Simulación de Circuitos Lineales con PSpice Student 9.1.

Transcripción

1 Simulación de Circuitos Lineales con PSpice Student 9.1. M.Asunción Vicente Ripoll Cesar Fernández Peris Nicolás M. García Aracil Carlos Pérez Vidal DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE SISTEMAS INDUSTRIALES ÁREA DE INGENIERÍA DE SISTEMAS Y AUTOMÁTICA Escuela Politécnica Superior de Elche UNIVERSIDAD MIGUEL HERNÁNDEZ

2 Título: Simulación de circuitos lineales con PSpice Student 9.1 Autores: M. Asunción Vicente Ripoll Cesar Fernández Peris Nicolás M. García Aracil Carlos Pérez Vidal I.S.B.N.: Depósito Legal: A Edita: Editorial Club Universitario Telf.: C/ Cottolengo, 25 San Vicente del Raspeig (Alicante) Printed in Spain Imprime: Imprenta Gamma Telf.: C/ Cottolengo, 25 San Vicente del Raspeig (Alicante) Reservados todos los derechos. De conformidad a lo dispuesto en el artículo 534 bis del Código Penal vigente, podrán ser castigados con penas de multa y privación de libertad quienes reprodujeren o plagiaren, en todo o en parte, una obra literaria, artística o científica fijada en cualquier tipo de soporte sin la preceptiva autorización.

3 INDICE Prefacio...5 Práctica 1: Introducción al PSpice Práctica 2: Construcción y simulación de un circuito con PSpice Práctica 3: Aplicación de PSpice al cálculo de circuitos en continua...67 Práctica 4: Análisis de circuitos en DC: Barrido DC Sweep Práctica 5: Circuitos de primer orden Práctica 6: Circuitos de segundo orden Práctica 7: Análisis de circuitos en alterna Anexo 1:Librerías de Pspice Bibliografía Soluciones a los ejercicios impares...131

4 PREFACIO Este manual ofrece un conjunto de prácticas basadas en la simulación de circuitos con el programa PSpice Student 9.1. En la práctica 1 se describen detalladamente dos de las aplicaciones que componen el programa PSpice Student 9.1., la aplicación Capture, utilizada para dibujar el circuito y señalar el tipo de análisis o simulación a realizar y la aplicación PSpice A/D, que permite la visualización de los resultados obtenidos tras la simulación del circuito. Y en la práctica 2 se describe paso a paso la construcción y simulación de un circuito simple de DC, por lo que ambas prácticas son realizables en una sola sesión de laboratorio. Las prácticas 3 y 4 también se basan en circuitos de DC, en la práctica 3 se explican todas las opciones posibles de simulación para este tipo de circuito y en la 4, se explica el análisis tipo Barrido DC Sweep, que permite estudiar el comportamiento de un circuito para diferentes valores en los componentes. En las prácticas 5 y 6 se estudian los transitorios de 1 er y 2º orden respectivamente. Para los circuitos de primer orden se pretende que el estudiante aprecie con detalle la carga y descarga de un condensador, utilizando para ello diversos tipos de circuitos (con interruptores y con generadores de pulsos), y en la práctica de segundo orden se presentan todos los tipos de respuesta tanto para el circuito RLC serie, como para el RLC paralelo, de forma que el alumno reconozca las distintas formas de onda que presenta cada tipo de respuesta. Por último, en la práctica 7 se estudian los dos tipos de simulaciones de PSpice Student 9.1. que permiten el análisis de circuitos en AC (Transient y Análisis AC Sweep). 5

