NOIUNI INTRODUCTIVE PRIVIND UTILIZAREA PACHETULUI DE PROGRAME OrCAD PENTRU DESENAREA SCHEMELOR ELECTRONICE I SIMULAREA FUNCIONRII ACESTORA

AC Sweep - Analiza rspunsului n frecven al unui circuit cu ajutorul programului PSpiceUnii dintre studenii din anul I au sesizat deja, la capitolul de curent alternativ, din cursul de Bazele electrotehnicii, c amplitudinea i faza semnalului de la ieirea circuitelor electrice i electronice depinde, adeseori, de frecvena semnalului armonic (sinusoidal sau cosinusoidal) cu care acestea sunt stimulate la intrare.Programul PSpice ne permite s investigm acest aspect prin intermediul analizei AC Sweep.AC Sweep este analiza rspunsului n frecven al unui circuit de tip diport (multiport).n literatura anglo-saxon, din domeniul ingineriei electronice, to sweep nseamn a baleia sau a vobula, adic a modifica treptat o mrime electric dup o lege precis stabilit.

n practic, rspunsul n frecven al unui circuit se determin, de obicei, cu ajutorul vobuloscopului.Cnd se efectueaz o astfel de analiz, programul PSpice se transform ntr-un vobuloscop virtual. Din aceste motive, o traducere la fel de potrivit n limba romn pentru AC Sweep ar putea fi i analiza de tip vobuloscop.Lectur facultativPentru a nelege mai bine acest tip de analiz, vor fi prezentate n continuare compunerea i principiul de funcionare ale vobuloscopului. Aceste noiuni, dei vor fi utile studenilor i n cadrul cursului de Msurri n electronic i telecomunicaii, sunt facultative n etapa de nvare a modului de lucru cu programul OrCAD.Vobuloscopul este un instrument de msur, care permite s se vizualizeze, sub forma unui grafic afiat pe ecranul su, rspunsul n frecven al unui multiport (circuit electric/electronic prevzut cu cel puin un port de intrare i unul de ieire). Principalele elemente constructive ale unui vobuloscop sunt: generatorul de semnal armonic vobulat n frecven, atenuatorul rezistiv reglabil, sonda detectoare, i sistemul de afiare (osciloscopul).Generatorul de semnal armonic vobulat genereaz un semnal sinusoidal a crui amplitudine este meninut constant, dar a crui frecven este vobulat/baleiat periodic dup o lege liniar cresctoare n timp (dinte de fierstru), ntre dou valori fmin i fmax alese de ctre utilizator. Viteza cu care se face baleiajul frecvenei este, de asemenea, aleas de ctre utilizator i este mult mai mic dect viteza de variaie a semnalului armonic (perioada de vobulare este mult mai mare dect perioada Tmax= 1/fmin a semnalului). Semnalul armonic vobulat este aplicat la intrarea diportului supus testrii prin intermediul atenuatorului rezistiv cu ajutorul cruia se micoreaz, dup necesiti, amplitudinea semnalului de test. Valoarea atenurii alese este exprimat (afiat) n decibeli (dB).

Observaie: Amplitudinea semnalului de test trebuie s fie suficient de mic astfel nct circuitul msurat s funcioneze n regim liniar.Pentru ca msurtorile s fie relevante i s se efectueze cu maxim precizie, la portul de ieire al circuitului supus testrii trebuie conectat o impedan/rezisten de sarcin a crei valoare s fie egal cu cea pe care o va ntlni circuitul n aplicaia pentru care a fost conceput.

