KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROJEKTOWANIA UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH. PROJEKT Nr projektu: 34

Transkrypt

1 KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROJEKTOWANIA UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH PROJEKT Nr projektu: 34 Michał Kaszuba Nr indeksu: Kierunek: Elektronika i Telekomunikacja Specjalnośd: Multimedia i Elektronika Powszechnego Użytku Rok akademicki: 2010/11 1 S t r o n a

2 1. Symulacja układu Wzmacniacz różnicowy z rys w programach PSpice, APLAC i Multisim: Układ, który miałem za zadanie zasymulowad: Jest to wzmacniacz różnicowy, jego działanie polega na wzmacnianiu różnicy napięd która pojawia się między dwoma wejściami, wzmocnione napięcie jest również różnicowe i występuje między dwoma wyjściami PSpice: schemat układu którego zbudowałem: Zamiast tranzystorów podanych na schemacie z książki zastosowałem standardowe tranzystory z PSpice ponieważ tranzystorów LM394 i 2N4142 nie ma w PSpice oraz nie mogłem znaleźd do nich modeli. Źródła napięcia odniesienia LM385 również nie ma w PSpice, na polecenie prowadzącego wstawiłem tam źródło napięciowe. Na wejścia różnicowe układu podałem różnicowo dwa sygnały sinusoidalne o parametrach widocznych an schemacie. 2 S t r o n a

3 a) analiza czasowa Transient: Ustawienia analizy: Wykres czasowy sygnałów na wejściach: Wykres czasowy różnicy sygnałów na wejściach (zastosowałem markery napięcia różnicowego Markers -> Mark Voltage Differential): Wykres czasowy różnicy sygnałów na wyjściach (zastosowałem markery napięcia różnicowego Markers -> Mark Voltage Differential): 3 S t r o n a

4 Jak widad układ działa prawidłowo wzmacnia różnicę napięd na wejściach. Wzmocnienie wynosi ok. 100, co mniej więcej zgadza się po podstawieniu wartości liczbowych do wzorów z książki. b) analiza AC Sweep: ustawienia analizy: Do źródeł sinusoidalnych dodałem składnik AC = 0.1 aby można było przeprowadzid tą analizę. Wynik analizy AC: Na wykresie widad wyraźnie, że układ działa dobrze dla częstotliwości mniejszych niż ok. 100kHz, potem następuje gwałtowny spadek napięcia różnicowego na wyjściu układu. 4 S t r o n a

5 c) analiza DC Sweep: Ustawienia analizy: Analiza obejmuje przemiatanie amplitudy źródła sinusoidalnego V15 od 10mV do 200mV. Wynik analizy: Na wykresie widad wyraźnie, że dla im większa amplituda źródła V15, tym większa amplituda sygnału różnicowego na wyjściu, ale zależnośd ta ma charakter logarytmiczny od pewnych wartości źródła wzmacniacz się nasyca od ok. 175mV. Wynika to ze zbyt dużej różnicy między wejściami wzmacniacza przez co wzmacniacz się nasyca. Zakres napięcia na wyjściach mieści się wtedy od 9.5 do 15V, stąd napięcie różnicowe na wyjściu w stanie nasycenia wzmacniacza wynosi ok.5.5v. 5 S t r o n a

6 d) analiza temperaturowa: Ustawienia analizy: Wynik analizy: Z otrzymanego wykresu widad, że wzrost temperatury powoduje wzrost wyjściowego napięcia różnicowego. Zatem wzmocnienie napięciowe układu zależy silnie od temperatury. Zmodyfikowałem nieco wartości źródeł aby ta zależnośd była wyraźnie widoczna. 6 S t r o n a

