Bruk av Pspice for windows ved tegning og simulering av lavpassfilter, høypassfilter og diodelikeretter.

Transkript

1 Kurs: FYS/IN 204 Våren 2000 Elektronikk med prosjektoppgaver. 4 vektall Oppgave Nr: Gruppe: Lab-oppgave 0 Gruppe-dag: Omhandler: Bruk av Pspice for windows ved tegning og simulering av lavpassfilter, høypassfilter og diodelikeretter. Revidert utgave Utført dato: Utført av: Navn: Navn: Godkjent:dato: Godkjent av: Kommentar fra veileder: 1

2 FYS/IN 204 Lab-oppgave 0. Revidert utgave Bruk av Pspice for windows ved tegning og simulering av lavpassfilter,høypassfilter og diodelikeretter. 2

3 1. Innhold 1. INNHOLD SKJEMATEGNING HENTE KOMPONENTER FRA BIBLIOTEKET FLYTT KOMPONENTER: TEGNE LEDNINGER ENDRE EN KOMPONENTS VERDI SETTE NAVN PÅ LEDNINGER. (LABEL, WIRE) OM SIMULERING AC-ANALYSE I PRAKSIS GENERELT OM TRANSIENTANALYSE AC OG TRANSIENTANALYSE I PSPICE FORBEREDELSE TIL SIMULERING START AV SIMULERING I PSPICE KURVETEGNEPROGRAMMET PROBE.EXE OPPGAVENE OPPGAVE 1.A LAVPASSFILTER OPPGAVE 1.B HØYPASSFILTER OPPGAVE 1.C ENKEL DIODELIKERETTER UTEN FILTERKONDENSATOR OPPGAVE 1.D ENKEL DIODELIKERETTER MED LITEN FILTERKONDENSATOR OPPGAVE 1.E ENKEL DIODELIKERETTER MED MIDDELS FILTERKONDENSATOR INNLEVERING...12 Oppgaven omhandler bruk av PSpice til skjemategning og simulering av enkelt lavpassfilter, høypassfilter og diodelikeretter. Simuleringene som skal utføres er frekvens og tidssimulering. 2. Skjemategning innebærer å hente komponenter fra bibliotekene, flytte komponenter i skjemaet, endre komponentverdier og navn og å knytte ledninger mellom komponentene. Det er mange måter å gjøre disse tingene på, men som en enkel introduksjon beskriver jeg her de mest instruktive metodene. 2.1 Hente komponenter fra biblioteket. Under selve tegningen av skjemaet er menyene Draw og Edit de viktigste. Menyen Draw gir mulighet for å hente komponenter fra bibliotekene, tegne ledninger osv, mens Menyen Edit gir muligheter som rotering, klipp og lim osv. Når man klikker på menyen Draw 3

4 / GetNewPart får man tilgang til et aktivt bibliotek samt muligheten til å velge Browse andre biblioteker. For å hente en kondensator fra biblioteket kan følgende operasjoner utføres: 1. Klikk på Draw/GetNewPart. 2. Klikk på Browse. 3. Velg biblioteket analog.slb i dialogens høyre listeboks under Library" 4. Velg komponenten C i dialogens venstre listeboks. 5. Klikk ok 6. Flytt komponenten til ønsket sted i skjemaet med musen og klikk venstre museknapp. 7. Klikk høyre museknapp for å avslutte innsettingen. De biblioteker og komponenter vi får bruk for i denne lab-oppgaven er: Bibliotek Komponenter Analog.slb R, C Eval.slb D1N4148 Source.slb VSIN Port.slb AGND Tabell 1 Oversikt over biblioteker og komponenter. 2.2 Flytte komponenter: Hvis vi ønsker å flytte på komponenter etter at de er plassert i skjemaet gjøres dette ved å ta tak i komponenten med musen og flytte den dit det måtte være ønskelig. Når en komponent er flyttet, må eventuelle ledninger trekkes på nytt. 1. Marker komponent ved å peke med mus og klikke med vmk. 2. Ta tak i komponenten ved å peke på den markerte komponenten og trykk ned vmk. 3. Flytt komponenten ved å flytte mus mens vmk holdes nede. 4. Slipp komponenten etter flytting ved å slippe vmk. 2.3 Tegne ledninger. 1. Menyvalget Draw / Wire endrer cursoren til en blyant. 2. Pek på komponentpinnen som ledningen skal starte fra og klikk med vmk. 3. Flytt mus til den komponentpinnen som ledningen skal gå til og dbl. klikk vmk. 2.4 Endre en komponents verdi. Komponentenes verdi og navn er beskrevet av attributtene VALUE og REFDES. For motstanden i Figur 1 har disse verdi REFDES=R1 og VALUE=1k. Attributtene kan endres på to måter: 1. Dbl.klikk på attributteksten 1k eller R1. 2. Dbl.klikk på selve motstandssymbolet 4