De exemplu, pentru utilizarea unui amplificator de radiofrecven destinat televiziunii prin cablu, la ieirea acestuia se conecteaz un cablu coaxial cu impedana caracteristic Z0= 75.Pentru msurarea unui astfel de amplificator cu vobuloscopul, ar trebui conectat la portul su de ieire, doar n timpul testrii, n locul cablului coaxial, un rezistor de sarcin neinductiv, cu pelicul metalic sau de carbon, cu rezistena de 75 .Semnalul armonic de la portul de ieire (de la bornele impedanei/rezistenei de sarcin) se aplic la intrarea sondei detectoare. Aceasta are rolul de a redresa acest semnal alternativ, transformnd-ul ntr-o tensiune continu pozitiv, al crui nivel este proporional cu amplitudinea semnalului armonic de la portul de ieire. Redresarea curenilor alternativi de nalt frecven se mai numete detecie.Observaie: Semnalul sinusoidal de la portul de intrare al circuitului supus testrii are amplitudine constant i frecvena cresctoare n timp. Semnalul de la portul de ieire va rmne sinusoidal dac circuitul msurat funcioneaz liniar pe timpul msurrii, frecvena sa va avea aceeai lege de variaie cresctoare n timp cu a semnalului de intrare dar, cel mai adesea, amplitudinea sa nu va fi constant, modificndu-se pe msur ce frecvena semnalului de la portul de intrare crete.Tensiunea continu de la ieirea sondei detectoare este amplificat cu un amplificator de curent continuu cu o caracteristic logaritmic, UeAmplif.cc=Alog(UinAmplif.cc), aflat n compunerea osciloscopului. Acest tensiune amplificat va produce o deviaie proporional a spotului luminos pe axa OY (vertical) a ecranului vobuloscopului.n compunerea vobuloscopului analogic intr i un generator de tensiune liniar cresctoare n timp (dinte de fierstru) care are dou roluri:

comand vobularea frecvenei semnalului armonic de test ntre fmin i fmax n mod repetat;

imprim spotului luminos de pe ecran, pe axa orizontal OX, o micare uniform (cu vitez constant), de la stnga la dreapta, n mod repetat. Deplasarea pe orizontal a spotului luminos se face cu vitez constant proporional cu panta dintelui de fierstru.n felul acesta, spotul luminos de pe ecran va avea o micare compus:

pe orizontal de la stnga la dreapta, sincron cu legea de variaie a frecvenei semnalului armonic de test (pe msur ce frecvena semnalului armonic vobulat crete de la fmin ctre valoarea fmax , spotul luminos se deplaseaz dinspre marginea din stnga a ecranului tot mai mult ctre dreapta); pe vertical, sus-jos, proporional cu logaritmul amplitudinii semnalului armonic de la ieirea circuitului (diportului) supus msurtorii.Axa orizontal, OX, a ecranului reprezint axa frecvenei semnalului de test, iar axa vertical, OY, reprezint axa amplitudinii tensiunii de la ieirea circuitului supus testrii.

Graficul desenat pe ecran de ctre spotul luminos se numete curba de rspuns n frecven a circuitului msurat i reprezint modulul funciei de transfer a circuitului supus msurtorii, aa cum se va nva n anul al II-lea la cursul Semnale i circuite analogice.

Fig.1. Schema bloc a unui vobuloscop analogic.Observaii:

- Vobuloscopul se utilizeaz, de obicei, pentru caracterizarea diporilor liniari (ex.: amplificatoare liniare i filtre).

- Nu toate circuitele pot fi investigate cu ajutorul vobuloscopului. De exemplu, oscilatoarele nu se testeaz cu vobuloscopul i nici mixerele, modulatoarele, demodulatoarele, circuitele digitale, etc., adic: generatoarele de semnal, circuitele care modific forma de variaie n timp i frecvena semnalului de intrare, circuitele cu funcionare n comutaie i exemplele pot continua.- Vobuloscopul analogic descris mai sus nu ine seama de faza semnalelor.- Rspunsul n frecven al unui multiport poate fi determinat n practic att din punct de vedere al amplitudinii ct i al fazei cu ajutorul analizorului vectorial de reele.

