manuale PSpice

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manuale PSpice

Modulo SISTEMI ELETTRONICI
AA 2002-03
LABORATORIO - MANUALE PSPICE
Simulazioni con PSPICE
G.Giachino
Introduzione all’utilizzo di MicroSim Schematics – Evaluation Version 8
per la simulazione di circuiti elettrici ed elettronici
REV. D del 26/11/2002 17.31
1 Introduzione
Per apprendere l’uso del simulatore in modo rapido, risolviamo insieme alcuni problemi di
simulazione elettrica. Lascio alla vostra iniziativa l’apprendimento delle funzioni e delle
possibilità d’uso che non verranno descritte in questo primo approccio.
Per attivare il simulatore lanciare bin\psched
Si useranno le seguenti convenzioni di carattere:
Abcd
testo descrittivo di guida
Abcd
testo dell’enunciato degli esercizi
Abcd
intestazioni di menu usati
introduzioni dell’utente da tastiera
ABCD
d s
click dell’utente su tasto destro o sinistro mouse
dd ss
doppio click dell’utente su tasto destro o sinistro mouse
v
selezione di bottone quadrato
selezione di bottone tondo
x
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SEPSpiceManB.doc - © GG - rev 26/11/2002 17.33
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2 1° esempio: cella R-L-C nel dominio della frequenza
Si supponga di voler risolvere il seguente problema:
Montare in serie un resistore (R=50Ω), un induttore (L=1mH), un condensatore
(C=2.2nF) ed un generatore di tensione alternata sinusoidale con ampiezza 1V e
frequenza variabile da 50kHz a 200kHz, e disegnare i grafici del modulo della tensione
ai capi di C e della fase di questa tensione rispetto alla tensione del generatore, al
variare della frequenza, supponendo lineare il sistema.
Verificare quali conseguenze porta la variazione di R da 50Ω a 50Ω + 270Ω
Si apre l’editor degli schemi dall’icona Schematics con ss
per disegnare un nuovo componente di tipo ‘resistore’
Draw…Get New Part
R…Invio
posizionare il simbolo della R orizzontale s…d
per disegnare un nuovo componente di tipo ‘induttore’
Draw…Get New Part
L…Invio
posizionare il simbolo della L orizzontale in
modo che sia connesso con R s…d
per disegnare un nuovo componente di tipo ‘condensatore’
Draw…Get New Part
C…Invio
posizionare il simbolo del C orizzontale in
modo che sia connesso con L s…d
per disporre verticale il simbolo del condensatore
Edit…Rotate
ruotare il simbolo del C verticale, selezionarlo
con s e spostarlo fino ad averlo connesso con L
per disegnare un nuovo componente di tipo ‘generatore’
Draw…Get New Part
VSRC…Invio
posizionare il simbolo del generatore verticale
in modo che sia connesso con R s…d
per stendere fili per ulteriori collegamenti
Draw…Wire
eseguire i collegamenti mancanti (s ad ogni spigolo)
per disegnare il simbolo di ‘massa’ (obbligatorio per pSpice)
Draw…Get New Part
agnd…Invio posizionare il simbolo di massa sul collegamento
tra generatore e C.
Si ottiene il seguente schema (o uno molto simile):
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Per risistemare le scritte intorno ai componenti allo scopo di ottenere maggiore chiarezza,
occorre fare s sulla scritta che si vuole spostare, in modo da vederla inquadrata in una
finestrina, poi rifare s e trascinarla mantenendo il tasto premuto, ed infine terminare
rilasciando il tasto.
Per sistemare automaticamente lo schema sul foglio, in modo da riempirlo View…Fit.
Se lo schema ha pochi componenti e si vuole evitare di avere simboli enormi sul foglio,
conviene ridurre le dimensioni della finestra utile, fino a che i simboli che la riempiono
mediante il comando Fit, non siano di dimensioni adeguate alle vostre necessità.
