Laboratorijski praktikum iz elektrinih merenja

Tekst za pripremu 4. laboratorijske vebe

PSPICE

Kratko uputstvo

Sadraj 1. Uvod 2. Korienje PSpice u okviru paketa OrCAD Capture

2.1 1. korak: Kreiranje elektronskog kola programom Capture 2.2 2. korak: Specificiranje tipa analize i simulacije

BIAS (radna taka) ili DC analiza DC Sweep (prebrisavanje) simulacija

2.3 3. korak: Prikazivanje rezultata simulacije 2.4 Druge vrste analize:

2.4.1 Transient analiza2.4.2 AC Sweep analiza

1. 1. UVOD SPICE je programski paket za simulaciju analognih i analogno-digitalnih elektronskih

kola koji se koristi za verifikaciju projekta elektronskog kola (dizajna) i za predvianje ponaanja elektronskog kola. Od posebnog je znaaja za simulaciju integrisanih kola. Za ovu namenu je i razvijen u laboratoriji za razvoj elektronike Kalifornijskog univerziteta u Berkliju (1975). Ime SPICE znai: Simulation Program for Integrated Circuits Emphasis.

PSpice je verzija programa SPICE za PC raunare. Studentska verzija je ograniena na 64 vora, 10 tranzistora i 2 operaciona pojaavaa.

SPICE moe da vri nekoliko vrsta analize elektronskih kola. Najvanije analize su: Nelinearna jednosmerna (DC) analiza: rauna se jednosmerna prenosna

kriva Nelinearna prelazna (transient) i furijeova analiza: raunaju se naponi i

struje u zavisnosti od vremena kad je primenjen veliki signal; furijeova analiza daje frekventni spektar.

1

Linearna naizmenina (AC) analiza: rauna izlaz u zavisnosti od frekvencije. Generie se bodeov dijagram.

Analiza uma (noise) Parametarska analiza Monte Carlo analiza

PSpice sadri biblioteke analognih i digitalnih komponenti (kao to su NI, NILI, flip-flopovi, multiplekseri, FPGA (field programmable grid arrays), PLD (programmable logical device) i mnoga druga). This makes it a useful tool for a wide range of analog and digital applications.

Analize mogu da se vre na razliitim pretpostavljenim temperaturama. Ako se ne definie temperatura, podrazumeva se temperatura od 300K.

Kolo moe da sadri sledee komponente: Nezavisni i zavisni naponski i strujni izvori Otpornici Kondenzatori Kalemovi (induktivnosti) Meusobne induktivnosti Prenosne linije Operacioni pojaavai Prekidai Diode Bipolarni tranzistori MOS tranzistori JFET tranzistori MESFET tranzistori Digitalna kola i druge komponente (videti uputstvo za korisnika).

2. 2. Korienje PSpice u okviru paketa OrCAD Capture

Pre nego to se pristupi simulaciji elektronskog kola, treba specificirati konfiguraciju kola. Jedan od naina je da se unese opis kola kao tekstualna datoteka, sa elektronskim komponentama, spojevima, modelima elemenata i tipom analize. Ova datoteka zove se SPICE ulazna datoteka.

Drugi pristup je korienjem programa za crtanje elektronskih ema, npr. OrCAD CAPTURE. OrCAD Capture je grafiki program koji omoguava crtanje eme kola i specificiranje vrste simulacije. Ovaj program koristi se i za razvoj tampanih ploa.

2

Koraci simulacije kola pomou programa Capture i PSpice su: 1. korak: Kreiranje kola pomou programa Capture. Kreiranje projekta, postavljanje delova kola, povezivanje i specificiranje vrednosti i naziva komponenti. 2. korak: Specificiranje vrste simulacije. Kreiranje profila simulacije, izbor tipa analize: radna taka, DC prebrisavanje, prelazne pojave, AC prebrisavanje. Pokretanje simulacije (PSpice). 3. korak: Pregled rezultata. Dodavanje signala na prozor za pregled rezultata. Korienje kursora za analiziranje talasnih oblika. Pregled izlazne datoteke. uvanje i tampanje rezultata.

Vrednosti komponenti mogu da se zadaju korienjem prefiksa (velikim ili malim slovima):

T ili Tera (= 1E12); G ili Giga (= E9); MEG ili Mega (= E6); K ili Kilo (= E3); M ili Milli (= E-3);

U ili Micro (= E-6); N ili Nano (= E-9); P ili Pico (= E-12) F ili Femto (= E-15)

Na primer, kondenzator od 225 pF moe da se definie na jedan od sledeih naina:

225P, 225p, 225pF; 225pFarad; 225E-12; 0.225N

Primetiti da se prefiks Mega pie kao MEG, tj. 15 M se specificira kao 15MEG, 15MEGohm, 15meg ili 15E6. Ako napiemo 15Mohm ili 15M, Spice e to shvatiti kao 15 m!

