Corso aggiornamento Pspice per Windows. 9.1 schematic

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1 Pagina 1 di schematic I.T.I.S. "E.FERMI" LUCCA Corso di aggiornamento per i docenti del settore Elettrotecnico dicembre 2002/ marzo 2003 A cura del prof. Umberto Cherubini Pagina 1 di 37

2 Pagina 2 di 37 LEZIONE 1: Multipli e sottomultipli Ovviamente il programma riconosce le unità previste dal S.I.; per quanto riguarda invece multipli e sottomultipli, bisogna attenersi alle seguenti indicazioni: F o f per P o p per N o n per 10-9 U o u per 10-6 M o m per 10-3 K o k per 10 3 Meg o meg per 10 6 G o g per 10 9 T o t per Funzioni Il programma è in grado di assegnare ad un componente il valore di una funzione, ossia non un numero, ma un'espressione matematica. Tra queste, le più utili (e dunque non le sole previste ) possono essere: Funzione Significato Commento ABS (x) x SQRT (x) EXP (x) radice di x e x LOG x ln x log e x LOG10 x log x log 10 x PWR (x,y) x y SIN x sen(x) x in radianti COS x cos(x) x in radianti ecc... Attributi ed etichette Ogni parte dello schema, dalla semplice linea di collegamento al componente più complesso, può o deve avere indicazioni univoche e complete; in qualche caso questi attributi generano confusione e condizionano l' avviamento della simulazione. Per Pagina 2 di 37

3 Pagina 3 di 37 esempio, talvolta capita che SPICE si rifiuti di proseguire dichiarando che ci sono degli errori al "reference designator". Ogni oggetto possiede due attributi: NOME e VALORE. Le etichette sono i più semplici attributi che si possono assegnare a bus, alle porte, a segmenti di linee di connessione (specie se collegate a bus), a componenti. Il procedimento é semplice: 1. si seleziona l' oggetto da identificare; 2. dal menu EDIT si sceglie ATTRIBUTE; 3. nel box di dialogo (EDIT REFERENCE DESIGNATOR) si digita quello che si vuole: nome o valore o sigla. Quando si sceglie un componente della libreria, può capitare che esso sia già definito, per es. un resistore da 1k. Il programma la rappresenta col simbolo corretto, con la lettera R, ma spesso non visualizza il valore numerico che, in realtà, esiste. Se si clicca sulla lettera che lo individua, si accede al menu Edit\Attribute e solo così é possibile vedere se esiste o no un valore numerico. Un secondo passo, più complicato, consente l' accesso ad un box di dialogo che elenca tutte le specifiche previste dal programma. E' sufficiente un doppio click sul componente per far comparire una finestra di non facile lettura; le righe riportano: 1. REFerence DESignator che identifica univocamente il componente e consiste di due parti: a) PKW REF relativo al package del componente; b) GATE nome del package; 2. TEMPLATE; 3. PART é il nome che compare sullo schema, insieme al componente quando lo si sceglie con GET NEW PART; 4. USER DEFINED ATTRIBUTE attributi addizionali a disposizione dell' utente. Un ulteriore livello di caratterizzazione, anche se non indispensabile, viene raggiunto con la seguente procedura: - click sul componente; - da MENU\EDIT si sceglie MODEL; - nel box di dialogo che compare si sceglie EDIT INSTANCE MODEL. Vengono elencate tutte le specifiche tecniche cui accede il programma di simulazione; per capirci qualcosa è utile l' HELP ivi disponibile. Pagina 3 di 37

4 Pagina 4 di 37 Uso del mouse Il mouse facilita il lavoro perché il programma viene attivato dai pulsanti sinistro e destro. Col pulsante sinistro: un solo click su un oggetto qualunque lo seleziona; un doppio click sull' oggetto attiva l' EDIT ATTRIBUTE; un click sull' area libera deseleziona tutto. Se, dopo aver selezionato un oggetto si preme lo SHIFT e si clicca su un altro oggetto, anche questo viene selezionato; così é possibile estendere la selezione a più di un oggetto. Oppure si può cliccare su un oggetto e tenendo premuto il pulsante si trascina il cursore per selezionare un gruppo di oggetti, ad esempio una sezione dello schema. Col pulsante destro: un solo click annulla ogni operazione in corso (come ESC); un doppio click consente di ripetere l' azione appena compiuta. Pagina 4 di 37

5 Pagina 5 di 37 LEZIONE 2: Esecuzione ed analisi di un partitore di tensione RC Nell' esempio si danno indicazioni per creare uno schema, cercando componenti e posizionandoli correttamente. Si vuole realizzare il circuito passivo mostrato in fig.1. Fig.1 Dal Program Manager di Windows 3.1 cliccare due volte sull'icona SCHEMATICS del gruppo "THE DESIGN CENTER" oppure, se si sta usando Windows 98: START/Programmi/Design Center/ Schematic. Compare il foglio di lavoro con i menù a tendina inseriti nella parte alta dello schermo. Disegno del circuito Per disegnare il generatore di tensione (nel seguito si tornerà sulle specifiche dei generatori) procedere come segue: 1. Selezionare DRAW/GET NEW PART (oppure CTRL G); 2. Digitare VSRC nell'apposita finestra di dialogo; 3. Cliccare OK o premere INVIO; 4. Cliccare il pulsante destro per terminare la modalità di posizionamento. Per disegnare le resistenze: 1. Selezionare Draw/Get New Part (oppure CTRL G); 2. Digitare R nell'apposita finestra di dialogo; 3. Cliccare OK o premere INVIO; Pagina 5 di 37