5 PRÁCTICA 1. INTRODUCCIÓN AL PSPICE

6 PRÁCTICA 1: INTRODUCCIÓN AL PSPICE Qué es PSpice? Spice surge a mediados de los años 70 en la Universidad de California, en Berkeley, como un programa capaz de resolver las ecuaciones que describen un circuito, a través de una breve descripción del mismo. Esta representación del circuito dio lugar a un lenguaje propio de representación que se ha convertido en un estándar en la actualidad. El nombre de Spice deriva de las iniciales de Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis, que viene a resumir la filosofía con que Spice fue creado. Debido a su enorme éxito fueron apareciendo versiones mejoradas, como Spice2 y Spice3. En 1984, apareció el programa Pspice, que es la versión del simulador Spice disponible para el IBM-PC. La unidad fundamental de programación PSpice es el Netlist. Es un archivo ASCII que contiene la descripción del circuito en el lenguaje PSpice, así como los diferentes tipos de análisis (dominio del tiempo, frecuencia,etc.) Una vez realizado el Netlist se lanza el compilador PSpice que nos dirá si hay errores o nuestro circuito funciona correctamente desde el punto de vista sintáctico. Posteriormente, los resultados se visualizan en una ventana de aspecto similar a la pantalla de un osciloscopio. PSpice, como era de esperar, ha evolucionado hacia un entorno gráfico: Schematics (en las primeras versiones) y Capture (en las versiones más recientes). Los programas Schematics y Capture permiten realizar nuestros circuitos sin tener necesidad de conocer la sintaxis PSpice, con el consiguiente ahorro de tiempo y esfuerzo. Sin embargo, es muy recomendable conocer la terminología PSpice si queremos sacar todo el partido al programa En la actualidad el PSpice ha pasado a denominarse OrCAD, y la aplicación completa no sólo realiza simulaciones analógicas y digitales de circuitos electrónicos, sino que también crea PCB s a partir de los esquemas de nuestros circuitos. La versión demo del programa OrCAD 9, se suele denominar OrCAD demo o bien PSpice Student 9.1. La versión demo funciona de forma idéntica a la profesional, sólo que viene limitada por la librería de componentes (mucho menor que en la 9

7 Practica 1: Introducción al PSpice 9.1. versión completa), por el número de componentes de los circuitos que puede simular y por ciertas opciones de simulación. (Ver Cuadro 1.). Limits The following limits apply to the Student Version of the products: PSpice A/D Circuit simulation is limited to circuits with up to: 64 nodes 10 transistors 65 digital primitive devices 10 transmission lines in total (ideal or non-ideal) 4 pairwise coupled transmission lines. Additional limits: The sample library includes 39 analog and 134 digital parts. Device characterization in the PSpice Model Editor is limited to diodes. Stimulus generation in the PSpice Stimulus Editor is limited to sine waves (analog) and clocks (digital). Circuit optimization with the PSpice Optimizer is limited to one goal, one parameter, and one constraint. You can not create CSDF format data files. You can only display simulation data from simulations performed with the Student Version of the simulator. Schematics You can place a maximum of 50 parts on a schematic design. You can only draw on size A sheets. Capture The PSpice libraries are the only ones included. The standard Capture libraries are not included. Import facilities, netlisters, and accessories that are not relevant to PSpice are not included. You can not save a design that contains more than 60 parts. (You can view or create larger designs, but you can not save them.) You can not save a library that contains more than 15 parts Cuadro 1. Limitaciones de la versión demo. 10

8 Simulación de Circuitos Lineales 2. Elementos del Pspice Student 9.1. El programa está compuesto por las aplicaciones siguientes: Figura 1. Aplicaciones del programa Pspice Student 9.1. Para la realización de las prácticas utilizaremos sólo la aplicación Capture (o Schematics) y la Pspice A/D Capture Student. Capture Student es la aplicación del programa que nos permite la creación de circuitos electrónicos, tanto analógicos como digitales y mixtos, en un entorno gráfico. Para acceder a esta aplicación, debemos seleccionar el icono Capture Student, situado en el paquete de programas de Pspice Student. El inicio de una sesión de trabajo la podemos llevar a cabo mediante la opción New del menú File, si lo que queremos es crear un nuevo trabajo. O bien mediante la opción Open del mismo menú para abrir un fichero ya existente. Cualquiera de estas dos opciones dará paso a la página de OrCAD Capture, donde procederemos al diseño del circuito. Una vez abierta la sesión, la ventana principal aparece como se muestra en la Fig.2. 11