Prikazaemo razliite tipove simulacije za sledee kolo:

Slika 1: Kolo koje se simulira (izgled dela ekrana OrCAD Capture programa).

3

2.1. 1. korak: Kreiranje elektronskog kola programom Capture

2.1.1. Kreiranje novog projekta: 1. Pokrenuti OrCAD Capture 2. Kreirati novi projekat: FILE MENU/NEW_PROJECT 3. Uneti ime projekta 4. Izabrati tip kola Analog or Mixed-AD 5. Kad se otvori ekran "Create PSpice Project", izabrati "Create Blank Project".

Na novoj strani otvorie se program za dizajn projekta (Project Design Manager):

Slika 2: Design manager ekran sa prozorom za emu i toolbar-ovima

2.1.2. Postavljanje komponenti i povezivanje delova 1. Kliknuti na prozor za crtanje eme u programu Capture. 2. Za postavljanje komponente otii na meni PLACE/PART ili kliknuti na ikonu Place

Part. Ovim se otvara prozor sa dijalogom:

4

Slika 3: "Place Part" prozor

3. Izabrati biblioteku koja sadri traenu komponentu. Otkucati poetak naziva komponente u prozoru "Part". Lista komponenti e se pomeriti na komponente ije ime sadri uneti tekst. Ako nema tog teksta u postojeim bibliotekama, mora se dodati biblioteka koja e se pretraivati klikom na "Add Library". Na ovaj nain se poziva "Add Library" prozor. Izaberite biblioteku. Za Spice treba birati biblioteke iz Capture/Library/PSpice direktorijuma.

Analog: sadri pasivne komponente (R,L,C), meusobne induktivnosti, prenosne linije i naponske i strujne zavisne izvore (naponski zavisni naponski izvor E, strujno zavisni strujni izvor F, naponski zavisan strujni izvor G i strujno zavisni naponski izvor H). Source: sadri razne vrste nezavisnih naponskih i strujnih izvora, Vdc, Idc, Vac, Iac, Vsin, Vexp, pulse, deo po deo linearna (piecewise linear), etc. Pregledajte biblioteku da vidite ta sadri. Eval: sadri diode (D), bipolarne tranzistore (Q), MOS tranzistore, JFET tranzistore (J), realne operacione pojaavae, npr. u741, prekidae (SW_tClose, SW_tOpen), razne digitalne gejtove i komponente. Abm: sadri interesantne matematike operatore koji mogu da se primene na signale, npr. mnoenje (MULT), sabiranje (SUM), kvadratni koren (SWRT), laplasova transformacija (LAPLACE), arkus tangens (ARCTAN), i mnoge druge. Special: sadri ostale komponente, npr. PARAM, NODESET, itd.

4. Postavite otpornike, kondenzatore (iz biblioteke Analog), i jednosmerne (DC) naponske i strujne izvore. Komponente se postavljaju levim klikom mia. Komponenta se rotira pritiskom na slovo "R". Za postavljanje iste komponente jo jednom treba ponovo kliknuti na levi taster mia. Pritiskom na taster ESC zavravamo postavljanje komponenti. Poetni uslovi za kondenzatore zadaju se dvostrukim klikom na komponentu; otvorie se prozor "Property". U koloni pod

5

nazivom IC treba uneti vrednost poetnog uslova, npr. 2 V. Ako se nita ne unese, podrazumeva se 0 V.

5. Nakon postavljanja komponente treba postaviti oznaku za masu (Ground terminal)

klikom na ikonu GND . Kad se otvori dijalog "Place Ground", treba izabrati GND/CAPSYM i dati mu ime 0 (nula). Ne zaboravite da promenite ime u 0, jer e inae PSpice javiti greku "Floating Node". SPICE zahteva referentnu taku koja se zove 0 (nula) za sve proraune.

Slika 4: Dijalog za oznaku za masu, ime mora da bude 0

6. Povezati komponente korienjem komande "Place Wire" izborom sa menija

(PLACE/WIRE) ili klikom na Place Wire ikonu . 7. Moete dati imena linijama ili vorovima koristei "Place Net Alias" komandu

(PLACE/NET ALIAS meni). Za probu daemo ime izlaznom i ulaznom voru, "Out" i "In", kao to je prikazano na Slici 1.