6 Pagina 6 di Cliccare per posizionare R1 sul foglio; 5. Digitare CTRL R per ruotare la sagoma del resistore; 6. Cliccare per posizionare il secondo resistore R2 ruotato; 7. Cliccare il pulsante destro per terminare la modalità di posizionamento. Per disegnare il condensatore: 1. Selezionare Draw/Get New Part (oppure CTRL G); 2. Digitare C nell'apposita finestra di dialogo; 3. Cliccare OK o premere INVIO; 4. Digitare CTRL R per ruotare la sagoma del condensatore; 5. Cliccare per posizionare il condensatore C ruotato; 6. Cliccare il pulsante destro per terminare la modalità di posizionamento. Per collegare i componenti seleziona Draw/Wire oppure CTRL W. Il cursore assume la sagoma di una matita. Cliccare sul punto di connessione del primo terminale che si desidera collegare. Portarsi sul secondo terminale e cliccare due volte in rapida successione per interrompere il filo. Il cursore ritorna ad assumere l'aspetto di una freccia. Per rientrare in modalità "filo" cliccare due volte sul pulsante destro o premere la barra spaziatrice. In alternativa è sempre possibile rientrare dal menù Draw/Wire oppure digitare CTRL W. Per cancellare un filo di collegamento mal disegnato o errato, procedere selezionando il filo cliccandoci su una volta, poi premere CTRL X oppure il tasto Canc oppure dal menù selezionando Edit/Cut. Questo vale anche per tutti gli altri componenti. Per disegnare il simbolo della massa analogica (obbligatorio in tutti i circuiti): 1. Selezionare DRAW/GET NEW PART (oppure CTRL G); 2. Digitare AGND nell'apposita finestra di dialogo; 3. Cliccare OK o premere INVIO; 4. Cliccare per posizionare il simbolo della massa. Si noti che esso è connesso da un punto di giunzione o nodo elettrico; 5. Cliccare il pulsante destro per terminare la modalità di posizionamento. Pagina 6 di 37

7 Pagina 7 di 37 Per posizionare il simbolo Viewpoint: 1. Selezionare DRAW/GET NEW PART (oppure CTRL G); 2. Digitare VIEWPOINT nell'apposita finestra di dialogo; 3. Cliccare OK o premere INVIO; 4. Muovere la sagoma del VIEWPOINT in modo che la sua punta tocchi il filo che collega R1, R2 e CAP1; 5. Cliccare per posizionare il VIEWPOINT; 6. Cliccare il pulsante destro per terminare la modalità di posizionamento. In tutti i casi precedentemente esaminati, per la scelta e il posizionamento si è digitato il nome noto del componente. Se noi non siamo sicuri del nome o desideriamo effettuare una scelta tra i componenti disponibili clicchiamo sul pulsante Browse nella finestra di dialogo Add Part per scegliere il simbolo dalla libreria selezionata. Per assegnare dei nomi particolari ai dispositivi presenti nel circuito cliccare due volte sul nome del simbolo e si deve inserire il nuovo nome nella finestra di dialogo Edit Reference Designator (vedi appendici). Esempio: VIN al posto di V1 e CAP1 al posto di C1. 1. Cliccare due volte su V1; 2. Digitare VIN nel campo Edit Reference Designator; 3. Cliccare OK o premere Invio. Ripetere la procedura per sostituire CAP1 a C1. Per modificare i valori dei componenti si procede allo stesso modo con la differenza che si deve cliccare due volte sul valore anziché sul nome del simbolo. Per assegnare nomi particolari alla rete (etichette o label) procedere come segue: 1. Cliccare due volte sul filo che connette VIN a R1; 2. Digitare 1 nel campo LABEL; 3. Cliccare OK o premere Invio; 4. Cliccare due volte sul filo che connette R1 a R2 e a CAP1; 5. Digitare 2 nel campo LABEL; 6. Cliccare OK o premere Invio. Pagina 7 di 37

8 Pagina 8 di 37 Per assegnare il valore 10V al generatore di tensione: 1. Cliccare due volte sul simbolo VIN; 2. Cliccare due volte sull'attributo DC; 3. Inserire 10V nel campo Value; 4. Cliccare sul pulsante Save attr e premere Invio; 5. Cliccare OK per terminare la modifica. Per salvare il circuito sul disco: 1. Selezionare File/Save; 2. Digitare RC come nome del circuito in modo da creare un file di nome RC.SCH; 3. Cliccare OK o premere Invio. Impostazione della simulazione in continua Dopo aver creato il file RC.SCH è possibile eseguire i programma PSpice selezionando Analisys/Simulate o premendo il tasto funzione F11. Questa azione determina l'esecuzione del programma ERC che controlla se sono rispettate le regole di continuità nel circuito elettrico; successivamente viene generato un file RC.NET che descrive i collegamenti dei vari componenti, RC.CIR che include anche le modalità di visualizzazione dell'analisi. PSpice opera su RC.CIR e genera il file di uscita RC.OUT esaminabile selezionando Analisys/Examine Output. Durante l'esecuzione di PSpice viene visualizzato sullo schermo una finestra come quella mostrata in fig.2 che fornisce informazioni relative alla simulazione attualmente in esecuzione. Fig.2 Pagina 8 di 37

9 Pagina 9 di 37 All'inizio della simulazione il simbolo VIEWPOINT era vuoto. Dopo la simulazione esso indica il valore di tensione in quel punto (5V). Per verificare graficamente il principio del partitore di tensione al variare di VIN eseguiamo un'analisi in DC fornendo a VIN valori da 0 a 10V con incrementi di 1V: 1. Selezionare Analisys/Setup e poi cliccare il pulsante DC sweep; 2. Nella finestra di dialogo DC Sweep digitare VIN nel campo Name; 3. Cliccare nel campo Start Value ed inserire 0; 4. Cliccare nel campo End Value o premi TAB ed inserire 10V; 5. Cliccare nel campo Increment o premi TAB ed inserire 1V; 6. Cliccare OK o premere Invio; 7. Cliccare nel box alla sinistra del pulsante DC Sweep; 8. Cliccare su CLOSE per terminare l'analisys Setup. Si osservi che nella finestra di dialogo DC Sweep è possibile settare numerose altre condizioni che per il momento non interessano Avviamento della simulazione Per eseguire l'analisi selezionare Analisys/Simulate o premere F11. Dopo la generazione del file RC.OUT da parte di PSpice entra in esecuzione il programma PROBE che visualizza le forme d'onda desiderate. Se ciò non accade si deve procedere alla selezione di Analisys/Probe Setup e marcare con una x la casella che dice "Automatically Run Probe After Simulation". Per plottare le tensioni ai nodi 1 e 2 in funzione di VIN: 1. Selezionare Trace/Add o premere il tasto Ins; 2. Cliccare su V(1) e V(2) nella lista delle forme d'onda disponibili; 3. Cliccare su OK o premere Invio. Per cancellare le due tracce appena plottate: 1. Cliccare sul testo V(1) localizzato sotto l'asse delle x per selezionare la traccia V(1); 2. Premere il tasto Canc per cancellare la traccia V(1); 3. Cliccare sul testo V(2) localizzato sotto l'asse delle x per selezionare la traccia V(2); Pagina 9 di 37

