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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA – UNESP FACULDADE DE ENGENHARIA DE ILHA SOLTEIRA – FEIS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE CURSO: ELETRÔNICA 2 – ELE 1076 UTILIZAÇÃO DO ORCAD CAPTURE – PSpice A/D (Referência: Orcad Family Release 9.2> Online Manuals> PSpice User’s Guide) Prof. Cláudio Kitano Março – 2010 2 SPICE - Simulator Program with Integrated Circuit Emphasis (programa de simulação com ênfase em circuitos integrados) O simulador de circuitos PSpice foi criado pela empresa Microsim, e em poucos anos tornou-se o simulador de circuitos eletrônicos mais utilizado do mundo. A cada ano que passava, uma nova versão era desenvolvida. A Microsim desenvolveu seu software, até a versão 8.0, com o nome de Microsim PSpice. O software PSpice foi vendido para a empresa Cadence Design Systems, que por sua vez, queria mudar a ”cara” deste software. Não mudou só a ”cara”, mas também o nome para OrCAD. O software PSpice, responsável pelos cálculos matemáticos do simulador continuou o mesmo, mas o layout de desenho mudou-se e o ambiente onde são mostrados os gráficos (Probe) teve uma mudança com a adição de muitas ferramentas úteis. A primeira versão do software OrCAD é a versão 9.0, enquanto a última da Microsim foi a 8.0, confirmando a linhagem do software. Como o simulador da Microsim já era utilizado á vários anos pelos engenheiros eletricistas e eletrônicos, os antigos usuários tiveram uma certa ”resistência” `a nova versão do produto, por já estarem acostumados com versão anterior. Pensando nestes fiéis usuários a empresa Cadence lançou na versão 9.2 a versão 8.0, ou seja, quem gostou da nova ”cara”, utiliza o Capture Cis, enquanto os ´dinossauros´ utilizam o Schematics, onde ambos realizam seus cálculos no PSpice da versão 9.2 e plotam gráficos no Probe também desta versão. Para instalar o Schematics da versão 8.0 no OrCAD 9.2 basta escolher instalação personalizada e selecionar o Schematics na lista apresentada. As vantagens da utilização do PSpice da versão 9.2 é a de conter bibliotecas mais atualizadas e o ambiente Probe conter ferramentas excelentes e indispensáveis para a captura e utilização dos gráfico simulados. Abaixo destacamos alguns programas: CAPTURE: Editor de esquemático e VHDL LAYOUT PLUS: Editor de Layout LAYOUT PLUS SMART ROUTE: Roteador PSPICE AD: PSPICE compilador PSPICE MODEL EDITOR: Editor de modelos PSPICE STIMULUS EDITOR: Editor de estímulos SIMULATE: Simulador 3 I - EXEMPLO DE CRIAÇÃO DE CIRCUITO Neste trabalho, o circuito Clipper (recortador) mostrado na Fig.1 será usado para exemplificar os diversos recursos do Orcad Capture - PSpice A/D. Figura 01 1 – Criando um novo projeto Pspice a) A partir do menu Iniciar do Windows, selecionar o folder Orcad Family Release 9.2 e, a seguir, o atalho Capture; Figura 02 4 b) No Orcad Capture abre-se uma tela chamada Session Log. Figura 03 c) Dentro do Gerenciador de Projeto ( Orcad Capture ) selecione, no menu File, a opção New e, a seguir, a opção Project; Figura 04 5 d) Abre-se a caixa de diálogos New Project; Figura 05 e) Nas opções da janela New Project selecionar Analog or Mixed A/D; f) Na sua caixa de texto entrar com o nome do projeto: Clipper; g) Usar o botão de Browse para selecionar a localização dos arquivos de projeto (no nosso caso, c:\Clipper), e então, clique OK; Figura 06 6 h) De volta à janela New Project teclar OK novamente. Figura 07 i) Abre-se a caixa de diálogo Create Pspice Project. Selecionar Create a blank project, e então, clique OK. Figura 08 j) Uma nova página será mostrada no Orcad Capture, denominada