Politechnika

Białostocka

Wydział Elektryczny Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu

ZASTOSOWANIE INFORMATYKI W ELEKTROTECHNICE Kod przedmiotu:

__________

Ćwiczenie pt.

KOMPUTEROWA ANALIZA UKŁADÓW ELEKTRYCZNYCH – PROGRAM PSPICE WPROWADZENIE Numer ćwiczenia

E25 Autor mgr inż. Marek Zaręba Białystok 2006

Wstęp Niniejsza instrukcja zapoznaje wstępnie użytkownika z możliwościami i obsługą pakietu programowego firmy MicroSim Corporation Design Lab ver. 7.1. Całość pakietu DesignLab, w zależności od wersji, składa się z kilku programów służących do tworzenia schematów elektrycznych, elektronicznych, ich symulacji, obróbki graficznej i optymalizacji. W nowszych wersjach istnieje możliwość analizy i syntezy obwodów drukowanych i mapy połączeń elementów programowalnych. Z uwagi na duże rozbudowanie programowe jak i szereg możliwości pakietu, niniejsza instrukcja jest ograniczona jedynie do tworzenia schematów, symulacji układów oraz wizualizacji wyników. Bardziej zainteresowanych użytkowników, chcących poszerzyć swoje wiadomości o pakiecie DesignLab, odsyła się do literatury.

1. Schematics. Pracę z pakietem DesignLab rozpoczyna się od narysowania schematu układu, deklaracji jego elementów oraz deklaracji analiz, które mają być wykonane. Wszystkie te elementy deklarowane są w programie Schematics, przez wybór ikony Psched.exe

Po dwukrotnym kliknięciu prawym klawiszem ikony Psched.exe uruchomi się program Schematics. Na ekranie pojawi się okno statusowe programu (rys. 1). Listwa narzędziowa Listwa narzędziowa, znajdująca się w górnej części okna edycji, umożliwia wybór odpowiedniej komendy przez użycie myszki. Ikony pozwalają na szybki wybór dostępnych możliwości dla badanego schematu lub symbolu. Spis dostępnych ikon: Otwieranie nowego pliku Otwieranie istniejącego pliku Zapamiętywanie pliku Drukowanie Odświeżanie ekranu Powiększanie schematu

2

rys.1 Pomniejszenie schematu Powiększanie wybranego wycinka aktywnego okna Dopasowywanie wielkości aktywnego okna do wielkości schematu Usuwanie elementów Kopiowanie elementów Wklejanie skopiowanych elementów Cofnięcie ostatnio wykonywanej czynności Powtórne wykonanie ostatniej czynności Rysowanie połączeń pojedyńczych Rysowanie magistral łączących Rysowanie bloków w edytorze schematów

3

Edycja tekstu Wybranie dowolnej części z dostępnych bibliotek Deklaracja atrybutów elementu Uruchomienie edytora symboli Ustawianie parametrów analiz Uruchomienie symulacji układu znajdującego się w aktywnym oknie Szybki wybór ostatnio używanych elementów

Opis menu programu: File – grupuje polecenia służące do obsługi plików zawierających dane schematów oraz bibliotek elementów. New - otwarcie nowego pliku, Open – otwarcie istniejącego pliku, Close – zamknięcie aktywnego pliku, Export – wyeksportowanie danych z innego schematu, Save – zapisanie stworzonego schematu, Save As – zapis stworzonego schematu pod inną nazwą, Print - uaktywnienie drukowania, Print Setup – umożliwia wybór drukarki, Edit Library – powoduje otwarcie edytora symboli, Symbolize - umożliwia wygenerowanie elementu, który zadany został w postaci opisu, Reports - wygenerowanie raportu o stworzonym schemacie, View Messages - podgląd listy błędów i nieprawidłowości wykrytych w czasie tworzenia projektu i symulacji, Exit - powoduje zamknięcie aktywnego schematu, Na końcu menu File zawarte są ścieżki dostępu do czterech ostatnio otwartych plików. •

•

Edit – grupuje polecenia służące do edycji schematu i obsługi schowka. Undo – cofnięcie ostatniej czynności, Redo – powoduje ponowne wykonanie cofniętej czynności, Cut – umożliwia wycięcie aktywnego elementu, Copy – powoduje skopiowanie wybranego elementu lub grupy elementów, Paste – wklejenie skopiowanego elementu (zawartości schowka) do schematu, Copy to Clipboard – skopiowanie wybranej grupy do schowka, Delete - powoduje usuniecie zaznaczonych elementów,