10 Pagina 10 di Premere il tasto Canc per cancellare la traccia V(2); Per inserire due marker nel circuito in modo che PROBE visualizzi automaticamente le relative forme d'onda: 1. Selezionare Mark Voltage/level (o CTRL M) dal menù Markers ; 2. Cliccare per posizionare il primo marker sul punto 1; 3. Cliccare per posizionare il secondo marker sul punto2; 4. Cliccare sul pulsante destro per terminare la modalità marker. Eseguire Analisys/Probe Setup selezionando la casella "visualizza tutti i marker" e successivamente rilanciare PSpice premendo F11. Si visualizzeranno, in PROBE, le tensioni nei punti 1 e 2 in funzione della tensione di ingresso VIN. Pagina 10 di 37

11 Pagina 11 di 37 Scelta delle grandezze da visualizzare Il programma di visualizzazione Probe consente un'ampia scelta delle grandezze da visualizzare (TRACE ADD di tensioni o correnti, analogiche o digitali..), anche in funzione dell'analisi avviata ( transienti, DC, AC-sweep..). In quasi tutti i casi la sintassi usata è la seguente: 1. per le tensioni sempre una V o v ed in parentesi i riferimenti al nodo o al componente. Sono valide queste espressioni: V(3) tensione al nodo 3 rispetto a massa; V(5,4) d.d.p.tra i nodi 5 e 4; V(R1) c.d. t. sulla R1; VB(Q3) tensione VB0 sul transistor Q3; VCB(Q2) tensione VCB su Q2; V(R2:1) tensione, rispetto a massa, sul morsetto 1 della R2. 2. per le correnti viene indicata una I o i ed in parentesi il componente nel quale scorre o una lettera specifica nel caso di BJT, FET.. Sono un esempio: I(R2) corrente nella R2; IC(Q2) corrente nel collettore di Q2. Quando é attivata l' analisi AC-SWEEP é possibile scegliere, in aggiunta a quelli precedenti, parametri specifici delle grandezze; basta indicarli con: - M per l' ampiezza (Magnitude); - DB per l' ampiezza in db; - P per la fase. Ad esempio si sceglierà: VM(2) per visualizzare l' ampiezza della tensione al nodo 2; VDB(R1) per l' ampiezza della c.d.t. su R1 in db. Poiché é possibile anche rappresentare impedenze, in funzione della frequenza, si potrà chiedere di rappresentare la parte reale (ZR) o quella immaginaria (ZI). Uso dei cursori in Probe Per valutare il valore della tensione del punto 1 o 2 in corrispondenza di un dato valore della tensione di ingresso V_VIN si ricorre ai cursori selezionando dal menù Tools di PROBE la voce Cursor/Display. I due cursori sono attivati per la prima traccia V(1) ed Pagina 11 di 37

12 Pagina 12 di 37 è visualizzata anche la finestra Probe Cursor. Esaminando la legenda della traccia si scorge che il simbolo a sinistra di V(1) è circondato da linee tratteggiate. Portare il cursore del mouse nelle vicinanze di 4V sull'asse x e cliccare sul pulsante sinistro del mouse. Il cursore appare sulla traccia di V(1) in corrispondenza di VIN=4V. La finestra Probe cursor, inoltre, fornisce nella prima riga le coordinate del punto indicato dal cursore. Per vedere muovere il cursore è sufficiente tenere premuto il pulsante e trascinare il mouse nella direzione desiderata. Per associare il secondo cursore alla forma d'onda V(2) cliccare col pulsante destro sul simbolo di V(2) (il rombo). Per muovere il secondo cursore sulla forma d'onda di V(2) premere il pulsante destro e trascinare il mouse fino alla posizione desiderata. La finestra Probe cursor fornisce nella seconda riga le coordinate del secondo cursore mentre la terza riga la differenza tra le coordinate dei due cursori. In fig.3 si mostra la schermata finale di PROBE con il grafico delle due tensioni e i due cursori. Fig. 3 V(1) e V(2) in funzione di V_VIN. Pagina 12 di 37

13 Pagina 13 di 37 LEZIONE 3: An a l i s i D C - Sw e e p per un com ponente pa ssivo Volendo studiare come varia la tensione dell uscita del partitore di tensione in funzione dei valori che può assumere R2, l impostazione d analisi è la stessa che per il dc-sweep di V1, ma nella finestra di setup del dcsweep (vedi a lato), si selezionerà la voce global parameters, inserendo nella casella della funzione da variare il nome assegnato alla variabile voluta (esempio x ). Si stabiliranno i valori iniziale, finale e l incremento. Lo stesso nome va poi, sul foglio di lavoro, sostituito al valore del componente da sottoporre a variazione (nel nostro caso R2=1k, la x va sostituita al valore di 1k) scrivendolo tra parentesi graffe (che sono l indicazione che la sigla è una variabile). Va poi richiamata nel foglio di lavoro (in figura 1) la funzione param. Fig. 1 Essa serve per la dichiarazione della variabile. Doppio clic su param: inserire il nome assegnato alla variabile (nel nostro caso x) nella riga name1 ed un valore qualunque nella riga value1. Premere F11. Il grafico che probe crea è riportato in fig. 2. Esso può essere copiato nelle clipboard di windows ( menù windowscopy to clipboard) ed esportato su qualunque documento office. Fig.2 Analisi ai transienti Trattandosi di un circuito RC é interessante studiare la risposta impulsiva, cioè la tensione di uscita V(2) in funzione del tempo quando il circuito è eccitato da un gradino di tensione; si deve quindi cambiare il generatore di ingresso da generatore di tensione costante a ge- Pagina 13 di 37