5 Metode 1 viser en enkel dialog hvor man kan endre verdien til det attributtet man har klikket på. Metode 2 gir en dialog hvor man får se alle symbolets attributter. Her må man velge hvilket attributt som skal endres før endringen endelig kan gjøres. Når en attributt er valgt kan man også trykke på en knapp Change Display som gir muligheter for å bestemme hvordan attributtet skal vises i skjemaet. Referanse navn symbol Verdi Figur 1 Motstandssymbol med verdifelt og navn. 2.5 Sette navn påledninger. (Label, wire) For lettere å kunne gjenkjenne de signallinjene man ønsker å studere i simulatoren er det fornuftig å gi disse navn som In, Out osv. Dette gjøres enkelt ved å dbl.klikke på den signallinjen eller wiren som skal navnes. Navn på ledninger, busser og komponentpinner kalles labler. 3. Om simulering. De vanligste måtene å analysere hvordan en analog krets funksjonerer er ved å plotte amplitude/frekvens, fase/frekvens og amplitude/tid. Simuleringer som viser kretsens oppførsel for ulike frekvenser kalles AC-analyse mens simuleringer basert på tid kalles transientanalyse. 3.1 AC-Analyse i praksis. Vi skal foreløpig bare utføre AC-analyser hvor vi betrakter amplitude/frekvens respons. Når man utfører en AC-analyse i praksis, gjøres dette ved å koble en sinusgenerator 5

6 til kretsens inngang og et oscilloskop til utgangen. Ved å sende inn et signal med fast amplitude og økende frekvens vil man kunne måle hvordan de ulike frekvensene blir forsterket ved å lese av utgangsamplituden på oscilloskopet. Hvis vi plotter målingene med frekvens som x-akse og amplitude som y-akse, får vi fram kretsens amplitudefrekvensrespons. Det er vanlig å benytte logaritmiske akser i AC-analyser. 3.2 Generelt om transientanalyse. En transientanalyse er vanligvis mer komplisert å utføre enn en AC-analyse. Når en elektronisk krets blir utsatt for en hurtig forandring av inngangssignalet som ved f.eks en kort spenningspuls vil kretsen reagere med et spenning/tids forløp som er karakteristisk for kretsen. Ulike kretser kan reagere med ulike former for forsinkelser og dempede eller økende oscillasjoner på sammen måte som når man slår med en hammer på en sten eller stålfjær.se Figur 6. Målinger av transienter i elektriske kretser kan være vanskelige å fange opp på vanlige oscilloskop fordi transientenes varighet ofte blir svært korte i tid. Når vi i denne oppgaven benytter en sinusgenerator som kilde og ikke korte firkantpulser, får vi ikke noen egentlig transientanalyse selv om det er denne analysetypen vi velger. Det vi her er interessert i, er å se hvordan kretsen oppfører seg for stasjonære signaler. Dvs. i tiden etter at eventuelle transientresponser har dødd ut. Det er viktig å merke seg denne forskjellen. 3.3 AC og Transientanalyse i PSpice Når en krets skal simuleres, gjøres dette på liknende måte som ved praktiske målinger. Først tegnes kretsen som skal simuleres. Deretter kobles en sinusgenerator til inngangen og et måleinstrument på utgangen. Som sinusgenerator benyttes komponenten VSIN fra biblioteket Source.slb og på samme måte som ved en virkelig måling må denne stilles inn riktig. Innstillingene gjøres som for motstander og kondensatorer. Se avsnitt 2.4 Endre en komponents verdi. For alle simuleringer i denne lab-oppgaven skal VSIN være innstilt som vist i Figur 2. 6

