Laboratorijski praktikum iz električnih merenja

Tekst za pripremu 4. laboratorijske vežbe

PSPICE

Kratko uputstvo

Sadržaj 1. Uvod 2. Korišćenje 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 tačka) 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 predviđanje ponašanja elektronskog kola. Od posebnog je značaja za simulaciju integrisanih kola. Za ovu namenu je i razvijen u laboratoriji za razvoj elektronike Kalifornijskog univerziteta u Berkliju (1975). Ime SPICE znači: Simulation Program for Integrated Circuits Emphasis.

PSpice je verzija programa SPICE za PC računare. Studentska verzija je ograničena na 64 čvora, 10 tranzistora i 2 operaciona pojačavača.

SPICE može da vrši nekoliko vrsta analize elektronskih kola. Najvažnije analize su: • Nelinearna jednosmerna (DC) analiza: računa se jednosmerna prenosna

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

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

1

• Linearna naizmenična (AC) analiza: računa izlaz u zavisnosti od frekvencije. Generiše se bodeov dijagram.

• Analiza šuma (noise) • Parametarska analiza • Monte Carlo analiza

PSpice sadrži biblioteke analognih i digitalnih komponenti (kao što 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 vrše na različitim pretpostavljenim temperaturama. Ako se ne definiše temperatura, podrazumeva se temperatura od 300K.

Kolo može da sadrži sledeće komponente: • Nezavisni i zavisni naponski i strujni izvori • Otpornici • Kondenzatori • Kalemovi (induktivnosti) • Međusobne induktivnosti • Prenosne linije • Operacioni pojačavači • Prekidači • Diode • Bipolarni tranzistori • MOS tranzistori • JFET tranzistori • MESFET tranzistori • Digitalna kola • i druge komponente (videti uputstvo za korisnika).

2. 2. Korišćenje PSpice u okviru paketa OrCAD Capture

Pre nego što se pristupi simulaciji elektronskog kola, treba specificirati konfiguraciju kola. Jedan od načina 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 korišćenjem programa za crtanje elektronskih šema, npr. OrCAD CAPTURE. OrCAD Capture je grafički program koji omogućava crtanje šeme kola i specificiranje vrste simulacije. Ovaj program koristi se i za razvoj štampanih ploča.

2

Koraci simulacije kola pomoću programa Capture i PSpice su: 1. korak: Kreiranje kola pomoću 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 tačka, DC prebrisavanje, prelazne pojave, AC prebrisavanje. Pokretanje simulacije (PSpice). 3. korak: Pregled rezultata. Dodavanje signala na prozor za pregled rezultata. Korišćenje kursora za analiziranje talasnih oblika. Pregled izlazne datoteke. Čuvanje i štampanje rezultata.

Vrednosti komponenti mogu da se zadaju korišćenjem 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 može da se definiše na jedan od sledećih načina:

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

Primetiti da se prefiks Mega piše kao MEG, tj. 15 MΩ se specificira kao 15MEG, 15MEGohm, 15meg ili 15E6. Ako napišemo 15Mohm ili 15M, Spice će to shvatiti kao 15 mΩ!

Prikazaćemo različite tipove simulacije za sledeće 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 otvoriće se program za dizajn projekta (Project Design Manager):

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

2.1.2. Postavljanje komponenti i povezivanje delova 1. Kliknuti na prozor za crtanje šeme u programu Capture. 2. Za postavljanje komponente otići 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 sadrži traženu komponentu. Otkucati početak naziva komponente u prozoru "Part". Lista komponenti će se pomeriti na komponente čije ime sadrži uneti tekst. Ako nema tog teksta u postojećim bibliotekama, mora se dodati biblioteka koja će se pretraživati klikom na "Add Library". Na ovaj način se poziva "Add Library" prozor. Izaberite biblioteku. Za Spice treba birati biblioteke iz Capture/Library/PSpice direktorijuma.

