Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii Instrukcja do zajęć laboratoryjnych TS1C200 010 KOMPUTEROWA ANALIZA UKŁADÓW ELEKTRYCZNYCH WPROWADZENIE Numer ćwiczenia E25 Autor: dr inż. Marek Zaręba Białystok 2014
Spis treści 1. Wstęp.. 3 1.1 Zadanie 1.. 3 1.2 Zadanie 2.. 5 1.3 Zadanie 3.. 7 1.4 Zadanie 4.... 10 1.5 Zadanie 5 (nadobowiązkowe)... 16 1.6 Zadanie 6.... 17 2. Pytania i zagadnienia kontrolne..... 18 3. Dodatek.... 19 3.1 Krótki opis programu Schematics... 19 3.2 Krótki opis programu Probe.... 25 3.3 Źródła napięcia/prądu dostępne w programie Schematics... 29 4. Literatura.... 30 5. Wymagania BHP.... 30 Materiały dydaktyczne przeznaczone dla studentów Wydziału Elektrycznego PB. Wydział Elektryczny, Politechnika Białostocka, 2014 Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część tej publikacji nie może być kopiowana i odtwarzana w jakiejkolwiek formie i przy użyciu jakichkolwiek środków bez zgody posiadacza praw autorskich. 2
1. Wstęp Niniejsza instrukcja zapoznaje wstępnie użytkownika z możliwościami i obsługą pakietu programowego Design Lab. Całość wspomnianego pakietu w zależności od wersji, składa się z kilku programów służących do tworzenia schematów elektrycznych, elektronicznych, ich symulacji, obróbki graficznej i optymalizacji. Główną częścią pakietu DesignLab jest program PSpice, w którym wykonywane są wszystkie typy analizy. Z uwagi na duże rozbudowanie programowe jak i szereg możliwości pakietu, niniejsza instrukcja jest ograniczona jedynie do tworzenia prostych schematów, symulacji układów oraz wizualizacji wyników. Bardziej zainteresowanych użytkowników, chcących poszerzyć swoje wiadomości o pakiecie DesignLab, odsyła się do literatury [1, 2]. Pracę z programem rozpoczyna się od graficznego stworzenia schematu, deklaracji jego elementów oraz analiz które mają być wykonane. Wszystkie te elementy deklarowane są w programie Schematics. Skrócony opis programu zamieszczono w dodatku do instrukcji. Po stworzeniu schematu, zadeklarowaniu odpowiednich analiz i po wykonanej symulacji, wyniki obliczeń obserwuje się w programie Probe. Wspomniany program jest interaktywnym oscyloskopem, w którym wyświetlane są charakterystyki. Możliwe jest też stosowanie różnych operacji arytmetycznych na otrzymanych wykresach. Skrócony opis programu zamieszczono w dodatku do instrukcji. Program PSpice do obliczeń wykorzystuję zmodyfikowaną metodę potencjałów węzłowych. Węzłem w programie jest połączenie utworzone przez co najmniej dwa elementy. Tak jak w klasycznej metodzie potencjałów węzłowych, jeden węzeł jest węzłem odniesienia (ma potencjał zerowy, jest uziemiany). Niżej zamieszczono kilka prostych przykładów ilustrujących działanie programu. Oczywiście nie obejmują one wszystkich poleceń i funkcji dostępnych w pakiecie. Pomimo tego, Czytelnik pozna najczęściej stosowane operacje. 1.1. Zadanie 1 Obliczenie prądów i napięć stałych w rozgałęzionym obwodzie prądu stałego. Na rys. 1 pokazano badany obwód z naniesionymi wartościami elementów. Czynności związane z wykonaniem ćwiczenia: 1. Uruchomienie programu Schematics. 2. Wybór elementów. Elementy można wybrać na dwa sposoby. Pierwszy polega na wpisaniu symbolu szukanego elementu do okienka, znajdującego się na pasku zadań programu Schematics : 3
Następnie wciskamy klawisz Enter i przemieszczamy element myszką. Umieszczamy go na tworzonym schemacie klikając prawym klawiszem myszy. Drugi sposób wyboru elementów polega na wyborze opcji Draw/Get New Part z Menu Schematics, również poprzez wpisanie symbolu szukanego elementu. W tym ostatnim sposobie istnieje możliwość przeglądania symboli elementów z różnych dostępnych bibliotek, w przypadku braku znajomości tychże symboli. Obrotu elementów można dokonać poprzez wybór polecenia Edit/Rotate lub poprzez kombinację klawiszy Ctrl+R. W tym ćwiczeniu potrzebne są następujące symbole elementów: R - rezystor, VDC - źródło napięcia stałego, IDC źródło prądu stałego, agnd - symbol uziemienia. Elementy umieszczone na schemacie łączymy w zamknięty obwód, wybierając ikonę lub polecenie Draw/Wire. Rys. 1 Schemat obwodu do zadania 1 Rys. 1 Rozgałęziony obwód prądu stałego 3. Nadawanie (zmiana) wartości elementów (symboli). Nadawanie (zmianę) wartości dokonujemy dwukrotnie klikając na wartości danego elementu (symbolu), po czym w pojawiającym się okienku wpisujemy żądaną wartość. 4. Uruchumienie symulacji układu. Przed uruchomieniem symulacji należy za pomocą ikony lub poprzez wybór polecenia Analysis/Setup wejść do ustawień parametrów analiz. We wspomnianym oknie powinna być zaznaczona opcja Bias Point Detail (obliczanie punktu pracy), wymagana dla każdego rodzaju analizy (rys. 2). Symulację uruchamiamy za pomocą ikony lub za pomocą polecenia Analysis/Simulate. 4