4

Select All – podświetla wszystkie elementy, Attributes – komenda ta uaktywnia podgląd atrybutów elementu oraz umożliwia ich zmianę, Label – nadanie lub modyfikacja etykiety elementu lub połączenia, Model – uaktywnienie wyświetlania parametrów modelu wybranego elementu, Stimulus – podgląd parametrów charakterystyki źródła stworzonej w programie Stimulus, Symbol – wyświetlenie parametrów symbolu, Views – umożliwia nadanie etykiety bloku schematu, Convert Block – konwersja bloku, Rotate – powoduje obrót zaznaczonego elementu o kąt prosty, Flip – umożliwia uzyskanie lustrzanego odbicia wybranych elementów, Align Horizontal – powoduje uporządkowanie zaznaczonych elementów w poziomie, Align Vertical – uporządkowanie zaznaczonych elementów w pionie, Replace – powoduje powtórne umieszczenie na schemacie ostatnio używanego elementu w odstępach określonych w opcjach, Find - umożliwia znalezienie określonego elementu. Draw – grupuje polecenia służące do rozmieszczania na schemacie elementów i przewodów. Repeat – powtórzenie ostatnio wykonywanej czynności, Place Part – umieszczenie wybranego elementu na schemacie, Wire – rysowanie połączeń elementów, Bus – rysowanie połączeń w postaci magistrali, Block – tworzenie bloku schematu, Get New Part – uaktywnienie bibliotek elementów, Rewire – przesunięcie zaznaczonego połączenia bez konieczności rozłączania obwodu. •

Navigate – grupuje polecenia służące do edycji schematu składającego się z wielu stron oraz do edycji schematu hierarchicznego. Previous Page – przejście do poprzedniej strony schematu wielostronicowego, Next Page – przejście do następnej strony schematu, Select Page – umożliwia wybór jednej ze stron całego dokumentu, Create Page – powoduje utworzenie nowej strony schematu, Delete Page – usunięcie wybranej strony schematu, Copy Page – skopiowanie wybranej strony całego schematu, Edit Page Info – edycja etykiety strony schematu, Edit Page Instance – edycja obwodu, Edit Schematic Definition – edycja schematu ogólnego, Push – jeśli schemat został stworzony w formie blokowej, komenda ta powoduje przejście do układu w wybranym bloku, Pop – przejście ze schematu blokowego o jeden poziom wyżej, Top – przejście ze schematu blokowego do początkowego, Where – opis struktury hierarchicznej tworzonego schematu. •

5

View – grupuje polecenia służące do podglądu opracowywanego schematu. Fit – dopasowywanie aktywnego wykresu do wielkości ekranu, In – pomniejszenie okna, Out – powiększenie okna, Area – powiększenie wybranego wycinka charakterystyki, Previous – powrót do poprzedniej charakterystyki, Entire Page – pokazanie na ekranie całej strony schematu, Redraw – odświeżanie ekranu, Pan-NewCenter – wyznaczenie nowego środka wyświetlanego okna. •

•

Options – pozwalają na odpowiednie ustawienie wyglądu okna dialogowego oraz wykorzystanie dostępnych funkcji. Display Options - ustawienia opcji pulpitu, Page Size – ustawienia rozmiaru strony, Auto-Repeat – uaktywnienie automatycznego powtarzania wyboru ostatniego aktywnego elementu i umieszczenie go na ekranie w zadanym odstępie, Auto-Naming - automatyczne numerowanie umieszczanych na schemacie elementów, Set Display Level – konfiguracja pulpitu roboczego, ustawienie elementów, które mają być widoczne na ekranie oraz w czasie wydruku, Editor Configuration – ustawienia rozmiaru schematu roboczego, deklaracja bibliotek dołączonych do programu, Pan&Zoom – ustawienia wielkości powiększania schematu oraz deklaracja strefy nieczułości, Restricted Operations – ustalenie operacji niedozwolonych dla programu Schematics, Translators – generacja formatu używanego przez inne programy symulacyjne.

•

Analysis – polecenia tej grupy odnoszą się bezpośrednio do operacji związanych z przygotowaniem układu i wykonaniem analizy. Electrical Rule Check – powoduje sprawdzenie prawidłowości połączeń elektrycznych, Create Netlist – stworzenie listy połączeń elementów układu, Edit Stimuli – uaktywnienie edytora sygnałów źródeł, Setup – umożliwia ustawienie typu analizy oraz jej parametrów, Library and Include Files – pozwala na dołączenie do programu zewnętrznych bibliotek, Simulate – uruchomienie symulacji aktywnego układu, Probe Setup – ustawienie okna dialogowego Probe, Run Probe – uruchomienie programu Probe, jeśli dla aktywnego schematu istnieje plik *.dat będący wynikiem symulacji, Examine Netlist – pozwala na wyświetlenie pliku *.net dla aktualnie aktywnego układu, Examine Output – uruchomienie wyświetlania pliku *.out dla aktywnego układu.

