Laboratorio informatico per l ingegneria elettrica

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1 Laboratorio informatico per l ingegneria elettrica Luca Sani Dipartimento di Sistemi Elettrici e Automazione Università di Pisa tel luca.sani@dsea.unipi.it

2 Introduzione al simulatore circuitale ORCAD - Spice

3 Scopo della simulazione dei circuiti elettrici Per conoscere il comportamento di un circuito elettrico è necessario risolvere un insieme di equazioni derivate dai principi di Kirchhoof. Al crescere delle dimensioni del circuito diventa impossibile risolvere il circuito manualmente. Per molti anni l unica soluzione è stata la realizzazione fisica del circuito su cui eseguire i test necessari a verificarne il funzionamento. 3 3

4 Scopo della simulazione dei circuiti elettrici Questa tecnica divenne inadeguata con l introduzione dei componenti integrati a causa degli elevati costi e tempi di realizzazione del circuito campione su cui effettuare i test. Ciò ha portato, assieme all aumento della diffusione e della potenze dei computer, alla nascita e allo sviluppo dei simulatori circuitali, programmi capaci di risolvere qualunque circuito senza fare eccessive ipotesi semplificative. Alla fine degli anni sessanta, nell Università della California- Berkeley, nasce il progetto SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). 4 4

5 Cenni storici Spice è il programma più utilizzato nella simulazione dei circuiti e rappresenta di fatto lo standard della simulazione circuitale. E il risultato del lavoro di molti studenti di ingegneria dell Università di Berkeley, da cui è stato sempre distribuito gratuitamente. La prima versione risale al Risolveva circuiti con max 400 componenti e 100 nodi, l input avveniva mediante schede perforate. Nel corso degli anni sono state rilasciate nuove versioni del programma caratterizzate dall utilizzo di metodi numerici più efficienti, da un linguaggio più potente e da modelli più completi dei dispositivi. La versione attuale del simulatore è Spice 3.0. Oggi tutti i principali fornitori di software CAD/CAE offrono una versione arricchita di SPICE. Faremo riferimento alla versione demo di Orcad

6 Prodotti commerciali basati su Spice3 ORCAD La versione completa mette a disposizione più di modelli di componenti analogici è 1600 componenti digitali E lo standard a livello mondiale. NI Multisim (ex Electronics WorkBench) Ha un prezzo molto inferiore e si sta affermando come valida alternativa. 6 6

7 Caratteristiche di Pspice Pspice, versione di Spice per personal computer, sviluppato dalla Microsim Corporation e commercializzato a partire dal 1984, è attualmente distribuito dalla CADENCE all interno del pacchetto di simulazione ORCAD. Orcad è disponibile in numerose versioni per i diversi sistemi operativi (DOS, Windows, Unix, etc.) Pspice è in grado di analizzare circuiti contenenti fino a 130 elementi e 100 nodi. I circuiti possono contenere resistori, induttori, condensatori, generatori dipendenti e indipendenti, amplificatori operazionali, trasformatori, linee di trasmissione e dispositivi a semiconduttore (diodi, BJT, Mosfet, etc.). 7 7

8 Tipi di analisi possibili Bias Point DC sweep AC (Noise) Transient Parametric Monte Carlo 8 8

9 Bias Point Pspice determina il punto di lavoro del circuito assumendo gli induttori in corto circuito e i condensatori come tasti aperti. Una analisi del regime continuo è automaticamente eseguita prima di ogni studio di transitorio per determinare le condizioni iniziali e prima di una analisi in frequenza con piccoli segnali per determinare i valori dei parametri dei modelli linearizzati dei dispositivi non lineari. DC sweep Calcola il valore di regime in d.c. delle tensioni e correnti quando il valore di uno o più generatori, della temperatura o di un parametro è fatto variare in modo discreto in un certo intervallo di valori. 9 9

10 AC L'analisi AC viene normalmente usata per fornire le risposte di frequenza e di fase di un circuito, ma SPICE offre anche la possibiltà di realizzare delle analisi di rumore e di distorsione. Prima di iniziare questa operazione SPICE esegue una analisi DC per determinare il punto di lavoro del circuito in modo da linearizzare ogni elemento non lineare nell'intorno del punto stesso. Se nel circuito é prevista soltanto una sorgente AC, imponendo l'ampiezza e la fase rispettivamente ad uno e zero le variabili di uscita rappresentano immediatamente la funzione di trasferimento

