OrCAD-Pspice Tutorial 1. Introduzione OrCAD è uno dei principali tool commerciali per la progettazione elettronica di circuiti analogici e mixedsignal. Mette a disposizione vari strumenti, quelli che utilizzeremo durante questo corso sono: OrCAD Capture: consente di disegnare gli schematici in cui inserire i vari componenti e le relative interconnessioni Pspice: consente di simulare i circuiti definiti con OrCAD Capture per trovarne il punto di lavoro, per analizzarne il comportamento nel tempo e in frequenza. OrCAD PCB EDITOR: consente di disegnare schede a circuito stampato (PCB) corrispondenti allo schematico definto su OrCAD Capture. Attraverso questi strumenti potrete quindi progettare un circuito elettronico completo, simularne il comportamento con Pspice, modificarne i parametri fino a quando le specifiche iniziali non sono soddisfatte, e, infine disegnare la scheda a circuito stampato che ospiterà i componenti scelti, con le piste necessarie alla realizzazione delle varie connessioni. 2. Creazione nuovo progetto Per lanciare il programma andare su Programmi->Cadence->Release 16.5->OrCAD Capture, vi comparirà la finestra di Figura 1, in cui dovrete selezionare OrCAD PCB Designer Professional w/pspice Figura 1 A questo punto, per creare un nuovo progetto, selezionare dal menu a tendina in alto File->New-> Project come rappresentato in Figura 2.
Figura 2 Si aprirà un menu come quello di Figura 3: Dare un nome al progetto, selezionare Analog or Mixed A/D e confermare. Figura 3 Comparirà la schermata di Figura 4, selezionate Create a blank project e cliccate OK Figura 4
La schermata di Figura 5 è il vostro foglio di lavoro nel quale dovrete piazzare i componenti che vi servono e fare le interconnessioni. Figura 5 A questo punto è necessario selezionare Place->Part come raffigurato in Figura 6 Figura 6 Vi si aprirà una finestra sulla parte destra della schermata (Figura 7) nella quale avete diversi strumenti : 1. Nel primo riquadro ci sarà il nome del componente che state selezionando, e potete usarlo per fare la ricerca del componente che vi serve 2. Nel secondo riquadro ci sono tutti i componenti della libreria che è selezionata 3. Nel terzo riquadro ci sono tutte le librerie che sono state aggiunte al progetto.
Proprio da questo terzo riquadro, come mostrato in Figura 8, è possibile aggiungere al progetto nuove librerie, cliccando su add libraries 1 2 3 Figura 7
ADD LIBRARIES Figura 8 Aggiungere tutte le librerie necessarie (l estensione delle librerie è.olb) per il nostro primo progetto saranno sufficienti le librerie ANALOG (che contiene componenti come resistenze, capacità etc) e SOURCE (che contiene i generatori). Pspice è comunque uno strumento molto diffuso, per questa ragione molte case produttrici di componenti elettronici mettono a disposizione anche un modello pspice dei componenti che vendono. Ad esempio dentro la cartella pspice, potrete trovare varie librerie con il nome dei costruttori (ad esempio: infineon, LIN_TECH, ANLG_DEV) che contengono al loro interno vari modelli di componenti disponibili in commercio. Selezionare la libreria ANALOG e il componente R come raffigurato in Figura 9 e cliccare sull icona in alto con il simbolo di un integrato e un + verde evidenziata dal rettangolo rosso in Figura 9. Portatevi con il mouse sul foglio di lavoro e vi comparirà il simbolo del resistore, cliccate in un punto del foglio di lavoro e il componente verrà rilasciato. Ripetete l operazione per inserire 2 resistori da connettere in serie. Per ruotare il componente selezionarlo e cliccare sul tasto destro del mouse: vedrete diverse opzioni tra le quali anche rotate. Premere il tasto ESC per disabilitare il comando attivo e passare a una nuova operazione. Per inserire nel circuito un generatore di tensione in continua andare nella libreria SOURCE e procedere in modo analogo a quanto fatto per i resistori. A questo punto dovreste trovarvi nel foglio di lavoro i componenti come raffigurato in Figura 10. Per fare le interconnessioni selezionare Place->Wire (o in alternativa usare il tasto W) e disegnare le interconnessioni per connettere in serie le due resistenze e il
generatore. Schiacciare il tasto ESC quando si è terminato di fare le interconnessioni. A questo punto resta da inserire il riferimento di massa, per farlo selezionare Place->Ground (o in alternativa usare il tasto G) come in Figura 11. Collocate la massa e connettetela al resto del circuito con un filo, il risultato che dovreste ottenere è quello di Figura 12. Figura 9 Figura 10