SCHEMATIC 1 : PAGE1, e um novo projeto poderá ser configurado no Gerenciador de Projeto. Figura 09 7 2 – Posicionando fontes de tensão a) Em Orcad Capture chavear para o editor de página Schematic [/ - (SCHEMATIC1 : PAGE 1)]; b) No menu Place escolher Part para acessar a caixa de diálogo Place Part; Figura 10 c) A fim de adicionar a biblioteca de componentes necessários ao circuito, clicar no botão Add Library, o qual permite acessar o Browse File. Figura 11 8 d) No Browse File selecionar Source.olb e clicar Open (ou Abrir); Figura 12 e) Na caixa de texto do Place Part digitar VDC (ou então, selecionar VDC através da barra do menu Part List) e clicar OK; Figura 13 9 f) Mover o cursor para a posição correta na página do Schematic e clicar para posicionar o primeiro componente VDC, conforme estabelecido na Fig.14; g) Mover o cursor novamente e clicar para posicionar os segundo, terceiro, etc. componentes VDC; h) Clicar no botão direito do mouse e escolher End Mode para finalizar o posicionamento de componentes; Figura 14 i) Se for desejado apagar o dispositivo, basta marcá-lo com o mouse e teclar delete Del (co caso acima foi removido a fonte DC V2); Figura 15 j) Se for desejado mover o dispositivo, basta marcá-lo com o mouse e arrastá-lo para a posição desejada; 10 3 – Movendo o texto associado às fontes (ou qualquer outro objeto) a) Clicar no texto para selecioná-lo, e então, arrastar o texto para outra posição; Figura 16 4 – Posionando diodos a) No menu Place selecionar Part para mostrar a caixa de diálogos Place Part; b) Clicar em Add Library para acessar o Browse File, selecionar a biblioteca Diode.olb e então, clicar Open; c) Na barra deslizante da caixa Place Part selecionar o diodo D1N3940 e clicar OK; Figura 17 11 d) Pressionar a tecla R (várias vezes se necessário) para rodar o diodo até a orientação correta; e) Clicar para posicionar o primeiro diodo (D1) e, em seguida, clicar para posiocionar o segundo diodo (D2), conforme op esquema da Fig.18; k) Clicar no botão direito do mouse e escolher End Mode para finalizar o posicionamento de componentes D1N3940; Figura 18 5 – Posicionando os demais componentes a) A partir do menu Place → Part, selecionar Part para mostrar a caixa de diálogos Place Part; b) Clicar no botão Add Library, selecionar Analog.olb e clicar Open; c) Seguindo os passos anteriores, descritos para os diodos, posicionar os resistores e capacitores, selecionando-se R e C, respectivamente; Figura 19 a Figura 19 b 12 OBS: Em vez de selecionar Place, Part, etc, pode-se posicionar componentes acessando diretamente a palheta de ferramentas que está presente no lado direito da tela do Gerenciador de Projeto. PART: insere componente WIRE: desenha a conexão BUS: desenha um barramento JUNCTION: coloca uma junção BUS ENTRY: conexão com o barramento NET ALIAS: labels em nós POWER: alimentação GROUND: terra OFF-PAGE CONECTOR: conector <<C NO CONNECT: indicar que o pino não é conectado. FIGURAS: figuras geométricas PLACE TEXT: inserir texto Figura 20 13 d) Para posicionar os conectores, clicar no botão Place Off-Page Connector da palheta de ferramentas. Figura 21 e) A seguir, clicar no botão Add Library, selecionar a biblioteca Capsym.olb e clicar Open; Figura 22 f) Selecionar o conector OFFPAGELEFT-R e clicar OK; Figura 23 14 g) Ajustar os conectores de acordo com a Fig.24. Usar a tecla R para rotação quando necessário; Figura 24 h) Para posicionar os “terras” clicar no botão Place Ground na palheta de ferramentas e clicar no botão Add Library. Procurar a pasta PSpice , selecionar a biblioteca Source.olb e clicar Open; Figura 25 i) Selecionar o componenteground ´0´ e