11 Noise All interno dell analisi AC, SPICE calcola il contributo di rumore dovuto ad ogni elemento del circuito: rumore termico introdotto dai resistori, rumore flicker e shot relativo ai semiconduttori, rumore termico generato dalle resistenze ohmiche di modelli dei dispositivi. Il rumore generato da un elemento circuitale può essere modellato come una "eccitazione elettrica" per il circuito ai piccoli segnali. Ogni sorgente di rumore é assunta scorrelata dalle altre, ed il suo contributo é calcolato separatamente. Il rumore totale é allora la radice quadrata della somma del valore quadratico medio di ciascun contributo di rumore

12 Transient SPICE fornisce l'uscita (tensioni e correnti) come funzione del tempo in un intervallo specificato dall'utente. L'analisi é preceduta dal calcolo del punto di riposo della rete dal quale partire. All'analisi del dominio del tempo può essere aggiunta l'analisi di Fourier, con la quale si ottengono la componente continua e le prime nove armoniche dell'uscita

13 Parametric Tutte le analisi viste in precedenza possono essere eseguite al variare di un parametro (temperatura, valore di un componete) in un determinato intervallo. Monte Carlo Viene analizzato il comportamento del circuito tenendo conto delle tolleranze dei valori dei componenti. E un analisi di tipo statistico. Viene ripetuta la stessa simulazione n volte. All inizio di ciascuna viene estratto (in modo random) il valore di ogni componente (nell ambito del campo di tolleranza assegnato)

14 Uso di PSPICE Composizione del circuito (si disegna con un editor grafico) Definizione del tipo di simulazione Esecuzione simulazione Pspice in modo automatico esegue le seguenti operazioni: 1) Verifica dell integrità del circuito 2) Creazione della netlist: è il file che contiene la descrizione topologica del circuito e il tipo di simulazione. Questo file rappresenta l input del simulatore Avvio del programma di visualizzazione dei risultati 14 14

15 Principio di funzionamento Preprocessing Processing Postprocessing Text Editor *.out ASCII Text Editor *.cir ASCII Pspice Schematics *.sch BIN *.lib ASCII *.dat BIN Probe 15 15

16 E un file ASCII: Netlist a) Descrizione topologica del circuito. Viene descritto ogni elemento, indicando i nodi entro cui è inserito, il tipo di elemento, i parametri di questo. Sintassi: Tipo elemento_nome elemento <Nodo iniziale> <Nodo finale> parametri elemento Tipo elemento: R resistenza L induttanza C capacità

17 Metodo dei nodi modificato A partire dalla NETLIST viene creato il sistema di equazioni integrodifferenziali secondo il metodo dei nodi. Si ottiene un sistema di equazioni differenziali in cui le incognite sono le tensioni di nodo e le correnti nei rami in cui sono presenti dei generatori ideali di tensione

18 Componenti principali di ORCAD Capture (interfaccia grafica per l input del circuito) A/D Spice (simulatore) Probe (permette di analizzare i risultati) 18 18

19 Applicazioni principali del pacchetto Capture: Un editor grafico, usato per disegnare sullo schermo il circuito da simulare.consente di posizionare i componenti, collegarli assieme per formare il circuito e inoltre di specificare il tipo di analisi da eseguire. Pspice A/D: Il programma che simula il circuito creato con Schematics. Simulare un circuito significa costruire un modello matematico del circuito a partire dai modelli dei componenti e risolverne le equazioni risultanti. Probe:Programma che fornisce una visualizzazione grafica dei risultati generati da Pspice. Può essere utilizzato per tracciare il grafico di una qualunque tensione o corrente del circuito

20 Avvio di Orcad Il programma si avvia dalla barra programmi di Windows, selezionando programmi>orcad 10.5 demo > Capture CIS Demo 20 20

21 Orcad Capture Apparirà la seguente sessione di lavoro sullo schermo. Inizialmente si potrà aprire un file esistente o crearne uni nuovo relativo a un disegno o libreria

22 Orcad Capture La finestra minimizzata della Session Log contiene registrati tutti gli eventi e errori verificatisi durante la sessione attuale