7 e) analiza parametryczna: Za pomocą analizy parametrycznej zbadałem wpływ wartości rezystora R10 na wzmocnienie różnicowe układu: Schemat układu: Ustawienia analizy: Wynik analizy: Jak widad z otrzymanych wykresów, wartośd rezystora R10 ma znaczący wpływ na wzmocnienie układu. Im jego wartośd jest mniejsza tym wzmocnienie różnicowe większe i na odwrót. Jest to logiczne, bo rezystor ten reguluje wielkośd prądu wymuszanego przez źródło prądowe, a co za tym idzie i spadki napięcia na rezystorach kolektorowych więc i w konsekwencji wielkośd napięcia wyjściowego. 7 S t r o n a

8 f) analiza Worst Case (najgorszego przypadku): Ustawienia analizy: Wynik analizy: Analiza bada największe odchylenie od wartości nominalnych dla wyjściowego napięcia różnicowego. Jak widad, maksymalne odchylenie (najgorszy przypadek) jest niewielkie, a to za sprawą precyzyjnych rezystorów o tolerancji wartości 1%. g) analiza Monte Carlo: ustawienia analizy: 8 S t r o n a

9 wynik analizy: Jak widad z otrzymanych wyników, najczęściej amplituda przebiegu różnicowego na wyjściu wynosi 1,98V. Poniżej histogramu podane są wartości statystyczne. Z faktu zastosowania precyzyjnych rezystorów o tolerancji 1%, analiza statystyczna nie wykazała dużej rozbieżności przebiegów. Stosując takie rezystory możemy byd pewni, że amplituda przebiegu różnicowego na wyjściu nie będzie mied większych odchyleo niż 100mV dla tych konkretnych parametrów przebiegów wejściowych. h) optymalizacja: Dokonałem optymalizacji wartości rezystora R14, aby prąd Ic(Q4) był równy 23uA. Schemat układu: 9 S t r o n a

10 Ustawienia obiektu OPTPARAM oraz ustawienia optymalizacji: Wynik optymalizacji: Analiza czasowa po optymalizacji: Jak widad, prąd Ic(Q4) jest równy 23uA z drobnymi wahaniami zależnymi od podanego sygnału wejściowego. 10 S t r o n a

11 Optymalizacja jest dobrym narzędziem, gdy projektujemy jakiś układ i chcemy osiągnąd jakąś wartośd (napięcie, prąd itp) w danym punkcie układu zamiast to żmudnie liczyd ręcznie można się posłużyd tym narzędziem, które w iteracyjny sposób znajdzie odpowiednie wartości elementów, aby otrzymad zadany cel. i) wprowadzenie modyfikacji parametrów modelu wybranego elementu i wykonanie jakiejś analizy: Przemiatałem parametr Bf (wzmocnienie prądowe tranzystora) tranzystora Q4 i obserwowałem prąd wpływający do źródła napięcia. Ustawienia analizy: Wynik analizy: Jak widad, im większa beta, tym większy prąd wypływający ze źródła prądowego, co jest logiczne. 11 S t r o n a

12 1.2. APLAC: Schemat układu: a) analiza czasowa Transient: Schemat układu i program: 12 S t r o n a

13 Wynik symulacji: różnica napięd na wejściach: różnica napięd na wyjściach: Jak widad, wynik jest porównywalny z tym otrzymanym w PSpice, jedynie amplituda jest nieco mniejsza o ok. 300mV, ale może to wynikad z innych modeli tranzystorów. Program jaki napisałem do tej analizy jest prosty i krótki, polega on na wykonaniu 1000 iteracji w przedziale czasu od 0 do 1s, a więc z rozdzielczością 1ms i z takim krokiem zostaje rysowany odpowiedni wykres, który tu jest napięciem różnicowym między wyjściami. Wzmocnienie układu dla napięcia wejściowego różnicowego wynosi ok. 10, co zgadza się z wynikiem otrzymanym w programie PSpice. 13 S t r o n a

