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Laboratorio informatico per
l’ingegneria elettrica
Luca Sani
Dipartimento di Sistemi Elettrici e Automazione
Università di Pisa
tel. 050 2217364
email [email protected]
Introduzione
al
simulatore circuitale
ORCAD - Spice
Laboratorio informatico per l’ingegneria elettrica
Ingegneria Elettrica III° Anno
Scopo della simulazione dei circuiti
elettrici
Per conoscere il comportamento di un circuito elettrico è
necessario risolvere un insieme di equazioni derivate dai
principi di Kirchhoof.
Al crescere delle dimensioni del circuito diventa impossibile
risolvere il circuito manualmente.
Per molti anni l’unica soluzione è stata la realizzazione fisica
del circuito su cui eseguire i test necessari a verificarne il
funzionamento.
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Laboratorio informatico
l’ingegneria
elettrica
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di Pisa 3 ° Et n A.A.
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Scopo della simulazione dei circuiti
elettrici
Questa tecnica divenne inadeguata con l’introduzione dei componenti
integrati a causa degli elevati costi e tempi di realizzazione del
circuito campione su cui effettuare i test.
Ciò ha portato, assieme all’aumento della diffusione e della potenze
dei computer, alla nascita e allo sviluppo dei simulatori circuitali,
programmi capaci di risolvere qualunque circuito senza fare
eccessive ipotesi semplificative.
Alla fine degli anni sessanta, nell’Università della California- Berkeley,
nasce il progetto SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit
Emphasis).
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Cenni storici
Spice è il programma più utilizzato nella simulazione dei circuiti e
rappresenta di fatto lo standard della simulazione circuitale.
E’ il risultato del lavoro di molti studenti di ingegneria dell’Università
di Berkeley, da cui è stato sempre distribuito gratuitamente.
La prima versione risale al 1971. Risolveva circuiti con max 400
componenti e 100 nodi, l’input avveniva mediante schede perforate.
Nel corso degli anni sono state rilasciate nuove versioni del
programma caratterizzate dall’utilizzo di metodi numerici più
efficienti, da un linguaggio più potente e da modelli più completi dei
dispositivi.
La versione attuale del simulatore è Spice 3.0.
Oggi tutti i principali fornitori di software CAD/CAE offrono una
versione arricchita di SPICE. Faremo riferimento alla versione demo
di Orcad 10.5.
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Prodotti commerciali basati su Spice3
ORCAD
La versione completa mette a disposizione più di 10000
modelli di componenti analogici è 1600 componenti digitali
E’ lo standard a livello mondiale.
NI Multisim (ex Electronics WorkBench)
Ha un prezzo molto inferiore e si sta affermando come
valida alternativa.
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Caratteristiche di Pspice
Pspice, versione di Spice per personal computer, sviluppato dalla
Microsim Corporation e commercializzato a partire dal 1984, è
attualmente distribuito dalla CADENCE all’interno del pacchetto di
simulazione ORCAD.
Orcad è disponibile in numerose versioni per i diversi sistemi
operativi (DOS, Windows, Unix, etc.)
Pspice è in grado di analizzare circuiti contenenti fino a 130 elementi
e 100 nodi.
I circuiti possono contenere resistori, induttori, condensatori,
generatori dipendenti e indipendenti, amplificatori operazionali,
trasformatori, linee di trasmissione e dispositivi a semiconduttore
(diodi, BJT, Mosfet, etc.).
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Tipi di analisi possibili
Bias Point
DC sweep
AC (Noise)
Transient
Parametric
Monte Carlo
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Bias Point
Pspice determina il punto di lavoro del circuito assumendo gli
induttori in corto circuito e i condensatori come tasti aperti. Una
analisi del regime continuo è automaticamente eseguita prima di ogni
studio di transitorio per determinare le condizioni iniziali e prima di
una analisi in frequenza con piccoli segnali per determinare i valori
dei parametri dei modelli linearizzati dei dispositivi non lineari.
DC sweep
Calcola il valore di regime in d.c. delle tensioni e correnti quando il
valore di uno o più generatori, della temperatura o di un parametro è
fatto variare in modo discreto in un certo intervallo di valori.
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AC
L'analisi AC viene normalmente usata per fornire le risposte di
frequenza e di fase di un circuito, ma SPICE offre anche la possibiltà
di realizzare delle analisi di rumore e di distorsione.