clicar OK. Figura 26 15 j) Ajustar os terras como na Fig.27. Figura 27 6 – Conectando os componentes a) Clicar no botão Place Wire na palheta de ferramentas. O cursor muda para a forma de cruz; b) Clicar no primeiro ponto de conexão (nas extremidades dos dispositivos ou conectores), deslocar o cursor até o outro ponto da conexão e dar um segundo clique. Repetir o procedimento até completar todas as conexões. Clicar no botão direito do mouse e selecionar End Wire. Figura 28 16 7 – Atribuindo nomes (labels) aos conectores off-page a) Duplo clique no nome do conector off-page para mostrar a caixa de diálogos Display Properties (no caso da figura abaixo, na fonte DC que alimenta o circuito); b) Na caixa de texto Name digitar o novo nome (no caso, Vcc) e clicar OK; Figura 29 c) Selecionar e realocar o novo nome como desejado (Ver Fig.30). Figura 30 8 – Atribuindo nome aos componentes a) Duplo clique no terceiro componente VDC (lembre-se que o segundo foi deletado) para mostrar a folha de dados – Property Editor – do componente; 17 Figura 31 b) Na caixa de texto digitar Vin no campo Part Reference e clicar Apply; Ou então, simplesmente, clicar duas vezes no label V3 e mudar o seu nome para Vin. c) Prosseguir renomeando os demais componentes (se houver) 9 – Alterando os valores dos componentes a) Duplo clique no label do valor de tensão (0Vdc) de V1, para mostrar a caixa de diálogos Display Properties; Figura 32 b) Na caixa de texto digitar 5Vdc e clicar OK; d) Prosseguir alterando os demais valores de componentes (se houver). Ao final, tem-se o esquema mostrado na Fig.33. 18 Figura 33 OBS: Algumas abreviaturas. O uso de unidades (Hz, F, etc) é opcional no SPice Giga g Mega Meg Kilo k Mili m Micro u Nano n Pico p Femto f Farad F Hertz Hz Henry H ohm ohm 10 - Designando nomes (labels) a pontos da rede a) Clicar no botão Place Net Alias da palheta de ferramentas para mostrar a caixa de diálogos Place Net Alias; Figura 34 b) Na caixa de texto digitar Mid e clicar OK; 19 c) Posicionar o label sobre qualquer segmento de fio que conecta R1, R2, R3, os diodos e o capacitor. Clicar o botão direito do mouse e selecionar End Mode para finalizar a função Net Alias; Figura 35 11 – Salvando o projeto a) A partir do menu File selecionar Save; b) Saia do PSpice (Capture) selecionando File e Exit; k) Para entrar novamente no projeto, partir do menu Iniciar do Windows, selecionar o folder Orcad Family Release 9.2 e, a seguir, o atalho Capture. Acessar File → Open → Project, para abrir a caixa de diálogo Open Project. Digitar o caminho do diretório onde se encontra o projeto (no nosso caso, em c:\Clipper). Selecionar o arquivo Clipper.opj. Todas as informações anteriores, e que foram salvas, são recuperadas. II - EXECUTANDO O PSPICE 1 – Estabelecendo o ponto de polarização (Bias) a) Acessar o menu Pspice e selecionar a caixa de diálogos New Simulation Profile; Figura 36 20 b) Na caixa de texto Name digitar Bias; Figura 37 c) Na caixa Inherit From selecionar None e clicar em Create. A caixa de diálogos Simulation Settings aparece; Figura 38 d) Acessar a ficha Analysis e no menu de Analysis Type selecionar Bias Point; e) Clicar em OK para aceitar as alternativas da caixa de diálogos do Simulation Settings f) Do menu PSpice selecionar Run. O PSpice simula o circuito e calcula as informações do ponto de polarização. Aparece a tela de arquivo de saída SCHEMATIC1-Bias – Pspice – A/D, como mostrado na Fig.39. Se houverem erros de sintaxe até este ponto, o PSpice exibe mensagens de erro ou de advertências no arquivo de saída. Figura 39 21 Nota: Como dados sobre a forma de onda não são calculados durante a