Rys. 2 Okno wyboru rodzaju analizy Po przeprowadzonej symulacji z ustawioną wartością domyślną Bias Point Detail można na schemacie w programie Schematics wyświetlić prądy i napięcia stałe (rys. 1). W tym celu należy wykorzystać ikonę lub lub wybrać polecenie Analysis/Display Results on Schematic/Enable Voltage Display oraz/lub Analysis/Display Results on Schematic/Enable Current Display. Oznaczenie kierunku przepływu prądu na schemacie uzyskuje się poprzez kliknięcie na wartość prądu pokazywanego w danej gałęzi. W sprawozdaniu należy dowolną metodą obwodową obliczyć wartości prądów i napięć w obwodzie z rys. 1 i porównać wyniki z uzyskanymi w programie Schematics. 1.2. Zadanie 2 Obliczenie wartości skutecznych zespolonych prądów i napięć w obwodzie rozgałęzionym prądu sinusoidalnie zmiennego przy f=50hz. Na rys. 3 pokazano badany obwód z naniesionymi wartościami elementów. W celu obliczenia wartości skutecznych zespolonych prądów i napięć dogodnie jest wykorzystać analizę zmienno-prądową (AC). W tym zadaniu jako źródła zasilające (rys. 3) wybrano: VAC źródło napięcia sinusoidalnego (ACMAG=10V amplituda, ACPHASE =0 faza), IAC - źródło prądu sinusoidalnego (ACMAG=1A amplituda, ACPHASE =0 faza). Rodzaje źródeł i opis ich parametrów zamieszczono w dodatku do instrukcji. Oprócz źródeł do zbudowania schematu (rys. 3) wybrano również elementy R, L, C oraz Iplot. Przy wykorzystaniu elementów Iplot (lub Vplot) możliwe jest obejrzenie w pliku wyjściowym (po przeprowadzonej symulacji) różnych obliczonych parametrów. W naszym zadaniu odczytamy wartości skuteczne wybranych prądów i ich fazy (tzw. postać wykładniczą zespoloną). W tym celu klikamy na elemencie Iplot i wpisujemy wartości 1 przy odpowiednich interesujących nas polach, które będą wyświetlane do pliku. Wpisujemy wartość 1 przy polu AC (z 5
uwagi na analizę typu AC), oraz MAG=1, PHASE=1. Pozostałe pola zostawiamy puste (nie wypełniamy). Rys. 3 Rozgałęziony obwód prądu sinusoidalnie zmiennego. Ustawienie parametrów analizy częstotliwościowej (AC). W celu odczytu wartości prądów/napięć zespolonych należy wykorzystać analizę częstotliwościową. W tym celu wchodzimy do okna wyboru rodzaju analizy Analysis/Setup (lub za pomocą wcześniej podanej ikony). Pojawi się wówczas okno z rys. 2, w którym wybieramy opcję AC Sweep. Ustawiamy lub wpisujemy (rys. 4): rodzaj zmian przedziału częstotliwości (AC Sweep Type), ilość punktów obliczanych (Total Pts.), początkową i końcową wartość częstotliwości (Start Freg i End Freq). W naszym przypadku będziemy obliczać prądy i napięcia przy częstotliwości f=50 Hz. Ponieważ analiza AC jest przeprowadzana w pewnym zakresie częstotliwości, w celu odczytu prądów/napięć przy jednej częst. np. f=50 Hz, ustawiamy przykładowo wąski zakres zmian częstotliwości w pobliżu f= 50 Hz (np. f=49.5-50.5 Hz), małą ilośc obliczanych punktów (np. 3) i liniowy zakres zmian częstotliwości (rys. 4). Dla takich ustawień analiza częstotliwościowa zostanie przeprowadzona przy f=49.5hz, f=50hz i f=50.5 Hz. Po ustawieniu analizy AC uruchamiamy symulację (zamykamy okno programu Probe) i przechodzimy do programu Schematics. Obliczone prądy (napięcia) odczytujemy z pliku Analysis/Examine Output. Z wyżej wymienionego pliku wybieramy interesujące nas parametry obliczone przy f=50 Hz. 6
Rys. 4 Okno ustawień parametrów analizy AC W sprawozdaniu należy dowolną metodą obwodową obliczyć wartości skuteczne zespolone prądów i napięć w obwodzie z rys.3 i porównać wyniki z uzyskanymi w programie Schematics. 1.3. Zadanie 3 Dokonać analizy stałoprądowej układu z rys. 5. Dla danych R1 = 5, R2 = 100, R3 =200 obliczyć i wykreślić w programie PROBE pobór mocy pobieranej przez rezystancję R1, w zależności od zmian napięcia źródła w zakresie od 0 do 200 V. Rys. 5 Schemat obwodu do zadania 3 W tym ćwiczeniu wykorzystamy analizę stałoprądową DC. Po skonstruowaniu układu jak na rys. 5 (źródłem zasilającym jest źródło napięcia stałego VSRC), wybieramy okno wyboru rodzaju analizy (rys. 2) i następnie ustawiamy parametry analizy DC. W naszym układzie, analiza DC wykonywana będzie względem zmian źródła napięcia stałego V1 (Voltage Source) w zakresie od 0V (Start Value) do 200 V (End Value) przy kroku zmian o 1 V (Increment) (rys. 6). Po uzupełnieniu odpowiednich pól zamykamy otwarte okna i uruchamiamy symulację. Po jej zakończeniu następuje start programu Probe. 7