Si ottiene il seguente schema:
Si procede all’assegnazione dei nuovi valori, diversi da quelli di default:
Per assegnare 1V al generatore:
ss sul simbolo grafico di V1: appare il menu da compilare come segue:
non volendo usare il generatore per un’analisi ‘in continua’, né per un’analisi ‘in transitorio’,
ma per un’analisi del ‘regime sinusoidale’, con tensione applicata di 1V
DC=
0…Invio
AC=
1…Invio
TRAN = 0…Invio
Per assegnare 50Ω al resistore
ss sul valore di R1: 50…Invio
(si può sottintendere unità di misura)
Per assegnare 1mH all’induttore
ss sul valore di L1: 1mH…Invio (si può dare solo ‘m’ e sottintendere unità di misura)
Per assegnare 2.2nF al condensatore
ss sul valore di C1: 2.2nF…Invio (si può dare solo ‘n’ e sottintendere unità di misura)
Per rinominare R1 in R5 si segue la stessa procedura:
ss sull’etichetta R1 : R5…Invio
Per rinominare C2 in C3 si segue la stessa procedura:
ss sull’etichetta C1 : C3…Invio
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Si procede all’assegnazione dei parametri di simulazione
Per preparare un’analisi del comportamento a regime modulando la frequenza linearmente
tra 100kHz e 200kHz con una misura ogni 100Hz:
Analysis…Setup…AC Sweep…Linear…
v
su AC Sweep…
Total Pts 1000
Start Freq.: 50k
End Freq.: 200k
s su OK
s su Close
Per indicare la grandezza misurata ed il punto di prelievo della stessa:
Markers…Mark Voltage/Level posizionare la freccia sul morsetto alto di C e dare s…d
Per avviare la simulazione, usare F11 ed accettare la richiesta del nome del file e relativo
path.
Al termine del processo compare il grafico seguente, prodotto dal post-processor Probe:
Per adattare anche la scala delle f alle nostre esigenze, si opera sulla pagina di Probe:
Plot…X-Axis Settings…Data Range
s
User Defined 50kHz to 200kHz
x
s su OK
Scale
x su Linear
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Per ottenere il grafico della fase è sufficiente cambiare il marker sullo schema elettrico:
Markers…Clear All per cancellare i vecchi marker
Markers…Mark Advanced…vphase s
posizionare la freccia sul morsetto alto di C e dare s…d
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Riavviare come sopra ed apportare le stesse modifiche di scala, fino ad ottenere:
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Per rispondere alla seconda parte della domanda, cambiare il valore di R5 da 50 a 320, e
ripetere la procedura già appresa. Si ottengono i seguenti grafici
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Per ottenere messi a confronto sullo stesso foglio i grafici dell’ampiezza (o della fase) per
diversi valori della R tra 50Ω e 320Ω, procedere nel modo seguente.
Assegniamo il nome del parametro Rvar al valore di R5:
ss sul valore 50 di R5: assegniamo {Rvar} come valore (è importante porlo tra parentesi
graffe!)
Diciamo al sistema che Rvar è un parametro con valore 500 di default:
Draw…Get New Part… PARAM …Invio
Disponiamo la scritta PARAMETERS in una zona adatta del disegno d
ss sulla scritta PARAMETERS ed assegniamo nel menu
NAME1= Rvar
VALUE1= 500
OK
La figura diventa:
Si procede all’assegnazione dei dati di simulazione:
Per preparare un’analisi del comportamento in alternata, in funzione del parametro Rvar che
varia linearmente da 50Ω a 320Ω per salti di 90Ω (50..140..230..320)
Analysis…Setup…Parametric
x
Global Parameter
Linear
x
Name: Rvar
Start Value: 50
End Value: 320
Increment: 90
s su OK
v su AC Sweep…
e su Parametric...
s su Close
F11
togliere v da altri
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Le operazioni per concludere sono le solite.
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3 2° esempio: cella R-L-C nel dominio del tempo
Sullo stesso circuito del primo esempio, sostituire il generatore sinusoidale con un
generatore di onda quadra avente ampiezza 1V , tempo di salita e discesa 1µs,
frequenza 5kHz, duty cycle 50%, e disegnare il grafico della tensione ai capi di C in
funzione del tempo per i due valori della R.