Etapele pregtitoare pentru efectuarea analizei AC SweepAnaliza rspunsului n frecven este o analiz liniar n care circuitul investigat este tratat de ctre PSpice ca un circuit liniar de semnal mic. Dac circuitul conine componente neliniare, acestea vor fi n prealabil liniarizate de ctre PSpice. Pentru mai multe detalii despre acest aspect, a se citi capitolul intitulat AC Analysis, din manualul de utilizare OrCAD. De aceea, acest tip de analiz se recomand a fi efectuat n special n cazul filtrelor i amplificatoarelor de semnal mic (liniare) i este util pentru:

vizualizarea rspunsului n frecven al diportului;

determinarea amplificrii/atenurii circuitului i a modului cum variaz acestea n funcie de frecvena semnalului armonic aplicat la portul de intrare; determinarea benzii sale de frecven; evaluarea modulului impedanei de intrare n circuit.

Determinarea valorilor acestor parametri se face cu ajutorul curbei de rspuns n frecven a circuitului, care va fi afiat la cerere (plasnd o sond de tensiune sau de curent la portul de ieire al circuitului), dup ce programul PSpice termin algoritmul de calcul aferent acestui tip de analiz.Pentru a nelege modul de lucru, se consider exemplul unui amplificator de radiofrecven de tip cascod, a crui schem electronic de principiu este prezentat n figura 2.Se editeaz profilul de simulare astfel:

- se alege n fereastra tipului de analiz (Analysis type) opiunea: AC Sweep/Noise;- n cmpul AC Sweep Type: se bifeaz Linear;- n cmpul Start Frequency: se introduce valoarea frecvenei minime a semnalului armonic (fmin). n cazul circuitului dat ca exemplu s-a ales fmin=50Meg (50MHz);- n cmpul End Frequency: se introduce valoarea frecvenei maxime a semnalului armonic (fmax);

S-a ales fmax=150Meg (150MHz);- n cmpul Total Points: se introduce numrul N de frecvene aparinnd mulimii discrete { fmin ,, fmax }; S-a ales N =1001.Observaie: n mod evident, trebuie ca fmin < fmax. Intervalul [fmin , fmax] trebuie s includ plaja frecvenelor de lucru ale circuitului evaluat. Dac s-a optat pentru vobularea de tip Linear, valorile mulimii discrete { fmin ,, fmax } sunt egal deprtate una de cealalt.

Fig. 2. Schema de principiu a unui amplificator cascod de radiofrecven.

Fig.3. Setarea parametrilor analizei AC Sweep

Dup stabilirea parametrilor analizei, mai trebuie precizat crui generator de semnal armonic din circuitul evaluat s i se vobuleze frecvena. Pentru acest lucru se face dublu click cu butonul din stnga al mouse-ului pe simbolul generatorului n cauz. Se va deschide tabelul cu parametrii generatorului, iar n coloana intitulat AC se va introduce valoarea amplitudinii semnalului sinusoidal. n calculele aferente analizei AC Sweep aceast valoare a amplitudinii semnalului va fi meninut constant, n timp ce valoarea frecvenei semnalului armonic va fi modificat treptat, ncepnd cu fmin (prima din cele N=1001 valori) i terminnd cu fmax (cea de-a N-a valoare).

Cnd se dorete efectuarea unei astfel de analize, se recomand alegerea din biblioteca Source a unor surse de tensiune sau de curent independente de tipul VAC, IAC (recomandate numai pentru analiza AC Sweep), sau VSIN, ISIN (acestea dou pot fi utilizate i pentru analiza n domeniul timp i pentru analiza rspunsului n frecven).Observaii:

- Se vobuleaz frecvena unui singur generator independent de semnal sinusoidal din circuit.