7 Figur 2 Meny for å stille inn verdiene til sinusgeneratoren VSIN. Når det gjelder oscilloskopet, er det tilstrekkelig å sette et lett gjenkjennelig navn på det punktet man ønsker å betrakte som utgang. Det er også mulig å koble på ulike måleinstrumenter fra biblioteket, men vi skal nøye oss med å benytte nodenavn som f.eks Out. Se avsnittet: 2.5 Sette navn på ledninger. (Label, wire). 4. Forberedelse til simulering. Før vi kan starte selve simuleringen må vi sette opp simulatoren til å utføre den simuleringen vi ønsker. Dette gjøres i menyen Analysis/Setup. Se Figur 3. I denne menyen krysser vi først av de analysene vi ønsker å utføre. Figur 3 Menyen analyses / Setup. 7

8 Når vi har valgt analysetyper må vi også kontrollere at de valgte analysene er satt opp riktig. Dette gjøres ved å klikke på analysenavnet. I denne lab-oppgaven bør analysene AC og transient settes opp som vist i Figur 4 og Figur 5. Figur 4 Oppsett av AC-analysen. Figur 5 Oppsett av transient analysen. 8

9 5. Start av simulering i PSpice. Når kretsen er tegnet og simulatoren er satt opp riktig, startes selve simuleringen ved menyvalget Analysis/simulate. Dette valget vil først starte et program som genererer en simuleringsfil i asciiformat med ekstension.cir. og filnavn lik kretsnavnet. Deretter utføres selve simuleringen, og til sist startes kurvetegneprogrammet Probe.exe. Hvis man får feilmeldinger under veis kan man gå inn og kontrollere resultatfilen.out. Menyen Analysis i skjemategneprogrammet har en undermeny Examin output som viser denne filen. 5.1 Kurvetegneprogrammet Probe.Exe Når simuleringen er ferdig kommer dette programmet opp med et tomt vindu. Her er det spesielt to menyer som er viktige. Disse er Trace og Plot. I Menyen Plot setter man blant annet opp hvordan aksene skal være. Ved transientanalyse bør aksene være lineære, mens y- aksen kan være lineæer eller logaritmisk ved frekvensanalyse avhengig av hvordan plottet settes opp. I menyen Trace/Add velges de nodene eller kretspunktene man ønsker å studere. For denne lab-oppgaven vil det være noden Out som er av størst interesse. I denne menyen kan man i tillegg til å be om spenningen eller strømmen i en bestemt node, også be om en funksjon av flere signaler. Man kan f.eks. be om å få se sum, produkt eller differans mellom signaler. For frekvensanalyse kan man be om å få beregnet resultatet direkte i db ved å sette inn uttrykket VdB(out). Hvis man ønsker å finne nøyaktige verdier på de plottede kurven kan man sette opptil to markeringskors på kurven. En egen dialog viser da differansen mellom punktene og punktenes eksakte xy-verdi. Markering av det første punktet gjøres ved å velge cursor under menyen tools. Deretter peker man med musen på det første kurvepunktet og trykker venstre mustast. For å sette inn det andre punktet benyttes høyre musknapp. Ved hjelp av menyen Tools/ Label kan man legge på forskjellige former for tekstkommentarer, piler, understrekninger ol. 9