14 Pagina 14 di 37 neratore impulsivo in modo che fornisca un gradino di tensione e si deve attivare l'analisi ai transienti. Il Generatore VPW L : generatore di onde caratterizzati da un numero variabile tra 1 e 10 "angoli". Parametri: DC, AC : T1, V 1... T10, V 10 : tempo e tensione di un "angolo". Per cancellare il generatore V_VIN e sostituirlo con VPWL effettuare i seguenti comandi: 1. Selezianare Edit/Replace; 2. Digitare VSRC nel campo Target; 3. Premere TAB per avanzare al successivo campo; 4. Digitare VPWL nel campo Replacement; 5. Cliccare OK o premere Invio; 6. Cliccare due volte sul reference designator del simbolo VPWL; 7. Digitare VPWL nella finestra di dialogo Edit Reference Designator; 8. Cliccare OK o premere Invio; 9. Cliccare due volte sul simbolo VPWL per entrare nella finestra di dialogo Edit Attributes (per definire le caratteristiche della forma d'onda desiderata); 10. Eseguire un doppio click ed inserire il valore indicato in in fig5 per ciascun attributo ai transienti: Assicurarsi di aver cliccato su Save Attr. dopo ciascun passo per accettare le modifiche effettuate; 11. Cliccare su OK per accettare queste specifiche per VPWL. In fig. 4 si mostra lo schema elettrico del circuito modificato. Pagina 14 di 37

15 Pagina 15 di 37 Fig.4 Si decide di eseguire un'analisi temporale tra 0 e 5µs con un intervallo di stampa di 50ns per ottenere le forme d'onda come mostrato in fig.5. Per far ciò procedere come segue: 1. Selezionare Analysis/Setup e poi cliccare sul pulsante Transient. Si ottiene una finestra di dialogo da compilare; 2. Inserire 50ns nel campo Print Step; 3. Premi TAB per avanzare al campo successivo; 4. Cliccare su OK o premi Invio per accettare le specifiche; 5. Cliccare nel rettangolo a sinistra del pulsante Transient per l'analisi ai transienti; 6. Cliccare su Ok nella finestra di dialogo di Analysis Setup. Pagina 15 di 37

16 Pagina 16 di Inserire 5us nel campo Final Time; Per disabilitare l'analisi in DC: 1. Selezionare Analysis/Setup; Fig.5 2. Cliccare nel rettangolino a sinistra del pulsante DC Sweep per rimuovere la x; 3. Cliccare OK o premere Invio. Per eseguire la simulazione, selezionare Analysis/Simulate oppure premere il tasto funzione F11. Per visualizzare, in PROBE, la forma d'onda VPWL e quella sul condensatore: 1. Selezionare Trace/Add; 2. Viene visualizzato un elenco di variabili di uscita; 3. Selezionare V(VPWL:+) e V(CAP1:2) cliccando sul loro nome nella lista; 4. Cliccare OK o premere Invio; Le due tracce selezionate sono visualizzate sullo schermo e sono come quelle mostrate in fig.5. In fase di stampa si entri in Page Setup..., si ponga l'orientamento in Portrait, si deselezioni Draw Plot Title (togliere la x) e si impostino i margini come segue: left=1, right=1, Top=0.5, Bottom=6.5. È possibile, come nel caso precedente, utilizzare i cursori per analizzare i valori di tensione e i tempi. Per stampare su stampante le forme d'onda ottenute con Probe si seleziona File/Print: si entra in una finestra di dialogo che consente di selezionare il foglio orizzontale o vertica- Pagina 16 di 37

17 Pagina 17 di 37 le, di impostare i parametri del foglio e della stampante. Selezionando File/Exit si ritorna in ambiente Schematic Editor nel quale è possibile effettuare il salvataggio del circuito modificato rinominandolo, ad esempio, con RCXFIG5.SCH. Esercizio: Analisi Parametrica al variare della capacità e/o della resistenza Al pari di quanto fatto in precedenza per il DC-Sweep, anche nel transient è possibile l analisi al variare del valore di un componente. Agire esattamente nello stesso modo per l impostazione, utilizzando però il bottone parametric dell analysis-setup e verificare i risultati in Probe. Imporre, per esempio, che la capacità vari da 1n a 2n. Sostituire R1 con un potenziometro e parametrizzarne l attributo set. Vedere i risultati della simulazione. Pagina 17 di 37

18 Pagina 18 di 37 LEZIONE 4: Generatore sinusoidale VSIN La sintassi completa prevede l' indicazione dei seguenti valori: VOFF : valore medio del segnale, o componente continua; VAMPL : ampiezza della componente alternativa; FREQ : frequenza; TD : Time Delay ( istante di partenza del segnale distinto dall' istante 0 dei tempi); DF : Damping Factor ( fattore di decadimento); PHASE : fase iniziale del segnale (gradi). (Per generalizzare i casi, PSpice considera che il segnale sinusoidale possa avere un decadimento o un incremento esponenziale che dipende dal segno e dal valore del parametro DF). Alla luce di quanto mostrato, il segnale dovrebbe avere la seguente equazione: v = VOFF + VAMPL sin [ 2 FREQ ( t - TD) + PHASE/360] * e -(t - TD)*DF I valori richiesti sono: Generatore ad impulsi Vpulse V1 : valore minimo (meglio dire iniziale ); V2 : valore massimo (meglio intendere finale ) TD : time delay TR : rise time (letteralmente tempo di salita si riferisce però al tempo impiegato dal segnale per passare da V1 a V2); TF : falling time (letteralmente tempo di discesa si riferisce però al tempo impiegato dal segnale per tornare da V2 a V1); PW : pulse width ( tempo di mantenimento a livello); PER : periodo del segnale. Pagina 18 di 37

