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Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones
IE – 313 Electrónica 1
Procedimientos básicos para la simulación de circuitos
electrónicos utilizando PSpice® A/D
(OrCAD Lite Edition 9.2)
Preparado por:
Juan Pablo Granados
Versión 03.09
Setiembre 2003
IE- 313
Procedimientos para la simulación de circuitos electrónicos
i
Índice
1.0
1.1
2.0
2.1
2.2
2.3
3.0
Introducción................................................................................................1
Limitaciones de la versión Demo .............................................................. 2
Captura del Esquemático ..........................................................................3
Colocación de las partes en el esquemático.................................................................... 4
Alambrado del circuito ................................................................................................... 5
Referencia o Tierra ......................................................................................................... 5
Configuración del análisis .........................................................................6
3.1
Tipos de Análisis............................................................................................................. 7
3.1.1
DC Sweep .............................................................................................................. 7
3.1.1.2
Configuración de un Parámetro Global para barrido...................................... 8
3.1.2
Time Domain (Transient) ...................................................................................... 9
3.1.3
AC Sweep/Noise.................................................................................................. 10
3.1.3.1
Obtención de Diagramas de Bode................................................................. 11
3.1.4
Bias Piont ............................................................................................................. 11
4.0
4.1
4.2
5.0
5.1
5.2
6.0
Ejecución del análisis en PSpice® ..........................................................12
Otros comandos importantes......................................................................................... 13
Manejo de Cursores ...................................................................................................... 14
Configuración de Fuentes para análisis en el tiempo ...........................14
Señal Cuadrada ............................................................................................................. 15
Señal Triangular............................................................................................................ 15
Bibliografía ...............................................................................................16
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Procedimientos para la simulación de circuitos electrónicos
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1.0 Introducción
Una de las partes principales en el proceso de implementación de un diseño electrónico
es la prueba y revisión de éste para garantizar su funcionamiento óptimo.
Los programas de simulación de circuitos electrónicos constituyen una herramienta de
gran valor para los diseñadores durante el proceso de desarrollo y prueba de un
proyecto.
El PSpice® A/D que se incluye dentro del ambiente OrCAD es el programa de
simulación de circuitos más utilizado en el mundo, debido a la gran variedad de
opciones posibles que ofrece, la amplia disponibilidad de modelos de componentes y
recientemente con su integración en el ambiente OrCAD, lo que ofrece continuidad en
el proceso de diseño, desde la edición del esquemático, simulación en PSpice®, hasta
la implementación de un circuito impreso, todo dentro del mismo ambiente.
Este documento es una guía para los que desean iniciar de forma expedita el proceso
de simulación de circuitos electrónicos, presentando los pasos necesarios para cumplir
dicho propósito; también es de utilidad como una guía de referencia rápida para
aquellas personas que ya hacen uso del simulador y que desean recordar ciertos
aspectos particulares de éste.
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1.1 Limitaciones de la versión Demo.
La versión “Lite” es una versión de prueba o demo que presenta las siguientes
limitaciones respecto a la versión completa.
•
La simulación de circuitos esta limitada a circuitos con hasta 64 nodos, 10
transistores, dos amplificadores operacionales o 64 elementos digitales
primitivos y 10 líneas de transmisión.
•
La creación de Modelos utilizando el Editor de Modelos está limitada a diodos.
•
La generación de estímulos está restringida a ondas senoidales (analógico) y
relojes (digital).
•
Librerías de ejemplo incluyen únicamente 39 partes analógicas y 134 digitales.
•
Sólo se permite la visualización de simulaciones creadas con la versión de
muestra del simulador.
•
Los diseños creados en el Capture se pueden salvar, siempre que no contengan
más de 30 partes.
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2.0 Captura del Esquemático
El proceso de simulación inicia con el programa Capture, donde se edita el
esquemático del proyecto a simular, al abrir el
seleccione el comando
“create document” ubicado en la barra superior
e identificado con el botón
dialogo del proyecto nuevo.
, luego de presionar el botón aparece el cuadro de
Asegúrese que esté seleccionado “Analog or Mixed A/D”
y seleccione el directorio donde desea guardar su proyecto en “Location”.
Es recomendable ubicar cada diseño en un directorio nuevo para que todos los
archivos asociados a éste se encuentren con facilidad. Para mover su proyecto de
dirección, simplemente transfiera todos los archivos de su directorio hacia el nuevo
destino.
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Seguidamente, seleccione crear un proyecto en blanco,
seleccionando
en el cuadro de dialogo anterior.
