UNIVERSIDAD SIMON BOLIVAR DPTO. ELECTRONICA Y CIRCUITOS LAB. MEDICIONES ELECTRICAS EC1281 PRACTICA Nº 6 SIMULACION DE CIRCUITOS CON PSPICE OBJETIVO Familiarizar al estudiante con el uso del programa simulador de circuitos basado en SPICE, a fin de utilizarlo como una herramienta para el análisis de circuitos. PREPARACION En base a las explicaciones dadas por su profesor durante el Prelaboratorio, conteste las siguientes preguntas: 1.- Qué es el programa SPICE? 2.- Qué significan sus siglas? 3.- Para qué se puede utilizar este programa? 4.- Qué versiones de SPICE están disponibles en el Laboratorio? Recuerde llevar al laboratorio un diskette para poder guardar los archivos de SPICE que Ud. va a generar y papel milimetrado para dibujar las formas de onda observadas en el osciloscopio. TRABAJO EN EL LABORATORIO. I. Recuerde firmar la hoja de asistencia y encender el mesón, el computador y el osciloscopio. II. Manejo del programa SPICE. Con la ayuda de su profesor o preparador, va a realizar una serie de ejercicios con el programa SPICE, para mejorar sus destrezas en el uso de este tipo de herramientas de simulación: 1.- Abrir la versión disponible del programa y SPICE y realizar una primera identificación de los menues e iconos disponibles. guardarlos. 2.- Localizar archivos con circuitos ya preparados, abrirlos, correr las simulaciones y 33
3.- Sobre una hoja nueva, identificar las herramientas para seleccionar componentes (menú de dispositivos) y colocar en la hoja algunos componentes básicos, como resistencias, condensadores y fuentes DC, utilizando los botones correspondientes. Rotar los componentes con Ctrl- R para ubicarlos en la posición deseada. 4.- Utilizando el lápiz para dibujar cables, realizar un primer circuito con una fuente DC y dos resistencias (borrar todo lo demás). 5.- Comprobar que los componentes están bien conectados entre sí, seleccionando cada uno de ellos y moviéndolo, para observar si sigue conectado con los demás. 6.- Seleccionar cada uno de los componentes para observar la ventana asociada, donde se pueden cambiar los parámetros del componente. Colocarle a cada componente los valores correspondientes para obtener el circuito de la Figura 1.a. (a) (b) Figura 1.- Circuitos con dos resistencias 7.- Seleccionar un nodo como valor de referencia, para ubicar el símbolo de tierra (GND). Usualmente se selecciona el terminal negativo de la fuente. 8.- Identificar los puntos donde se quieren observar voltajes o corrientes (Markers). Usualmente se comienza por seleccionar una medición de voltaje entre un nodo y tierra (por ejemplo, el valor de la fuente de voltaje y el voltaje de la resistencia de 3KΩ a tierra). 9.- Observar los distintos tipos de análisis que se pueden realizar con el programa. En este curso se van a emplear el análisis Transitorio (TRANSIENT), la determinación de los voltajes y corrientes DC en el circuito, llamado también punto de operación (BIAS POINT DETAIL) y el análisis AC (AC Sweep). Para el primer ejemplo, se va a utilizar TRANSIENT. 10.- Observar la caja de diálogo que se abre cuando se selecciona TRANSIENT. Aquí es imprescindible seleccionar adecuadamente el tiempo total de análisis y el tiempo entre un punto y el siguiente. El primer número depende de la frecuencia de la fuente aplicada. Como en este primer ejemplo la fuente es DC, puede seleccionarse prácticamente cualquier valor (por ejemplo, 1 milisegundo). El segundo número puede seleccionarse en principio como la centésima parte del tiempo total (en el caso del ejemplo, 0.01ms o 10us. Los microsegundos se representan con la letra u). 34
11.- Una vez listo el circuito que se quiere simular y el tipo de análisis que se quiere realizar, asignar un nombre al archivo para poder guardarlo y procesarlo cuando se desee. 12.- Para correr la simulación, se debe seleccionar el ícono correspondiente. El resultado aparece en una gráfica (en la que se observan las dos señales solicitadas, el voltaje de la fuente y el de la resistencia de 3 KΩ). El eje vertical se encuentra calibrado en voltaje y el horizontal en tiempo. 13.- El siguiente paso es guardar en un diskette el archivo del circuito, y pasar la gráfica obtenida a un programa de dibujo (Paint por ejemplo) para guardarla y posteriormente imprimirla o introducirla en otro tipo de documento (Word). 14.- Una vez realizado todo el proceso para el análisis TRANSIENT con una fuente DC, repetirlo con una fuente alterna, para lo cual hay que modificar el circuito (identificándolo con otro nombre), colocando una fuente VSIN, a la que se le va a dar una amplitud de 5 V y una frecuencia de 10KHz, como se puede onservar en la Figura 1.b. Los parámetros del análisis TRANSIENT deben modificarse para poder observar cuatro ciclos del voltaje sobre la fuente y sobre la resistencia de 3KΩ. Tanto el circuito SPICE como la gráfica resultante con las dos señales sinusoidales se deben guardar en el diskette para poderlas utilizar posteriormente. 15.