Innføring i bruk av PSpice;- Schematics og Probe

Innføring i bruk av PSpice;- Schematics og Probe Innholdsfortegnelse 1. INNLEDNING...1 2. SCHEMATICS SKJEMATEGNE VERKTØY...1 2.1. HENTE KOMPONENTER FRA BIBLIOTEKET...2 2.2. FLYTTE KOMPONENTER...3 2.3. TEGNE LEDNINGER...3 2.4. ENDRE EN KOMPONENTS VERDI...3 2.5. SETTE NAVN PÅ LEDNINGER (LABEL, WIRE)...4 3. OM SIMULERING...4 3.1. AC-ANALYSE...4 3.2. TRANSIENTANALYSE...4 3.3. EKSEMPEL PÅ AC OG TRANSIENT ANALYSE I PSPICE...5 3.4. FORBEREDELSE TIL SIMULERING...5 3.5. START AV SIMULERING I PSPICE...7 4. KURVETEGNEPROGRAMMET PROBE.EXE...7 4.1. UTLESNING AV VERDIER PÅ KURVENE...8 4.2. UTSKRIFT AV KURVEDIAGRAMMENE MED HVIT BAKGRUNN...9 4.3. FOURIER TRANSFORMASJON...9 1. Innledning PSpice er et program system som består av flere under programmer som Schematics, og Probe. Schematics lar oss tegne et kretsskjema, sette opp simuleringskriterier og starte simuleringen. Når en simulering er ferdig kan Schematics be simulatoren overføre sine beregninger til Plotteprogrammet Probe.exe. Dette programmet kan vi betrakte som et oscilloskop som kan kobles til de ledningene der vi ønsker å studere signalet. Probe kan også utføre regneoperasjoner på signaler og vise f.eks produktet av to signaler. 2. Schematics skjemategne verktøy 1

Figur 1. Eksempel på tegning av et enkelt lavpassfilter i Schematcs 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. 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 / GetNewPart får man tilgang til et aktivt bibliotek samt muligheten til å 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 viktigste bibliotekene og komponentene for oss er vist i tabell 1. Bibliotek Analog.slb Source.slb Port.slb Komponenter R, C, Opamp VSIN, VPulse AGND Tabell 1: Oversikt over biblioteker og komponenter. 2

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. Hvis opsjonen rubberband i menyen Options/Display Options er på vil ledningene henge med under flytting. Hvis ikke må ledninger tegnes 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 navn og verdier er beskrevet ved såkalte attributter. Ulike komponenter kan ha ulike attributter, men alle har en referanse attributt som heter Refdes som angir komponentens navn. Navnet må være unikt slik at ikke to eller flere komponenter heter det samme. For motstanden i Figur 2 vises to attributter, 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 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 om og hvordan attributtet skal vises i skjemaet. Figur 3 viser attributt dialogen for en sinus generator. 3

Referanse navn symbol Verdi Figur 2: Motstandssymbol med verdifelt og navn. 2.5. Sette navn på ledninger (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 Når man utfører en AC-analyse på en fysisk krets, gjøres dette ved å koble en signalgenerator 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. I PSpice setter vi fortsatt på en signalgenerator. Denne må ha en attributt kalt AC som normalt settes til 1. Vi kobler ikke på et oscilloskop, men setter lett gjenkjennbare etiketter (Labler) på de ledningene hvor vi ønsker å studere signalet. F.eks. inn og ut. Videre må vi spesifisere frekvensområde og oppløsning. Dette gjøres i menyen Analysis/Setup/AC-Sweep. Vi kan så starte simulatoren med F11 og deretter studere frekvens responsen med programmet Probe.exe som normalt kommer opp automatisk etter en simulering. 3.2. Transientanalyse Vi benytter transient analyse når vi ønsker å studerer hvordan en krets behandler et signal i tid. Kobler vi opp en forsterker krets og setter en sinus eller firkant generator på inngangen, vil vi 4

kunne studere hvordan dette signalet blir behandlet av kretsen på samme måte som om vi skulle gjort det i praksis og koblet på et oscilloskop. Vi vil kunne se om forsterkeren klipper sterke signaler, om den oscillerer hvis vi brått endrer inngangssignalet osv. 3.3. Eksempel på AC og transient analyse i PSpice Først tegnes kretsen som skal simuleres og en eller flere signal generatorer tegnes inn på kretsens innganger. Som signalgenerator kan vi f.eks. benytte komponenten VSIN fra biblioteket Source.slb. På samme måte som ved en virkelig måling må denne stilles inn riktig. Innstillingene gjøres som for motstander og kondensatorer ved å dbl.klikke på komponenten og sette de attributter som måtte komme til syne. Figur 3: Meny for å stille inn verdiene til sinusgeneratoren VSIN. Mer at vi ikke tegner inn et oscilloskop. Det eneste vi bør gjøre er å sette lett gjenkjennelige etiketter eller navn på de ledningene der vi ønsker å studere signalet. Navn som ut, utgang, inn, inngang kan brukes. 3.4. 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 som vist i Figur 4. I denne menyen krysser vi først av for de analysene vi ønsker å utføre. 5