14 b) analiza zmiennoprądowa AC Sweep: Schemat układu: Wynik analizy: Zastosowane tranzystory to 2N3390_fc z zewnętrznej biblioteki Fairchild. Widad, że układ działa prawidłowo w pewnym zakresie częstotliwości, od ok. 1 MHz do 1 GHz. W tej symulacji zmuszony zostałem do uproszczenia układu (źródło prądowe na 4 elementach -> źródło prądowe na 1 elemencie) z powodu ograniczeo wersji studenckiej APLAC-a (dostawałem komunikat o ograniczeniu pamięci w wersji studenckiej). 14 S t r o n a

15 c) analiza stałoprądowa DC: Schemat układu + program: Wynik analizy: Jak widad, analiza stałoprądowa przebiegła prawidłowo i prawidłowo zostało wyliczone napięcie w punkcie p1. Wynosi on Vee + V1 czyli -15V V = -13,78V. Analiza stałoprądowa pozwala nam zastąpid multimetr, którego brak w Aplacu, a który jest np. w Multisimie jako przyrząd wirtualny. Program do analizy DC jest bardzo krótki i prosty. 15 S t r o n a

16 d) Analiza stałoprądowa DC Sweep: W tej analizie próbowałem wykonad przemiatanie amplitudy źródła V2 od 0 do 0.2 V, jednak ograniczenia wersji studenckiej programu APLAC nie pozwoliły mi na to. Schemat + program: Dostaję taki błąd: e) analiza temperaturowa: Schemat układu + program: 16 S t r o n a

17 Wynik analizy: Jak widad, ze wzrostem temperatury maleje napięcie w punkcie p1. Dzieje się tak dlatego, że im większa temperatura, tym większe prądu płyną przez tranzystor (większa beta i prądy kolektora), a co za tym idzie, na rezystorze R2 odkłada się więcej napięcia i w punkcie p1 zgodnie z II prawem Kirchhoffa napięcie maleje. Analiza temperaturowa jest użytecznym narzędziem, gdy chcemy zasymulowad trudne warunki atmosferyczne, pogodowe czy eksploatacyjne w których będzie pracował układ, niemożliwe lub bardzo trudne do przetestowania w praktyce w laboratorium np. temperatury bardzo wysokie lub bardzo niskie. f) analiza parametryczna: W tej analizie badam wpływ wartości rezystora R4 na natężenie prądu wpływającego do źródła prądowego. układ + program: 17 S t r o n a

18 Wynik symulacji: Z otrzymanych wyników widad wyraźnie, że im wartośd rezystora R4 jest większa, tym prąd wpływający do źródła prądowego (na połączeniu p1) jest mniejszy, co zgadza sie z prawem Ohma I = U/R. Analiza parametryczna pozwala w łatwy sposób prześledzid, jak wartośd jakiegoś elementu wpływa na daną wielkośd, np. napięcie czy prąd, co pozwala zaoszczędzid czasu na samodzielnych eksperymentach w realnym układzie i żmudnym dobieraniu elementów. g) Analiza Monte Carlo: W tej analizie badam wpływ tolerancji elementów na rozrzut wyników, w tym przypadku prądu kolektora tranzystora z pary komplementarnej. W tej symulacji zmuszony zostałem do uproszczenia układu (źródło prądowe na 4 elementach -> źródło prądowe na 1 elemencie) z powodu ograniczeo wersji studenckiej APLAC-a (dostawałem komunikat o ograniczeniu pamięci w wersji studenckiej). Schemat układu: 18 S t r o n a

19 Wynik analizy: Jak widad, dzięki zastosowaniu rezystorów 1%-owych otrzymaliśmy dosyd mały rozrzut prądu I(i1) w funkcji napięcia U(Out). Wykres potwierdza prawo Ohma, bo przy wzroście napięcia rośnie również prąd. h) Optymalizacja: W tej analizie APLAC dobiera wartośd rezystora w obwodzie emitera tranzystora w źródle prądowym, aby prąd wpływający do tego źródła był równy 20uA. Układ + program: 19 S t r o n a