Después de realizar esta selección aparecerá la ventana de edición del esquemático
2.1
Colocación de las partes en el esquemático
Las partes a utilizar se obtienen presionando el botón
“place part” de la barra
derecha, luego de presionado este botón aparece la ventana de selección de partes
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Si es la primera vez que ejecuta el programa desde su instalación deberá cargar las
librerías, para esto deberá presionar el botón “Add Library” en el cuadro de dialogo
anterior y buscar las librerías. Las librerías para el PSpice® se encuentran dentro del
siguiente directorio:
(antes de esto deberá seleccionar la carpeta “archivos de programa” o “program files”
según donde se halla realizado la instalación).
Librerías mas utilizadas:
ANALOG
Contiene partes analógicas, resistencias, capacitores,
inductancias, fuentes dependientes entre otros.
SOURCE
Aquí se encuentran las fuentes de voltaje y corriente utilizadas en
las simulaciones.
EVAL
Contiene circuitos integrados de uso común.
2.2
Alambrado del circuito
El alambrado se realiza con el botón
, ubicado en la barra derecha. Para realizar
el alambrado simplemente conecte el extremo de un elemento a otro, de la misma
manera en que lo haría si dibujara el circuito.
2.3
Referencia o Tierra
Una vez finalizado el montaje y alambrado del circuito es necesario colocar la
referencia o “tierra”; esta operación se realiza con el comando “place ground”
ubicado en la barra derecha. Después de presionar este botón se despliega el siguiente
cuadro de dialogo
seleccione GND/CAPSYM y en la casilla “Name” debe escribir “ 0 (cero)”.
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su cuadro de dialogo debe verse así.
3.0 Configuración del análisis
Una vez que el circuito esté correctamente montado y alambrado, se procede a la
simulación, con los botones ubicados en la barra de tareas superior
se accede el comando
“new simulation profile” en donde se seleccionará un
nombre para los parámetros de la simulación que se va a realizar; esto se realiza en el
espacio “name” del siguiente cuadro de dialogo.
Cuando se seleccione el nombre
configuración de la simulación,
de la simulación aparecerá la ventana de
de las opciones disponibles se selecciona el tipo de análisis requerido.
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3.1
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Tipos de Análisis
3.1.1
DC Sweep
Este modo como su nombre lo indica permite estudiar el comportamiento de un circuito
electrónico ante el barrido de una variable, ya sea una fuente de voltaje o corriente, o
de otro parámetro; también se ofrece la opción de hacer estudios variando la
temperatura a la que operará el circuito.
Para este análisis se debe seleccionar la variable a la cual se desea realizar el barrido,
entre las siguientes opciones: Fuente de Voltaje, Fuente de Corriente, Parámetro
Global, Parámetro de Modelo y temperatura.
Para las fuentes, tanto de voltaje como de corriente se debe proveer el nombre de la
fuente en la casilla “name”.
El nombre del parámetro global se debe introducir en la casilla “Parameter name”.
Posteriormente se selecciona el tipo de barrido a realizar: Lineal, Logarítmico (décadas
u octavas), o una lista particular de valores.
Para el barrido lineal y el logarítmico se debe proveer un valor inicial y un valor final, así
como el incremento en el caso del barrido lineal y el número de puntos por
década/octava en el barrido logarítmico.
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3.1.1.2 Configuración de un Parámetro Global para barrido
•
Seleccione el elemento cuyo parámetro desee variar (ej. Resistencias,
capacitores, inductancias)
•
Edite el valor del elemento y en la casilla “value” reemplace el valor numérico por
el nombre del parámetro escrito de la siguiente forma {nombredeparametro} (el
nombre no debe incluir espacios)
•
Acceda a la ventana de búsqueda de parte con el comando “place part”, de la
librería SPECIAL, seleccione la parte PARAM, coloque esta parte en un lugar
desocupado de su esquemático
•
Haga doble clic sobre la nueva parte “PARAMETERS” , aparecerá la siguiente
lista de
propiedades
•
Haga click en “New Column...”
y en la casilla “name” introduzca su nombre de
parámetro esta vez sin paréntesis, luego haga click en “apply” y cancele el
siguiente cuadro de ventana nueva.
•
Seleccione la última columna de la derecha que lleva el nombre de su parámetro
y haga click en
y seleccione
.