2.1.3. Dodela vrednosti i imena (naziva) komponentama 1. Vrednosti otpornosti menjaju se dvostrukim klikom na broj pored otpornika. Takoe

moe da se promeni i naziv otpornika. Isto vai i za kondenzatore i za naponske i strujne izvore.

2. Ako do sada nije uraeno, treba dati imena vorovima u kolu.. 3. Sauvati fajl sa izmenama u projektu.

2.1.4. Lista povezivanja (Netlist) Lista povezivanja daje listu svih elemenata koristei jednostavan format: R_naziv vor1 vor2 vrednost

6

C_naziv vorx vory vrednost, itd.

1. Lista povezivanja pravi se preko menija PSPICE/CREATE NETLIST. 2. Proveriti listu povezivanja dvostrukim klikom na Output/naziv.net datoteku u Project

Manager prozoru(u prozoru "File" sa leve strane).

Napomena o smeru struje komponenti: Pozitivni smer struje kroz komponentu (npr. kroz otpornik) je od prikljuka 1 ka prikljuku 2. Prikljuak 1 je ili levi ili gornji prikljuak za komponente koje su orijentisane horizontalno, odnosno vertikalno. Rotiranjem komponente za 180 stepeni moemo da promenimo redosled oznaka prikljuaka. Za proveru redosleda prikljuaka pogledaemo listu povezivanja:

npr. R_R2 prikljuak1 prikljuak2 10k npr. R_R2 0 OUT 10k

Poto nas interesuje smer struje od prikljuka OUT ka masi, treba da rotiramo otpornik R2 dvaput:

R_R2 OUT 0 10k

2.2. 2. korak: Specificiranje tipa analize i simulacije

Spice omoguava raunanje jednosmerne radne take (DC bias), jednosmerno prebrisavanje (DC Sweep), analizu prelaznog reima (Transient) sa furijeovom analizom, analizu u naizmeninom reimu (AC analysis), montekarlo analizu sa analizom najgoreg sluaja (Montecarlo/worst case sweep), proveru uticaja promene vrednosti komponenti (Parameter sweep) i proveru uticaja temperature (Temperature sweep).

2.2.1. Analiza jednosmernog reima - radne take (BIAS ili DC analiza)

1. Kad je ema nacrtana, u meniju PSPICE treba izabrati NEW SIMULATION PROFILE.

2. U prostoru za ime (Name text box) upisati naziv koji opisuje analizu koju hoemo da izvrimo, npr. "jednosmerna radna taka".

3. U izbornoj listi "Inherit From" izabrati "none" i kliknuti na "Create". 4. Kad se otvori prozor "Simulation Setting", izabrati "Bias Point" kao vrstu analize

("Analyis Type"), i kliknuti OK. 5. Simulacija se pokree izborom PSPICE/RUN 6. Nakon zavretka simulacije pojavie se prozor sa obavetenjem da je simulacija

uspeno izvrena. Ako su se javile greke, treba pogledati datoteku "Simulation Output".

7

7. Da bi se videli rezultati simulacije jednosmerne radne take (DC bias point), moe se pogledati datoteka "Simulation Output", ili moe u prozoru sa emom da se klikne ikona V (Enable Bias Voltage Display) i ikona I (current display) da bi se prikazali naponi i struje (vidi sliku 5). Smer struje vidi se u listi povezivanja: struja tee od prikljuka 1 ka prikljuku 2.

Slika 5: rezultati simulacije jednosmerne radne take prikazani na emi.

2.2.2. Jednosmerno prebrisavanje (DC Sweep) Koristiemo isto kolo koje je korieno za analizu jednosmerne radne take, ali e

izvor napajanja da proe kroz vrednosti od 0 do 20 V (da "prebrie" ovaj opseg napona). Strujni izvor e imati vrednost od 1 mA.

1. Kreirati novi profil "New Simulation Profile" (iz menija PSpice); Nazovimo ga DC Sweep.

2. Izabrati tip analize DC Sweep; uneti naziv naponskog izvora koji e se menjati: V1. Poetna o krajnja vrednost i korak (increment) - npr. postavimo ove vrednosti: start = 0, end = 20, increment = 0.1 (vidi sliku 6).

Slika 6: Podeavanje za DC Sweep simulaciju.

8

3. Nakon pokretanja simulacije (PSPICE/RUN) PSpice e generisati izlaznu datoteku

koja sadri sve vrednosti napona i struja u kolu.

