Data wykonania ćwiczenia: Ćwiczenie prowadził:

Transkrypt

1 W O J S K O W A A K A D E M I A T E C H N I C Z N A WYDZIAŁ ELEKTRONIKI Drukować dwustronnie T E C H N I K A O B L I C Z E N I O W A I S Y M U L A C Y J N A Grupa Nazwisko i imię: Ocena Data wykonania ćwiczenia: Ćwiczenie prowadził: Uwagi: Podpis: SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO Temat: Zaawansowane Metody Symulacji w Języku SPICE 1. ZADANIA Zadanie 1. Wykorzystać funkcje Probe do zobrazowania w SpiceNet przebiegów: napięć, prądów i rozpraszanych mocy we wzmacniaczu z rys. 1. Parametry analiz: AC przedział częstotliwości 10Hz 10MHz, dokładność 100 pkt./dek., TRAN wymuszenie w postaci bipolarnej fali prostokątnej o współczynniku wypełnienia 0.5, częstotliwości 1 khz i amplitudzie 5 mv, krok czasowy 1µs, całkowity czas analizy czasowej (Total Analysis Time) 6 ms, wyprowadzenie wyników dla zobrazowania pojedynczego okresu wymuszenia. Po uruchomieniu symulatora okienko Simulation Status pozostawiamy aktywne. Wykorzystać wskazówki zawarte w p (ZMS_2016\SONDA\SONDA.DWG) Zadanie 2. Rys. 1. Wyznaczyć stałoprądowe charakterystyki przejściowe wzmacniacza (rys. 2) dla rezystancji R2, zmienianej dyskretnie w przedziale wartości od 20 kω do 100 kω z krokiem 20 kω. Przyjąć zakres zmian napięcia wejściowego (V1) od 1.5 V do 1.5 V z krokiem co 1 mv. Do deklaracji analizy wykorzystać pole Wizards w ustawieniach symulacji (Simulation Setup/Analysis Wizard). Po przeprowadzeniu symulacji odniesienia, powrocie do SpiceNet, wybraniu do zmian wartości rezystora R2 (w okienku Alter for R2 polu Sweep Mode) ustalić liniowy sposób zmiany rezystancji. Do wyprowadzenia wyników symulacji wykorzystać wskazówki zawarte w p Określić wartości wzmocnień stałoprądowych, przyrostowych oraz dostępne poziomy napięcia wyjściowego. (ZMS_2016\DCAC_PAR_ODO\ODO.DWG) Rys. 2. Sprawozdanie: Zaawansowane metody symulacji w języku SPICE str. 1 z 6

2 Wnioski i spostrzeżenia (do wszystkich zadań): Sprawozdanie: Zaawansowane metody symulacji w języku SPICE str. 2 z 6

3 Zadanie 3. Przeprowadzić parametryczną analizę AC wzmacniacza z zadania poprzedniego dla identycznego sposobu zmian R2. Analizę przeprowadzić w przedziale częstotliwości 100 Hz 1 MHz z dokładnością 100 pkt./dek. Porównać wartości wzmocnień z wynikami z zadania 2. Wykorzystać wskazówki zawarte w p (ZMS_2016\DCAC_PAR_ODO\ODO.DWG) Zadanie 4. Wykorzystać analizę parametryczna w celu wyznaczenia optymalnej wartości pojemności C_korpoj dla uzyskania maksymalnie płaskiej charakterystyki amplitudowo częstotliwościowej wzmacniacza (rys.3). Wartość pojemności zmieniać w przedziale 2 nf 20 nf z krokiem 2 nf. Po wstępnym (przybliżonym) oszacowaniu wartości pojemności dla udokładnienia jej wartości przeprowadzić ponownie symulację z krokiem 0.2 nf w otoczeniu oszacowanej wartości. Analizy przeprowadzić w przedziale częstotliwości 1 khz 10 MHz z dokładnością 100 pkt./dek. Wykorzystać wskazówki zawarte w p (ZMS_2016\AC_PAR_KOR\KORPOJ.DWG) Zadanie 5. Rys. 3. Przeprowadzić stałoprądową analizę temperaturową dzielnika rezystancyjnego (rys. 4) dla temperatur obwodu 27 0 C i C. Przyjąć dla R2 (w oknie Resistor Properties) wartości temperaturowych współczynników TC1=0.01, TC2=0.001, temperaturę odniesienia TNOM=27 0 C. Źródło (DC) V1=10V. Porównać zapis deklaracji rezystorów R1 i R2 w wejściowym pliku tekstowym (Action/Text Edit/Cir). Pierwszą symulację przeprowadzić dla temperatury 27 0 C (ustalonej w oknie Simulation Setup/Circuit Temperature.../Circuit Temperature 27 deg). Wyniki z symulacji wyprowadzić w SpiceNet (Options/Refresh OP Value) i zobrazować w IntuScope (wymaga deklaracji analizy czasowej bez deklaracji źródła czasowego). Porównać wartości napięć z wartościami wyznaczonymi teoretycznie (zal. 4.1). Wykorzystać wskazówki zawarte w p (ZMS_2016\TEM_R\DC_TEMPER.DWG) Zadanie 6. Rys.4. Wykorzystać parametryczną analizę temperaturową (w przedziale temperatur od 20 C do 60 C z krokiem 20 C) do wyznaczenia wpływu temperatury na stałoprądowe charakterystyki przejściowe modelu wzmacniacza operacyjnego (rys. 5). Wyznaczyć: wzmocnienie otwartopętlowe wzmacniacza, wejściowe napięcie niezrównoważenia i cieplny współczynnik zmian tego napięcia. Symulacje przeprowadzić w przedziale zmian napięcia źródła V1 od -2mV do 1.2mV z krokiem 0.001mV. Wykorzystać wskazówki zawarte w p str 141. (ZMS_2016\TEM_PAR_WO\WO.DWG) Sprawozdanie: Zaawansowane metody symulacji w języku SPICE str. 3 z 6