- n cazul analizei AC Sweep, pentru generatorul de semnal care are completat coloana AC, informaiile din coloanele FREQ i VAMPL (aparinnd tabelului cu parametrii sursei/generatorului de semnal sinusoidal VSIN) vor fi ignorate de ctre programul PSpice.- n calculele specifice analizei rspunsului n frecven, programul PSpice folosete modelul de semnal mic al circuitului analizat. Din acest motiv, aceast analiz nu va fi foarte precis/relevant n cazul unui amplificator de putere (de semnal mare), mai ales dac acesta conine tranzistoare care nu funcioneaz n regim liniar (care nu funcioneaz n clas A, sau n clas AB montaj contratimp).

Fig. 4. Completnd coloana AC pentru un singur generator de semnal sinusoidal, se comunic programului PSpice crui generator i se baleiaz frecvena ntre fmin i fmax , meninndu-i constant amplitudinea, la valoarea introdus n aceast coloan AC.

Pentru simularea funcionrii amplificatorului ales ca exemplu (fig.2) cu ajutorul analizei rspunsului n frecven (AC Sweep), au fost parcurse urmtoarele etape:

1) s-a lansat n execuie programul Capture;

2) s-a creat un nou proiect, optnd pentru posibilitatea de a simula funcionarea acestuia (Create a New Project Using: Analog or Mixed A/D) i s-au adugat, n lista implicit, bibliotecile de componente PHIL_BJT i PHIL_RF care conin simbolurile grafice i modelele tranzistoarelor bipolare utilizate;3) s-a desenat schema electronic de principiu a amplificatorului, numerotnd n ordine componentele (prin editarea cmpului Part Reference);4) s-au editat n mod adecvat principalii parametri ai componentelor electronice utilizate;5) s-au ataat dou etichete cu numele IN i OUT portului de intrare i respectiv de ieire (aceast operaie ncepe prin apsarea celui de-al 4-lea buton aparinnd barei verticale din dreapta interfeei Capture, intitulat Place net alias);6) s-a creat un nou profil de simulare (apsnd butonul New Simulation Profile aparinnd interfeei Capture);7) s-a ales tipul analizei (AC Sweep) i s-au stabilit valorile principalilor parametri ai acesteia (Linear, Start Frequency=50Meg, End Frequency=150Meg, Total Points=1001);8) s-a deschis tabelul cu parametrii sursei (independent i ideal) de tensiune sinusoidal (V2), surs de tipul VSIN, care genereaz semnalul aplicat la portul de intrare al amplificatorului i s-a introdus n coloana intitulat AC (din tabelul cu parametrii sursei) valoarea de 10V, reprezentnd amplitudinea constant a semnalului armonic a crui frecven va fi baleiat;9) s-au conectat dou sonde de tensiune (Voltage/Level Marker) la portul de intrare i respectiv la cel de ieire;10) s-a lansat n execuie simularea, prin apsarea butonului Run PSpice.Interpretarea rezultatelor i evaluarea unor parametri de performan ai circuitului simulat

Pentru a modela un generator real, cu rezistena intern de 75, n serie cu generatorul ideal de tensiune V2 s-a conectat rezistorul RG = 75 (fig.2).

Dup ce programul PSpice a terminat algoritmul de calcul a funciei de transfer a circuitului, n fereastra interfeei sale grafice vor fi afiate dou curbe corespunztoare celor dou sonde de tensiune plasate pe schem. Curbele sunt reprezentate ntr-un sistem de coordonate cartezian.

Axa OX reprezint axa frecvenei vobulate, avnd n origine valoarea lui fmin=50MHz (Start Frequency). Aceast ax se termin la valoarea fmax= 150MHz (End Frequency).Axa OY reprezint axa tensiunilor, dac pe schem au fost fixate sonde de tensiune.

n cazul amplificatorului ales ca exemplu, cele dou curbe arat ca n figura 5.

Curba desenat cu galben, V(IN), arat felul cum variaz amplitudinea semnalului de la portul de intrare n funcie de valoarea frecvenei vobulate.Se observ c dei amplitudinea tensiunii la bornele generatorului ideal V2 este meninut constant la valoarea de 10V, amplitudinea tensiunii la portul de intrare al amplificatorului este mai mic i variaz cu frecvena. Acest lucru se datoreaz divizorului de tensiune alctuit din rezistena RG i impedana de intrare n amplificator, ZinAmp, a crei valoare depinde de frecvena semnalului armonic injectat n circuit.