6

•

Tools – umożliwia zamiany układów na inne rodzaje projektów przeznaczonych dla innych programów. Package - uaktywnia upakowanie układu z nadaniem numeracji elementów, Create Layout Netlist – tworzy listę połączeń całego projektu z przygotowaniem do tworzenia płytki w programie PCB, Run Layout Editor – uruchomienie programu PCB służącego do generacji połączeń dla płytek drukowanych, Back Annotate – przeprowadzenie przypisania pliku ECO dla tworzonego projektu, Browse Back Annotation Log – otwarcie pliku z adnotacją przypisania zawartą w bibliotekach, Configure Layout Editor – wybór edytora do tworzenia PCB, Browse Netlist – uaktywnienie stworzonego spisu elementów dla schematu na podstawie rodzaju wybranego programu, View Package Definition – wyświetla opis obudowy aktualnie wybranego elementu, Cross Probe Layout – wyświetla wybrane elementy lub przewody w liście połączeń elementów drukowanych, Create Subcircuit – stworzenie podobwodu z narysowanego schematu.

•

Markers – umożliwia umieszczenie na schemacie układu specjalnych znaczników, które powodują automatyczne wyświetlanie charakterystyk w programie Probe. Mark Voltage/Level – wybór znacznika napięciowego, Mark Voltage Differential – umożliwia wybór dwóch znaczników wyświetlających różnicę sygnałów napięciowych, Mark Current into Pin – znacznik sygnału prądowego, Mark Advanced – wybór rodzaju znaczników zaawansowanych, Clear All – usunięcie znaczników z aktywnego schematu, Show All – ukazuje w Probe charakterystyki dla wszystkich stron aktywnego projektu, Show Selected – wyświetla w Probe przebiegi dla miejsc oznaczonych przez znaczniki w aktywnej stronie schematu.

Window – pozwala na jednoczesne otwarcie i pracę w kilku oknach edycji. New – otwarcie nowego okna dla aktualnie aktywnego pliku danych, Close – zamknięcie aktywnego okna, Tile - uporządkowanie otwartych okien w pionie, Tile Horizontal – uporządkowanie otwartych okien w poziomie, Tile Vertical - uporządkowanie otwartych okien w pionie, Cascade – uporządkowanie okien kaskadowo. •

•

Help – zawiera polecenia obsługujące wbudowaną pomoc. Contents – spis treści pomocy, Search for Help On – umożliwia wyszukiwanie pomocy na wybrany temat, Glossary – słownik wyrazów używanych w programie, Toolbar Shortcuts – opis ikon w paskach narzędzi, Keyboard Shortcuts – opis znaczenia klawiszy funkcyjnych, Technical Support – adres pomocy technicznej,

7

How to Use Help – instrukcja w jaki sposób używać pomocy, About Schematics – charakterystyka wersji Schematics.

2. Probe. Program Probe służy do graficznej analizy wyników symulacji, otrzymanych podczas obliczeń przeprowadzonych przez program PSpice. Wyniki symulacji zapisywane są w plikach danych w formacie binarnym z rozszerzeniem *.dat. Probe jest interaktywnym oscyloskopem, w którym wyświetlane są charakterystyki w formie graficznej. Umożliwia on również zastosowanie funkcji arytmetycznych do analizy otrzymanych wykresów. Program Probe uruchamia się poprzez dwukrotne kliknięcie prawym klawiszem ikony

lub uruchamia się automatycznie po Probe.exe

zakończeniu symulacji, jeśli w menu Analysis/Probe Setup jest zaznaczona opcja automatycznego uruchamiania programu Probe. Wygląd okna Probe ilustruje rys.2.

rys.2 Listwa narzędziowa Spis dostępnych ikon: Otwarcie pliku

`

8

Dodanie pliku Drukowanie Usuwanie zaznaczonych elementów Wklejanie zapamiętanych elementów Kopiowanie Powiększenie Pomniejszenie Powiększenie zaznaczonego obszaru Dopasowanie aktywnego obrazu do ekranu Kreślenie osi X w skali logarytmicznej Wykonanie analizy Fouriera Kreślenie osi XPerfomance Uruchomienie w skali logarytmicznej Analysis Kreślenie osi Y w sali logarytmicznej lub liniowej Dodanie następnego wykresu Kreślenie funkcji ogólnych Edytor dialogu tekstowego Uaktywnienie kursorów Odczyt wartości wierzchołka maksimum funkcji Odczyt wartości wierzchołka minimum funkcji Nachylenie wykresu funkcji Odczyt wartości minimalnej funkcji Odczyt wartości maksymalnej funkcji Odszukiwanie zadanego punktu