9 Practica 1: Introducción al PSpice 9.1. En esta figura podemos apreciar las distintas partes en que se divide la ventana de trabajo: barra de menús, barra de herramientas, ventana Session Log (ofrece información acerca del desarrollo de la sesión de trabajo), librería de los archivos relacionados con el proyecto y la página de diseño de esquemático (donde realizamos el diseño gráfico de nuestro circuito). Figura 2. OrCAD Capture En los siguientes apartados describiremos todos los menús que contiene las distintas herramientas y operaciones necesarias para trabajar en esta aplicación. La descripción de los menús se ha realizado suponiendo que hemos generado un proyecto tipo Analog or Mixed A/D, y hemos situado sobre la hoja de diseño del circuito algún componente. En caso contrario, los menús son algo diferentes (tienen menos opciones) de los que a continuación se describen Menú File. Este menú contiene los comandos que nos permiten trabajar con los ficheros, pudiendo realizar operaciones como: abrir, guardar, cerrar un 12

10 Simulación de Circuitos Lineales archivo ya existente o bien crear uno nuevo. Los comandos de este menú los podemos apreciar en la figura siguiente. Figura 3. Menú File. New. Este comando abre un menú desplegable con la lista de los diferentes tipos de archivo que podemos crear. Figura 4. Menú New - Project. Se abre una ventana de diálogo para la creación de un nuevo proyecto de trabajo, existen varios tipos de proyectos: Analog or Mixed A/D 13

11 Practica 1: Introducción al PSpice 9.1., PC Board, Programable Logic y Schematic. En el proyecto se guardarán y enlazarán los ficheros utilizados para el diseño del circuito así como los obtenidos en simulación. Habitualmente el tipo de sesión a iniciar será Analog or Mixed A/D, que nos permite el diseño y la simulación de circuitos. En la Fig.5 se muestra la ventana de diálogo de New Project. Figura 5. New Project. - Design. Mediante esta opción se accede sólo a los ficheros básicos de diseño de un circuito determinado (netlist, schematics, librerías, etc.) - Library. Nos permite añadir librerías ya creadas a nuestro circuito. - VHDL File. Nos permite crear un fichero de tipo VHDL. - Text File. Permite crear un fichero de texto en el que podremos realizar anotaciones de interés sobre el proyecto. 14

12 Simulación de Circuitos Lineales - Pspice Library. Mediante esta opción creamos una librería de componentes para PSpice. Primero nos pedirá el nombre del proyecto al que queremos añadirle la librería y después nos enlaza directamente con la aplicación OrCAD Model Editor, donde crearemos la librería. Open. Con este comando abrimos un menú desplegable con la lista de los diferentes tipos de archivos que podemos abrir. Como es normal, los ficheros que se pueden abrir son similares a los que se pueden crear, por lo que no realizaremos más comentarios sobre estos. Únicamente indicaremos la extensión que se corresponde a cada uno de estos archivos. - Archivos de tipo Project extensión *.opj - Archivos de tipo Design extensión *.dsn - Archivos de tipo Library extensión *.olb - Archivos de tipo VHDL extensión *.vhd - Archivos de tipo Text File extensión *.txt - Archivos de tipo Pspice Library extensión *.lib Close. Cierra el esquemático (en curso). Save. Guarda el esquemático actual. Export Selection. Exporta en forma de bloque a otro fichero de esquemático la selección realizada. Import Selection. Importa bloques pertenecientes a otros proyectos. Printer Preview. Permite ver de forma preliminar la página a imprimir. Print. Abre una ventana de diálogo en la que podemos seleccionar tanto la impresora como el tipo de impresión. Desde este comando tenemos acceso directo al comando Page Setup. Printer Setup. Abre la ventana de diálogo que nos permite configurar la impresora, así como la orientación y tamaño de la página a imprimir. Import Design. Convierte los diseños de otras aplicaciones a ficheros de OrCAD Capture. Existen tres posibilidades de conversión: Pspice, EDIF. y PDIF. En la siguiente figura vemos la ventana de diálogo de Import Design. Export Design. Exporta, previa conversión los ficheros de OrCAD Capture a otras aplicaciones. Estas aplicaciones son: EDIF y DXF. 15