Fig. 5. V(OUT) - rspunsul n frecven al amplificatorului (curba de culoare verde).

Curba de culoare verde, V(OUT), reprezint rspunsul n frecven al amplificatorului, adic modul de variaie a amplitudinii tensiunii armonice de la portul de ieire (tensiunea de la bornele rezistorului de sarcin RS) n funcie de frecvena semnalului generat de V2. Cu ajutorul celor doi markeri activai prin apsarea butonului Toggle cursor se observ c amplitudinea semnalului de la ieire este maxim, avnd valoarea V(OUT) = 147.212V, atunci cnd frecvena semnalului de la intrare este fIN =102.1MHz. La aceast frecven, V(IN)=3.2379V.

Aceste valori pot fi utilizate pentru a calcula amplificarea n tensiune a amplificatorului, pentru o anumit frecven, utiliznd formula 1:

(relaia de definiie)

(1)

Amplificarea n tensiune poate fi exprimat i n decibeli, caz n care va fi utilizat formula 2:

(relaia de definiie)

(2)

(3)Cunoscnd V2, RG i V(IN), se poate estima modulul impedanei de intrare n amplificator (|ZinAmp|) pentru fIN =102.1MHz.

Fig. 6. Schema echivalent n curent alternativ a circuitului de intrare n amplificator

(4)

Deoarece amplitudinea tensiunii de la ieire variaz n funcie de frecvena semnalului de la intrare, este de ateptat ca i amplificarea n tensiune a amplificatorului s depind de frecven.

Legea de variaie a amplificrii n funcie de frecven poate fi afiat grafic n felul urmtor:- se terg toate curbele afiate anterior;

- se apas butonul Trace i se alege din lista de opiuni Add Trace;

- n fereastra care s-a deschis (intitulat Add Traces) se completeaz, n cmpul Trace Expression, urmtoarea sintax: V(OUT)/V(IN), fr ghilimele, adic formula matematic de definiie a amplificrii n tensiune (relaia 1);Precizare: Porturilor de intrare i de ieire trebuie s le fie asociate n prealabil etichetele IN i respectiv OUT. Dac se opteaz pentru alte etichete (de exemplu Intrare i respectiv Ieire), sintaxa se modific n concordan: V(Ieire)/V(Intrare)- se apas butonul OK.

Fig. 7. Procedura de afiare a graficului amplificrii n tensiune n funcie de frecvena vobulat.

Pe ecran va apare graficul din figura 8.

Fig. 8. Graficul amplificrii n tensiune n funcie de frecvena semnalului

Se constat c n banda (intervalul) de frecven [fmin=50MHz, fmax= 150MHz], amplificarea n tensiune are o variaie pronunat, nregistrnd un maxim aproape de mijlocul intervalului.

Cu ajutorul markerilor se determin valoarea maxim a amplificrii. Dup cum se vede n figura 8, aceasta are valoarea AUmax = 45,581, pentru frecvena de 102,6MHz.

Aceast curb poate fi utilizat i pentru estimarea benzii de trecere a amplificatorului. Cel mai adesea, banda de trecere a unui diport se exprim la nivelul de 0,707 din valoarea maxim a curbei AU = V(OUT)/V(IN), adic la nivelul de -3dB. n cazul amplificatorului ales ca exemplu, aflm nivelul amplificrii corespunztor limitelor benzii de trecere la -3dB astfel:

(5)

Se poziioneaz marker-ul 1 pe flancul drept al curbei din figura 8 la un nivel ct mai apropiat de valoarea AU-3dB=32,225, calculat n relaia 5. Marker-ul 2 se fixeaz n acelai fel, dar pe flancul stng al curbei. Markerii au fost fixai la nivelul AU = 32,207 (valoarea discret cea mai apropiat de AU-3dB=32,225). n tabelul Probe Cursor se citesc coordonatele celor doi markeri. n prima coloan citim, de sus n jos, fmax-3dB =110,768MHz (poziia pe axa frecvenelor a markerului 1), fmin-3dB = 95,274MHz (poziia pe axa frecvenelor a markerului 2) i B-3dB = fmax-3dB - fmin-3dB =15,494MHz, limea benzii de trecere la -3dB.