23 Orcad Capture Session Log Nulla è registrato inizialmente perché nessun file di disegno è stato aperto

24 Orcad Capture I comandi utilizzati più frequentemente sono disponibili come icone sulla barra superiore

25 Creare un nuovo progetto Occorre specificare: il nome del progetto; Analog or Mixed A/D la localizzazione del file 25 25

26 Creare un nuovo progetto Si apre la pagina del progetto (PAGE1) creata per default. Viene creato l insieme di cartelle che raccolgono i vari file che contengono il progetto. Si apre l insieme degli strumenti dello Schematics 26 26

27 Struttura del progetto Il progetto si articola in uno o più disegni (Schematics), ciascuno a loro volta composto da uno o più pagine (Page). La cartella Design Resource contiene il progetto (DSN) composto dai disegni e i corrispondenti fogli. La cartella Library contiene l insieme dei componenti presenti nel progetto. La cartella Outputs contiene i file dei risultati della simulazione

28 Aggiungere un nuovo disegno Per aggiungere un nuovo disegno, selezionare il progetto (DSN) e poi Design> New Schematic 28 28

29 Aggiungere un nuovo disegno Un nuovo disegno è progetto aggiunto al 29 29

30 Aggiungere una nuova pagina Per aggiungere una nuova pagina, selezionare il disegno corrispondente e poi Design> New Schematic Page 30 30

31 Aggiungere un nuova pagina Una nuova pagina è progetto aggiunta al 31 31

32 Schematic Cliccando sulla pagina si accede allo Schematic. Rappresenta l editor grafico, usato per disegnare sullo schermo il circuito da simulare. Consente di posizionare i componenti, collegarli assieme per formare il circuito e inoltre di specificare il tipo di analisi da eseguire

33 Schematics Regole generali Per selezionare un oggetto: click sul pulsante sinistro una sola volta. Per eseguire un azione: doppio click sul pulsante sinistro. Per annullare una qualunque operazione: premere <Esc>

34 Creazione dei circuiti con Schematics Inserimento dei componenti del circuito. Collegamento dei componenti tra loro per formare il circuito. Modifica degli attributi dei componenti 34 34

35 Inserimento dei componenti E possibile aggiungere ora i componenti sulla pagina. Per piazzare un componente Place > Part oppure con l icona corrispondente

36 Inserimento dei componenti Selezionare una libreria dei componenti nella finestra Libraries. Infine selezionare il componente che si vuol collocare, quindi premere OK

37 Aggiunta di una libreria Clicca su Add Library per aggiungere il contenuto di una nuova libreria

38 Ricerca di un componente E possibile la ricerca per testo (anche incompleto) di un singolo componente, una volta che è stata selezionata una o più librerie

39 Inserimento dei componenti Un clic sul pulsante sinistro del mouse per piazzare il componente. E possibile piazzare i componenti fino alla pressione del tasto destro del mouse e quindi del tasto sinistro sul menù End Mode oppure con il tasto ESC della tastiera. Con Ctrl+R il componente viene ruotato

40 Collegamento dei componenti 40 Dopo aver piazzato tutti i componenti, occorre collegarli mediante: Place > Wire; icona sul menù a destra dello schermo 40

41 Collegamento dei componenti Spostare il cursore sul pin del primo elemento; un clic con il tasto sinistro del mouse; spostare il cursore (filo) fino al pin del secondo elemento; 41 41

42 Collegamento dei componenti 42 Un clic sul tasto sinistro del mouse quando il collegamento è sul pin del secondo elemento. Un clic su End wire dal menù oppure premere ESC da tastiera per completare il collegamento. 42

43 Collegamento dei componenti E possibile collegare due componenti senza effettuare un modo anche se passa un collegamento già tracciato

44 Collegamento dei componenti Oppure effettuare un clic sul precedente collegamento per inserire un nodo 44 44

45 Collegamento dei componenti E possibile effettuare le connessioni sugli incroci precedentemente piazzati effettuando un clic sull icona Place Junction. Un clic sull incrocio determina la nuova connessione

46 Collegamento dei componenti La connessione può essere rimossa con lo stesso attrezzo (icona Place Junctions), cliccando con il mouse sul nodo 46 46