19 Pagina 19 di 37 nelle figure sono riportati due esempi di circuiti che usano Vpulse. In uno si genera un segnale quadro, nell altro un triangolo Analisi in alternata E' possibile studiare l'andamento in funzione della frequenza di un segnale elettrico presente in un circuito. Sostituiamo il circuito ora esaminato con quello della figura sottostante 1. Inserire il nuovo generatore richiamandolo velocemente col comando CRTL+G e digitando nella riga ADD PART il nome: VSIN e cliccare su OK; 2. Dopo aver trascinato il generatore col mouse nella posizione prevista, cliccare due volte in rapida successione nel simbolo per le impostazioni dei valori; OK; 3. Si ponga solo VAC=1V e si esca cliccando su 4. Cliccare due volte in rapida successione sul nome del generatore (potrebbe essere V3, V4,..) e sostituirlo con V1; 5. Per attivare l'analisi in alternata selezionare SETUP dal menu ANALYSIS, decliccare (togliere la x) da TRANSIENT e PARAMETRIC ed attivare la x di AC Sweep; 6. Cliccare sul pulsante AC Sweep per accedere alla finestra di dialogo per le impostazioni; Pagina 19 di 37

20 Pagina 20 di Selezionare la scala delle frequenze di tipo decadico, 100 punti per decade, 1KHz come frequenza iniziale, 1MegHz (oppure Hz ma non 1MHz) come frequenza finale; 8. La finestra Noise analisys può essere ignorata, tuttavia decidiamo di compilarla: 1. Cliccare nella casella NOISE ENABLE; 2. Inseriamo V(out) (l'uscita del circuito) nel campo output voltage; 3. Inseriamo V1 (il generatore di ingresso) nel campo I/V source; 4. Inseriamo 30 nel campo interval. Verrà elaborata una tabella ogni trentesimo di intervallo di frequenza sui contributi al rumore totale dovuto ai generatori di rumore; questa tabella è visualizzabile in PSPICE poichè contenuta nel file XXXXXX.OUT; 5. Cliccare su OK per uscire dalla finestra di dialogo AC Sweep e su close per u- scire dal SETUP di ANALYSYS; 9. Attivando la simulazione con Analysis/simulate (o F11) si ottiene un messaggio di errore poiché non si è definito completamente il generatore V1; 10. Ripetere il passo 4 definendo VOFF=0, VAMPL=1V, FREQ=1.5KHz; 11. Ripetere il passo 11 attivando la simulazione col tasto funzione F11. Queste operazioni ci hanno portato in PROBE. In questo ambiente è possibile selezionare la forma d'onda che si desidera esaminare in funzione della frequenza. L'asse delle x è tarato in Hz e si scorgono i riferimenti relativi a 1KHz, 3KHz, 10KHz, 30KHz, 100KHz, 300KHz, 1MHz. L'asse delle y sarà in seguito tarato in base al valore massimo delle grandezze da visualizzare (indipendentemente dalla unità di misura). Per visualizzare il modulo della tensione di uscita all'operazionale in funzione della frequenza agire come segue: 1. Dal menu TRACE selezionare ADD; 2. Per visualizzare solo l'elenco delle tensioni cliccare nella casella current per eliminare la x; 3. Cliccare la voce V(out); appare nella barra trace command la dicitura V(out) (che può essere selezionata col mouse ed eliminata col tasto CANC se non interessa); 4. Cliccando su OK si ottiene, poi, la risposta in frequenza della tensione V(out); sull'asse y appaiono i valori espressi in mv; 5. Se si vuole esprimere la tensione di uscita in scala logaritmica si seleziona il comando Y Axis Setting dal menu PLOT; Pagina 20 di 37

21 Pagina 21 di Selezionare user defined, introdurre i valori 1mV e 1000mV e selezionare la scala logaritmica; 7. Per manipolare l'asse delle X si seleziona X Axis Setting e si suggerisce di introdurre i seguenti valori: user defined, da 100KHz a 10MHz, scala logaritmica, OK; 8. La forma d'onda sarà disegnata fino a 1MHz perché nel passo 9 del precedente elenco di azioni abbiamo definito l'analisi in AC fino a 1MHz (volendo si può ritorna in ANAL- YSIS/SETUP/AC per imporre freq.finale=10mhz); 9. Riportare le impostazioni degli assi X e Y (dal menu PLOT) come in precedenza cioè in modo automatico; 10. Per visualizzare le risposte in frequenza delle tensioni di rumore si selezionano le voci V(INOISE) e V(ONOISE) (rumore di ingresso e di uscita) dal menu TRACE/ADD; 11. Apparentemente sembra che le forme d'onda non siano state disegnate. Si ricordi che la tensione di uscita raggiunge il valore di alcune centinaia di mv mentre quelle di rumore sono dell'ordine dei nv (6 ordini di grandezza in meno). Per visualizzarle siamo costretti a tagliare la forma d'onda V(out); Si seleziona V(out) cliccando col mouse sulla voce V(out) che appare sullo schermo in basso a sinistra; il testo diventa rosso poiché è stato selezionato: a questo punto è sufficiente selezionare plot-add y axis poi modifica-incolla e sullo schermo rimangono V(INOISE) e V(ONOISE) oltre a V(out) come mostrato in fig.9. Fig.9 Per esercitazione, ora, visualizzare sullo schermo le forme d'onda V(R1) e V(in) dopo aver cancellato le tensioni di rumore V(INOISE) e V(ONOISE). Usando i cursori, attivabili con TOOLS/CURSOR/DISPLAY, visualizzare i valori di V(R1) e V(in) in corrispondenza della frequenza 200KHz. Si ricordi di associare il cursore collegato al tasto sinistro del mouse alla forma d'onda V(4) e quello collegato al tasto destro alla forma d'onda V(5). Per far ciò: Pagina 21 di 37

22 Pagina 22 di Cliccare col sinistro nel rettangolino di V(4) in basso; 2. Cliccare col destro nel rombo di V(5) in basso; 3. Dopo aver effettuato le misure uscire da PROBE con la procedura FILE/EXIT; Analisi in alternata di un amplificatore con 741 Si disegni il circuito di fig 10. si tratta di un amplificatore in configurazione invertente. Per esercitazione vogliamo analizzarne la risposta in frequenza. A differenza del caso precedente vogliamo rendere più semplice la scelta delle variabili da visualizzare in probe e definirle in DB. Applichiamo quindi al nodo out i Vmarker advanced Vdb e Vph. Essi ci permettono di visualizzare in automatico su probe il variare di V(out) e della fase al variare della frequenza; ci sarà naturalmente bisogno di aggiungere un asse Y. La fase è misurata in gradi. I risultati dell analisi sono visibili in fig.11 e Fig.10 possiamo vedere che si tratta del diagramma reale di Bode. Volendo potremmo anche qui aggiungere i grafici relativi al rumore. Bisogna considerare che probe è in grado di visualizzare non più di tre assi Y. Naturalmente i grafici di fase e uscita potevano essere prelevati anche dalla finestra Trace-Add utilizzando gli operatori matemati- Fig.11 ci per riprodurre le relative formule. Pagina 22 di 37