Figura 11 Figura 12 A questo punto è necessario scegliere i valori da dare ai componenti inseriti nel circuito e i nomi a tutti i nodi del circuito. Per assegnare il valore alle resistenze selezionare il resistore a cui si desidera assegnare il valore cliccare sul tasto destro del mouse e selezionare Edit Properties. Vi verrà aperta un nuovo tab con vari campi da modificare, come prima cosa nel menu a tendina Filter by selezionate OrcadPSpice, cercate il campo Value e date alla resistenze i valori R1=4kΩ, come in Figura 13 e cliccate apply. Tornate nel tab PAGE, selezionate R2 e assegnate un valore pari a R2=1kΩ. Tenete presente che le unità di misura non vanno inserite (in questo caso non dovete inserire Ω), dovete invece inserire i prefissi desiderati secondo lo schema in Tabella 1, Pspice non è case sensitive, quindi m e M rappresentano entrambi il prefisso milli. Figura 13
Tabella 1 simbolo fattore simbolo fattore f/f 10-15 k/k 10 3 p/p 10-12 meg/meg 10 6 n/n 10-9 G/ g 10 9 u/u 10-6 T/t 10 12 m/m 10-3 A questo punto resta da assegnare il valore al generatore di tensione, potete farlo in modo analogo selezionandolo e cliccando sul tasto destro edit properties, in questo caso il campo da modificare è DC, assegnate un valore pari a 10 V. In ogni progetto è buona norma assegnare dei nomi ai nodi del circuito in modo tale da poterli identificare facilmente quando si passa alla fase di simulazione. Per fare ciò selezionare Place->Net Alias come in Figura 14. Avrete a questo punto ottenuto il circuito di Figura 15. Figura 14 Figura 15
Lo schematico a questo punto è terminato, il passo successivo è quello di simulare il comportamento del circuito. Per lanciare l ambiente di simulazione selezionare PSpice->New Simulation Profile, dare un nome al profilo di simulazione e cliccare Create. Attendere che compaia la finestra di Figura 17, qui è possibile selezionare il tipo di analisi desiderata: in particolare le analisi che utilizzeremo saranno: TIME DOMAIN (Transient): consente di fare della simulazione in transitorio, cioè di calcolare e visualizzare l andamento di corrente e tensioni in funzione del tempo DC SWEEP: permette di far variare un generatore in continua e di visualizzare le tensioni e correnti del circuito in corrispondenza della variazioni del generatore. AC Sweep/Noise: consente di visualizzare il comportamento del circuito in funzione della frequenza BIAS POINT: calcola il punto di lavoro di un circuito Figura 16 Figura 17
L esempio scelto è molto semplice per cui si presta a un limitato numero di analisi: possiamo effettuare un analisi per trovare il punto di lavoro (analisi BIAS POINT ) e un analis DC sweep (in cui si fa variare la tensione del generatore per vedere come variano le tensioni ai capi del partitore.) Effettuiamo un analisi di tipo Bias Point come raffigurato in Figura 18. Una volta cliccato su OK, si può fare partire la simulazione: tornare sul tab PAGE e cliccare il tasto start di Figura 19, collocato in alto a sinistra. Figura 18 start probes tensioni correnti potenze Si aprirà la finestra di simulazione di Figura 20 Figura 19 Figura 20
Quando la simulazione è terminata vedrete che la barra in basso a destra nella Figura 20 è arrivata al 100%. A questo punto potrete visualizzare le tensioni, le correnti e le potenze in gioco cliccando sui tasti di Figura 19, le informazioni verranno visualizzate direttamente sul circuito (Figura 21). Figura 21 L altra analisi che possiamo fare su questo semplice circuito è la DC SWEEP. Per cambiare tipo di analisi si può ripetere la procedura oppure, nella finestra di simulazione, selezionare Simulation->Edit Profile per riottenere la finestra di Figura 17. Settare i parametri come in Figura 22: selezionare il nome del generatore di tensione. Specificare se si vuole usare uno sweep lineare o logaritmico e indicare il valore iniziale, il valore finale e l incremento desiderato. Nel nostro caso stiamo scegliendo uno sweep lineare che va da 0 a 10V a step di 1V. Figura 22
Lanciando la simulazione con il tasto start di Figura 19, si otterrà la finestra di simulazione (Figura 23) con un grafico che permette di plottare i segnali desiderati in funzione della tensione del generatore (che in questo caso non è costante ma è variabile proprio perché abbiamo scelto un analisi di tipo sweep). Per visualizzare le tracce ci sono varie strade: Figura 23 1) Si possono usare le probes di Figura 19 per visualizzare nell ordine: tensioni, differenze tra due tensioni, correnti e potenze. 2) Dal menu Trace-> Add Trace selezionare le curve che si vogliono visualizzare ed, eventualmente, è anche possibile effettuare su di esse delle operazioni matematiche dal menu a destra in Figura 24. Figura 24