Prima di iniziare questa operazione SPICE esegue una analisi DC per
determinare il punto di lavoro del circuito in modo da linearizzare
ogni elemento non lineare nell'intorno del punto stesso.
Se nel circuito é prevista soltanto una sorgente AC, imponendo
l'ampiezza e la fase rispettivamente ad uno e zero le variabili di
uscita rappresentano immediatamente la funzione di trasferimento.
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Noise
All’interno dell’analisi AC, SPICE calcola il contributo di rumore
dovuto ad ogni elemento del circuito: rumore termico introdotto dai
resistori, rumore flicker e shot relativo ai semiconduttori, rumore
termico generato dalle resistenze ohmiche di modelli dei dispositivi.
Il rumore generato da un elemento circuitale può essere modellato
come una "eccitazione elettrica" per il circuito ai piccoli segnali. Ogni
sorgente di rumore é assunta scorrelata dalle altre, ed il suo
contributo é calcolato separatamente.
Il rumore totale é allora la radice quadrata della somma del valore
quadratico medio di ciascun contributo di rumore.
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Transient
SPICE fornisce l'uscita (tensioni e correnti) come funzione del tempo
in un intervallo specificato dall'utente. L'analisi é preceduta dal
calcolo del punto di riposo della rete dal quale partire.
All'analisi del dominio del tempo può essere aggiunta l'analisi di
Fourier, con la quale si ottengono la componente continua e le
prime nove armoniche dell'uscita.
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Parametric
Tutte le analisi viste in precedenza possono essere eseguite al variare
di un parametro (temperatura, valore di un componete) in un
determinato intervallo.
Monte Carlo
Viene analizzato il comportamento del circuito tenendo conto delle
tolleranze dei valori dei componenti. E’ un’analisi di tipo statistico.
Viene ripetuta la stessa simulazione n volte. All’inizio di ciascuna
viene estratto (in modo random) il valore di ogni componente
(nell’ambito del campo di tolleranza assegnato).
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Uso di PSPICE
Composizione del circuito (si disegna con un editor grafico)
Definizione del tipo di simulazione
Esecuzione simulazione
Pspice in modo automatico esegue le seguenti operazioni:
1) Verifica dell’integrità del circuito
2) Creazione della netlist: è il file che contiene la descrizione
topologica del circuito e il tipo di simulazione. Questo file
rappresenta l’input del simulatore
Avvio del programma di visualizzazione dei risultati
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Principio di funzionamento
Preprocessing
Processing
Text
Editor
*.cir
ASCII
Schematics
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*.sch
BIN
Postprocessing
*.out
ASCII
Text
Editor
*.dat
BIN
Probe
Pspice
*.lib
ASCII
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Netlist
E’ un file ASCII:
a) Descrizione topologica del circuito.
Viene descritto ogni elemento, indicando i nodi entro cui è
inserito, il tipo di elemento, i parametri di questo.
Sintassi:
Tipo elemento_nome elemento <Nodo iniziale>
finale> parametri elemento
Tipo elemento:
<Nodo
R resistenza
L induttanza
C capacità
………..
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Metodo dei nodi modificato
A partire dalla NETLIST viene creato il sistema di equazioni integrodifferenziali secondo il metodo dei nodi.
Si ottiene un sistema di equazioni differenziali in cui le incognite
sono le tensioni di nodo e le correnti nei rami in cui sono presenti
dei generatori ideali di tensione.
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Componenti principali di ORCAD
Capture
(interfaccia grafica per l’input del circuito)
A/D Spice
(simulatore)
Probe
(permette di analizzare i risultati)
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Applicazioni principali del pacchetto
Capture: Un editor grafico, usato per disegnare sullo schermo il
circuito da simulare.Consente di posizionare i componenti ,
collegarli assieme per formare il circuito e inoltre di specificare il
tipo di analisi da eseguire.
Pspice A/D: Il programma che simula il circuito creato con
Schematics. Simulare un circuito significa costruire un modello
matematico del circuito a partire dai modelli dei componenti e
risolverne le equazioni risultanti.
Probe:Programma che fornisce una visualizzazione grafica dei
risultati generati da Pspice. Può essere utilizzato per tracciare il
grafico di una qualunque tensione o corrente del circuito.
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Avvio di Orcad
Il programma si avvia dalla barra programmi di Windows, selezionando
programmi>Orcad 10.5 demo > Capture CIS Demo
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Orcad Capture
Apparirà la seguente sessione
di lavoro sullo schermo.
Inizialmente si potrà aprire un
file esistente o crearne uni
nuovo relativo a un disegno o
libreria.