47 Elementi circuitali Part name Attributi Libreria ANALOG 47 47

48 Generatori indipendenti di tensione Libreria SOURCE 48 48

49 Generatori indipendenti di corrente Libreria SOURCE 49 49

50 Generatori Dipendenti Generatore di tensione controllato in tensione Libreria SOURCE 50 50

51 Amplificatori Operazionali Operazionale tipo 741 Part-name 51 51

52 Esempio Si costruisce il seguente circuito: gli elementi passivi si trovano nella libreria Analog, il generatore si trova nella libreria Source

53 Modifica degli attributi dei componenti Nome Valore Ciascun attributo consiste di un nome e del suo corrispondente valore Attributo 53 53

54 Modifica degli attributi dei componenti Cliccando sul nome dell elemento si attiva la finestra di dialogo Dispaly Properties 54 54

55 Fattori di scala Per maggior comodità è possibile esprimere i valori numerici per mezzo di fattori di scala riportati in tabella. Simbolo Valore Nome del suffisso T tera G 10 9 giga MEG 10 6 mega K 10 3 kilo M 10-3 milli U 10-6 micro N 10-9 nano P pico F femto 55 55

56 Collegamento dei componenti Si aggiunge il collegamento di massa 0/SOURCE (è obbligatorio)

57 Verifica dell integrità del progetto 57 Per verificare l integrità dei collegamenti selezionare nell albero la cartella Schematics e nel menù Tools>Design Rules Check.. 57

58 Verifica dell integrità del progetto Gli errori di collegamento effettuati nel progetto vengono memorizzati in un apposito file. DRC. Selezionare l opzione View Output per vedere il contenuto del file

59 Verifica dell integrità del progetto 59 59

60 Definizione dei parametri di Simulazione 60 60

61 Definizione dei parametri di Simulazione Trattandosi di un circuito in regime continuo si esegue una simulazione di tipo Bias Point

62 Creazione della NetList 62 62

63 Visualizzare della NetList 63 63

64 Avvio della simulazione La simulazione si avvia con il bottone Freccia Blu. Si apre la finestra del simulatore PSpice A/D in cui si può controllare lo stato di avanzamento e l esito della simulazione

65 Risultati Se il tasto Enable Bias Voltage display è selezionato sullo schema in corrispondenza dei nodi appare il valore di tensione calcolato

66 Definizione dei parametri di Simulazione Si definisce un analisi di tipo Transient per la durata di 1s 66 66

67 Si avvia la simulazione Simulazione 67 67

68 Probe Al termine della simulazione si avvia automatica mente il Probe 68 68

69 Probe per visualizzare il grafico Inizialmente abbiamo solo i valori in ascissa l asse l Y e e vuoto Selezioniamo Trace/ Add e aggiungiamo la corrente in R1 Si possono visualizzare altre tracce con Windows/ New Cancellare le tracce con Edit /Delete 69 69

70 Add Trace 70 70

71 Add Trace Nella lista delle grandezze disponibili si selezionano quella che si vuole disegnare

72 Plot Trace 72 72

73 Simulazione di un circuito RC in regime sinusoidale (verifica della tensione d uscita Vc a frequenza superiore a quella di taglio) 73 73

74 Simulazione di un circuito RC in regime sinusoidale Costruzione del circuito Libreria Analog Libreria Source VSIN 74 74

75 Simulazione di un circuito RC in regime sinusoidale Probe di visualizzazione delle grandezza Si aggiungono i Probe di tensione e/o di corrente relativamente alle grandezze che si vogliono analizzare. Le tensioni sono quelle relative al nodo di massa

76 Simulazione di un circuito RC in regime sinusoidale Parametri della simulazione 76 76

77 Simulazione di un circuito RC in regime sinusoidale Risultato della simulazione 77 77

78 Simulazione di un ponte di Graetz condensatore di filtro con L interruttore che inserisce la capacità di spianamento viene chiuso all istante t Close = 40 ms

79 Simulazione di un ponte di Graetz condensatore di filtro con Libreria Eval D1N4148 Libreria Anaolg Libreria Source VSIN Libreria Eval Sw_tClose Sonda differenziale per avere la tensione di ingresso 79 79

80 Simulazione di un ponte di Graetz condensatore di filtro con 80 80

81 Simulazione di un ponte di Graetz condensatore di filtro con 81 81