Si apre l’editor degli schemi dall’icona Schematics con ss
File…open
Nome del file
Per sostituire il generatore con un generatore di impulsi:
Cancellare il precedente generatore, selezionandolo col mouse e usando Canc .
Draw…Get New Part
VPULSE…
Ricordarsi di riporre il valore di R5 a 50.
Per assegnare i valori al generatore:
ss sul simbolo di V1: appare il menu da compilare come segue:
DC=
AC=
V1 =
V2 =
td =
tr=
tf=
pw=
per=
0…Invio
0…Invio
-0.5…Invio
0.5…Invio
0…Invio
1u…Invio
1u…Invio
0.1m…Invio
0.2m…Invio
non lo usiamo in DC Sweep
non lo usiamo in AC Sweep
fdo oscilla tra –0.5V e...
...+0.5V per avere l’ampiezza di 1V
fdo parte nell’origine dei tempi
fdo ha tempo di salita (rise time) di 1µs
fdo ha tempo di discesa (fall time) di 1µs
fdo ha una durata o larghezza ( pulse width) di 0.1ms
fdo ha un periodo di 0.2ms (f=5kHz)
Per preparare un’analisi del comportamento in transitorio imponendo un calcolo al minimo
ogni 10ns ed al massimo ogni 60ns, per un tempo di 60µs
Analysis…Setup…Transient
Porre v su Transient…
Togliere v da AC Sweep…
Print Step 20n
Final Time.: 0.2m
Step Ceiling.: 0.1u
s su OK
s su Close
Per indicare la grandezza misurata ed il punto di prelievo della stessa:
Markers…Clear All
Per avviare la simulazione, usare F11 ed accettare eventualmente la richiesta del nome del
file e relativo path.
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Per cambiare la scala
s
Plot…Y-Axis Settings…Data Range
User Defined -1.5 to 1.5
x
s su OK
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Per esaminare l’influenza dell’aumento del valore di R da 50 a 320Ω sulla risposta del
circuito:
Cancellare la finestra della figura, e cambiare il valore della R5 , poi
F11
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4 3° esempio: ponte in continua
Viene risolto il seguente problema in corrente continua.
Costruire un ponte di Wheatstone formato da 4 resistori eguali, nominalmente da 1kΩ,
alimentato da una batteria da 15V. Disegnare il grafico della tensione d’uscita al
variare di una delle resistenze tra 0.8kΩ a 1.2kΩ.
Per il disegno dello schema valgono le solite regole. Il generatore è un VSRC con le
assegnazioni
DC=
15…Invio
AC=
0…Invio
TRAN = 0…Invio
Scegliamo R4 come variabile. Occorre definirla come parametro variabile da 0.8kΩ a 1.2kΩ,
assegnando un nome al parametro.
Nell’ordine:
Assegniamo il nome del parametro RST al valore di R4:
ss sul valore 1k di R4: assegniamo {RST} come valore
Diciamo che RST è un parametro con valore 1k di default:
Draw…Get New Part… PARAM …Invio
Disponiamo la scritta PARAMETERS in una zona adatta del disegno d
ss sulla scritta PARAMETERS ed assegniamo nel menu
NAME1= RST
VALUE1= 1k
La figura diventa:
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Per preparare un’analisi del comportamento in continua. in funzione del parametro RST che
varia linearmente da 0.8kΩ a 1. kΩ per salti di 10Ω
Analysis…Setup…DC Sweep
x
Global Parameter
Linear
x
Name: RST
Start Value: 0.8k
End Value: 1.2k
Increment: 0.01k
s su OK
v su DC Sweep…
togliere v da altri
s su Close
Per indicare la grandezza misurata (tensione differenziale sulla diagonale del ponte) ed i
punti di prelievo della stessa:
Markers…Clear All
Markers…Mark Voltage Differential posizionare le frecce sulla diagonale d’uscita
dare s…d
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Si possono aggiungere simboli grafici.
Per esempio una retta passante per i punti estremi della curva per porre in evidenza la
curvatura:
Tools…Label…Line…
I valori possono essere letti numericamente con i comandi:
Tools…Cursor…Display…
Compare un incrocio di coordinate che può essere trascinato col mouse.