Analog: sadrži pasivne komponente (R,L,C), međusobne 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: sadrži 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 šta sadrži. Eval: sadrži diode (D…), bipolarne tranzistore (Q…), MOS tranzistore, JFET tranzistore (J…), realne operacione pojačavače, npr. u741, prekidače (SW_tClose, SW_tOpen), razne digitalne gejtove i komponente. Abm: sadrži interesantne matematičke operatore koji mogu da se primene na signale, npr. množenje (MULT), sabiranje (SUM), kvadratni koren (SWRT), laplasova transformacija (LAPLACE), arkus tangens (ARCTAN), i mnoge druge. Special: sadrži 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 miša. Komponenta se rotira pritiskom na slovo "R". Za postavljanje iste komponente još jednom treba ponovo kliknuti na levi taster miša. Pritiskom na taster ESC završavamo postavljanje komponenti. Početni uslovi za kondenzatore zadaju se dvostrukim klikom na komponentu; otvoriće se prozor "Property". U koloni pod

5

nazivom IC treba uneti vrednost početnog uslova, npr. 2 V. Ako se ništa 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 će inače PSpice javiti grešku "Floating Node". SPICE zahteva referentnu tačku koja se zove 0 (nula) za sve proračune.

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

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

(PLACE/WIRE) ili klikom na Place Wire ikonu . 7. Možete dati imena linijama ili čvorovima koristeći "Place Net Alias" komandu

(PLACE/NET ALIAS meni). Za probu daćemo ime izlaznom i ulaznom čvoru, "Out" i "In", kao što 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. Takođe

može da se promeni i naziv otpornika. Isto važi i za kondenzatore i za naponske i strujne izvore.

2. Ako do sada nije urađeno, treba dati imena čvorovima u kolu.. 3. Saćuvati fajl sa izmenama u projektu.

2.1.4. Lista povezivanja (Netlist) Lista povezivanja daje listu svih elemenata koristeći jednostavan format: R_naziv čvor1 čvor2 vrednost

6

C_naziv čvorx čvory 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 priključka 1 ka priključku 2. Priključak 1 je ili levi ili gornji priključak za komponente koje su orijentisane horizontalno, odnosno vertikalno. Rotiranjem komponente za 180 stepeni možemo da promenimo redosled oznaka priključaka. Za proveru redosleda priključaka pogledaćemo listu povezivanja:

npr. R_R2 priključak1 priključak2 10k npr. R_R2 0 OUT 10k

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

R_R2 OUT 0 10k

2.2. 2. korak: Specificiranje tipa analize i simulacije

Spice omogućava računanje jednosmerne radne tačke (DC bias), jednosmerno prebrisavanje (DC Sweep), analizu prelaznog režima (Transient) sa furijeovom analizom, analizu u naizmeničnom režimu (AC analysis), montekarlo analizu sa analizom najgoreg slučaja (Montecarlo/worst case sweep), proveru uticaja promene vrednosti komponenti (Parameter sweep) i proveru uticaja temperature (Temperature sweep).

2.2.1. Analiza jednosmernog režima - radne tačke (BIAS ili DC analiza)

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

2. U prostoru za ime (Name text box) upisati naziv koji opisuje analizu koju hoćemo da izvršimo, npr. "jednosmerna radna tačka".

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 pokreće izborom PSPICE/RUN 6. Nakon završetka simulacije pojaviće se prozor sa obaveštenjem da je simulacija

uspešno izvršena. Ako su se javile greške, treba pogledati datoteku "Simulation Output".

7

7. Da bi se videli rezultati simulacije jednosmerne radne tačke (DC bias point), može se pogledati datoteka "Simulation Output", ili može u prozoru sa šemom 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 teče od priključka 1 ka priključku 2.

Slika 5: rezultati simulacije jednosmerne radne tačke prikazani na šemi.

2.2.2. Jednosmerno prebrisavanje (DC Sweep) Koristićemo isto kolo koje je korišćeno za analizu jednosmerne radne tačke, ali će

izvor napajanja da prođe kroz vrednosti od 0 do 20 V (da "prebriše" ovaj opseg napona). Strujni izvor će 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 će se menjati: V1. Početna o krajnja vrednost i korak (increment) - npr. postavimo ove vrednosti: start = 0, end = 20, increment = 0.1 (vidi sliku 6).

Slika 6: Podešavanje za DC Sweep simulaciju.

8

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

koja sadrži sve vrednosti napona i struja u kolu.