9

Otwarcie okna dialogowego Przejście do kolejnego punktu dla przebiegów cyfrowych Przejście do poprzedniego punktu dla przebiegów cyfrowych Podgląd punktów na wykresie

Opis menu programu •

•

•

File – grupuje polecenia służące do obsługi plików zawierających dane dotyczące wyników symulacji modeli układów. Open – otwarcie pliku danych wygenerowanego w wyniku symulacji, Append – dodanie pliku danych *.dat do otwartego pliku, możliwe tylko dla takiej samej analizy, Close – zamknięcie pliku danych, Print – drukowanie, Page Setup - ustawienia strony, Printer Setup – wybór ustawień i drukarki, Log Commands – zapamiętanie czynności wykonywanych w czasie analizy graficznej, Run Commands – odtworzenie zapamiętanych czynności, Exit – powoduje wyjście z programu Probe. Edit – grupuje polecenia służące do edycji obiektów graficznych. Cut - usunięcie wybranego elementu lub charakterystyki, Copy – kopiowanie wybranej charakterystyki lub zaznaczonego elementu, Paste – wklejanie zawartości schowka, Delete – usunięcie wybranego elementu, Modify Object – modyfikacja charakterystyki przez zastąpienie jej innym przebiegiem, Modify Title – zmiana nazwy okna – nazwa ta jest umieszczona na wydruku. Trace – grupuje polecenia umożliwiające edycję rysunków, tworzenie makrodefinicji. Add – wybór charakterystyki do wyświetlania na ekranie, Delete All – powoduje usunięcie wszystkich charakterystyk z wykresu, Undelete – umożliwia unieważnienie polecenia usunięcia charakterystyk z wykresu, Fourier – uruchomienie analizy Fouriera, Performance Analysis – przeprowadzenie analizy charakterystyki na podstawie zmiany któregoś z parametrów, Macros – deklaracja złożonej operacji z możliwością jej wielokrotnego wykorzystania, Goal Functions – wybór funkcji celu,

1

Eval Goal Function – umożliwia stworzenie funkcji celu dla wybranej charakterystyki. •

Plot – polecenia służące do sposobu wyświetlania charakterystyk. X Axis Settings – ustawienia osi X, Y Axis Settings – ustawienia osi Y, Add Y Axis – dodanie osi Y do istniejącej charakterystyki, Delete Y Axis – powoduje usunięcie aktywnej osi Y, Unsync Plot – wyświetlanie wykresów dla różnych wartości osi X. Wybór rodzaju analizy dla, którego wykreślone zostaną charakterystyki, Digital Size – umożliwia ustawienie rozmiaru okna dla wykresów układów cyfrowych, AC – umożliwia uzyskanie przebiegów obrazujących wyniki analizy zmiennoprądowej, DC – umożliwia uzyskanie przebiegów obrazujących wizualizację wyników analizy stałoprądowej, Transient – pozwala na wyświetlenie na ekranie przebiegów uzyskanych w analizie czasowej.

•

View – polecenia służące do zmiany wyglądu (skali) wykresów. Fit – dopasowanie aktywnego wykresu do wielkości ekranu, In – pomniejszenie okna, Out – powiększenie okna, Area – powiększenie wybranego wycinka charakterystyki, Previous – powrót do poprzedniej charakterystyki, Redraw – odświeżenie wykresu, Pan-New Center – wyznaczenie nowego środka wyświetlanego okna.

•

Tools – grupuje polecenia umożliwiające naniesienie dodatkowych informacji na charakterystyki. Label – naniesienie etykiet na wykresie w różnych postaciach, Text – opis tekstowy charakterystyki, Line – oznaczenie linii na przebiegu, Poly-line – opis w postaci krzywej, Arrow – umieszczenie strzałek, Box – edycja elementów prostokątnych na charakterystyce, Circle – oznaczenie wybranych części w postaci koła, Elipse – oznaczenie wybranych części postaci elipsy, Mark – opis współrzędnych punktów, w których umieszczony jest kursor, Cursor – uaktywnienie opcji kursora, Display – włączenie kursora, Freeze – zablokowanie kursora w miejscu, Peak – przeniesienie kursora na sąsiedni wierzchołek, Trough – umieszczenie kursora w sąsiedniej dolinie wykresu, Slope – przeniesienie kursora na sąsiednie zbocze, Min – odnalezienie minimum charakterystyki względem osi Y,