23 Pagina 23 di 37 LEZIONE 5: esercitiamoci ad impostare Vpulse Si propone di utilizzare il circuito di fig.12 per una breve esercitazione sull impostazione di Vpulse vista nella lezione precedente. Con le tecniche apprese disegnare, sullo stesso foglio di lavoro, tre circuiti nei quali impostare il generatore in modo che componga in uno un segnale quadro, in uno un segnale triangolare e, nel terzo, uno irregolare che abbiano la stessa frequenza. Si visualizzino con probe, ricordando che nel setup-transient, il valore Final Time deve essere rapportato nel giusto modo al PER di Vpulse. Sostituire, infine, ai tre generatori d impulso tre Vsin di pari freq e escursione massima, provando ad impostare diversi valori di fase. Fig.12 Può essere interessante a questo punto, utilizzare l AC-Sweep per analizzare la risposta in frequenza di un filtro passa-basso e di uno passa-alto, proponendosi poi di collegarli per comporre e simulare un filtro passa-banda. A tale scopo, disegnare gli schemi di fig.13, Fig.12 impostando ed eseguendo, secondo i passi imparati in precedenza, l analisi in frequenza sia del segnale in Volt e/o in db, che della fase, utilizzando oppure no i Markers-Advanced. Si ricordi che fase e segnale, avendo unità di misura differenti, hanno bisogno di due assi Y (selezionare una delle due variabili, poi edit-cut, poi plot-add Y axis infine edit paste ). Fig.13 Pagina 23 di 37

24 Pagina 24 di 37 A questo punto aggiungere, sempre sullo stesso foglio, il circuito di Fig.13 e ripetere l analisi. I risultati sono mostrati in fig.14. È possibile misurare con cursor le frequenze limite dei tre filtri e le varie corrispondenze tra frequenza e fase. Fig.14: Risposte in frequenza dei tre filtri Simulazione di un comparatore In fig.15 è rappresentato lo schema di un comparatore. Il trattamento delle alimentazioni è garantito dalle global A e GND, che collegano l operazionale a due alimentatori (fig.16). la soglia di riferimento è ottenuta dal partitore R3-R4. l uscita dell operazionale pilota un bjt sul cui collettore si Fig.15: schema di un comparatore trova l uscita del circuito. L esercitazione consiste nella misura delle soglie di commutazione. L analisi da impostare è un DC-Sweep sul set di R6, che viene fatto variare da 0 fino a 1 per passi di 0.1. Nel disegno può essere inserito un V-marker anche Fig.16: trattamento delle alimentazioni Pagina 24 di 37

25 Pagina 25 di 37 sul pin 3 del 741, in modo da visualizzare direttamente sul grafico per quale valore di V+ avviene la commutazione. L impostazione e l esito dell analisi sono riportati in fig.17. È da rilevare che il bjt è consigliabile nel caso che la simulazione venga fatta seguire anche da una prova al banco, ma non è strettamente necessario. 15V 10V 5V 0V V(Vi) V(Q1:c) cw Fig.17: impostazione ed esito dell analisi DC-Sweep con parametrizzazione del set del potenziometro R6 Pagina 25 di 37

26 Pagina 26 di 37 LEZIONE 6: Termostato con sonda termica a BJT Nel circuito proposti occorre impostare, dal menù "Analysis" di Schematics, la voce setup/dc/temperature. La novità introdotta in questa lezione consiste nel porre sull'asse x la temperatura. Il circuito ha d interessante l'uso dell'economicissimo transistor qui utilizzato come sonda termica dal comportamento soddisfacentemente lineare. L'ultimo stadio, in funzione della temperatura captata dal transistor, mette in funzione o spegne in modo automatico un impianto di riscaldamento. Il circuito consente un controllo automatico discontinuo della temperatura di un ambiente. Fig.18 Termostato con sonda termica a BJT. La temperatura di commutazione è impostata tra 15 C e 27 C agendo sul potenziometro R9. All'aumentare della temperatura la VBE del BJT diminuisce di 2mV/ K con legge lineare. Il primo operazionale elimina una parte di offset della VBE ed inserisce un guadagno di tensione pari a: 1+R5/R4 = 48 (quasi uguale a 50). La tensione out1, pertanto, diminuisce di 100mV per un aumento di 1 C di temperatura. Dal grafico allegato si vede che con i valori dei componenti inseriti si ha: Vout1=8V per t=0 C e Vout1=3V circa per t=50 C. Il secondo operazionale lavora da comparatore non invertente. Il potenziometro R9=100K consente di stabilire il potenziale del pin 2 al valore 5.5V circa se il contatto centrale è posto in basso (K=0), e 6.5V circa se il contatto centrale è posto in alto (K=1). In tal caso se K=0 l'usci- Pagina 26 di 37

27 Pagina 27 di 37 ta Vout2 va dal livello alto a zero quando Vout1, diminuendo, raggiunge il valore 6.5V (a 15 C) e se K=0 l'uscita Vout2 va dal livello alto a zero quando Vout1, diminuendo, raggiunge il valore 5.5V (a 27 C). L'uscita Vout2 del comparatore comanda il sistema di riscaldamento: quest'ultimo è acceso se Vout2=livello alto, è spento se Vout2=livello basso. Osservazioni: entrambi gli operazionali funzionano a singola alimentazione. Si esegue un'analisi parametrica sulla grandezza set del potenziometro R9. La VBE del transistor scende da 660mV a 560mV circa se la temperatura sale da 0 C a 50 C. Per l'impostazione della simulazione: Analysis/Setup/DC sweep/temperature/linear/da 0 a 50 con incremento di 0.1. Fig.19 Tensioni di uscita del primo e secondo amplificatore operazionale in funzione della temperatura per tre diversi valori del potenziometro R9. Per terminare la simulazione, misurare con precisione con i cursori di Probe le temperature, le VBE, le tensioni Vout1 per set=0, set=0.5, set=1. set T ( C) VBE (Volt) Vout1 (Volt) Pagina 27 di 37