20 Wynik analizy: Jak widad, wystarczającą dokładnośd (10nA) program uzyskał po 15 iteracjach. Wyliczona wartośd rezystora R4 wynosi k, a odpowiadające mu natężenie prądu wpływającego do źródła prądowego wynosi 20,006 ua. i) Zmiana parametru wybranego modelu: W tej analizie zmieniałem współczynnik wzmocnienia prądowego beta (BF) tranzystora w źródle prądowym i badałem wielkośd prądu wpływającego do tego źródła. Schemat układu + program: 20 S t r o n a

21 Ustawienia tranzystora Q6 (w obwodzie źródła prądowego): Wynik analizy: 21 S t r o n a

22 Jak widad z wyników symulacji, wzrost bety powoduje wzrost prądu kolektora tranzystora w źródle prądowym, co zgadza się z teorią. Dla dużych wartości beta ta zależnośd się nasyca, tj. dla dużych zmian bety mamy małe zmiany prądu Multisim: Schemat zbudowanego układu: W Multisimie nie ma pary tranzystorów LM 394 więc zamiast nic zastosowałem popularne tranzystory BC S t r o n a

23 a) Analiza czasowa Transient: Napięcie różnicowe na wejściach: Ustawienia analizy: Wynik analizy: Napięcie wyjściowe różnicowe: Ustawienia analizy: 23 S t r o n a

24 Wynik analizy: Jak widad, analiza czasowa pokazuje analogiczne wyniki do analizy czasowej w PSpice i Aplacu. Odwrócona biegunowośd napięcia wyjściowego względem PSpice wynika z odrotnej kolejności odjęcia napięd wyjściowych (w PSpice Uwy1 - Uwy2, ww APLACu i Multisimie Uwy2 - Uwy1). Wzmocnienie układu, pomimo zastosowania innego typu tranzystorów niż w poprzednich programach jest bardzo zbliżony - stąd wniosek, że typ tranzystorów ma niewielki wpływ na działanie układu, przynajmniej w badanym zakresie napięd. b) Analiza zmiennoprądowa AC: Ustawienia: 24 S t r o n a

25 Wynik analizy AC: Widad, że układ działa dobrze dla częstotliwości poniżej ok. 150kHz, wynik ten różni się od uzyskanych w poprzednich programach, może to wynikad z różnych modeli tranzystorów, innego działania programu itp. Zwłaszcza różnicę widad między analizą AC w Aplacu - ale tam musiałem wstawid źródło prądowe na jednym elemencie, co może byd przyczyną. Wynik uzyskany w Multisimie jest za to bardzo zbliżony do wyniku z PSpice. Układ ma charakter dolnopasmowy. Nie nadaje się do wzmacniania sygnałów szybkozmiennych, np. radiowych i mikrofalowych. Charakterystyka fazowa układu jest płaska do ok. 10kHz, zatem układ nie nadaje się do wzmacniania sygnałów audio, których pasmo sięga 20 khz. Ustawienia: c) Analiza stałoprądowa DC: 25 S t r o n a

26 Wynik analizy: Analiza obejmuje pomiar napięcia różnicowego na wyjściu w funkcji amplitudy źródła V2. Widad, że wynik analizy jest bardzo zbliżony do wyniku z programu PSpice. d) Analiza temperaturowa: Ustawienia analizy: 26 S t r o n a

27 Wynik analizy: Widad, że im wyższa temperatura, tym niższe napięcie różnicowe na wyjściu, w PSpice było odwrotnie, ale dlatego, że odejmowałem napięcie Uwy2 od napięcia Uwy1, a tu odwrotnie. W Aplacu już się zgadza. Zmiana temperatury ma istotny wpływ na działanie układu. e) Analiza parametryczna: W tej analizie badałem wpływ wartości rezystora R3 na wzmocnienie różnicowe układu. Ustawienia analizy: Wynik analizy: 27 S t r o n a