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Si por ejemplo su elemento es una resistencia, su esquemático se verá así:
1
R1
PARAMETERS:
2
{Rvariable}
Rvariable = 1k
Nota: para configurar el análisis se debe introducir el nombre del parámetro sin
paréntesis.
3.1.2
Time Domain (Transient)
Análisis en el dominio del tiempo o transitorio
En este modo de análisis se calculan voltajes, corrientes y estados lógicos a través del
tiempo; para ello se debe especificar como mínimo el tiempo hasta el cual se desea
calcular los datos. Esto se realiza en la casilla “Run to time” en la cual se indica este
valor en segundos.
Este tiempo se determina a partir de las características del circuito en simulación. Por
lo general estará en función del período de la señal de excitación aplicada al circuito,
según se desee desplegar un ciclo, dos, etc.
También es posible realizar un barrido de parámetro o de temperatura seccionando en
la siguiente ventana
Parametric Sweep o Temperature (Sweep) y configurando el análisis
de la forma que se detalló en el punto 3.1.1.2.
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De este modo se obtiene una familia de curvas de respuesta según la variación del
parámetro seleccionado.
Nota: la fuente de forma de onda seno a utilizar en análisis en el dominio de el tiempo
es:
VSIN
VOFF =
VAMPL =
FREQ =
V3
.
Especificando :
VOFF: Nivel de Offset
VAMPL: Amplitud pico de la señal
FREQ: frecuencia de la señal.
3.1.3
AC Sweep/Noise
Desarrolla el barrido en AC y análisis de ruido; este modo permite determinar el
comportamiento del circuito para una pequeña señal en un rango de frecuencias.
En este tipo de análisis se debe especificar si el barrido se realiza en forma lineal o
logarítmica seleccionado ya sea la casilla “Linear”o “Logarithmic”.
Otros parámetros a especificar son: la frecuencia de inicio del barrido o “Start
Frequency”, la frecuencia final del barrido o “End Frequency” y el número total de
puntos “Total Points” si se selecciona barrido lineal o los puntos por década en el
barrido logarítmico “Points/Decade”.
Tanto la frecuencia de inicio como la frecuencia final se especifican según los
parámetros teóricos para el circuito en particular que se está simulando, o según se
desee apreciar el comportamiento en alguna fracción de la respuesta en frecuencia del
circuito.
Por lo general se realizaran barridos en forma logarítmica, ya que esta es la manera
más sencilla e intuitiva de apreciar el comportamiento en frecuencia de un circuito.
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Al igual que en el análisis en el dominio del tiempo, en el barrido AC se pueden generar
familias de curvas relacionadas con la variación de un parámetro o la temperatura, de
la forma que fue expuesta anteriormente.
Nota: la fuente de forma de onda seno a utilizar en Barridos AC es VAC
donde se especifica:
1Vac
0Vdc
V2
en
Vac: Magnitud de la señal alterna
Vdc: nivel DC (Offset).
3.1.3.1 Obtención de Diagramas de Bode
PSpice® A/D facilita la obtención de diagramas de bode:
• Seleccione el valor de su fuente de barrido VAC en Vac y Vdc.
• Configure su análisis de barrido de frecuencia (AC Sweep)
• En el capture, del menú PSpice de la barra superior seleccione Markers luego
•
•
Advanced
Seleccione dB Magnitude of Voltage y coloque el marcador VDB en la salida de
su circuito.
Repita el proceso y seleccione Phase of Voltage , coloque el marcador VP en la
salida.
3.1.4
Bias Point
Análisis del Punto de polarización, permite determinar el punto de trabajo, punto “Q”,
de un circuito.
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4.0 Ejecución del análisis en PSpice®
Una vez seleccionado el modo de análisis y especificados los parámetros se puede
proceder a la simulación
Utilizando el botón
“Run PSpice” en la barra anterior.
Despliega los voltajes en el punto de polarización
Despliega las corrientes en el punto de polarización
Despliega las potencias en el circuito.
Si por ejemplo se ha seleccionado un análisis transitorio, la siguiente ventana
aparecerá
para añadir una forma de onda se debe presionar el botón
superior, con lo cual aparece la siguiente ventana.
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“add trace” de la barra
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PSpice® A/D brinda la opción de dibujar la forma de onda del voltaje, la corriente y la
potencia sobre cualquier elemento del circuito; hay que tomar nota que los voltajes se
dibujan con la referencia en la tierra del circuito, por lo tanto si se desea la caída a
través de un elemento se puede realizar la resta de los dos voltajes asociados con
respecto a tierra. PSpice® A/D da la oportunidad de graficar múltiples funciones, no
soóo la resta de dos voltajes.