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Orcad Capture
La finestra minimizzata della
Session Log contiene registrati
tutti gli eventi e errori
verificatisi durante la sessione
attuale.
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Orcad Capture Session Log
Nulla è registrato inizialmente
perché nessun file di disegno è
stato aperto.
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Orcad Capture
I comandi utilizzati più
frequentemente sono disponibili
come icone sulla barra
superiore.
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Creare un nuovo progetto
Occorre specificare:
il nome del progetto;
Analog or Mixed A/D
la localizzazione del file
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Creare un nuovo progetto
Si apre la pagina del progetto
(PAGE1) creata per default.
Si
apre
l’insieme
degli
strumenti
dello
Schematics
Viene creato l’insieme di cartelle
che raccolgono i vari file che
contengono il progetto.
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Struttura del progetto
Il progetto si articola in uno o più disegni (Schematics), ciascuno a loro
volta composto da uno o più pagine (Page).
La cartella Design Resource contiene il
progetto (DSN) composto dai disegni e i
corrispondenti fogli.
La cartella Library contiene l’insieme dei
componenti presenti nel progetto.
La cartella Outputs contiene i file dei
risultati della simulazione.
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Aggiungere un nuovo disegno
Per aggiungere un nuovo disegno,
selezionare il progetto (DSN) e poi
Design> New Schematic
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Aggiungere un nuovo disegno
Un nuovo disegno è aggiunto al
progetto
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Aggiungere una nuova pagina
Per aggiungere una nuova pagina,
selezionare il disegno corrispondente
e poi Design> New Schematic Page
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Aggiungere un nuova pagina
Una nuova pagina è aggiunta al
progetto
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Schematic
Cliccando sulla pagina si accede allo Schematic. Rappresenta l’editor
grafico, usato per disegnare sullo schermo il circuito da simulare.
Consente di posizionare i componenti , collegarli assieme per formare il
circuito e inoltre di specificare il tipo di analisi da eseguire.
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Schematics Regole generali
Per selezionare un oggetto: click sul pulsante sinistro una sola volta.
Per eseguire un’azione: doppio click sul pulsante sinistro.
Per annullare una qualunque operazione: premere <Esc>.
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Creazione dei circuiti con Schematics
Inserimento dei componenti del circuito.
Collegamento dei componenti tra loro per formare il
circuito.
Modifica degli attributi dei componenti
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Inserimento dei componenti
E’ possibile aggiungere ora i
componenti sulla pagina. Per
piazzare un componente
Place > Part oppure con
l’icona corrispondente.
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Selezionare una libreria
dei componenti nella
finestra Libraries.
Infine selezionare il
componente che si vuol
collocare,
quindi
premere OK.
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Aggiunta di una libreria
Clicca su Add Library
per
aggiungere
il
contenuto di una nuova
libreria.
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Ricerca di un componente
E’ possibile la ricerca
per
testo
(anche
incompleto)
di
un
singolo
componente,
una volta che è stata
selezionata una o più
librerie.
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Un clic sul pulsante sinistro del
mouse per piazzare il componente.
E’ possibile piazzare i componenti
fino alla pressione del tasto destro
del mouse e quindi del tasto sinistro
sul menù End Mode oppure con il
tasto ESC della tastiera. Con Ctrl+R il
componente viene ruotato.
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Collegamento dei componenti
Dopo aver piazzato tutti i
componenti, occorre collegarli
mediante:
Place > Wire;
icona sul menù a destra
dello schermo
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Spostare il cursore sul pin del primo
elemento;
un clic con il tasto sinistro del mouse;
spostare il cursore (filo) fino al pin del
secondo elemento;
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Un clic sul tasto sinistro del mouse quando
il collegamento è sul pin del secondo
elemento.
Un clic su End wire dal menù oppure
premere ESC da tastiera per completare il
collegamento.
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E’ possibile collegare due componenti
senza effettuare un modo anche se passa
un collegamento già tracciato.
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Oppure effettuare un clic sul precedente
collegamento per inserire un nodo
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E’ possibile effettuare le connessioni sugli
incroci
precedentemente
piazzati
effettuando un clic sull’icona Place
Junction. Un clic sull’incrocio determina la
nuova connessione.