13 Practica 1: Introducción al PSpice 9.1. Exit. Con este comando salimos y cerramos la aplicación. Por último en la parte inferior del menú File, arriba de Exit, aparece una lista con los últimos proyectos utilizados Menú Edit. Este menú nos ofrece una serie de posibilidades acerca de la edición del circuito con el que estamos trabajando. Figura 6. Menú Edit. Undo [...]. Permite deshacer una operación realizada previamente. Los puntos suspensivos hacen referencia al tipo de operación que podemos deshacer. También se puede emplear la combinación CTRL.+Z. Redo. Este comando nos permite rehacer una operación realizada previamente. 16

14 Simulación de Circuitos Lineales Repeat [...] Nos permite repetir una operación ya realizada previamente. F4. Cut. Corta la selección y la guarda en memoria para posteriores acciones de pegar. Se puede emplear la combinación CTRL + X. Copy. Copia en memoria la selección para tenerla disponible para posteriores acciones de pegar. Se puede emplear la combinación CTRL + C. Paste. Permite pegar en la ventana seleccionada la selección que haya sido cortada o copiada previamente. Se puede emplear la combinación CTRL + V. Delete. Borra los componentes que tengamos seleccionados. Se puede emplearla tecla DEL. Select All. Selecciona todos los componentes y elementos presentes en la ventana activa. CTRL + A. Properties. Abre una ventana de diálogo que depende del elemento seleccionado. En esta ventana podemos configurar las propiedades de este elemento, tales como valor, referencia... En la siguiente figura vemos como el botón Display de esta ventana da paso a otra ventana de diálogo donde podemos modificar el parámetro seleccionado. CTRL + E. Figura 7. Property Editor. 17

15 Practica 1: Introducción al PSpice 9.1. Figura 8. Display Properties. Part. Abre la aplicación para la inserción de componentes. Pspice Model. Abre la aplicación para la edición de componentes. Pspice Stimulus. Abre la aplicación para la edición de estímulos. Mirror. Abre un menú desplegable en el que tenemos distintas opciones para posicionar un componente: 18 - Horizontally: Invierte el componente seleccionado horizontalmente. - Vertically: Invierte el componente seleccionado verticalmente. - Both: Realiza simultáneamente las dos operaciones anteriores. Rotate. Permite rotar 90º el componente seleccionado. Group. Agrupa los componentes seleccionados en un mismo bloque. Ungroup. Permite desagrupar el bloque de componentes seleccionado, que previamente debe haber sido agrupado. Find. Abre una ventana de diálogo con la que podemos realizar la búsqueda de cualquier tipo de componente o elemento de circuito.

16 Simulación de Circuitos Lineales Global Replace. Localiza y reemplaza un componente o una cadena de texto en el circuito Menú View. En este menú se encuentran las opciones referentes a la visualización del programa. Podemos configurar qué es lo que queremos ver y cómo lo queremos ver. Las distintas opciones las podemos ver en la figura siguiente: Figura 9. Menú View. Ascend Hierarchy. Permite ascender en el orden jerárquico, de manera que si nos encontramos en un subcircuito esta opción nos abrirá el circuito que contiene a este subcircuito como componente. Descend Hierarchy. Permite descender en el orden jerárquico, de manera que si seleccionamos un subcircuito nos abrirá la página correspondiente al mismo. Go To. Este comando nos abre una ventana de diálogo a través de la que podemos desplazar la pantalla hasta el punto referencia que indiquemos en esta ventana. En la Fig. 10. podemos ver las distintas opciones de este comando. 19

17 Practica 1: Introducción al PSpice 9.1. Figura 10. Go To. Zoom. Esta opción nos abre un menú desplegable en el que disponemos de distintas posibilidades sobre la configuración del aspecto de la pantalla. Figura 11. Zoom. - In. Amplía la pantalla tomando como centro el punto que le indiquemos con el botón izquierdo del ratón. - Out. Reduce la pantalla tomando como centro el punto que le indiquemos con el botón izquierdo del ratón. - Scale. Abre una ventana de diálogo en la que podemos seleccionar la escala para unos valores predefinidos o personalizados: 20