Il risultato che si ottiene, per esempio visualizzando la tensione al nodo n2, è rappresentato in Figura 25: la tensione al nodo n2, cosi come ci si attende, cresce proporzionalmente alla tensione al nodo n1 arrivando a un massimo di 2V quando la tensione del generatore è pari a 10V. Figura 25 Esercizio 1. a. Calcolare la funzione di trasferimento del filtro passa basso in Figura 26, individuando frequenza di taglio a 3dB e guadagno in continua. Figura 26 b. Creare un nuovo progetto per il filtro passa basso e disegnare lo schematico con ORCAD Capture dando ai componenti i valori indicati in Tabella 2: Tabella 2 R C 2kΩ 500pF (selezionare il componente C dalla libreria ANALOG)
c. Aggiungere un generatore sinusoidale (VSIN dalla libreria SOURCE) e da edit properties modificare i parametri assegnando i valori come in Tabella 3 Tabella 3 Si otterrà un circuito come quello di Figura 27. FREQ 10k AMP 1 DC 0 AC 0 PHASE 0 Voff 0 Figura 27 A questo punto possiamo vedere insieme due nuovi tipi di simulazioni: a) Simulazione in transitorio b) Simulazioni nel dominio della frequenza. a) Simulazione in transitorio: Creare un nuovo profilo di simulazione (stesso metodo visto in precedenza che da come risultato la finestra di Figura 16) e, questa volta, selezionare dalla finestra di Figura 17, l analisi TIME DOMAIN (Transient). Figura 28
Settare i parametri come in Figura 28. Confermare con OK e far partire la simulazione, una volta terminata la simulazione selezionare con le probe di Figura 19, le tensioni ai nodi n1 ed n2. Si potrà vedere l andamento nel tempo dei due segnali, che come era da attendersi, è proprio un segnale sinusoidale di frequenza pari a 10k a ampiezza 1 (Figura 29). Per valutare lo sfasamento introdotto dalla capacità è necessario ripetere la simulazione a una frequenza più elevata, per esempio a 300kHz è già possibile apprezzare il segnale di uscita che si attenua e si sfasa rispetto al segnale di ingresso (Figura 30). Figura 29 Figura 30
b) Simulazione in frequenza L analisi in frequenza consente, come dice il termine stesso, di valutare l andamento di un certo segnale per diverse frequenze. Per impostare questo tipo di analisi scegliere l analisi AC Sweep/Noise e settare i parametri come in Figura 31. Nello schematico selezionare il generatore sinusoidale e i modificare il campo AC settando AC=1, lasciale inalterati tutti gli altri valori di Tabella 3, che in ogni caso verrebbero ignorati in un analisi in frequenza. Lanciando la simulazione e visualizzando la tensione sul nodo n2 quello che si ottiene è il grafico di Figura 32. Figura 31 Figura 32
Se invece si vuole visualizzare il diagramma di Bode in modulo e fase quello che si deve fare è utilizzare le funzioni matematiche di Figura 24: in Particolare per quanto riguarda il diagramma dei moduli si deve utilizzare l espressione DB(V(n2)/V(n1)), l espressione può essere scritta direttamente nel campo Trace Expression, oppure si possono selezionare volta per volta le funzioni dal riquadro a destra. A questo punto è conveniente aggiungere un nuovo plot in cui visualizzare il diagramma delle fasi. A tale scopo si seleziona dal menu di Figura 23 plot-> Add plot to Window. Per disegnare il diagramma delle fasi invece l espressione da utilizzare è: P(V(n2)/V(n1)). Il risultato che otterrete è raffigurato in Figura 33. Figura 33 Lo strumento measurement, consente di effettuare diverse misure sulle curve: per calcolare la frequenza di taglio a 3dB, per esempio, selezionare Trace->Evaluate Measurement, comparirà la finestra di Figura 34. Figura 34
Selezionate Cutoff_Lowpass_3dB dal menu a destra e usate come argomento della funzione V(n2)/V(n1). Comparirà in fondo la tabella di Figura 35, che, come atteso, fornisce un valore per la frequenza di taglio pari a circa 159 khz. Figura 35 Esercizio 2 Progettare un filtro passa alto utilizzando lo schema di Figura 36 Figura 36 a) Calcolare la funzione di trasferimento b) Dimensionare C e R per avere una frequenza di taglio pari a 1kHz c) Disegnare lo schematico in OrCAD Capture d) Simulare il circuito in transitorio con una sinusoide di ampiezza unitaria e frequenza pari a 10kHz e) Simulare il circuito in transitorio con una sinusoide di ampiezza unitaria e frequenza pari a 100 Hz f) Valutare la risposta del circuito in frequenza tramite una simulazione in AC g) Valutare con lo strumento measurement, la frequenza di taglio del filtro.