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5 4° esempio: cella RC passa-basso nel dominio di t e di f
Viene risolto il seguente problema riguardante lo studio di un transitorio.
Montare in serie un resistore (R=1kΩ), un condensatore (C=10nF) ed un generatore di
onda quadra avente ampiezza 1Vpp , tempo di salita e discesa 1µs, frequenza 20kHz,
duty cycle 50%, e disegnare il grafico della tensione ai capi di C in funzione del
tempo.
Applicare allo schema le varianti per ottenere il diagramma di Bode delle ampiezze.
Procedere come al solito per disegnare lo schema:
Draw…Get New Part
VPULSE…
Per assegnare i valori al generatore:
ss sul simbolo di V1: appare il menu da compilare come segue:
DC=
AC=
V1 =
V2 =
td =
tr=
tf=
pw=
per=
0…Invio
0…Invio
-0.5…Invio
0.5…Invio
0…Invio
1n…Invio
1n…Invio
25u…Invio
50u…Invio
non lo usiamo in DC Sweep
non lo usiamo in AC Sweep
fdo oscilla tra –0.5V e...
...+0.5V per avere l’ampiezza di 1V
fdo parte nell’origine dei tempi
fdo ha tempo di salita (rise time) di 1ns
fdo ha tempo di discesa (fall time) di 1ns
fdo ha una durata o larghezza ( pulse width) di 0.025ms
fdo ha un periodo di 0.05ms (f=20kHz)
Analysis…Setup…Transient
v
su Transient…
Togliere v da altri
Print Step 20n
Final Time.: 50u
Step Ceiling.: 50n
s su OK
s su Close
Per indicare il tipo di misura ed i punti di prelievo della stessa:
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Markers…Clear All
Markers…Mark Voltage/Level posizionare la freccia sul morsetto alto di Vi e dare s…d
Per ottenere il diagramma di Bode delle ampiezze, occorre:
sostituire il generatore VPULSE con il generatore VSRC,
sostituire il marker V con il marker VDB che si trova in Markers...Mark Advanced
Poichè il circuito presenta una costante di tempo di 10 µs (e quindi un polo a circa 16kHz) si
stabilisce di analizzarne il comportamento fra 100Hz e 1MHz.
Si procede all’assegnazione dei parametri di simulazione
Per preparare un’analisi del comportamento a regime modulando la frequenza linearmente
tra 100Hz e 1MHz in modo logaritmico per decadi:
Analysis…Setup…AC Sweep…Decade…
v
su AC Sweep…
Pts/Decade 101
Start Freq.: 100
End Freq.: 1MEG
s su OK
s su Close
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Sul diagramma sono state tracciate le rette che permettono di verificare la pendenza di
–20dB/decade ed il polo a 16 kHz
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Compendio delle possibilità di analisi offerte dal simulatore e più usate
correntemente.
DC Sweep
per l’analisi in continua
tiene conto delle non linearità del circuito
fornisce la sola soluzione a regime continuo, qualora esistano componenti reattivi
ha bisogno di generatori del tipo VSRC oppure VDC
l’uscita grafica è funzione di una delle variabili continue
AC Sweep
per l’analisi in alternata
linearizza il circuito nell’intorno del punto di lavoro
fornisce la sola soluzione a regime alternato
ha bisogno di generatori del tipo VSRC oppure VAC
l’uscita grafica è funzione della frequenza
Transient
per l’analisi in transitorio
tiene conto delle non linearità del circuito
fornisce la soluzione transitoria completa
ha bisogno di generatori del tipo VSIN oppure VPULSE
l’uscita grafica è funzione del tempo.
N.B. di questo programma non c’è manuale di istruzioni, ma esiste un Help sufficientemente
completo. L’Help riguarda però soltanto l’uso dello SchematicEntry e del postprocessore
Probe (oltre altre prestazioni che noi non useremo), mentre non riguarda la cultura ed i
metodi della simulazione Spice, per la quale si può utilizzare
Paul W. Tuinenga (MicroSim Corporation)
SPICE: A Guide to Circuit Simulation and Analysis Using PSpice
PRENTICE HALL
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