análise de ponto de polarização, não será visto nenhum gráfico na janela de simulação. g) Na janela SCHEMATIC1-Bias – Pspice – A/D acessar View Simulation Results e a seguir Output File. Figura 40 h) Um relatório completo é listado incluindo-se a descrição do circuito, parâmetros do diodo, temperatura, tensão nos nós, corrente nas fontes, dissipação de potência, etc. 22 Figura 41 i) Quando finalizar fechar a janela SCHEMATIC1-Bias – Pspice – A/D. Na tela do Capture, as informações sobre as tensões DC em pontos do circuito aparecem, como mostrado na Fig.42. Figura 42 23 2 – Análise de varredura DC a) A partir do menu PSpice escolher New Simulation Profile. Aparece uma nova caixa de diálogos New Simulation; Figura 43 b) Na caixa de texto digitar DC Sweep; c) Na lista de Inherit From selecionar Schematic1 – Bias como arquivo de herança e clicar Create. Aparece a caixa de diálogos Simulation Settings - DC Sweep, como mostrado na Fig.44; Figura 44 d) Clicar na ficha Analysis; e) Na lista Analysis type selecionar DC Sweep e nas caixas de texto entrar com os valores mostrados na Fig. 44. f) Clicar OK para aceitar os ajustes na caixa Simulation Settings; g) A partir do menu File selecionar Save; 24 h) A partir do menu PSpice escolher Run para executar a análise. A janela de prova pode aparecer após a simulação, como na Fig.45. Figura 45 i) Na janela de prova SCHEMATIC1 – DC Sweep – Pspice A/D selecionar o menu Trace e clicar em Add Trace; Figura 46 j) Na caixa de diálogos Add Traces, selecionar V(IN) e V(Mid) e clicar OK. Aparecem os gráficos de Vin e Vmid, como na Fig.47. 25 Figura 47 k) A fim de mostrar uma curva usando um marcador (marker), a partir da janela Orcad Capture, selecionar no menu PSpice o item Markers, e daí, clicar no botão Voltage Level; Figura 48 26 l) Na janela: / - SCHEMATIC: PAGE 1. clicar para posicionar o marker na saída Out, como mostrado na Fig.49. m) Clicar o lado direito do mouse e selecionar End Mode para finalizar; n) No menu File selecionar Save; Figura 49 o) Chavear para a janela SCHEMATIC1 – DC Sweep – Pspice A/D e observar o novo traço referente a tensão V(Out). Figura 50 p) Antes de prosseguir, selecionar o menu Pspice, clicar em Markers e escolher Delete All. 27 III – ANÁLISE TRANSITÓRIA 1 – Adicionando um Estímulo no Domínio do Tempo a) Clicar no componente de terra abaixo da fonte Vin e, acessando o menu Edit, escolher Cut; b) Acessando Place Part na palheta de ferramentas, selecionar Add Library e acrescentar a biblioteca Sourcstm.olb, e daí, VSTIM. Figura 51 c) Posicionar a fonte conforme mostrado na Fig.52 e alterar o nome do componente para V3. Pressionar o botão dirteito do mouse e End Mode. Para trazer de volta o terra, acessar o menu Edit e selecionar Paste; Figura 52 d) A partir do menu File escolher Save; e) Selecionar o componente VSTIM (ver figura 52); 28 f) Acessando o menu Edit escolher PSpice Stimulus. A caixa de diálogos New Stimulus aparece; Figura 53 g) Na caixa de texto de New Stimulus digitar SINE; h) Clicar em SIN e então OK. A caixa de diálogos SIN Attributes aparece; Figura 54 i) Nas caixas de texto digitar: Offset Voltage = 0 Amplitude = 10 Frequency = 1kHz j) Clicar Apply para ver a forma de onda e em seguida OK. A janela Stimulus Editor tem a aparência da Fig.55; 29 Figura 55 k) No menu File do Stimulus Editor selecionar Save. Clicar Yes (ou Sim) para atualizar o esquemático (Update Schematic); l) No menu File do Stimulus Editor selecionar Exit; Observe que Implementation passa a ser associado ao estímulo SINE. Figura 56 30 2 – Ajustandoe Executando a Análise Transitória a) No menu PSpice da janela Capture selecionar New