Rys. 6 Okno ustawień parametrów analizy DC Wykreślanie charakterystyk w programie Probe. Aby wykreślić charakterystykę należy, wybrać polecenie Trace/Add lub wybrać ikonę. Pojawi się wówczas okno (rys. 7) z wielkościami, które można wykreślić. Dodatkowo w polu Trace Expression można zdefiniować funkcje realizujące określone działania na prądach i napięciach. W naszym przykładzie należy obliczyć moc pobieraną przez rezystor R1. Zatem w polu Trace Expression wpisujemy wyrażenie określające moc (tzn. iloczyn prądu rezystora i różnicy potencjałów na jego zaciskach). Wspomniane wyrażenie można również utworzyć poprzez wybór myszką odpowiednich funkcji. Przebieg zmian mocy w funkcji napięcia źródła V1 pokazano na rys. 8. Uwaga! Tak jak wspomniano we wstępie, program oblicza obwody elektryczne metodą potencjałów węzłowych. W celu zilustrowania przebiegu napięcia (np. na rezystorze R1), należy wpisać w polu Trace Expression różnicę potencjałów (np. V(R1:1)-V(R1:2)). W sprawozdaniu należy udowodnić, że krzywa z rys. 8 jest parabolą i uzasadnić dlaczego tak jest. 8
Rys. 7 Okno wyboru wielkości wykreślanych 40W 30W 20W 10W 0W 0V 20V 40V 60V 80V 100V 120V 140V 160V 180V 200V ( V(R1:1)- V(R1:2))* I(R1) V_V1 Rys. 8 Charakterystyka zmian mocy w funkcji napięcia zasilającego 9
1.4. Symulacja integratora z możliwością zadawania warunków początkowych Analizowany układ przedstawiono na rys. 9. Integrator zbudowano na wzmacniaczu operacyjnym w układzie odwracającym przy pobudzeniu przebiegiem prostokątnym okresowym (w zależności od umiejętności użytkownika można zadać inny przebieg np. sinusoidalny, trójkątny itp.). W przykładzie tym dokonamy analizy czasowej (wykreślimy przebieg napięcia wyjściowego integratora) i częstotliwościowej (również przebieg napięcia wyjściowego). Tworzenie schematu Podobnie jak w poprzednich zadaniach wybieramy elementy potrzebne do zbudowania modelu integratora. Symbolem wzmacniacza operacyjnego jest UA741. Dla większej przejrzystości, wzmacniacz należy odbić lustrzanie za pomocą polecenia Edit/Flip oraz dwukrotnie odwrócić przy pomocy polecenia Edit/Rotate. Również dla większej czytelności schematu dobrze jest posłużyć się portami globalnymi. Wybieramy je wpisując w oknie wyboru elementów Global. Wyjście oraz wejście układu wygodnie jest oznaczyć etykietą. W tym celu wybieramy element bubble i po dwukrotnym kliknięciu na nim wpisujemy dowolną nazwę. Definiujemy dwa źródła napięcia stałego Vsrc (zasilające wzmacniacz) oraz źródło napięcia impulsowego (okresowego) Vpulse. Obok schematu tworzymy obwód dla portów globalnych, wykorzystujących dwa źródła napięcia stałego o odwróconej polaryzacji (rys. 9). Zastosowanie portów globalnych daje większą czytelność schematu (w naszym przykładzie przeniesiono układ zasilania poza główny schemat). Rys. 9 Schemat układu integratora 10
Ustawianie wartości źródeł i elementów. W tym zadaniu dla analizy czasowej (TRANSIENT) należy zadać warunek początkowy dla kondensatora. W tym celu klikamy dwukrotnie na symbolu kondensatora i uzupełniamy pole IC (Initial Condition) przez podanie wartości napięcia początkowego, w naszym przypadku zerowego (rys. 10). Rys.10 Okno ustawień zerowego warunku początkowego na kondensatorze Ustawienia źródeł napięć stałych (zasilających wzmacniacz) dokonujemy klikając dwukrotnie na ich symbolach. Uzupełniamy pola DC przez podanie wartości napięć stałych, jak pokazano na rys. 11. Źródło V3 ma odwróconą polaryzację w stosunku do V2. Ustawienia dla źródła impulsowego również dokonujemy przez dwukrotne kliknięcie na symbolu tego źródła. Przebieg napięcia dla pobudzenia typu Vpulse jest pokazany na rys. 12. Zgodnie z nim wypełniamy odpowiednie pola w parametrach źródła (rys. 13), tak aby otrzymać prostokątny przebieg napięcia wejściowego. Dodatkowo dla analizy częstotliwościowej należy podać wartość pola AC (amplitudę napięcia harmonicznego, wykorzystywaną tylko przy analizie częstotliwościowej). Rys. 11 Okno ustawień źródła zasilającego wzmacniacz 11
V2 V V1 TD TR PW TF PER t Rys. 12 Przebieg źródła typu Vpulse wraz z odpowiednimi parametrami Ustawianie parametrów analiz: Rys. 13 okno ustawień parametrów źródła Vpulse - analiza czasowa Wchodzimy do opcji ustawień parametrów analiz (polecenie Analysis/Setup lub za pomocą odpowiedniej ikony). Wybieramy ustawienia analizy czasowej (Transient), pojawia się wówczas okno pokazane na rys. 14. Ustawiamy odpowiednie wielkości: całkowity czas symulacji (Final Time) oraz krok analizy czasowej (Print Step). Parametry te dobieramy tak, aby można było zaobserwować kilka okresów przebiegu. 12
Rys. 14 okno ustawień parametrów analizy czasowej (Transient) - analiza częstotliwościowa Wchodzimy do opcji ustawień parametrów analizy częstotliwościowej rys. 15 (AC Sweep). Ustawiamy odpowiednie wielkości: rodzaj zmian przedziału częstotliwości (w charakterystykach częstotliwościowych na osi odciętych używa się skali logarytmicznej): wybieramy (Decade), ilość punktów obliczanych (Pts/Decade) i zakres analizowanych częstotliwości. Po ustawieniu parametrów uruchamiamy analizę układu. Rys. 15 okno ustawień parametrów analizy częstotliwościowej (AC Sweep) Przykładowe wyniki analizy czasowej zostały pokazane na rys. 16. 13