1

Max – odnalezienie charakterystyki względem osi Y, Point – wyznaczenie kursorem następnego punktu, dla którego była przeprowadzona analiza, Search Commands – odszukanie parametrów dla zadanej przez użytkownika funkcji, Next Transition – odnajduję następną zmianę stanu dla aktywnej charakterystyki, Previous Transition – odszukuje poprzednią zmianę stanu dla aktywnej charakterystyki, Simulation Messages – uaktywnia okno dialogowe z podanymi meldunkami błędów, Display Contorl – umożliwia zapis aktywnej charakterystyki z wykonanymi opisami, Copy to Clipboard – skopiowanie aktywnego okna do schowka, Options – ustawienia opcji programu Probe. •

Window - pozwala na jednoczesne otwarcie i pracę w kilku oknach. New – otwarcie nowego okna dla aktualnie aktywnego pliku danych, Close – zamknięcie aktywnego okna, Tile - uporządkowanie otwartych okien w pionie, Tile Horizontal – uporządkowanie otwartych okien w poziomie, Tile Vertical - uporządkowanie otwartych okien w pionie, Cascade – uporządkowanie okien kaskadowo.

•

Help – zawiera polecenia obsługujące wbudowaną pomoc. Contents – spis treści pomocy, Search for Help On – umożliwia wyszukiwanie pomocy na wybrany temat, Glossary – słownik wyrazów używanych w programie, Toolbar Shortcuts – opis ikon w paskach narzędzi, Keyboard Shortcuts – opis znaczenia klawiszy funkcyjnych, Technical Support – adres pomocy technicznej, How to Use Help – instrukcja w jaki sposób używać pomocy, About Schematics – charakterystyka wersji Probe.

Zadania Poniżej zostaną przedstawione proste przykłady, ilustrujące działanie omówionych modułów programowych. Oczywiście nie obejmują one wszystkich poleceń i funkcji dostępnych w pakiecie MicroSim. Pomimo tego, czytelnik pozna najczęściej stosowane operacje.

1

Zadanie 1 Dla obwodu prądu stałego o danych R1= 5 Ω, R2= 100 Ω, R3=200 Ω obliczyć pobór mocy przez rezystancję R1 w zależności od zmian napięcia źródła w zakresie od 0 do 200 V. Schemat obwodu jest przedstawiony na ry.3.

rys. 3 Czynności związane z wykonaniem ćwiczenia: Uruchomienie programu Schematics. 2. Wybór elementów. 1.

Elementy można wybrać na dwa sposoby. Pierwszy polega na wpisaniu symbolu szukanego elementu do okienka, znajdującego się na pasku zadań programu Schematics :

Następnie wciskamy klawisz Enter i przemieszczamy element myszką. Umieszczamy go na tworzonym schemacie klikając prawym klawiszem myszy. Drugi sposób wyboru elementów polega na wyborze opcji Draw/Get New Part z Menu Schematics, również poprzez wpisanie symbolu szukanego elementu. W tym ostatnim sposobie istnieje możliwość przeglądania symboli elementów z różnych dostępnych bibliotek, w przypadku braku znajomości tychże symboli. Obrotu elementów można dokonać poprzez wybór polecenia Edit/Rotate lub poprzez kombinację klawiszy Ctrl+R. W tym ćwiczeniu potrzebne są następujące symbole elementów: R - rezystor, Vsrc - źródło napięcia stałego, agnd - symbol uziemienia. Elementy umieszczone na schemacie łączymy w zamknięty obwód, wybierając ikonę rysowania połączeń

lub polecenie Draw/Wire.

3. Nadawanie wartości dla elementów (symboli). Nadawanie wartości dokonujemy klikając na wartości danego elementu (symbolu), po czym w pojawiającym się okienku wpisujemy żądaną wartość. W naszym przypadku podajemy wartości rezystorów, natomiast wartości źródła napięcia stałego nie podajemy ze względu na rodzaj dokonywanej analizy (ustawienia dla źródła będą

1

podane później) , w której wartość źródła napięcia w kolejnych krokach analizy musi być zmienna. 4. Wybór i ustawienia parametrów analizy. W naszym ćwiczeniu będziemy korzystać z analizy DC (stałoprądowej). Wyboru rodzaju analizy dokonujemy za pomocą ikony lub za pomocą polecenia Analysis/Setup. Pojawia się wówczas okno przedstawione na rys.4.