28 Widad, że im większa wartośd rezystora R3, tym wzmocnienie układu jest mniejsze. Wyniki są analogiczne do otrzymanych w PSpice i APLAC u. Im większa wartośd rezystora R3, tym mniejszy prąd wpływa do źródła prądowego, a co za tym idzie wzmocnienie układu jest mniejsze. f) Analiza Worst Case: Ustawienia analizy: 28 S t r o n a

29 Wynik analizy: Widad, że dzięki zastosowaniu precyzyjnych rezystorów o tolerancji 1% najgorszy przypadek niewiele różni się od przypadku idealnego. Program Multisim podaje procentową różnicę oraz wartości rezystorów niezbędnych aby uzyskad najgorszy przypadek. Takie rezystory mogą się trafid w ramach rezystorów 1%-owych. g) Analiza Monte Carlo: Ustawienia analizy: Wynik analizy: 29 S t r o n a

30 Jak widad, analiza wykazała, że dla zastosowanych tolerancji rezystorów 1% wyniki są bardzo zbliżone do siebie - na pierwszy rzut oka dla wykresu 50 przebiegów Monte Carlo nie widad większych rozbieżności i wygląda to na jedną sinusoidę. h) Zmiana parametru modelu: W tym punkcie sprawdziłem, jak współczynnik wzmocnienia prądowego beta (BF) tranzystora 2N4124 (w obwodzie źródła prądowego) wpływa na wzmocnienie układu. Ustawienia analizy: 30 S t r o n a

31 Wynik analizy: Powiększenie szczytu sinusa: Analiza uwidoczniła ważną cechę układu: różnia wzmocnienia jest między beta tranzystora równą 10 a 150. Powyżej 150 na wyjściu mamy praktycznie tą samą wartośd. Nie warto więc przepłacad i kupowad droższych tranzystorów o większym wzmocnieniu w tym wypadku. Dzięki tej analizie możemy zaoszczędzid pieniądze na elementy. 31 S t r o n a

32 2. opis działania i przykład symulacji elementu DQPSK Encoder w programie APLAC: Element DQPSK Encoder jest koderem różnicowej kwadraturowej modulacji cyfrowej z kluczowania fazy (DQPSK). Bitom danych odpowiadają zmiany fazy sygnału QPSK w porównaniu z poprzednim. Element ten właściwie odpowiada modulacji π/4-dqpsk gdzie do każdej zmiany fazy jest dodawany kąt π/4. DQPSK nie wymaga odtwarzania fazy w odbiorniku. Cena jaką za to płacimy jest skomplikowanie nadajnika i odbiornika. Symbole binarne wchodzące na koder są dzielone na dwójki bitów (dibity) które wyznaczają skok fazy w porównaniu z fazą poprzednią wynoszący ±π/4 lub ±3π/4. Element kodera DQPSK użytego w programie ma dwa wejścia i dwa wyjścia. Wejścia to kolejno: wejście danych oraz wejście zegarowe. Wyjścia to wyjście kwadraturowe Q oraz wyście synfazowe I. Tabela odwzorowania dibitów na różnicę faz: oraz sposób obliczenia składowej synfazowej i kwadraturowej: Działanie układu przedstawia się następująco: jeżeli przesyłamy bity 00 to przesuwamy fazę o π/4, jeżeli bity 01 to o 3π/4 itp. zgodnie z tabelą odwzorowania. Różnica faz między aktualną i poprzednią parą dibitów jest użyta do wyznaczenia składowej synfazowej i kwadraturowej, które dopiero są faktycznie przesyłane dalej i pojawiają się na wyjściu elementu DQPSK Encoder. Przykład układu oraz napisany program symulacyjny: Element WordGenerator tworzy losowe ciągu bitów które są następnie podawane na wejście obiekty DQPSKEncoder na którego wyjściu umieściłem dwa elementy Output i nazwałem je I oraz Q. 32 S t r o n a