- Realizar el análisis TRANSIENT de los circuitos mostrados en la Figuras 2.a y 2.b, utilizando los valores indicados por su profesor tanto para los componentes como para la amplitud y frecuencia de la fuente, y graficar dos o tres ciclos de los voltajes Vin y Vout. Guardar los resultados. (a) (b) Figura 2.- Circuitos AC con condensador y resistencia 16.- Realizar el análisis TRANSIENT del circuito mostrado en la Figura 3, cuando la señal de entrada Vi es una onda sinusoidal (VSIN) de 0.5 V, 5 khz, graficando cinco ciclos de la entrada (Vi) y la salida (Vo). Guardar los resultados. 17.- Sobre el diagrama circuital de un circuito pueden observarse los valores de las corrientes y voltajes DC en los distintos componentes del circuito. Para ello, deben colocarse marcadores en los puntos de interés, luego en la ventana de selección de los tipos de análisis que se pueden realizar, se escoge BIAS POINT DETAIL, a continuación hay que presionar el ícono para correr la simulación, y finalmente seleccionar las opciones de presentación de los voltajes (Enable Bias 35
Voltage Display, V) o de las corrientes (Enable Bias Current Display, I). Esto es particularmente util en el circuito DC de la Figura 1 y en el circuito de la Figura 3 cuando se aplican señales DC a la entrada. Guardar los resultados. Figura 3.- Amplificador inversor 18.- El sguiente paso es realizar el análisis AC del circuito mostrado en la Figura 3. En este análisis el programa aplica a la entrada del circuito una fuente sinusoidal, identificada como fuente AC, cuya amplitud la fija el usuario, y cuya frecuencia varía desde 0Hz (voltaje DC) hasta la maxima frecuencia que el usuario indique para la gráfica de salida. La idea es tener en una sola gráfica el comportamiento del circuito para todo el rango de frecuencias. Esto es lo que se llama la respuesta en frecuencia de un circuito, a partir de la cual se define el ancho de banda. Para el amplificador inversor, se va a analizar la respuesta en frecuencia hasta 1 MHz, aplicando un voltaje de entrada de 1 V de amplitud. Una vez obtenida la gráfica del voltaje Vo en estas condiciones, se debe pasar a un programa de dibujo y guardarla en el diskette. 19.- Realizar el análisis AC para el circuito de la Figura 2.a (filtro pasa-bajo) y el de la Figura 2.b (filtro pasa-alto) para los valores indicados por su profesor, siguiendo los pasos indicados previamente. Guardar los resultados. Figura 4.- Filtro pasa-bajo activo 36
Figura 5.- Filtro pasa-alto activo 20.- Por último, realizar los análisis TRANSIENT y AC para los circuitos de las Figuras 4 (filtro pasa-bajo activo) y 5 (filtro pasa-alto activo) con los valores dados por su profesor, siguiendo las instrucciones previas. Guardar los resultados. III. Mediciones para verificar los resultados del programa SPICE. Una vez completadas las simulaciones, se van a comprobar los resultados para los circuitos de la Figura 1. Los circuitos restantes se montarán en otras sesiones de laboratorio. 1.- Monte el circuito de la Figura 1.a y mida con el voltímetro disponible el voltaje de la Fuente y el de la resistencia de 3 KΩ. 2.- Monte el circuito de la Figura 1.b, aplique con el generador de funciones una señal sinusoidal de 5 V y 10 KHz, y observe simultáneamente en el osciloscopio el voltaje de la Fuente y el de la resistencia de 3KΩ. Ajuste los controles del osciloscopio para observar las amplitudes en el mayor rango posible de los canales verticales (seleccionando la misma amplificación para ambos) y cuatro o cinco ciclos de las señales sinusoidales en el eje horizontal. Dibuje las señales observadas en la pantalla del osciloscopio. IV. Al finalizar todas las mediciones, muéstreselas a su profesor. V. Recuerde dejar todo ordenado al terminar la práctica y anotar la hora de salida. INFORME DE TRABAJO. I.- En el Marco Teórico, haga un resumen de una página sobre las características más resaltantes del programa SPICE. II. En la Metodología, describa muy brevemente los pasos para elaborar un circuito en SPICE y realizar un análisis tipo TRANSIENT y tipo AC. Especifique los circuitos utilizados para comprobar los resultados obtenidos con SPICE 37
III. En los Resultados: Coloque los gráficos obtenidos con SPICE, y los resultados experimentales obtenidos en el laboratorio. IV. En el análisis de Resultados: Compare los gráficos obtenidos con SPICE con la mediciones y dibujos obtenidos a partir de los circuitos montados, y explique las diferencias. V. En las Conclusiones: Escriba sus conclusiones sobre la práctica realizada, los procedimientos de simulación y medición utilizados y los resultados obtenidos. VI. En los Comentarios finales: Describa las dificultades que se le presentaron, analice las causas de los problemas, indique cómo los resolvió y haga un comentario sobre los procesos que debe seguir para tratar de prevenir o evitar dichas dificultades. Evalúe el grado en que Ud. considera que ha alcanzado los objetivos de la práctica. VII. Recuerde anexar los Pre-Informes de los miembros del grupo. BIBLIOGRAFIA. 1.- Manual de DesingLAb 8, MicroSim Corporation. 2.- Análisis básico de Circuitos Eléctricos, Quinta Edición. Johnson, Hilburn, Johnson y Scott. Prentice Hall. 3.- Introduction to Electric Circuits. Dorf. Wiley. 38