rys.4 W oknie tym powinna być wybrana opcja Bias Point Detail (obliczanie punktu pracy), wymagana dla każdego rodzaju analizy. Dodatkowo zaznaczamy krzyżykiem analizę DC Sweep. Opcja zostanie zatwierdzona poprzez kliknięcie myszką na przycisku DC Sweep.

rys.5

1

Pojawi się wtedy okno przedstawione na rys. 5. Należy dokonać pokazanych tam ustawień. Zmienną wielkością jest wartość źródła V1 (Voltage Source). Dokonywana jest analiza stałoprądowa w zakresie 0V (Start Value) do 200 V (End Value) przy kroku zmian wartości źródła napięcia stałego o 10 V (Increment). Po uzupełnieniu odpowiednich pól zamykamy otwarte okna i uruchamiamy symulację poprzez wybór ikony lub za pomocą polecenia Analysis/Simulate. W wyniku tego następuje automatyczne sprawdzenie poprawności połączeń elektrycznych w analizowanym obwodzie oraz, wygenerowanie pliku z listą połączeń elementów. Jest ona niezbędna do przeprowadzenia właściwej symulacji oraz uruchomienia programu Pspice w trybie automatycznych obliczeń. Po ich zakończeniu następuje start Programu Probe. 5.

Wykreślanie charakterystyk w programie Probe.

Aby wykreślić jakąkolwiek charakterystykę należy, wybrać polecenie Trace/Add lub . Pojawi się wówczas okno (rys. 6) z wielkościami, które wybrać ikonę można wykreślić. Dodatkowo w polu Trace Expression można zdefiniować funkcje realizujące określone działania na prądach, napięciach lub charakterystykach.

rys.6 W polu Trace Expression wpisujemy wyrażenie (tzn. iloczyn prądu rezystora i różnicy potencjałów na jego zaciskach) lub wybieramy myszką odpowiednie funkcje określające moc wydzieloną na rezystorze R1. Po wpisaniu wyrażenia na ekranie, zostanie wykreślony przebieg zmian mocy (rys.7).

1

rys.7 Uwaga ! Program oblicza obwody elektryczne metodą potencjałów węzłowych. Z tego powodu wartości napięć wyświetlane w oknie z rys.6 są wartościami potencjałów węzłowych względem węzła uziemionego. W celu zilustrowania przebiegu napięcia (np. na rezystorze R1) należy więc wpisać w polu Trace Expression różnicę potencjałów (np. V(R1:1)-V(R1:2)). W sprawozdaniu należy udowodnić, że krzywa z rys.7 jest parabolą.

Zadanie 2 Symulacja integratora z możliwością zadawania warunków początkowych. Analizowany układ przedstawiono jest na rys. 8. Integrator zbudowano na wzmacniaczu operacyjnym w układzie odwracającym przy pobudzeniu przebiegiem prostokątnym okresowym (w zależności od umiejętności użytkownika można zadać inny przebieg np. sinusoidalny, trójkątny itp.). W przykładzie tym dokonamy analizy czasowej (wykreślimy przebieg napięcia wyjściowego integratora) i częstotliwościowej (również przebieg napięcia wyjściowego).

1

rys.8 Tworzenie schematu Podobnie jak w zadaniu 1, wybieramy elementy potrzebne do zbudowania modelu integratora. W oknie wyboru elementów wpisano kolejno symbol C (kondensator) oraz UA741 (wzmacniacz operacyjny). Dla większej przejrzystości, wzmacniacz należy odbić lustrzanie za pomocą polecenia Edit/Flip oraz dwukrotnie odwrócić przy pomocy polecenia Edit/Rotate. Również dla większej czytelności schematu dobrze jest posłużyć się portami globalnymi. Wybieramy je wpisując w oknie wyboru elementów Global. Wyjście układu wygodnie jest oznaczyć etykietą. W tym celu wybieramy element bubble i po dwukrotnym kliknięciu na nim wpisujemy out. Kolejny etap to wybór źródeł napięć. Definiujemy dwa źródła napięcia stałego Vsrc (zasilające wzmacniacz) oraz źródło napięcia impulsowego (okresowego) Vpulse. Podobnie jak w pierwszym punkcie, łączymy elementy ze sobą poleceniem Draw/Wire lub przy pomocy odpowiedniej ikony. Obok schematu tworzymy obwód dla portów globalnych, wykorzystujących dwa źródła napięcia stałego o odwróconej polaryzacji (rys. 8), Ustawianie wartości, źródeł i elementów. Ustawianie wartości rezystancji i pojemności dokonujemy tak samo jak w pierwszym ćwiczeniu. Jedynym wyjątkiem jest zadawanie warunków początkowych. Aby zadać początkowy warunek, należy dwukrotnie kliknąć na symbolu kondensatora i uzupełnić pole IC (Initial Condition) przez podanie wartości napięcia wstępnego (rys.9)