Valorile fmin-3dB , fmax-3dB reprezint, limita inferioar, respectiv cea superioar a benzii de trecere a amplificatorului, msurate la nivelul de 0,707 din valoarea lui AUmax, adic la nivelul de -3dB.Variaia fazei semnalului de ieire, a semnalului de intrare i a semnalului generat de sursa V2 n funcie de frecvena semnalului V2 se pot afia n felul urmtor:

a) se acceseaz meniul Plot, comanda Add Plot to Window;

b) se acceseaz meniul Trace i se alege din lista de comenzi Add Trace;

c) n fereastra care s-a deschis (intitulat Add Traces) se completeaz, n cmpul Trace Expression, urmtoarea sintax: P(V(OUT)) fr ghilimele.Procedeul va fi repetat pentru P(V(IN)) i P(V(V2:+)) n aceast ordine.

Fig.9. Variaia fazei tensiunilor V(V2:+), V(IN) i V(OUT) n funcie de frecvena semnalului armonic generat de sursa V2. Valorile fazelor sunt exprimate n grade (degrees).Cu ajutorul analizei rspunsului n frecven (AC Sweep) s-au determinat n cazul amplificatorului ales ca exemplu:

variaia amplitudinii i a fazei tensiunii de la ieire n funcie de frecvena semnalului armonic de la intrare (adic rspunsul n frecven al circuitului amplificator);

variaia amplificrii n tensiune a amplificatorului n funcie de frecven;

amplificarea maxim a amplificatorului: AUmax = 45,581 i frecvena corespunztoare acesteia: fIN = 102,6MHz;

limitele benzii de trecere la nivelul de -3dB (fmin-3dB = 95,274MHz, fmax-3dB =110,768MHz);

limea benzii de trecere a amplificatorului la nivelul de -3dB (B-3dB = fmax-3dB - fmin-3dB =15,494MHz);

modulul impedanei de intrare n amplificator pentru frecvena fIN =102.1MHz: |ZinAmp|=35,91.

Observaii

Dac la intrarea unui circuit liniar se aplic un semnal armonic,

- semnalul de la ieire va fi deasemenea armonic,- semnalul de la ieire va avea aceeai frecven cu cel de la intrare,- semnalul de la ieire va avea, de regul, amplitudinea diferit de a celui de la intrare,

- valoarea amplitudinii semnalului de ieire depinde de frecvena semnalului de intrare (evident va depinde i de tipul/structura circuitului),

- semnalul de la ieire va fi defazat (ntrziat) fa de cel de la intrare, iar valoarea defazajului relativ dintre cele dou semnale depinde de frecvena semnalului de intrare (evident va depinde i de tipul/structura circuitului),

- impedana de intrare n circuit depinde, cel mai adesea, de frecvena semnalului de intrare (evident va depinde i de tipul/structura circuitului).Nu toate circuitele pot fi investigate cu ajutorul analizei AC Sweep. De exemplu, oscilatoarele nu se testeaz cu vobuloscopul i nici mixerele, modulatoarele, demodulatoarele, circuitele digitale, etc., adic: generatoarele, circuitele care modific forma de variaie n timp i frecvena semnalului de intrare, circuitele cu funcionare n comutaie, alte circuite neliniare i exemplele pot continua.

_1432707240.unknown

_1433135057.unknown

_1433222558.unknown

_1432964638.unknown

_1432707192.unknown