4.0V 2.0V 0V -2.0V -4.0V 0s 50ms 100ms 150ms 200ms 250ms 300ms V(V1:+) V(out) Time Rys. 16 Charakterystyka czasowego przebiegu napięcia na wejściu i wyjściu integratora Po wykreśleniu przebiegu czasowego napięcia na wyjściu integratora, można dodatkowo zaobserwować widmo tego sygnału. W tym celu należy zainicjować polecenie Trace/Fourier. lub wybrać ikonę z menu programu Probe. W celu lepszej obserwacji widma zarówno sygnału wejściowego i wyjściowego dogodnie jest podzielić ekran w programie Probe na dwie części (za pomocą polecenia Plot/Add Plot to Window). Sygnał wejściowy i wyjściowy powinny być umieszczone w odzielnych częściach ekranu. Dogodnie jest również zmienić zakres oglądanych częstotliwości, tak by zaobserwować kilka pierwszych prążków. W tym celu wystarczy dwukrotnie kliknąć na dowolną wartość częstotliwości na osi odciętych i po pojawieniu się odpowiedniego okna wpisać żądany zakres częstotliwości. Widmo sygnału wejściowego i wyjściowego pokazano na rys. 17. Wyniki symulacji w dziedzinie częstotliwości (charakterystyka amplitudowa częstotliwościowa) mogą być oglądane przy wykorzystaniu polecenia Plot/Ac. W polu Trace Expression należy wówczas wybrać z listy wielkości możliwych do wykreślenia wielkość V(out). Przykładowe wyniki symulacji dla analizy częstotliwościowej pokazano na rys. 18. 14
Rys. 17 Widmo amplitudowe sygnału wejściowego i wyjściowego 10V 8V 6V 4V 2V 0V 10mHz 100mHz 1.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz V(out) Frequency Rys. 18 Charakterystyka częstotliwościowa napięcia na wyjściu integratora Z amplitudowej charakterystyki częstotliwościowej (rys. 18) widać, że układ integratora w dziedzinie częstotliwości jest aktywnym filtrem dolnoprzepustowym. Dla takiego układu można wyznaczyć pasmo przenoszonych częstotliwości przez układ oraz częstotliwość graniczną. Dogodnie jest w tym celu posłużyć się zdefiniowanymi funkcjami w programie Probe umożliwiającymi obliczenie pasma. W tym celu należy wykorzystać ikonę lub wybrać polecenie z menu programu Probe Trace/Eval Goal Function.... Pojawi się wówczas okno, z którego należy 15
wybrać funkcję obliczającą dolnoprzepustowe pasmo - LPBW(1,db_level). W miejsce 1 wpisuje się lub wybiera z listy parametr dla którego będzie obliczane pasmo, zaś w db_level wpisuje się poziom w decybelach spadku charakterystyki amplitudowej względem poziomu maksymalnego. W naszym przypadku funkcja obliczająca pasmo jest następującą LPBW(V(out),3). W sprawozdaniu należy: - opisać zasadę działania integratora, - na podstawie niżej zamieszczonego schematu zastępczego integratora wyznaczyć Vout( s) jego transmitancję operatorową Ku ( s). Następnie na podstawie Vin( s) transmitancji odczytać wzmocnienie oraz stałą czasową, - wyznaczyć częstotliwość graniczną, - porównać wyliczenia z wynikami uzyskanymi z symulacji. Poniżej zamieszczono dodatek dotyczący zasad analizy układów zawierających wzmacniacze operacyjne Wzmacniacz operacyjny charakteryzuje się: - bardzo dużą rezystancją wejściową dla wejścia odwracającego i nieodwracającego, stąd (odnośnie rys. 9) ( ) ( ) ( ) ( ) R we I I 0 R we 2 3 - wzmocnieniem stałoprądowym nieskończenie dużym U 32 0 U out (co nie jest możliwe), stąd U 32 0. Punkt 2 (rys. 9) jest punktem masy pozornej. Schemat zastępczy integratora z rys. 9 przy wykorzystaniu powyższych zależności jest pokazany na rys. 19. R1 2 R2 V in (s) 1 sc 1 V out (s) Rys. 19 Schemat zastępczy integratora 1.5. Zadanie 5 (nadobowiązkowe) Wykorzystując zdobytą wiedzę i umiejętności przy tworzeniu i symulacji układu integratora dokonać analizy czasowej i częstotliwościowej układu różniczkującego (rys. 20). Napięcie na wejściu podać w postaci impulsowego okresowego napięcia trójkątnego równoramiennego o częstotliwości 1 khz. W dziedzinie czasu zaobserwować napięcie na wejściu i wyjściu układu. W dziedzinie częstotliwości 16
wykreślić charakterystykę amplitudową napięcia wyjściowego. Wyznaczyć pasmo przenoszonych częstotliwości. W sprawozdaniu należy opisać zasadę działania układu różniczkującego oraz wyznaczyć jego transmitancję operatorową K u (s). Uwaga: Przy ustawieniach impulsowego źródła trójkątnego, wartość parametru pw (rys. 12) powinna być różna od zera (program nie uwzględnia w przebiegu wartości pw = 0). Jeśli jest wymagana wartość pw = 0, należy wpisać wartość bliską zeru, a następnie powiększyć parametr per o wartość pw. Rys. 20 Schemat układu różniczkującego 1.6. Zadanie 6 Dokonać analizy czasowej i częstotliwościowej szeregowego obwodu RLC pokazanego na rys. 21. W dziedzinie czasu zaobserwować napięcie na kondensatorze na tle napięcia zasilającego. W dziedzinie częstotliwości wykreślić napięcie na kondensatorze, rezystancji oraz indukcyjności. Parametry źródła impulsowego: AC = 1 V, V1 = 1 V, V2 = 0 V, TD = 40 ms, TR = 0, TF = 0, PW = 40 ms, PER = 80 ms (unipolarna fala prostokątna). Ustawienia analizy czasowej Transient: Print Step = 5 us, Final Time = 500 ms, 17