2.3. 3. korak: Prikaz rezultata simulacije

Kad se zavri simulacija, otvorie se prozor za pregled rezultata (Probe window).

Slika 7: Pregled rezultata simulacije

1. U meniju "TRACE" kliknite na "ADD TRACE" i izaberite napone i struje koje elite

da vidite, npr. izabraemo V(out) i V(in). Kliknite na OK.

Slika 8: Prozor za izbor talasnih oblika za prikazivanje

9

2. Talasni oblici mogu da se dodaju i pomou markera za napone ("Voltage Markers") na

emi. Iz PSPICE menija izaberite MARKERS/VOLTAGE LEVELS. Postavite markere na vorove oznaene sa Out i In. Na kraju kliknite desnim tasterom mia i izaberite "End Mode".

Slika 9: Korienje naponskih markera za prikaz rezultata simulacije signala V(out) i

V(in) 3. Vratite se nazad u PSpice. Primetiete da su se pojavili talasni oblici. 4. Moete da dodate drugu Y osu i da je koristite za prikaz, npr. struje kroz otpornik R2,

kao to je prikazano na sledeoj slici. Izaberite PLOT/Add Y Axis, zatim izaberite talasni oblik I(R2).

5. Moete takoe da koristite kursore na graficima za Vout i Vin kako biste prikazali stvarne vrednosti u odreenim takama. Izaberite TRACE/CURSORS/DISPLAY

6. Kursori e biti pridrueni prvom talasnom obliku, kao to je pokazano malim pravougaonikom oko naznake (legenda) za V(out) na dnu ekrana. Kliknite levim tasterom mia na prvi talasni oblik. Vrednosti x i y bie prikazani u prozoru "Probe". Ako kliknete desnim tasterom mia na V(out), vrednost drugog kursora zajedno sa razlikom izmeu prvog i drugog kursora bie prikazane.

7. Desnim klikom na legendu za V(in) drugi kursor e se postaviti na drugi talasni oblik. Primetiete da je naglaen V(in) na dnu prozora. Ako kliknete desnim tasterom mia na drugi talasni oblik, kursor e se pozicionirati na taj talasni oblik. Vrednosti prvog i drugog kursora bie prikazani u prozoru "Probe".

8. Dvostrukim klikom na ose X i Y moete promeniti njihova svojstva. 9. Prilikom dodavanja talasnih oblika mogu se vriti raunske operacije nad njima, kao

to je prikazano u prozoru "Add Trace" na desnoj strani na slici 8.

10

Slika 10: Rezultat DC sweep analize; prikazani su Vout, Vin i struja kroz otpornik

R2. Korist se kursori za V(out) i V(in).

2.4. Druge vrste analize

2.4.1. Analiza prelaznog reima (Transient Analysis) Koristiemo isto kolo kao za DC sweep analizu, osim toga to emo da prikljuimo

naponski i strujni izvor ukljuivanjem prekidaa, kao to je prikazano na slici 11.

Slika 11: Kolo koje se koristi za simulaciju prelaznog reima

1. Unesite prekida SW_TCLOSE iz biblioteke EVAL, kao to je prikazano na slici.

Dvaput kliknite na vrednost prekidaa TCLOSE i unesite vrednost kad se prekida zatvara. Neka je TCLOSE = 5 ms.

2. Podesite analizu prelaznog reima: PSPICE/NEW SIMULATION PROFILE. 3. Dajte ime ovoj analizi (npr. Transient). Kad se otvori prozor "Simulation Settings",

izaberite analizu "Time Domain (Transient)". Unesite i vreme trajanja simulacije, npr. 50 ms. Vrednost "Max Step size" moete ostaviti nepopunjenu, ili unesite 10us.

4. Pokrenite PSpice. 5. Prozor Probe e se otvoriti. Moete dodati talasne oblike da prikaete rezultate. Na

sledeoj slici nacrtali smo struju kroz kondenzator u gornjem prozoru i napon na kondenzatoru u donjem (Prozor se dodaje komandom PLOT/ADD PLOT TO

11

WINDOW). Koristimo kursor da naemo vremensku konstantu eksponencijalnog talasnog oblika (nalazei 0.632 * V(out)max = 9.48). Kursor daje odgoarajue vreme od 30ms, to nam daje vremensku konstantu od 30-5=25ms (5 ms se oduzima zato to se prekida zatvara u trenutku t = 5ms).