1

rys.9 Ustawienia źródeł napięć stałych (zasilających wzmacniacz) dokonujemy klikając dwukrotnie na ich symbolach. Następnie uzupełniono pola DC przez podanie wartości napięć stałych, jak pokazano na rys.10. Źródło V4 ma odwróconą polaryzację w stosunku do V3.

rys.10 Ustawień dla źródła impulsowego również dokonujemy przez dwukrotne kliknięcie na symbolu tego źródła. Przebieg napięcia dla pobudzenia typu Pulse jest pokazany na rys. 11 . Zgodnie z nim wypełniamy odpowiednie pola w parametrach źródła (rys.12). Dodatkowo dla analizy częstotliwościowej należy podać wartość pola AC (amplitudę napięcia harmonicznego, wykorzystywaną tylko przy analizie częstotliwościowej).

1

V

V2

V1 td

tr

tf

pw

t

per

rys.11

rys.12 Ustawianie parametrów analiz Analiza czasowa Wchodzimy do opcji ustawień parametrów analiz, (polecenie Analysis/Setup lub za pomocą odpowiedniej ikony, tak jak zostało to opisane w zadaniu 1). Wybieramy ustawienia analizy czasowej (Transient), pojawia się wówczas okno pokazane na rys. 13. Ustawiamy odpowiednie wielkości: całkowity czas symulacji (Final Time) oraz krok czasowej analizy (Print Step). Parametry te dobieramy tak, aby można było zaobserwować kilka okresów przebiegu.

1

rys.13 Analiza Częstotliwościowa. Wchodzimy do opcji ustawień parametrów analizy częstotliwościowej (AC Sweep). Pojawia się wówczas okno pokazane na rys.14. Ustawiamy odpowiednie wielkości: rodzaj zmian przedziału częstotliwości (w charakterystykach częstotliwościowych na osi odciętych używa się skali logarytmicznej) wybieramy (Decade), ilość punktów obliczanych (Pts/Decade) i zakres analizowanych częstotliwości. Po ustawieniu parametrów, uruchamiamy analizę układu.

rys.14

2

Przykładowe wyniki symulacji dla analizy czasowej zostały pokazane na rys. 15.

rys.15 Po wykreśleniu przebiegu czasowego napięcia na wyjściu integratora, można dodatkowo zaobserwować widmo tego sygnału. W tym celu należy zainicjować polecenie Trace/Fourier .lub wykorzystując ikonę z Menu programu Probe Wyniki symulacji w dziedzinie częstotliwości (charakterystyka amplitudowa częstotliwościowa) mogą być oglądane przy wykorzystaniu polecenia Plot/Ac. W polu Trace Expression należy wówczas wybrać z listy wielkości możliwych do wykreślenia wielkość V(out).

2

rys.16 Przykładowe wyniki symulacji dla analizy częstotliwościowej pokazano na rys.16. Po uzyskaniu wykresu (rys. 16) można wyznaczyć pasmo częstotliwości przenoszonych przez integrator oraz częstotliwość graniczną. W tym celu należy wykorzystać ikonę lub wybrać polecenie z menu programu Probe Trace/Eval Goal Function... . Następnie należy wybrać LPBW(1,db_level), gdzie w miejsce 1 wpisać V(out), a w miejsce db_level wartość 3, tak aby uzyskać LPBW(V(out),3). W sprawozdaniu należy: - opisać zasadę działania integratora, - na podstawie niżej zamieszczonego schematu zastępczego integratora wyznaczyć jego transmitancję operatorową -

K u ( s) =

Vout ( s ) . V1 ( s )

Następnie na podstawie

transmitancji odczytać wzmocnienie oraz stałą czasową, wyznaczyć częstotliwość graniczną, porównać wyliczenia z wynikami uzyskanymi z symulacji.

Zasady analizy obwodów ze wzmacniaczami operacyjnymi Wzmacniacz operacyjny charakteryzuje się: - bardzo dużą rezystancją wejściową dla wejścia odwracającego i nieodwracającego, stąd (odnośnie rys.8) (− ) R we( + ) = Rwe ≈ ∞

⇒

I 2( + ) = I 3( − ) ≈ 0

2

-

wzmocnieniem stałoprądowym nieskończenie dużym α ≈ ∞ ⇒ U 23 ≠ 0 ⇒ U wy = ∞ (co nie jest możliwe), stąd U 23 = 0 . Punkt 2 (rys. 8) jest punktem masy pozornej.