Ustawienia analizy częstotliwościowej: AC Sweep Type - Decade, Pts/Decade =1000, Start Frequency = 0.01 Hz, End Freguency = 10 khz. Rys. 21 schemat szeregowego obwodu RLC W sprawozdaniu należy: - udowodnić matematycznie i fizycznie, że układ z rys. 21 jest oscylacyjny, - wyznaczyć analitycznie częstotliwość rezonansową układu i następnie porównać z częstotliwością rezonansową uzyskaną z symulacji. Wskazówka Częstotliwość rezonansową można odczytać przez kliknięcie na ikonie następnie zaznaczając odpowiedni wykres w programie Probe i klikając na ikonie odczytać wartość maksymalną. a 2. Pytania i zagadnienia kontrolne 1. Rodzaje podstawowych analiz w programie PSpice oraz krótka ich charakterystyka. 2. Zasada działania integratora i układu różniczkującego. 3. Podstawowe wielkości charakteryzujące wzmacniacz operacyjny. 4. Zasady analizy obwodów zawierających wzmacniacz operacyjny. 18
3. Dodatek 3.1. Krótki opis programu Schematics Ikony listwy narzędziowej Ikona Nowy schemat (New) Otwórz istniejący schemat (Open ) Zapisz (Save) Drukuj (Print) Wytnij (Cut) Kopiuj (Copy) Wklej (Paste) Cofnij (Undo) Ponów (Redo) Odśwież ekran (Redraw) Powiększ (Zoom In) Pomniejsz (Zoom Out) Powiększ obszar (Zoom Area) Powiększ na całą stronę (Zoom to Fit Page) Rysuj połączenie (Draw Wire) Rysuj magistralę (Draw Bus) Opis Rysuj blok w edytorze schematów (Draw Block) Wybranie dowolnej części z dostępnych bibliotek (Get New Part) Szybki wybór ostatnio używanych elementów (Get Recent Part) Deklaracja atrybutów elementu (Edit Attributes) Uruchomienie edytora symboli (Edit Symbol) Ustawianie parametrów analiz (Setup Analysis) Uruchomienie symulacji (Simulate) Lista wyboru koloru przebiegu wskazywanego markerem 19
Umieszczenie na schemacie znacznika napięciowego (Voltage Marker) Umieszczenie na schemacie znacznika prądowego (Current Marker) Wyświetlanie napięć stałych (Enable Bias Voltage Display) Wyświetlanie napięć stałych w zaznaczonej części układu Wyświetlanie prądów stałych (Enable Bias Current Display) Wyświetlanie prądów stałych w zaznaczonej części układu Rysuj krzywą (Draw Arc) Rysuj ramkę (Draw Box) Rysuj okrąg (Draw Circle) Rysuj krzywą łamaną (Draw Polyline) Rysuj pole tekstowe (Draw Text) Rysuj ramkę z tekstem (Draw Text Box) Wstaw obrazek (Insert Picture) Rys. 22 Okno edytora Schematics 20
Opis wybranych poleceń menu programu File grupuje polecenia służące do obsługi plików zawierających dane schematów oraz bibliotek elementów. Edit Library otwarcie edytora biblioteki (służy do graficznej obróbki tworzonych elementów), Symbolize umożliwia wygenerowanie elementu, który zadany został w postaci opisu jako czarna skrzynka, Reports - wygenerowanie raportu o stworzonym schemacie, View Messages podgląd listy błędów i nieprawidłowości wykrytych w czasie tworzenia projektu i symulacji. Edit grupuje polecenia służące do edycji schematu i obsługi schowka. Attributes komenda ta pozwala na otwarcie okna dialogowego danego elementu i zmianę jego parametrów. Do edycji przeznaczone są jedynie te atrybuty przy których nie znajduje się znak *, Label nadanie lub modyfikacja etykiety elementu lub połączenia, Model uaktywnienie wyświetlania parametrów modelu wybranego elementu, Stimulus powoduje otwarcie programu Stimulus służącego do edycji sygnałów źródeł zasilających, Symbol powoduje otwarcie edytora bibliotek dla wcześniej wybranego elementu, Graphich proprteis graficzne właściwości elementu, Views służy do umieszczania alternatywnych bloków na schemacie, Convert Block pozwala na zapamiętanie w jednej z dostępnych bibliotek zadeklarowany wcześniej podobwód, Rotate powoduje obrót zaznaczonego elementu o kąt prosty, Flip umożliwia uzyskanie lustrzanego odbicia wybranych elementów, Align Horizontal powoduje uporządkowanie zaznaczonych elementów w poziomie, Align Vertical uporządkowanie zaznaczonych elementów w pionie, Replace powoduje powtórne umieszczenie na schemacie ostatnio używanego elementu w odstępach określonych w opcjach, Find - umożliwia znalezienie określonego elementu. Draw grupuje polecenia służące do rozmieszczania na schemacie elementów i przewodów. Umożliwia również rysowanie łuków, kół prostokątów, krzywych oraz wklejanie rysunków stworzonych w innych edytorach graficznych. Repeat powtórzenie ostatnio wykonywanej czynności, Place Part umieszczenie wybranego elementu na schemacie, Wire rysowanie połączeń elementów, Bus połączenie elementów za pomocą magistrali danych, Block tworzenie bloku schematu, Get New Part podgląd, przeglądanie bibliotek elementów, Rewire przesunięcie zaznaczonego połączenia bez konieczności rozłączania obwodu. 21
