう少し詳しくみてみましょう．図2は各々の文字へ説明を加えました．文にすれば，「ac解析において，100Hz時のOUT端子レベルを見つけ出し変数f_100Hzへ入れなさい」という命令です．「Find」は測定点で知りたい条件の値を見つけ出します．図2での知りたい条件は周波数が100Hzです．今回測定する箇所はOUT端子です．

図2　「.meas」コマンドの説明

　一方，Bの「.meas」中にあるderivは知りたい条件での微分値を計算しその結果をログ・ファイルへ出力する命令です「.deriv」を使う例をあげると，時間軸での波形の変化でその傾きを求めるときなどに便利です．

●「.meas」コマンドのFindを回路で確かめる
　図3の回路は抵抗(R)とコンデンサ(C)で構成した1次LPF（Low Pass Filter：低域通過フィルタ）でOUT端子のレベルが-3dBとなるカットオフ周波数を0.1Hzとしました．知りたい周波数は1Hz，10Hz，100Hz，2Hz，4Hz，8Hzの6点におけるOUT端子の周波数特性のレベルです．その結果をログ・ファイルへ出力させます．「.meas」で始まるコマンドを指定する場合は「Edit > Spice Directive」またはショートカット・キーでキーボードのSを押し，Edit Text on the Schematicのウィンドウ中に入力します．

図3　1次RC LPFのAC解析で各周波数の値を「.meas」コマンドで測る

　RUNボタンを押しシミュレーションした周波数特性が図4です．実線が利得，破線が位相特性を示しています．「.meas」コマンドで測定した1Hz，10Hz，100Hz，2Hz，4Hz，8Hzの結果はLTspiceのログ・ファイルに出力されます．ログ・ファイルを見るときはメニューバの「View > SPICE Error Log」または，ショートカット・キーの「Ctrl+L」でログ・ファイルのウィンドウが現れます． logファイル中の「.meas」コマンドで得た各々の結果は，次のようになります．

f_1hz: v(out)=(-20.0432dB,-84.2894°) at 1
f_10hz: v(out)=(-40.0004dB,-89.4271°) at 10
f_100hz: v(out)=(-60dB,-89.9427°) at 100
f_2hz: v(out)=(-26.031dB,-87.1373°) at 2
f_4hz: v(out)=(-32.0432dB,-88.5677°) at 4
f_8hz: v(out)=(-38.0615dB,-89.2837°) at 8

　括弧内の最初が利得，次が位相値です．指定した1Hz，10Hz，100Hz，2Hz，4Hz，8Hzの知りたいレベルは利得の部分です．
　図4の周波数特性へ1Hz，10Hz，100Hzは赤色，2Hz，4Hz，8Hzは緑色で示しました．1次LPFはカットオフ周波数より高くなるとOUT端子のレベルは減衰し，そのときの傾きは-20dB/dec言い換えれば-6dB/octで減衰している様子が分かります．

図4　1次RC_LPFのシミュレーション結果

●「.meas」コマンドのderivを回路で確かめる
　図5の回路はOPアンプ「LT1001」を使ったボルテージ・フォロア回路です．入力信号は立上がり/立下がり時間1nsのパルス波形を非反転端子へ印加した場合のOUT端子における12μs時の微分値（応答波形の傾き）を測定します．

図5　ボルテージ・フォロア回路のパルス応答の傾きを「.meas」コマンドで測る

　図6がシミュレーションした時間軸の波形の変化です．12μs時の微分値はログ・ファイル中に出力されます．「.meas」コマンドで測定させた値はメニュ・バーの「View > SPICE Error Log」または，ショートカットの「Ctrl+L」でログ・ファイルのウィンドウが現れます．12μs時の微分値は，

tr: D(v(out))=249968 at 1.2e-005

　時間軸に置けるOUT端子の波形の変化を図6へ示します．Y軸の10%をカーソル1，90%をカーソル2として，その傾きと12μs時の微分値を比較します．カーソルの測定は赤で示し12μsの測定ポイントは緑で示しました．カーソルの測定はSlope＝249965，12μs時の微分値=249968 であり，ほぼ同じ傾きです．
　この傾きはスルー・レートに換算すると約0.25V/μsとなりLT1001のカタログ値と同じ結果を示しています．

図6：OUT端子の過渡応答波形とカーソルで得た傾き

　「.meas」コマンドには波形の平均を計算する「AVG」，最大値や最小値を計算する「MAX」や「MIN」，Peak to Peakを計算する「PP」，実効値を計算する「RMS」，積分値を計算する「INTEG」なども用意されています．また「param」は他の「.meas」で得た値を指定した計算式を使い答えを出します．「.meas」の詳細はLTspiceのHELP中にその利用例が記載されていますので便利な「.meas」コマンドの使い方をマスタしておきましょう．

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice002.zip
●データ・ファイル内容
RC_LPF.asc：図3の回路
LT1001_deriv.asc：図5の回路
※二つのファイルは同じホルダに保存して，ホルダ名を半角英数にしてください