Los marcadores de voltaje evitan la tarea de seleccionar la forma de onda a dibujar.
Seleccionando alguno de los siguientes marcadores y colocándolo sobre el
esquemático
la forma o formas de onda seleccionadas serán
desplegadas de manera automática cuando PSpice® A/D finalice el análisis
correspondiente.
4.1
Otros comandos importantes
Activa los cursores para trabajar sobre la gráfica
Despliega el eje X en escala Logarítmica
Despliega el eje Y en escala Logarítmica
Coloca una marca con el par ordenado sobre el cual se ubica el cursor
También son de gran utilidad los siguientes comandos
permiten identificar, picos, ya sea positivos o negativos, cambios de
pendiente, mínimos, máximos.
Aumenta la escala del grafico alrededor del punto donde se encuentra el cursor
Reduce la escala del grafico.
Asigna el área del grafico al rectángulo seleccionado con el cursor
Restablece la escala original del grafico.
Nota: la escala de cualquier eje puede ser cambiada haciendo doble clic sobre éste y
definiendo los nuevos parámetros.
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4.2
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Manejo de Cursores
Una vez activados los cursores, haga clic sobre la parte del grafico donde desea
colocar el primer cursor, o bien puede barrer el grafico ya sea moviendo el mouse o con
las flechas del teclado para un movimiento fino; en la ventana de cursor se despliega el
par ordenado del cursor uno.
Para seleccionar la posición del segundo cursor desplace el mouse sosteniendo el
botón derecho o si lo prefiere Shift + flecha para un ajuste más fino de la posición.
En la ventana del cursor también aparece la diferencia entre los punto de los cursores.
Si esta trabajando sobre más de una señal:
Indica que la señal de la izquierda tiene ambos cursores
activos
indica que la señal de la derecha tiene el cursor uno activo y
la señal de la izquierda tiene el cursor dos activo
indica que la señal de la derecha tiene ambos cursores
activos.
Para cambiar el cursor uno de señal, haga clic sobre la figura que identifica esta señal
(cuadrado o rombo, en este caso). Para cambiar el cursor dos de señal haga clic
derecho sobre la figura que identifica la señal sobre la que desea desplazar este
cursor.
5.0 Configuración de Fuentes para análisis en el tiempo
Para un análisis en el tiempo con formas de onda cuadrada o triangular seleccione la
fuente VPULSE
V1 =
V2 =
TD =
TR =
TF =
PW =
PER =
V1:
V2:
TD:
Señal
Define el valor del primer nivel de voltaje
Valor del segundo nivel de voltaje
(time delay) mantiene la señal al nivel V1 por el tiempo especificado al inicio del
análisis.
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TR:
(Rise Time) tiempo de subida, declara el tiempo que le toma a la señal pasar de
su nivel bajo a su nivel alto.
TF
(Fall time) tiempo de caída, define el tiempo que transcurre mientras la señal
cambia de su estado alto a su estado bajo.
PW: Ancho de pulso, especifica el tiempo en que la señal está en el nivel V2
PER: Periodo, tiempo que transcurre hasta la repetición del ciclo.
5.1
Señal Cuadrada
Defina sus niveles V1 y V2 según desee que la señal inicie en estado alto o en estado
bajo.
Seleccione si lo desea el retardo TD.
Seleccione tanto para TR y TF los valores reales para su circuito particular (por
ejemplo los de su generador de señal) o valores de varios ordenes de magnitud por
debajo de PW y PER para una señal ideal (no seleccione cero como valor ya que el
programa de simulación puede presentar un aviso de error).
El valor de PER debe ser el inverso de la frecuencia deseada, seleccionando PW se le
puede dar el ciclo de trabajo que se desea.
5.2
Señal Triangular
Defina sus niveles V1 y V2 según desee que la señal inicie en estado alto o en
estado bajo.
Seleccione si lo desea el retardo TD.
Defina PER como el inverso de la frecuencia deseada.
TR y TF deben ocupar cada uno la mitad del tiempo especificado en PER
PW debe ser de varios ordenes de magnitud menor que PER, TR y TF (no debe ser
cero ya que esto causa un error en la simulación).
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Procedimientos para la simulación de circuitos electrónicos
6.0 Bibliografía
“OrCAD PSpice® A/D User’s Guide”, Orcad, 2001
Alarcón J,-“Pspice. Iniciación y referencia”, Mc Graw Hill, 2000
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