Simulation Profile. A caixa de diálogos New Simulation aparece; Figura 57 b) Na caixa de texto digitar Transient em Name; c) Acessar a lista de Inherit From, selecionar Schematic-DC Sweep e clicar Create. Abre-se a caixa de diálogos Simulation Sttings – Transient; Figura 58 d) Acessar a ficha Analysis, selecionar Time Domain (Transient) e entrar com os ajustes: TSTOP = 2ms Start saving data after = 20ns conforme a Fig.58. e) Clicar OK para fechar a caixa de diálogos Simulation Sttings; 31 f) A partir do menu PSpice selecionar Run. A simulação é executada e a tela SCHEMATIC1 – Transient – Pspice A/D se altera. Figura 59 g) Na tela de Capture aparecem os valores DC no circuito, com o mostrado na Fig.60. Figura 60 32 h) No menu Trace da tela SCHEMATIC1 – Transient – Pspice A/D selecionar Add Trace; i) Na lista de traços selecionar V(IN) e V(OUT). Então, clicar OK para mostrar os traços; Figura 61 j) No menu Tools da tela SCHEMATIC selecionar Options para mostrar a caixa de diálogos Probe Options; Figura 62 k) Na moldura Use Symbols clicar em Always, caso não esteja habilitada, e em seguida, OK. O resultado da simulação tem o aspecto da Fig.63. 33 Figura 63 3 – Ajustando e Executando a Análise de Varredura AC a) Selecionar a fonte DC, ou seja Vin, e pressionar Del para removê-la; b) Selecionar Place part na palheta de ferramentas; c) Na caixa de texto Libraries selecionar SOURCE. Na caixa de texto Part list selecionar VAC e clicar OK; Figura 64 34 d) Posicionar a fonte AC conforme a Fig.65; Pressionar o botão direito do mouse e End Mode. Figura 65 e) Duplo clique no componente VAC para acessar a folha de dados Property Editor; f) Alterar o Reference cell para Vin e ACMAG cell para 1Vac; Figura 66 g) Clicar em Apply para atualizar as alterações e fechar a folha de dados; h) Retornar a tela /-(SCHEMATIC1: PAGE1). No menu PSpice da tela Capture escolher New Simulation Profile; i) Na caixa de texto Name entrar com AC Sweep e clicar Create. A caixa de diálogos Simulation Settings aparece; Figura 67 j) Clicar na caixa Analysis type, selecionar AC Sweep/Noise e entrar com os valores mostrados na Fig 68; 35 Figura 68 k) Clicar OK para fechar a caixa de diálogos Simulation Settings; l) No menu PSpice da tela Capture escolher Run para iniciar a simulação. O Pspice realiza a análise AC; Figura 69 36 m) No menu PSpice da tela Capture seguir até Markers, selecionar Advanced e escolher dB Magnitude of Voltage; Figura 70 n) Posicionar um marker Vdb na saída Out da rede e outro no ponto Mid, como mostrado na Fig.71. Pressionar o botão direito do mouse e selecionar End Mode. Figura 71 37 o) No menu PSpice da tela Capture selecionar Save para salvar o projeto. Na Fig.72 apresenta-se o resultado da simulação (na tela SCHEMATIC1-AC Sweep-Pspice AD – [Clipper SCHEMATIC1-AC Sweep.dat (active)), mostrando a tensão (em dB) nos dois pontos selecionados; Figura 72 p) Se for desejado, também é possível traçar o diagrama de Bode para cada ponto da rede. No menu PSpice da tela Capture seguir até Markers, apontar para Advanced e escolher Phase of Voltage; q) Posicionar o apontador Vphase (Vp) na saída da rede, próximo ao apontador Vdb; Figura 73 r) Deletar o apontador Vdb em Mid. Salvar o projeto clicado em Save no menu File; 38 s) Em PSpice clicar em Run para simular o circuito. Na janela de prova aparecem os gráficos de ganho e de fase, ambos numa mesma escala; Figura 74 t) Na janela de prova, clicar em VP(Out) para selecionar o traço. A partir do menu Edit do SCHEMATIC1- AC Sweep ..., escolher Cut; u) No menu Plot escolher Add Y Axis. No menu Edit escolher Paste. Aparece o diagrama de Body mostrado na Fig 