4 Zadanie 7. Rys. 5. Porównać własności termiczne wzmacniaczy (rys. 6) zrealizowanych z wykorzystaniem wybranych układów zasilania i stabilizacji pp. Dla celów porównawczych wykorzystać analizę czasową. Parametry źródeł V1 i V3: sygnały sinusoidalne o amplitudzie 10 mv i częstotliwości 10 khz. Całkowity czas analizy czasowej 2,2 ms z krokiem 1µs, wyprowadzenie wyników dla zobrazowania dwóch okresów przebiegu. W pierwszym kroku przeprowadzić symulację dla temperatury 27 0 C i po wyprowadzeniu wyników (IntuScope Wy 1 i Wy 2) porównać wartości wzmocnień dla składowych zmiennych (menu Calculator/Measurements/Peak too Peak). Następnie przeprowadzić parametryczną analizę temperaturową w przedziale zmian temperatury od 30 0 C do C z krokiem zmian 30 0 C. Ocenić własności układów poprzez porównanie uzyskanych wyników symulacji (IntuScope). Wykorzystać wskazówki podane w p (ZMS_2016\TEM_RC_TRAN_PAR\RC.DWG) Zadanie 8. Rys. 6. Przeprowadzić analizę Fouriera dla unipolarnej fali prostokątnej o amplitudzie A=1 V, częstotliwości 1 khz i współczynniku wypełnienia 0.5. Czas analizy dobrać dla pojedynczego okresu sygnału. Wykorzystać wskazówki zawarte w p Symulacje poprzedzić obliczeniami poziomów składowych widma amplitudowego. Dla rozpatrywanego przebiegu 2 A amplitudy składowych nieparzystych widma można wyznaczyć z zależności: składowa podstawowa, trzecia Π 2 A 2 A harmoniczna, piąta harmoniczna. Porównać wyniki z symulacji (dostępne w tekstowym pliku wyjściowym OUT) 3Π 5Π z wartościami obliczonymi z podanych zależności. (ZMS_2016\FOURIER_PROST\FOUR_PROST.DWG) Rys. 7. Zadanie 9. Korzystając z opisu sposobu przeprowadzenia małosygnałowej analizy zniekształceń nieliniowych rys (p ) przeprowadzić symulacje wzmacniacza (rys. 8) z pojedynczym źródłem Disto F1 dla dwóch wartości amplitud sygnału (2 mv i 4 mv) deklaracje poziomów sygnałów wprowadza się w okienku własności Voltage Source Properties w wierszu Disto F1. Przedział częstotliwości analizy przyjąć taki sam jak na str Ponieważ symulacje prowadzone są z pojedynczym źródłem nie wypełniamy pola F2 over F1 w okienku Small Signal Distortion Analysis (wybieranym z głównego okna ustawień symulacji Simulation Setup). Przed uruchomieniem symulatora upewnić się czy w okienku Test Point Properties (Y1) zadeklarowano gromadzenie wyników zniekształceń (Distortion yes). Po wyprowadzeniu wyników (z dwu symulacji) w IntuScope (z wykorzystaniem okienka Add Waveform Type disto1) wykorzystać kursory do porównania poziomów drugiej harmonicznej. Porównanie przeprowadzić w pełnym zakresie zdefiniowanych częstotliwości. (ZMS_2016\DISTO\DISTIF1.DWG) Sprawozdanie: Zaawansowane metody symulacji w języku SPICE str. 4 z 6