33 Efekt działania programu symulacyjnego: Prześledźmy poprawnośd wykonywania programu: znaczniki na wykresach symbolizują kolejne bity. W chwili 0 mamy dibit 11. Poprzedniego dibitu nie było, więc składowa synfazowa i kwadraturowa przyjmują wartośd 0. Następny dibit 01 (uwaga na odwróconą kolejnośd bitów z uwagi na zapis w tabeli odwzorowania!) odpowiada zmianie fazy o 3π/4. φ k-1 +Δφ k = 0 + (-3π/4) = -3π/4 Wyznaczamy teraz składową synfazową oraz kwadraturową: I = cos(φ k ) = Q = sin(φ k ) = Weźmy następny dibit: 10 (uwaga na odwróconą kolejnośd bitów z uwagi na zapis w tabeli odwzorowania!). φ k = -π/4. φ k-1 +Δφ k = -3π/4 + (-π/4) = -π I = cos(φ k ) = -1 Q = sin(φ k ) = 0 Jak widad na przedstawionych powyżej wykresach, program działa prawidłowo. Wartości na wykresach zgadzają się z obliczeniami. 33 S t r o n a

34 Następnie zmieniłem w modelu elementu DQPSKEncoder parametr AMP z 1 na 0.1. parametr ten odpowiada za maksymalną amplitudę wyjściowych sygnałów. Efekt działania dla składowej synfazowej: (dla składowej kwadraturowej efekt był identyczny): Jak widad, teraz zakres sygnałów wyjściowych waha się między -0.1 a +0.1, co pozwala na dostosowanie zakresu napięd przed następnym elementem. 3. Wnioski: Przeprowadzone analizy wzmacniacza różnicowego oraz elementu DQPSK Encoder pozwoliły mi się dogłębnie zapoznad z trzema programami wspomagającymi projektowanie układów elektronicznych: - PSpice - APLAC - Multisim Każdy z nich ma swoje wady i zalety, każdy ma jakiś mocny punkt i słabości. Analizy dostępne w jednym programie w innym są niedostępne (np. brak optymalizacji w Multisim czy Worst Case w Aplacu, za to w Multismie mamy analizę Fouriera i analizy szumowe). Najbardziej uniwersalnym okazał się Aplac a to za sprawą dużej swobody w tworzeniu analiz dzięki braku gotowych analiz i możliwości pisania programów do każdej z nich. Niestety ograniczenia wersji studenckiej Aplaca nie pozwoliły mi wykorzystad pełni jego możliwości. Zaletą Aplaca jest ponadto zestaw dodatkowych bibliotek elementów znanych producentów elementów elektronicznych, np. Fairchild czy Philips. Najprostszy w obsłudze okazał się z pewnością Multisim - intuicyjny interfejs, gotowe elementy zasilające (VCC, VEE), wirtualne przyrządy pomiarowe (oscyloskopy, generatory itp.), gotowe analizy. Jego inną zaletą jest mnogośd rzeczywistych modeli elementów. PSpice jest jakby połączeniem oby ww. programów - średnio trudny w obsłudze, jego wadą jest z pewnością mała liczba rzeczywistych elementów przez co często trzeba stosowad nie tylko zamienniki, co wręcz prowizorkę - u mnie musiałem zastosowad źródło napięcia z powodu braku źródła napięcia odniesienia LM 385. Zaletą PSpice są łatwo zdefiniowane analizy. Z perspektywy przeprowadzonych eksperymentów podzieliłbym te programy na 3 obszary zastosowao: - do symulacji na szybko - Multisim - do poważniejszych projektów - PSpice - do projektów wymagających nietypowych analiz i podejścia - APLAC (z powodu tworzenia własnych analiz). Programy wykorzystywane w doświaczeniach są bardzo przydatne konstruktorowi, bo może on nie wydając złotówki sprawdzid, jakie elementy będą odpowiednie, czy układ ma szansę zadziaład z jego oczekiwaniami itp. Z drugiej strony nie są to programy proste i trzeba się ich nauczyd (dot. zwłaszcza programu Aplac). Konstruktor elektronik dostaje więc do ręki potężne narzędzie, jakim są te - i podobne programy. 34 S t r o n a