28 Pagina 28 di 37 Risposta in frequenza e al gradino di un circuito RC e della relativa f.d.t. col blocco LAPLACE Fig. 20 Dopo aver disegnato il circuito e configurato il generatore V1 (VSRC) come in figura impostare: 1. Analysis/setup/AC sweep/ac sweep type: decade/start freq.=1k, end freq.=10meg. 2. Analysis/setup/transient/final time=5000us, step ceiling=10ns/skip initial... spuntato. 3. Analysis/simulate: si puo' scegliere tra AC e transient; facciamo click sul pulsante AC. 4. Trace/add/dalla lista functions (a destra) cliccare su DB() e poi cliccare su V(VO1) nella lista a sinistra. 5. Ripetere il passo precedente in modo da visualizzare anche la traccia VDB(V(VO2)). Le due tracce sono identiche: i due circuiti sono equivalenti per la risposta in frequenza. Pagina 28 di 37

29 Pagina 29 di 37 Per inserire i grafici della fase: Plot/add plot e ripetere i passi 4 e 5 con la funzione P() (Phase). Assodata l'uguaglianza delle tracce omologhe dei due circuiti, cancelliamo modulo e fase di VO2. Attiviamo i due marker: il primo lo poniamo sul modulo in db di VO1 ed il secondo sulla fase di VO1. Misure da effettuare: tenendo premuto i due pulsanti del mouse, determinare il modulo in db e la fase in gradi per i seguenti valori della frequenza: 1KHz, 10KHz, 100KHz, 1MHz, 10MHz. Riportare i valori in una tabella sul proprio quaderno (filtro passa-basso del primo ordine). Determinare sperimentalmente la frequenza di taglio: ft=1/(6.28rc) utilizzando i marker ricordando che in corrispondenza di ft si ha modulo=-3db e fase=-45. Confrontare il valore trovato con quello teorico. Per la risposta al gradino si clicca sul pulsante transient nel precedente punto 3. Visualizzare VO1, VO2 e la Vi ed impostare gli assi x e y (user defined) come in figura. Anche in questo caso notiamo che le due risposte VO1 e VO2 sono coincidenti. Misure da effettuare: attiviamo il marker sulla tensione VO1 (la VO2 la possiamo cancellare) e determiniamo i valori di VO1 per i seguenti valori del tempo: 0, 1us, 2us, 3us, 4us, 5us. Riportare i valori in una tabella sul proprio quaderno. Determinare sperimentalmente la costante di tempo: t =RC ricordando che per t = t si ha: VO1=0.632*Vi Pagina 29 di 37

30 Pagina 30 di 37 LEZIONE 7: Acquisizione di temperatura con LM35 Si vuole condizionare l'uscita di un trasduttore, in modo da ottenere una variazione di 100mV/ 0 C. Il trasduttore, un LM35, rende una Vout=0 per 0 o C fornendo 10mV/ 0 C. Un esempio di soluzione è mostrato in fig.21. Lo schema, che sottintende il trattamento delle alimentazioni, prevede di ampli- ficare il segnale di un fattore 10 e collegare a massa il punto A del circuito, in modo da ottenere una Vref del differenziale pari a 0V. Poiché, per azzerare l'uscita deve essere VA=Vs=0V Fig. 21: condizionamento del segnale proveniente da LM35 della simulazione sono mostrat in fig. 22. La simulazione prevede un DC-Sweep di vs (che prende il posto della variazione di tensione continua proveniente dal trasduttore) la cui impostazione e risultati Fig.22: impostazione e risultati della simulazione proposta Pagina 30 di 37

31 Pagina 31 di 37 Integratore invertente e non invertente Esiste una frequenza, fc=1/2πr2c1 al di sotto della quale il circuito di fig. 23 funziona da semplice amplificatore invertente (perché C1 si comporta sempre più da cq aperto) mentre per valori superiori inizia ad integrare. Per verificare con la simulazione quanto asserito, eseguire i seguenti passi: 1. Disegnare il circuito 2. Impostare, in Vpulse, V1=-0.5V, V2=0.5V, TD=TR=TF=0.1us, PW=50us, Fig. 23: esempio di integratore invertente PER=100us. Così viene generato un segnale quadro di frequenza 10KHz. 3. Impostare, nell analisys setup transient, il Final Time a 200us e il Print step a 20us 4. Eseguire l analisi Il risultato dell analisi (fig. 24) mostra l integrazione del segnale. Fig. 24: risultato della simulazione del circuito di fig. 23 Pagina 31 di 37

32 Pagina 32 di Reimpostare il Vpulse modificando solo PW (2.5ms) e PER (5ms) 6. Modificare in relazione le voci del setup transient 7. Eseguire di nuovo l analisi Il risultato dell analisi (fig. 25) mostra la semplice amplificazione del segnale. Fig. 25: risultato dell analisi impostata nei passi 5, 6 e 7 In fig. 26 è riportato lo schema elettrico di un integratore non invertente su cui poter esegui- re le stesse analisi. Fig. 26: integratore non invertente Pagina 32 di 37