5 Zadanie 10. Rys. 8. Wzorując się na opisie symulacji przedstawionej w p przeprowadzić analizę szumową układu z rys. 9. (deklaracje analizy wybieranym w głównym oknie ustawień symulacji Simulation Setup Noise..- Noise Analysis). Symbol przypominający wzmacniacz operacyjny jest sterowanym napięciowo źródłem prądowym (G1 = 0.1 A/V). Przedział częstotliwości analizy przyjąć taki sam jak na str Należy pamiętać o tym, że dla analizy szumowej należy zadeklarować źródło V1 (AC) o amplitudzie 1V. Przed rozpoczęciem analizy szumowej przeprowadzić analizę AC. Po wyprowadzeniu wyników z tej analizy w IntuScope wyznaczyć wzmocnienie i określić własności częstotliwościowe wzmacniacza. Deklaracje parametrów analizy szumowej przedstawiają zawartości okienek z rys (wypełnianie intuicyjnie). Po przeprowadzeniu symulacji dla analizy szumowej tylko wyniki obliczeń widmowych gęstości mocy można wyprowadzić w IntuScope (wybieramy z okienka Add Waveform Type noise 1, Y Axis inoise, onoise). Te i pozostałe charakterystyki szumowe dostępne są w wyjściowym pliku tekstowym wybranym z wykorzystaniem zakładki Action/Text/Output. Porównać wyniki z symulacji z wartościami wyznaczonymi teoretycznie (bez wspomagania komputerowego - strony 152 i 153). W ostatnim kroku przeprowadzić symulacje układu w celu wyznaczenia transmitancji H 1 (f) i H 2 (f) (str.153). W celu wyznaczenia tej drugiej należy zmienić miejsce źródła odniesienia V1. (ZMS_2016\ANSZUM\SZUM.DWG) Zadanie 11. Rys. 9. Przeprowadzić statystyczną analizę (Monte Carlo AC) pasywnego filtru środkowoprzepustowego (rys. 10) dla szerokości pasma, wartości maksymalnej poziomu sygnału wyjściowego (minimalnego tłumienia) i częstotliwości środkowej. Zadeklarować 10% tolerancje elementów, źródło sygnału V1 AC=1 V, ustalić parametry analizy częstotliwościowej (liniowa zmiana częstotliwości, przedział częstotliwości Hz, ilość punktów na dekadę 100). Wartości tolerancji deklaruje się w okienkach Properties własności elementów w zakładkach Tolerance/Sweep/Optimize w polach Case. Analizę statystyczną poprzedzić symulacją AC (dla wyznaczenia szerokość pasma filtru, częstotliwości środkowej i minimalnej wartości tłumienia - wykorzystać dostępne funkcje pomiarowe). W kolejnym kroku dla przeprowadzenia analizy Monte Carlo i wyprowadzenia wyników symulacji wykorzystać wskazówki podane w p str (Wyniki wyprowadzić w edytorze graficznym (IntuScope) i wyjściowym pliku tekstowym.) (ZMS_2016\ANMONTE\MONTE.DWG) Rys. 10. Sprawozdanie: Zaawansowane metody symulacji w języku SPICE str. 5 z 6

6 Zadanie 12. Przeprowadzić stałoprądową analizę wrażliwości dzielnika rezystancyjnego (węzeł 2) i potencjometrycznego układu zasilania i stabilizacji punktu pracy ze sprzężeniem emiterowym (węzeł 4 rys. 11). Wykorzystać wskazówki zawarte w p Ustalono napięcia zasilające DC: 1V dla dzielnika rezystancyjnego i 12 V dla układu zasilania i stabilizacji punktu pracy. Analizę wrażliwości przeprowadzamy w dwóch krokach. W pierwszym dla dzielnika rezystancyjnego, a w drugim dla układu ustalającego PP. Analizę deklaruje się w okienku ustawień symulacji po wybraniu pola DC/AC Sensitivity...(Simulation Setup/DC/AC Sensitivity). W pojawiającym się okienku DC and AC Sensitivity Analysis w polu DC Output node voltage podajemy numer węzła dla którego będą prowadzone obliczenia (V(2)). Nie wypełniamy pól dotyczących analizy AC. Wyniki obliczeń dostępne są w wyjściowym pliku tekstowym. Po wyprowadzeniu wyników porównać je z wynikami otrzymanymi bez wspomagania komputerowego p W drugim kroku przedstawiony sposób postępowania stosujemy dla węzła nr. 4. Wykorzystać wyniki symulacji dla znalezienia rezystorów które mają największy wpływ na zmiany potencjałów V2 i V4. (ZMS_2016\ANSENSITIVITY\SENSITIVITY.DWG) Rys. 11. Sprawozdanie: Zaawansowane metody symulacji w języku SPICE str. 6 z 6