10 Figur 6 Probe.exe (Typisk transientanalyse av dempet LC-filter.). 6. Oppgavene 6.1 Oppgave 1.A Lavpassfilter. Et lavpassfilter er en krets som slipper igjennom lave frekvenser mens den demper høye frekvenser. Det enkleste lavpassfilter vi kan lage, består av en motstand og en kondensator koblet som vist i Figur 7. Lavpassfiltre har to viktige parametere; knekkpunkt og orden. Knekkpunktet angir den frekvensen hvor filteret demper signalet med -3dB mens orden beskriver hvor bratt dempingskurven er. Et filter som består av en enkelt motstand og kondensator kalles et førsteordensfilter og demper frekvenser over knekkpunktet med 20dB/dekade. Et annenordens ville dempet med -40dB pr. dekade. Kurset fys220 behandler dette filteret matematisk. Her vil vi se at det er en sammenheng mellom et filters orden og antall poler. Utrykket under viser filterets overføringsfunksjon og amplitudefunksjon. 1 1 H( s) = M ( ω) = Vout Vinn * M ( ) 1 + RCS 1+ ( RC ) = ω 2 ω Tegn et lavpassfiltret som vist i Figur 7 med C1=1nf og R1=1kOhm. Utfør en ACanalyse. Bruk logaritmiske akser i kurvetegnprogrammet probe.exe og be om å få se spenningen Out i db. Bruk menyen tools/cursor til å sette inn en markør ved -3dB punktet. Merk simuleringen med Oppgave 1A LP-filter ved hjelp av menyen tools/label/text. Ta også en utskrift av den genererte ascii-simuleringsfilen LP.OUT. VSIN AC=1 Freq=50Hz VAmpl=1V VOff=0V R1 1kOhm Out C10 1nF Figur 7 Lavpassfilter. 10

11 6.2 Oppgave 1.B Høypassfilter. Gjenta oppgave 1A men nå med høypassfilteret vist i Figur 8. Utfør en AC-analyse og vis signalet Out som db. Finn filterets knekkpunkt. Merk simuleringen med Oppgave 1B HPfilter ved hjelp av menyen tools/label/text. VSIN AC=1 Freq=50Hz VAmpl=1V VOff=0V C1 10nF Out R1 10kOhm Figur 8 Høypassfilter 6.3 Oppgave 1.C Enkel diodelikeretter uten filterkondensator. Tegn diodelikeretteren i Figur 9 og utfør en transientanalyse. Studer kurveformen og sett inn et markeringspunkt som viser amplituden. Merk simuleringen med Oppgave 1C Enke diodelikeretter ved hjelp av menyen tools/label/text. VSIN AC=1 Freq=50Hz VAmpl=10V VOff=0V D1 1N4148 Out RLast 1kOhm Figur 9 Enkel diodelikeretter. 6.4 Oppgave 1.D Enkel diodelikeretter med liten filterkondensator. Gjenta oppgave1.c men med en filterkondensator på 10uF i parallell med lastmotstanden. Sammenlikn kurveformen med kurvenformen for enkel likeretter uten filterkondensator. Finn amplituden på rippelspenningen ved å sette inn to aksekors, ett på peekverdien og et på kurvens minpunktet. Merk simuleringen med Oppgave 1D enkel diodelikeretter CL=10uF ved hjelp av menyen tools/label/text. 11

12 VSIN AC=1 Freq=50Hz VAmpl=10V VOff=0V D1 1N4148 CL 10uF out RLast 1kOhm Figur 10 Enkel diodelikeretter med liten filterkondensator. 6.5 Oppgave 1.E Enkel diodelikeretter med middels filterkondensator. Gjenta oppgave1.d, men med en filterkondensator på 100uF i parallell med lastmotstanden. Finn rippelspenningen. Merk deg hva som skjer med rippelspenningen når filterkondensatoren økes. Merk simuleringen med Oppgave 1E Enkel diodelikeretter Cl=100uF ved hjelp av menyen tools/label/text. D1 1N4148 out VSIN AC=1 Freq=50Hz VAmpl=10V VOff=0V CL 100uF RLast 1kOhm Figur 11 Diodelikeretter med middels stor filterkondensator. 7. Innlevering. Til hver oppgave leveres en utskrift av skjemaet hvor alle komponentverdier vises sammen med en utskrift av plotene. For oppgave 1A skal det også leveres en utskrift av asciisimuleringsfilen LP.OUT. 12