Navigate grupuje polecenia służące do edycji schematu składającego się z wielu stron oraz do edycji schematu hierarchicznego. Previous Page przejście do poprzedniej strony schematu wielostronicowego, Next Page przejście do następnej strony schematu, Select Page umożliwia wybór jednej ze stron całego dokumentu, Create Page powoduje utworzenie nowej strony schematu, Delete Page usunięcie wybranej strony schematu, Copy Page skopiowanie wybranej strony całego schematu, Edit Page Info edycja etykiety strony schematu, Edit Page Instance edycja obwodu, Edit Schematic Definition edycja schematu ogólnego, Push jeśli schemat został stworzony w formie blokowej, komenda ta powoduje przejście do układu w wybranym bloku, Pop przejście ze schematu blokowego o jeden poziom wyżej, Top przejście ze schematu blokowego do początkowego, Where opis struktury hierarchicznej tworzonego schematu. View grupuje polecenia służące do podglądu opracowywanego schematu. Fit dopasowywanie aktywnego wykresu do wielkości ekranu, In pomniejszenie okna, Out powiększenie okna, Area powiększenie wybranego wycinka charakterystyki, Previous powrót do poprzedniej charakterystyki, Entire Page pokazanie na ekranie całej strony schematu, Redraw odświeżanie ekranu, Pan New Center wyznaczenie nowego środka wyświetlanego okna, Toolbars wybór grupy ikon w pasku narzędziowym. Options umożliwia dowolne skonfigurowanie według własnych potrzeb wyglądu oraz funkcji edytora Schematics. Display Options pozwala na ustawienie podstawowych funkcji pulpitu roboczego takich jak: załączanie i wyłączenie siatki, dociąganie elementów do siatki itp., Page Size ustawienia rozmiaru strony, Auto-Repeat uaktywnienie automatycznego powtarzania wyboru ostatniego aktywnego elementu i umieszczenie go na ekranie w zadanym odstępie, Auto-Naming automatyczne numerowanie umieszczanych na schemacie elementów, Editor Configuration konfiguracja edytora (można dowolnie zadeklarować wielkość obszaru roboczego, biblioteki które będą uaktywniane w momencie ładowania programu), Display preferences pozwala na odpowiedni dobór potrzebnych oznaczeń, które mają się znaleźć zarówno na ekranie jak i w czasie wydruku schematu roboczego, Pan&Zoom ustawienia wielkości powiększania schematu, 22
Restricted Operations ustalenie operacji niedozwolonych dla programu Schematics, Translators generacja formatu używanego przez inne programy symulacyjne. Analysis polecenia tej grupy odnoszą się bezpośrednio do operacji związanych z przygotowaniem układu i wykonaniem analizy. Electrical Rule Check powoduje sprawdzenie prawidłowości połączeń elektrycznych, Create Netlist stworzenie listy połączeń elementów układu, Edit Stimuli uaktywnienie edytora sygnałów źródeł, Setup umożliwia ustawienie typu analizy oraz jej parametrów, Library and Include Files powoduje otwarcie okna służącego do połączeń bibliotek modeli z tekstowym opisem symulowanego układu, Simulate uruchomienie symulacji aktywnego układu, Probe Setup ustawienie okna dialogowego Probe, Run Probe uruchomienie programu Probe, jeśli dla aktywnego schematu istnieje plik *.dat będący wynikiem symulacji, Examine Netlist podgląd listy połączeń układu, Examine Output podgląd pliku wyjściowego, Display results on schamtics wyświetla wyniki na schemacie. Tools Polecenia menu Tools służą głównie do zmiany układu na inne rodzaje projektów przeznaczonych dla innych programów. Przykładem tego może być tworzenie spisu elementów dla programu służącego do tworzenia płyt drukowanych lub innego programu wspomagającego projektowanie układów elektronicznych. Za pomocą polecenia Tools można również tworzyć podobwody dla budowanych układów. Package uruchamia okno dialogowe służące do pogrupowania układu przez odpowiednie oznaczenie elementów przed generowaniem płytki, Create Layout Netlist tworzy listę połączeń całego projektu z przygotowaniem do tworzenia płytki w programie PC Board, Run Layout Editor uruchomienie programu PC Board służącego do generacji połączeń dla płytek drukowanych, Back Annotate przeprowadzenie przypisania pliku ECO dla tworzonego projektu, Browse Back Annotation Log otwarcie pliku z adnotacją przypisania zawartą w bibliotekach, Configure Layout Editor wybór edytora do tworzenia PC Board, Browse Netlist uaktywnienie stworzonego spisu elementów dla schematu na podstawie rodzaju wybranego programu, View Package Definition wyświetla opis obudowy aktualnie wybranego elementu, Cross Probe Layout wyświetla wybrane elementy lub przewody w liście połączeń elementów drukowanych, Create Subcircuit stworzenie podobwodu z narysowanego schematu. Stworzony w ten sposób nowy element ma nazwę otwartego okna dialogowego z rozrzeszeniem *.sub. Dzięki temu można dowolnie tworzyć nowe elementy lub 23