75. Figura 75 39 4 – Ajustando e Executando a Análise Paramétrica Nesta seção mostra-se o efeito de variar a resistência de entrada (R4) sobre a largura de banda e ganho do circuito Clipper. a) Se o programa Capture for fechado, clicar em Open CLIPPER.OPJ para restaurar o projeto. Caso contrário, prosseguir com os procedimentos abaixo; b) Duplo clique no valor (1k) do componente R4 para mostrar a caixa de diálogos Display Properties, com o na Fig.76; Figura 76 c) Na caixa de texto substituir 1k por {Rval} e clicar OK; d) Acessar Place part na palheta de ferramentas, teclar em Add libraries e selecionar a biblioteca special.olb; Figura 77 40 e) Na janela Place Part selecionar PARAM no Part list e clicar OK; Figura 78 f) Posicionar o componente PARAM em qualquer local vazio na janela SCHEMATIC; Botão direito do mouse e End Mode; Figura 79 g) Duplo clique no componente PARAM para mostrar a folha de dados Property Editor; 41 Figura 80 h) Clicar em New Column para acessar a janela Add New Column. Figura 81 i) Na caixa de texto Name digitar Rval e clicar OK. Isto cria uma nova propriedade para o componente PARAM; j) Clicar na célula abaixo da coluna Rval e entrar com 1k como valor inicial do parâmetro de varredura; Figura 82 k) Enquanto esta célula (Rval) ainda está selecionada clicar em Display. Aparece a janela Display Properties; 42 Figura 83 l) No quadro Disply Format selecionar Name and Value e clicar OK; m) Clicar Apply para atualizar todas as alterações no componente PARAM; n) Fechar a folha de dados Property Editor; Na Fig.84, PARAMETERS aparece associado a Rval=1k. o) Remover todos os markers do circuito, deixando somente um marker Vdb na saída, como mostra a Fig. 84; Figura 84 p) A partir do menu File escolher Save; q) No menu Pspice do Capture selecionar New Simulation Profile. Aparece a caixa de diálogos New Simulation; Figura 85 r) Na caixa de texto digita Parametric; s) Na lista Inherit From selecionar AC Sweep e clicar Create. A caixa de diálogos Simulation Settings aparece; 43 Figura 86 t) Na ficha Analysis, em Options selecionar Parametric Sweep, entrar com os ajustes mostrados na Fig. 86 e clicar OK; u) No menu PSpice escolher Run para iniciar a análise. Executam-se 21 análises, cada uma com diferentes valores de R1. Após a simulação,aparece a caixa de diálogos Available Sections, listando 21 execuções e o valor de Rval para cada uma. Você pode selecionar uma ou mais para apresentação; Figura 87 v) Clicar OK na caixa de diálogos Available Sections. Todas as 21 curvas para Vdb(Out) aparecem na janela de prova, como mostrado na Fig.88. 44 Figura 88 IV – ARQUIVOS GERADOS PELO GERENCIADOR DE PROJETOS Ao final dos testes, o Gerenciador de Projetos terá criado os arquivos mostrados abaixo. Cada projeto iniciado tem uma janela independente, permitindo-se o gerenciamento simultâneo de vários projetos na mesma sessão e o controle, de forma reunida e organizada de todas as informações necessárias a cada projeto, incluindo diretórios de esquemáticos, páginas esquemáticas, componentes, arquivos VHDL e apresentação de resultados, como valores de materiais e netlists. Nestas pastas você encontra o arquivo com o esquemático. Quando se cria pela primeira vez isso não é necessário saber, porém quando se abre um arquivo pré-existente, ele será obtido clicando na ramificações ao lado. O arquivo PAGE1 é o nosso arquivo. Alguns diretórios de gerenciamento: Design Resources: Recursos do Projeto como esquemáticos e bibliotecas; Outputs: Arquivos de saída e resultados; PspiceResources: Recursos do Pspice como arquivos, modelos e simulações.
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