Slika 12: Rezultati simulacije prelaznog reima

6. Umesto korienja prekidaa moemo da koristimo i vremenski promenljiv naponski izvor. Na slici 13 koristimo izvore VPULSE i IPULSE iz biblioteke SOURCE. Uneli smo naponske nivoe (V1 i V2), kanjenje (Delay time, TD), vreme uspona (Rise) i pada (Fall), irinu impulsa (Pulse Width, PW) i periodu (PER). Vrednosti su navedene na sledeoj slici

Slika 13: Kolo sa PULSE naponskim i strujnim izvorom.

7. Nakon simulacije prelaznog reima moemo da prikaemo rezultate kao to je ve

ranije objanjeno. 8. Poslednji primer analize prelaznog reima je uz korienje sinusoidalnog signala

VSIN. Kolo je prikazano na sledeoj slici. Zadali smo vrednosti za amplitudu 10V i frekvenciju 10 Hz.

12

Slika 14: Kolo sa sinusoidalnim ulazom.

9. Kreirajte simulacioni profil za prelazni reim i pokrenite PSpice. 10. Rezultat simulacije za Vout i Vin dat je na sledeoj slici.

Slika 15: Simulacija prelaznog reima kola sa sinusoidalnim ulazom.

2.4.2. AC Sweep analiza Analiza u naizmeninom reimu (AC analysis) primenie sinusoidalni naponski izvor

ija frekvencija e da "prebrie" zadati opseg.Simulacija rauna odgovarajue amplitude napona i struje i fazni ugao za svaku frekvenciju. Kad je ulazna amplituda postavljena na 1V, izlazni napon je praktino prenosna funkcija. Nasuprot sinusoidalnoj analizi prelaznog reima; AC analiza nije simulacija u vremenskom domenu, ve simulacija sinusoidalnih stabilnih stanja kola. Kad kolo sadri nelinearne elemente (npr. tranzistore i diode), takav element bie zamenjen modelom za male signale sa vrednostima parametara koji se raunaju tokom analize radne take.

U prvom primeru prikazaemo prost RC filter koji odgovara kolu na slici 16.

13

Slika 16: Kolo za AC sweep simulaciju.

1. Kreirajte novi projekat i nacrtajte kolo. 2. Koristiti izvor VAC iz biblioteke "Sources". 3. Postavite amplitudu izvora na 1V. 4. Kreirajte profil simulacije. U prozoru "Simulation Settings" izaberite AC

Sweep/Noise. 5. Unesite poetnu i krajnju frekvenciju i broj taaka po dekadi. Kao primer koristiemo

0.1Hz, 10 kHz i 11, respektivno. 6. Pokrenite simulaciju 7. U prozoru "Probe" dodajte talasne oblike za ulazni napon. Dodali smo drugi prozor da

prikaemo fazni stav uz amplitudnu karakteristiku. Napon moe da bude prikazan u decibelima (dB) zadavanjem Vdb(out) u prozoru "Add Trace" (otkucajte Vdb(out) u polju Trace Expression). Za prikazivanje faze zadajte VP(out).

8. Napon u dB i faza mogu da se zadaju i pomou markera na emi: PSPICE/MARKERS/ADVANCED/dBMagnitude ili Phase napona ili struje. Postavite markere na vorove koji vas interesuju.

9. Na slici 17 koristili smo kursore da dobijemo taku slabljenja od 3dB. Vrednost je 6.49 Hz, to odgovara vremenskoj konstanti od 25 ms (R1||R2*C). Na 10 Hz slabljenje napona Vout je 11.4dB, tj. 3.72 puta. Ovo odgovara vrednosti amplitude na izlazu koja se dobija kad se pokrene analiza prelaznog reima sa istim parametrima (vidi sliku 15).

14

1. 1. UVOD 2. 2. Korienje PSpice u okviru paketa OrCAD Capture 2.1. 1. korak: Kreiranje elektronskog kola programom Capture 2.1.1. Kreiranje novog projekta: 2.1.2. Postavljanje komponenti i povezivanje delova2.1.3. Dodela vrednosti i imena (naziva) komponentama 2.1.4. Lista povezivanja (Netlist)

2.2. 2. korak: Specificiranje tipa analize i simulacije 2.2.1. Analiza jednosmernog reima - radne take (BIAS ili DC analiza) 2.2.2. Jednosmerno prebrisavanje (DC Sweep)

2.3. 3. korak: Prikaz rezultata simulacije 2.4. Druge vrste analize 2.4.1. Analiza prelaznog reima (Transient Analysis) 2.4.2. AC Sweep analiza