Figur 4: Menyen analyses / Setup. Når vi har valgt analysetyper må vi også kontrollere at de valgte analysene er satt opp riktig. Dette gjøres ved å klikke på analysenavnet. De vanligste analysetypene er AC og transient analyse. Disse kan settes opp som vist i Figur 5 og Figur 6. Figur 5: Eksempel på oppsett av AC-analyse. 6

Figur 6: Eksempel på oppsett av transientanalyse. 3.5. Start av simulering i PSpice Når kretsen er tegnet og simulatoren er satt opp riktig, startes selve simuleringen ved menyvalget Analysis/simulate, eller ved trykk på hurtigtasten F11. 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 <filnavn>.out. Menyen Analysis i skjemategneprogrammet har en undermeny Examine output som viser denne filen. 4. Kurvetegneprogrammet Probe.Exe Når simuleringen er ferdig kommer dette programmet opp med et tomt vindu. He r 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 lineær eller logaritmisk ved frekvensanalyse avhengig av hvordan plottet settes opp. I menyen Trace/Add velges de nodene eller kretspunktene man ønsker å studere. I denne menyen kan man i tillegg til å be om spenningen eller strømmen i en bestemt node. Man kan til og med be om en matematisk formel av signalene fra flere noder. På denne måten kan man f.eks få se plott som impedans og effekt.. For frekvensanalyse kan man be om å få beregnet 7

resultatet direkte i db ved å sette inn uttrykket VdB(out) (og da skal y-aksen være lineær). Ved hjelp av menyen Tools/Label kan man legge på forskjellige former for tekstkommentarer, piler, understrekninger ol. Figur 7: Plot laget av Probe.exe. Her vises en typisk transientanalyse av dempet LC-filter. 4.1. Utlesning av verdier på kurvene Probe kan hente ut verdiene på ulike steder av en kurve ved at man først velger kuve ved å klikke på kurven eller navnet på kurven under plottet. Deretter kikker man den røde kurve knappen nest lengst til venstre i Figur 8. Så klikker man med venstre musknapp på kurven. En etikett kommer da opp med x,y verdien i det valgte punktet. Bruker man høyre musknapp kan man sette et annet punkt og således få ut xy-verdien for dette andre punktet samt differansen mellom punktene. I tillegg kan man benytte cursor knappene for å finne lokale eller globale min og maks punkter. Se også menyen trace/cursor. Figur 8: Cursor knappene brukes for å sette og finne verdier på angitte steder langs kurvene. Figur 9: Probes måte å vise markerte punkter på. A1 er punktet satt med venstre musknapp, mens A2 er satt med høyre musknapp. Kolonne 2 viser x aksens verdier mens kolonne 3 viser y-aksens verdier. m står for milli mens u står for micro. Bruker må selv notere hva aksene viser. f.eks. tid, frekvens eller spenning. 8

4.2. Utskrift av kurvediagrammene med hvit bakgrunn Det kan være et problem å ta utskrifter med sort bakgrunn, da det tar tid, forbruker mye blekk og ofte ser stygt ut. For å få hvit bakgrunn kan man velge Probes meny Window / Copy to clipboard og her be om hvit bakgrunn før man velger ok. Ok vil kopiere plottet til clipboard og man kan etter å valgt ok lime utklippet inn i et annet program som f.eks. Word eller Excel. 4.3. Fourier transformasjon Når man har utført en transient analyse og fått fram en tids funksjon i programmet Probe, kan Probe utføre en Fast Fourier Transformasjon FFT på denne tidsfunksjonen. Velg først Add trace og velg et signal som V(out) forutsatt at en ledning i den simulerte kretsen het Out. Trykk så på knappen merket med FFT, eller velg menyen Trace/Fourier. Dette vil utføre en Fourier transformasjon på signalet og plotte mengden av hver frekvenskomponent. Merk følgende Mår det utføres en transient analyse beregner simulatoren ett sett med punkter langs tidsaksen på samme måte som når man digitaliserer lyd. Siden vi har et digitalt sett med sampler kan vi ikke utføre en kontinuerlig Fourier serie analyse (FS), men må benytte den digitale varianten diskrets Fourier transformasjon. (DFT) Det innebærer at resultatene kan avvike noe fra hva man ville fått ved en kontinuerlig Fourier serie analyse. For å oppnå så korrekte resultater som mulig, er det viktig å - Simulere et helt antall perioder av grunntonen. Hvis vi ikke gjør det, vil vi skape kunstige frekvenskomponenter. Årsaken er beskrevet siste kapittel i FYS3220 s lærebok. Linear kretselektronikk under avsnittet om DFT. Bruke en høy sampel frekvens. Det gjør vi ved å sette variabelen Print Step til et lite tall når vi setter opp Transient analysen fra Schematics. (Analyse/Setup/Transient). 9