całe ich grupy, a następnie w bardzo łatwy i wygodny sposób łączyć je ustalając bloki, Run Optimizer uaktywnia program optymalizacji układów elektronicznych, Use Optimimized Params powoduje wpisanie w miejsce wartości nominalnych dla wybranego elementu wartości uzyskanych w procesie optymalizacji. Markers umożliwia umieszczenie na schemacie układu specjalnych znaczników, które powodują automatyczne wyświetlanie charakterystyk w programie Probe. Mark Voltage/Level wybór znacznika napięciowego, Mark Voltage Differential umożliwia wybór dwóch znaczników wyświetlających różnicę sygnałów napięciowych, Mark Current into Pin znacznik wartości prądu. Musi być on umieszczony na schemacie bezpośrednio w węźle, dla którego ma być wyświetlony przebieg prądu, Mark Advanced wybór rodzaju znaczników zaawansowanych, Clear All usunięcie znaczników z aktywnego schematu, Show All ukazuje w Probe charakterystyki dla wszystkich stron aktywnego projektu, Show Selected wyświetla w Probe przebiegi dla miejsc oznaczonych przez znaczniki na aktywnej stronie schematu. dla wybranego elementu wartości uzyskanych w procesie optymalizacji. Windows polecenia uporządkowania okien projektów. Help szybka pomoc. 24
3.2. Krótki opis programu Probe Rys. 23 Okno programu Probe Ważniejsze ikony listwy narzędziowej Kreślenie osi X w skali logarytmicznej (Log X Axis) Kreślenie osi Y w skali logarytmicznej (Log Y Axis) Wykonanie analizy Fouriera (Fourier) Dodanie następnego wykresu (Add Trace) Uruchomienie Perfomance Analysis (Perfomance Analysis) Kreślenie funkcji ogólnych (Eval Goal Function) Edytor dialogu tekstowego (Text Label) 25
Uaktywnienie kursorów (Toggle cursor) Odczyt wartości wierzchołka maksimum funkcji (Cursor Peak) Odczyt wartości wierzchołka minimum funkcji (Cursor Through) Nachylenie wykresu funkcji (Cursor Slope) Odczyt wartości minimalnej funkcji (Cursor Min) Odczyt wartości maksymalnej funkcji (Cursor Max) Odszukiwanie zadanego punktu (Cursor Point) Odszukanie następnego przejścia w sygnale cyfrowym (Cursor Next Tran) Odszukanie poprzedniego przejścia w sygnale cyfrowym (Cursor Prev Tran) Poszukiwanie kursora (Cursor Serach) Oznaczenie kursora etykietą z wartością przebiegu (Mark Label) Zaznaczenie punktów danych (Mark Data points) Uruchomienie aktualnej symulacji (Run Command) Zatrzymanie symulacji (Pause Command) Opis wybranych (ważniejszych) poleceń menu programu File grupuje polecenia służące do obsługi plików zawierających dane dotyczące wyników symulacji modeli układów. Open otwarcie pliku danych wygenerowanego w wyniku symulacji, Append dodanie pliku danych *.dat do otwartego pliku (możliwe tylko dla takiej samej analizy), Close zamknięcie pliku danych, Open Simulation otwarcie pliku do przeprowadzenia symulacji, Close Simulation zamknięcie pliku z symulacją, 26
Print drukowanie, Page Setup - ustawienia strony, Printer Setup wybór ustawień drukarki, Log Commands zapamiętanie czynności wykonywanych w czasie analizy graficznej, Run Commands odtworzenie zapamiętanych czynności, Exit powoduje wyjście z programu Probe. Edit grupuje polecenia służące do edycji obiektów graficznych. Cut usunięcie wybranego elementu lub charakterystyki, Copy kopiowanie wybranej charakterystyki lub zaznaczonego elementu, Paste wklejanie zawartości schowka, Delete usunięcie wybranego elementu, Modify Object modyfikacja charakterystyki przez zastąpienie jej innym przebiegiem. View grupuje polecenia służące do wyglądu okna Probe oraz paska narzędziowego. Simulate grupuje polecenia związane z symulacją układów z poziomu programu Probe. Trace grupuje polecenia umożliwiające edycję rysunków, tworzenie makrodefinicji. Add Trace wybór charakterystyki do wyświetlania na ekranie, Delete All Traces powoduje usunięcie wszystkich charakterystyk z wykresu, Undelete Traces umożliwia unieważnienie polecenia usunięcia charakterystyk z wykresu, Fourier uruchomienie analizy Fouriera, Performance Analysis przeprowadzenie analizy charakterystyki na podstawie zmiany jednego z parametrów, Cursor uaktywnienie opcji kursora, Display włączenie kursora, Freeze zablokowanie kursora w miejscu, Peak przeniesienie kursora na sąsiedni wierzchołek, Trough umieszczenie kursora w sąsiedniej dolinie wykresu, Slope przeniesienie kursora na sąsiednie zbocze, Min odnalezienie minimum charakterystyki względem osi Y, Max odnalezienie maksimum charakterystyki względem osi Y, Point przemieszczenie kursora do następnego punktu, dla którego były przeprowadzone obliczenia, Search Commands odszukanie parametrów dla zadanej przez użytkownika funkcji, Next Transition odnajduje następną zmianę stanu dla aktywnej charakterystyki, 27