2.3. 3. korak: Prikaz rezultata simulacije

Kad se završi simulacija, otvoriće 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 želite

da vidite, npr. izabraćemo 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 pomoću markera za napone ("Voltage Markers") na

šemi. Iz PSPICE menija izaberite MARKERS/VOLTAGE LEVELS. Postavite markere na čvorove označene sa Out i In. Na kraju kliknite desnim tasterom miša i izaberite "End Mode".

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

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

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

5. Možete takođe da koristite kursore na graficima za Vout i Vin kako biste prikazali stvarne vrednosti u određenim tačkama. Izaberite TRACE/CURSORS/DISPLAY

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

7. Desnim klikom na legendu za V(in) drugi kursor će se postaviti na drugi talasni oblik. Primetićete da je naglašen V(in) na dnu prozora. Ako kliknete desnim tasterom miša na drugi talasni oblik, kursor će se pozicionirati na taj talasni oblik. Vrednosti prvog i drugog kursora biće prikazani u prozoru "Probe".

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

što 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 režima (Transient Analysis) Koristićemo isto kolo kao za DC sweep analizu, osim toga što ćemo da priključimo

naponski i strujni izvor uključivanjem prekidača, kao što je prikazano na slici 11.

Slika 11: Kolo koje se koristi za simulaciju prelaznog režima

1. Unesite prekidač SW_TCLOSE iz biblioteke EVAL, kao što je prikazano na slici.

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

2. Podesite analizu prelaznog režima: 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" možete ostaviti nepopunjenu, ili unesite 10us.

4. Pokrenite PSpice. 5. Prozor Probe će se otvoriti. Možete dodati talasne oblike da prikažete rezultate. Na

sledećoj 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 nađemo vremensku konstantu eksponencijalnog talasnog oblika (nalazeći 0.632 * V(out)max = 9.48). Kursor daje odgoarajuće vreme od 30ms, što nam daje vremensku konstantu od 30-5=25ms (5 ms se oduzima zato što se prekidač zatvara u trenutku t = 5ms).

Slika 12: Rezultati simulacije prelaznog režima

6. Umesto korišćenja prekidača možemo 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), kašnjenje (Delay time, TD), vreme uspona (Rise) i pada (Fall), širinu impulsa (Pulse Width, PW) i periodu (PER). Vrednosti su navedene na sledećoj slici

Slika 13: Kolo sa PULSE naponskim i strujnim izvorom.

7. Nakon simulacije prelaznog režima možemo da prikažemo rezultate kao što je već

ranije objašnjeno. 8. Poslednji primer analize prelaznog režima je uz korišćenje sinusoidalnog signala

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

12

Slika 14: Kolo sa sinusoidalnim ulazom.

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

Slika 15: Simulacija prelaznog režima kola sa sinusoidalnim ulazom.

2.4.2. AC Sweep analiza Analiza u naizmeničnom režimu (AC analysis) primeniće sinusoidalni naponski izvor

čija frekvencija će da "prebriše" zadati opseg.Simulacija računa odgovarajuće amplitude napona i struje i fazni ugao za svaku frekvenciju. Kad je ulazna amplituda postavljena na 1V, izlazni napon je praktično prenosna funkcija. Nasuprot sinusoidalnoj analizi prelaznog režima; AC analiza nije simulacija u vremenskom domenu, već simulacija sinusoidalnih stabilnih stanja kola. Kad kolo sadrži nelinearne elemente (npr. tranzistore i diode), takav element biće zamenjen modelom za male signale sa vrednostima parametara koji se računaju tokom analize radne tačke.

U prvom primeru prikazaćemo 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 početnu i krajnju frekvenciju i broj tačaka po dekadi. Kao primer koristićemo

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

prikažemo fazni stav uz amplitudnu karakteristiku. Napon može 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 pomoću markera na šemi: PSPICE/MARKERS/ADVANCED/dBMagnitude ili Phase napona ili struje. Postavite markere na čvorove koji vas interesuju.

9. Na slici 17 koristili smo kursore da dobijemo tačku slabljenja od 3dB. Vrednost je 6.49 Hz, što 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 režima sa istim parametrima (vidi sliku 15).

14