33 Pagina 33 di 37 La struttura gerarchica Generalità La struttura gerarchica permette di organizzare il circuito in numerosi livelli. I vantaggi sono: Controllabilità La gerarchia permette di organizzare e focalizzare i livelli di dettaglio di uno schema nascondendo i dettagli a più basso livello del circuito. Progettazione Top-Down La gerarchia permette di trattare il circuito dal punto di vista più alto trattando i blocchi del circuito come scatole nere che possono essere riempite di dettagli più tardi. Progettazione Bottom-Up La gerarchia fornisce strumenti per creare porzioni di circuito di qualsiasi complessità che possono essere salvate in librerie ed u- sati allo stesso modo in cui si trattano i componenti tradizionali. Riuso I blocchi possono essere riutilizzati per realizzare altri circuiti. Parti fondamentali I tre componenti fondamentali nella gerarchia sono: i blocchi le parti gerarchiche i views I Blocchi Un blocco è un rettangolo definito dall'utente ed usato per rappresentare una porzione di circuiteria. Essendo trattati come scatole nere, l'utente collega i blocchi per una rappresentazione funzionale e successivamente va a dettagliare il contenuto di ciascuno di essi. Per inserire un blocco in Schematic Editor si seleziona Draw/Block. Per applicare una linea di collegamento o un bus si seleziona Draw/Wire o Draw/Bus e si clicca su un bordo qualsiasi del blocco per la lunghezza desiderata del collegamento. All'interno del blocco apppaiono label successivamente numerate: P1, P2, P3,... e sul bordo si materializza un nodo. Per ridimensionare un blocco si tiene premuto il tasto Shift e si clicca sul pulsante destro del mouse trascinandolo. Pagina 33 di 37

34 Pagina 34 di 37 Per definire il circuito associato al blocco si seleziona Navigate/Push o si clicca due volte in rapida successione all'interno del blocco. Se si entra nel blocco per la prima volta, Schematic Editor pone automaticamente un port di interfaccia per ciascun filo o bus connesso al blocco. Se, invece, si associa al blocco un circuito già esistente, è responsabilità dell'utente creare e connettere i port di interfaccia necessari. L'aggiunta successiva di altre connessioni obbliga l'utente a richiamare manualmente gli altri port di interfaccia quando si entra all'interno del blocco. Il comando è Draw/Get New Part/INTERFACE (elemento che si trova nella libreria PORT.SLB). Le label di queste port devono essere le stesse che compaiono nel blocco. Dopo aver costruito un blocco è possibile convertirlo in simbolo con il comando Edit/Convert Block. Viene generato un simbolo rettangolare con tanti pin quanti sono i fili o bus collegati al blocco. Parti gerarchiche Vi sono due tipi fondamentali di parti gerarchici in Schematic: parti primitive parti gerarchiche Le prime rappresentano il livello più basso e le seconde contengono uno o più livelli schematici all'interno. Views È un meccanismo che consente al blocco o alla parte gerarchica di avere una o più rappresentazioni. Realizzazione di un amplificatore Si vuole realizzare un circuito costituito da un generatore di segnale V1 che alimenta un amplificatore definito da un blocco. L'uscita pilota una resistenza R1=10K come appare in fig Draw/Get New Part 2. Inserisci Vsin in Add Part Fig.27: schema di un circuito comprendente un amplificatore realizzato da un blocco Pagina 34 di 37

35 Pagina 35 di Clicca per posizionare il componente 4. Clicca col destro per terminare la modalità di inserimento componente. Inserimento blocco OPAMP 1. Draw/Block 2. CTRL+R per ruotare il blocco 3. Clicca per posizionare il componente 4. Clicca col destro per terminare la modalità di inserimento componente 5. Doppio click su HB1 in modo da entrare nella finestra di dialogo Edit Reference Designator 6. Digita Opamp al posto di HB1 7. Clicca su OK. Inserimento resistenza 1. Draw/Get New part (o CTRL+G) 2. Digita R in Add Part seguito da click su OK 3. Premi CTRL+R per ruotare la resistenza 4. Clicca per posizionare il componente e poi imposta il valore (10k) 5. Clicca col destro per uscire dalla modalità di inserimento componente. Inserimento massa 1. Draw/Get New Part 2. Digita AGND in Add Part seguito da click su OK 3. Trasporta e clicca sui due punti dove deve essere inserita la massa 4. Clicca col destro per uscire. Inserimento punti IN e OUT 1. Draw/Wire per disegnare il collegamento da V1 al lato sinistro del blocco 2. Doppio click per eliminare il simbolo della matita 3. Premere la barra per riattivare la matita, disegnare il collegamento tra R1 e la parte destra del blocco. Per cambiare il nome dei pin del blocco Pagina 35 di 37

36 Pagina 36 di Doppio click sul pin P1 2. Nella finestra di dialogo Change Pin digitare IN al posto di P1 nel campo Pin Name e poi orientare nel modo ritenuto migliore configurando le voci orient, Hjust, Vjust 3. Clicca su OK 4. Ripetere i passi 1 2 e 3 per P2 che dovrà divenire OUT. Salvare il circuito con File/Save inserendo il nome TESTAMPLI.SCH. Per disegnare il circuito contenuto nel blocco,si clicca due volte, in rapida successione, all'interno del blocco. Appare una finestra di dialogo in cui scriveremo Ampli_in. Si entra in un nuovo ambiente Schematic di nome ampli_in.sch in cui compaiono due port INTERFACE: uno di ingresso di nome IN e l'altro di uscita di nome OUT. Si passa alla realizzazione dell amplificatore invertente collegando all ingresso l interface IN ed all uscita l interface OUT come in fig.28. Quando lo schema è completo si ritorna al livello superiore selezionando Navigate/Pop. Rispon- Fig.28: circuito amplificatore dentro il livello gerarchico dendo affermativamente alla domanda che chiede se si vuole salvare il file si realizza l'associazione del circuito di fig.27 di nome Ampli_in.SCH al blocco OPAMP inserito nel circuito ampliger.sch. Per vedere la lista dei view associato al blocco clicca sul blocco per selezionarlo e poi attiva il comando Edit/View. Clicca su Cancel per uscire dalla finestra di dialogo. Pagina 36 di 37

37 Pagina 37 di 37 Analisi in frequenza e in transient A questo punto è possibile impostare tutti i tipi di analisi come nei precedenti circuiti. Configuriamo, per esempio, l analisi in AC_Sweep dando un valore al parametro AC del generatore e riempiendo le altre voci richieste al suo funzionamento. Configuriamo poi nel setup, sia il transient che l AC_Sweep. I risultati della simulazione appaiono nella fig. 29. Fig.29: esito della simulazione del blocco amplificatore sia per la risposta in frequenza che per l analisi temporale. Pagina 37 di 37