Previous Transition odszukuje poprzednią zmianę stanu dla aktywnej charakterystyki, Macros deklaracja złożonej operacji z możliwością jej wielokrotnego wykorzystania, Goal Functions wybór funkcji celu, Eval Goal Function umożliwia stworzenie funkcji celu dla wybranej charakterystyki. Plot polecenia służące do sposobu określenia wyświetlania charakterystyk. Axis Settings ustawienia osi X,Y oraz siatki na wyświetlanych wykresach, Add Y Axis dodanie osi Y do istniejącej charakterystyki, Delete Y Axis powoduje usunięcie aktywnej osi Y, Add Plot to Window dodanie wykresu do istniejącego okna, Delete Plot usunięcie aktywnego wykresu, Unsynchronize X Axis wyświetlanie wykresów dla różnych wartości osi X. Wybór rodzaju analizy dla której wykreślone zostaną charakterystyki, Digital Size umożliwia ustawienie rozmiaru okna dla wykresów układów cyfrowych, Label naniesienie etykiet na wykresie w różnych postaciach, Text opis tekstowy charakterystyki, Line oznaczenie linii na przebiegu, Poly-line opis w postaci krzywej, Arrow umieszczenie strzałek, Box umieszczenie elementu prostokątnego na charakterystyce, Circle oznaczenie wybranych części w postaci koła, Elipse oznaczenie wybranych części w postaci elipsy, Mark opis współrzędnych punktów, w których umieszczony jest kursor, AC umożliwia uzyskanie przebiegów obrazujących wyniki analizy zmiennoprądowej, DC umożliwia uzyskanie przebiegów obrazujących wizualizację wyników analizy stałoprądowej, Transient pozwala na wyświetlenie na ekranie przebiegów uzyskanych w analizie czasowej. Tools grupuje polecenia związane z ustawieniami, skrótami klawiaturowymi itp. Programu Probe. Window grupuje polecenia uporządkowania okien z charakterystykami. Title nadanie/zmiana nazwy pliku z charakterystyką, Display Control ustawienie preferencji wyświetlanych charakterystyk, Copy to Clipboard skopiowanie charakterystyki do schowka (istnieje możliwość odwrócenia kolorów). 28
3.3 Źródła napięcia/prądu dostępne w programie Schematics. Symbol Oznaczenie VDC źródło napięcia stałego, DC składowa stała VSCRC źródło napięcia stałego lub zmiennego DC składowa stała, AC amplituda (AC Sweep) VAC źródła napięcia sinusoidalnego wykorzystywane w analizach DC, AC DC składowa stała, ACMAG amplituda, ACPHASE - faza VSIN źródło przebiegu sinusoidalnego DC składowa stała, AC amplituda (AC Sweep), VOFF składowa stała przebiegu sinusoidalnego (w analizie czasowej) VAMPL amplituda przebiegu sinusoidalnego (w analizie czasowej), FREQ częstotliwość, TD opóźnienie, DF - tłumienie VPULSE źródło napięcia impulsowego (opis parametrów na rys. 12 i rys. 13) VPWL źródło napięciowe przebiegów liniowych DC składowa stała, AC amplituda (AC Sweep), T1,V1, T2, V2.. czasy trwania i wartości poszczególnych przebiegów liniowych VSTIM źródło napięcia definiowane w programie Stimulus Editor Źródła prądu mają podobne oznaczenia jak napięciowe, należy tylko zmienić pierwszą literę symbolu z V na I. 29
4. Literatura [1] Baranowski K., Welo A.: Symulacja układów elektronicznych. Warszawa, Mikom, 1996. [2] Król A., Moczko J.: Symulacja i optymalizacja układów elektronicznych. Poznań, Nakom, 2000. [3] Dobrowolski A.: Pod maską SPICE A. Wydawnictwo BTC, Warszawa, 2004. [4] MicroSim Corrporation: Circuit Analysis User s Guide, version 9.0. [5] Lipiński W.: Wspomagana komputerowo analiza obwodów elektronicznych. Zachodniopomorskie Centrum Edukacyjne w Szczecinie, Szczecin, 2003. [6] Lipiński W.: Teoria obwodów elektrycznych w programach Mathcad, PSpice. Zachodniopomorskie Centrum Edukacyjne w Szczecinie, Szczecin, 2005. [7] Osiowski J., Szabatin J.: Podstawy teorii obwodów. Tom II i III, WNT, 2001. [8] Bolkowski S.: Teoria obwodów elektrycznych. WNT, 2005. 5. Wymagania BHP Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją BHP i instrukcją przeciw pożarową oraz przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym mogą posiadać instrukcje stanowiskowe. Przed rozpoczęciem pracy należy zapoznać się z instrukcjami stanowiskowymi wskazanymi przez prowadzącego. W trakcie zajęć laboratoryjnych należy przestrzegać następujących zasad. Sprawdzić, czy urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym są w stanie kompletnym, nie wskazującym na fizyczne uszkodzenie. Sprawdzić prawidłowość połączeń urządzeń peryferyjnych. Jeżeli istnieje taka możliwość, należy dostosować warunki stanowiska do własnych potrzeb, ze względu na ergonomię. Monitor komputera ustawić w sposób zapewniający stałą i wygodną obserwację dla wszystkich członków zespołu. Załączenie komputera może się odbywać po wyrażeniu zgody przez prowadzącego. Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek przełączeń w urządzeniach oraz wymiana elementów składowych pod napięciem. Konfiguracja sprzętu (np. konfiguracja systemu operacyjnego, ustawienie parametrów monitora) może się odbywać wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia. W trakcie pracy z komputerem zabronione jest spożywanie posiłków i picie napojów. W przypadku zaniku napięcia zasilającego należy niezwłocznie wyłączyć komputer i monitor z sieci elektrycznej. 30
Stwierdzone wszelkie braki w wyposażeniu stanowiska oraz nieprawidłowości w funkcjonowaniu sprzętu należy przekazywać prowadzącemu zajęcia. W przypadku zakończenia pracy należy zakończyć sesję przez wydanie polecenia wylogowania. Zamknięcie systemu operacyjnego może się odbywać tylko na wyraźne polecenie prowadzącego. 31