Schemat zastępczy integratora z rys.8 przy wykorzystaniu powyższych zależności jest pokazany na rys. 17. R5 R4

2

1 sC1

V1(s)

Vout(s)

rys.17 Zadanie 3 (nadobowiązkowe) Obwód złożony z szeregowo połączonych elementów : R=5 Ω, L= 40 mH, C=150 µF (rys.18) jest zasilany z generatora impulsów prostokątnych. Należy wykonać czasową i częstotliwościową analizę obwodu. W dziedzinie czasu należy zaobserwować napięcie na kondensatorze V(out) oraz napięcie zasilające V(V1:+). W dziedzinie częstotliwości wykreślić napięcie na kondensatorze, rezystancji oraz indukcyjności. Parametry źródła impulsowego: AC=1V, V1=1V, V2=0V, TD=40ms, TR=0, TF=0, PW=40ms, PER=80ms (unipolarna fala prostokątna). Ustawienia analizy czasowej Transient: Print Step = 5us, Final Time=500ms, Ustawienia analizy częstotliwościowej: AC Sweep Type – Decade, Pts/Decade =1000, Start Frequency=0.01Hz, End Freguency =10kHz.

Rys.18

2

W sprawozdaniu należy: - udowodnić matematycznie i fizycznie, że układ z rys.18 jest oscylacyjny, - wyznaczyć analitycznie częstotliwość rezonansową układu i następnie porównać z częstotliwością rezonansową uzyskaną z symulacji. Wskazówka Częstotliwość rezonansową można odczytać przez kliknięcie na ikonie a następnie zaznaczając odpowiedni wykres w programie Probe i klikając na ikonie odczytać wartość maksymalną.

Literatura: [1] Baranowski K., Welo A.: „Symulacja układów elektronicznych”, Warszawa, Mikom, 1996. [2] Król A., Moczko J.: „Symulacja i optymalizacja układów elektronicznych”, Poznań, Nakom, 2000. [3] MicroSim Corrporation: Circuit Analysis User’s Guide, version 9.0. [4] Wojciech Lipiński: „Wspomagana komputerowo analiza obwodów elektronicznych”, Zachodniopomorskie Centrum Edukacyjne w Szczecinie, Szczecin 2003. [5] Wojciech Lipiński: „Teoria Obwodów elektrycznych w programach Mathcad Pspice”, Zachodniopomorskie Centrum Edukacyjne w Szczecinie, Szczecin 2005. [6] Osiowski J., Szabatin J.: Podstawy Teorii Obwodów Tom II i III, WNT 2001. [7] Bolkowski S.: Teoria obwodów elektrycznych. WNT 2005.

Wymagania BHP Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją BHP i instrukcją przeciw pożarową oraz przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym mogą posiadać instrukcje stanowiskowe. Przed rozpoczęciem pracy należy zapoznać się z instrukcjami stanowiskowymi wskazanymi przez prowadzącego. W trakcie zajęć laboratoryjnych należy przestrzegać następujących zasad. ♦ Sprawdzić, czy urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym są w stanie kompletnym, nie wskazującym na fizyczne uszkodzenie. Sprawdzić prawidłowość połączeń urządzeń peryferyjnych. ♦ Jeżeli istnieje taka możliwość, należy dostosować warunki stanowiska do własnych potrzeb, ze względu na ergonomię. Monitor komputera ustawić w sposób zapewniający stałą i wygodną obserwację dla wszystkich członków zespołu. ♦ Załączenie komputera może się odbywać po wyrażeniu zgody przez prowadzącego.

2

♦ Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek przełączeń w urządzeniach oraz wymiana elementów składowych pod napięciem. ♦ Konfiguracja sprzętu (np. konfiguracja systemu operacyjnego, ustawienie parametrów monitora) może się odbywać wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia. ♦ W trakcie pracy z komputerem zabronione jest spożywanie posiłków i picie napojów. ♦ W przypadku zaniku napięcia zasilającego należy niezwłocznie wyłączyć komputer i monitor z sieci elektrycznej. ♦ Stwierdzone wszelkie braki w wyposażeniu stanowiska oraz nieprawidłowości w funkcjonowaniu sprzętu należy przekazywać prowadzącemu zajęcia. ♦ W przypadku zakończenia pracy należy zakończyć sesję przez wydanie polecenia wylogowania. Zamknięcie systemu operacyjnego może się odbywać tylko na wyraźne polecenie prowadzącego.

2