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La connessione può essere rimossa con lo
stesso attrezzo (icona Place Junctions),
cliccando con il mouse sul nodo
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Elementi circuitali
Part name
Attributi
Libreria ANALOG
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Generatori indipendenti di tensione
Libreria SOURCE
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Generatori indipendenti di corrente
Libreria SOURCE
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Generatori Dipendenti
Generatore di tensione
controllato in tensione
Libreria SOURCE
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Amplificatori Operazionali
Operazionale tipo
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Part-name
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Esempio
Si costruisce il seguente circuito: gli elementi passivi si trovano nella
libreria Analog, il generatore si trova nella libreria Source.
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Nome
Ciascun attributo consiste
di un nome e del suo
corrispondente valore
Valore
Attributo
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Cliccando sul nome dell’elemento si attiva la finestra di dialogo Dispaly
Properties
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Fattori di scala
Per maggior comodità è possibile esprimere i valori numerici per
mezzo di fattori di scala riportati in tabella.
Simbolo
T
G
MEG
K
M
U
N
P
F
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Valore
1012
109
106
103
10-3
10-6
10-9
10-12
10-15
Nome del suffisso
tera
giga
mega
kilo
milli
micro
nano
pico
femto
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Si aggiunge il collegamento di massa 0/SOURCE (è obbligatorio).
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Verifica dell’integrità del progetto
Per verificare l’integrità dei
collegamenti selezionare
nell’albero la cartella
Schematics e nel menù
Tools>Design Rules Check..
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Gli errori di collegamento
effettuati nel progetto
vengono memorizzati in un
apposito file . DRC.
Selezionare l’opzione View
Output per vedere il
contenuto del file.
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Definizione dei parametri di Simulazione
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Trattandosi di un circuito in regime continuo si esegue una
simulazione di tipo Bias Point.
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Creazione della NetList
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Visualizzare della NetList
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Avvio della simulazione
La simulazione si avvia con il
bottone ‘Freccia Blu’.
Si apre la finestra del simulatore PSpice
A/D in cui si può controllare lo stato di
avanzamento e l’esito della simulazione.
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Risultati
Se il tasto Enable Bias Voltage display è selezionato sullo schema in
corrispondenza dei nodi appare il valore di tensione calcolato.
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Si definisce un’analisi di tipo Transient per la durata di 1s
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Simulazione
Si avvia la simulazione
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67
Probe
Al termine
della
simulazione
si avvia
automatica
mente il
Probe
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Probe per visualizzare il grafico
Inizialmente abbiamo solo i valori in ascissa l’asse Y e’ vuoto
Selezioniamo Trace/ Add e aggiungiamo la corrente in R1
Si possono visualizzare altre tracce con Windows/ New
Cancellare le tracce con Edit /Delete
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Add Trace
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Add Trace
Nella lista delle grandezze disponibili si selezionano quella che si vuole disegnare.
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Plot Trace
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Simulazione di un circuito RC in regime sinusoidale
(verifica della tensione d’uscita Vc a frequenza
superiore a quella di taglio)
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Costruzione del circuito
Libreria Analog
Libreria Source
VSIN
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Probe di visualizzazione delle grandezza
Si aggiungono i Probe di tensione e/o
di corrente relativamente alle
grandezze che si vogliono analizzare.
Le tensioni sono quelle relative al nodo
di massa.
75 Luca Sani
l’ingegneria
elettrica
20052006
8 aprile
2007
Luca Sani perDSEA
Università
75
Parametri della simulazione
76 Luca Sani
l’ingegneria
elettrica
20052006
8 aprile
2007
Luca Sani perDSEA
Università
76
Risultato della simulazione
77 Luca Sani
l’ingegneria
elettrica
20052006
8 aprile
2007
Luca Sani perDSEA
Università
77
Simulazione di un ponte di Graetz con
condensatore di filtro
L’interruttore che inserisce la capacità di spianamento viene chiuso all’istante
tClose = 40 ms.
78 Luca Sani
l’ingegneria
elettrica
20052006
8 aprile
2007
Luca Sani perDSEA
Università
78
Libreria Eval
D1N4148
Libreria Source
VSIN
79 Luca Sani
Libreria Anaolg
Libreria Eval
Sw_tClose
Sonda differenziale
per avere la
tensione di ingresso
l’ingegneria
elettrica
20052006
8 aprile
2007
Luca Sani perDSEA
Università
79
80 Luca Sani
l’ingegneria
elettrica
20052006
8 aprile
2007
Luca Sani perDSEA
Università
80
81 Luca Sani
l’ingegneria
elettrica
20052006
8 aprile
2007
Luca Sani perDSEA
Università
81

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