Il pacchetto OrCad è un software impiegato nella realizzazione di circuiti elettronici.Fin dall'inizio il circuito che si vuole realizzare viene inserito in un contesto progettuale, per cui iniziando un lavoro non si inizia il disegno di un circuito e basta ma si imposta un vero e propio progetto le cui fasi salienti possono così essere riassunte:
-Creazione di tutti i file necessari per la produzione del circuito stampato( sezione Layout);
- Sbrogliatura del circuito.
In questo contesto ci soffermeremo sulla sezione di simulazione riservandoci lo sviluppo delle altre sezioni in seguito.
La scelta del pacchetto OrCAD è stata dettata sia da motivi affettivi sia da motivi pratici visto che è possile reperire una versione demo(sufficiente per noi) molto facilmente( mi riservo in seguito di darvi l'indirizzo da dove scaricarla).
Questo lavoro è destinato a tutti gli studenti del triennio di formazione ad indirizzo elettronico-elettrotecnico-informatico e tutte quelle persone appassionate di elettronica.
Utilizzando PSpice si può avere a disposizione un efficientissimo laboratorio virtuale, un laboratorio con:
1. Voltmetri-Amperometri
2. Generatori di segnali-Oscilloscopi dotati di più tracce e capaci di mostrare anche il transitor
3. Analizzatore di spettro- ulteriori strumenti avanzati
Un laboratorio, in cui siè esonerati da problematiche tipo: generatore guasto, bread-borard malfunzionante, portata limitata di un oscilloscopio, non tantissimi componenti a disposizione e così via..
Tutto ciò che cercherò di raccontarvi può essere facilmente trasferito su slide o su lavagna luminosa (questo sarà sostanzialmente lo stile) o semplicemente stampato ed utilizzato come promemoria, un volumetto da consultare al momento opportuno.
INTRODUZIONE
Spice= Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis tradotto suona più o meno con Programma integrato per l'ealtazione dei circuiti è un software per la simulazione dei circuiti elettrici ed elettronici, sviluppato dalla Unversity of California at Berkeley
PSpice= Spice per PC (personal computer) attualmente con sistema operativo in ambiente Windows.
Versione di riferimento: 9; limiti della versione demo:
- una pagina A4 per per il disegno dello schema
- non più di 64 nodi nel circuito
- al massimo 50 componenti, di cui 10 transistor
Creare un disegno per la simulazione con PSpice
Fate partire OrCAD-Capture e quindi:
- Selezionare>
File New/
Project..
- Dare un nome al progetto;
- Selezionare Analog or Mixed SignalCircuit Wizard
- Scegliere la (Location) directoty di lavoro attraverso il pulsante Browse( Importante: scegliere sempre la stessa cartella di lavoro in modo da non spostare i file o perdere tempo a capire dove Orcad li ha messi)
- Fare click sul pulsante OK per proseguire....
CREARE UN NUOVO PROJET
Nel secondo form, viene chiesto se creare un progetto Pspice da un progetto OrCAD gia esistente.
Oppure dal nulla, Create a Blank Projet e quindi cliccare sul pulsante OK
ANALOG MIXED-MODE PROJECT WIZARD(VER. 9.1)
Se si possiede la versione Orcad 9.1 il secondo form, è leggermente diverso(vedere finestra accanto), in questo caso viene chiesto di selezionare le librerie di simboli predisposti per la simulazione con Pspice.
- Aggiungere le librerie utilizzando il pulsante Add, eventualmente rimuovere le librerie non usate con il pulsante Remove.
-Fare click sul pulsante Fine.
- Capture crea un nuovo progetto con la pagina di scematic in primo piano..
N.B. Le librerie consigliate sono le seguenti:
1) 74ls.olb 2) analog.olb 3)bipolar.olb 4)cd4000.olb 5)diode.olb 6) opamp.olb8) sourcstm.olb 9) special.olb
CREARE UN NUOVO PROJECT(1)
Nel riquadro
Projet Manager, che rappresenta il nuovo lavoro si trovano:
- sotto il nome
C:\prova.dsn\schematic1 i nostri circuiti, in quanto si può creare un progetto con un circuito che si estende in più fogli(PAGE1,PAGE2, ecc. )
-In Library sono contenute le librerie usate e incluse nel ciruito;
-In Outputs verranno inseriti i nostri file di output: Netlist, Bill of Materials, output di Spice, output VHDL..
-Importante è Pspice Resources, in cui ci sono i files inclusi, gli impulsi generati da file, le librerie dei modelli, i profili delle simulazioni.
CREARE UN NUOVO PROJECT(2)
Si può notare, nella barra del menù in alto, è comparsa la voce PSPICE, che se selezionata da origine al menù a tendina visualizzato accato.
CREARE UN NU
OVO PROJECT(3)
Per effettuare il disegno si devono ricercare e collocare sul foglio bianco i diversi simboli dei dispositivi che compongono il circuito da simulare. Per inserire il simbolo di un dispositivo occorre fare click sul pulsante Place Part.
Attenzione ad inserire solo i simboli delle librerie presenti nella sotto cartella Pspice, i simboli contenuti nelle altre librerie non sono adatti per effettuare le simulazioni.
CREARE UN NUOVO PROJECT (4)
Per interconnettere tra loro i vari dispositivi bisogna cliccare sul pulsante Place Wire.
Trascinare ed unire i vari terminali dei diversi dispositivi.
N.B. Fare particolare attenzione al simbolo della massa(o) obbligatorio in tutti i circiti, il simbolo esatto si trova all'interno della libreria di Pspice SOURCE.
DRC Controllo Elettrico
Si riduce ad icona la pagina dello schema e lasciando aperto il Projet Manager:
- selezionare Design Rules Chec ,apparirà la finestra accanto, si consiglia di lasciare le impostazioni di defaults nella scheda ERCmatrix;
- quindicliccare su OK in questo modo si effettua un controllo elettrico prima di eseguire la simulazione.
I MARKERS
La simulazione con PSpice prevede in particolare l'utilizzo di simboli grafici detti
Markers:
- Selezionare i markers in funzione alla simulazione che interessa rappresentare il Marker V per la tensione, il marker I per la corrente, il Marker + - per la tensione tra un nodo ed un'altro e posizionarli sui nodi che interessano; gli altri M. si trovano nel menù comandi PSice.
-I due pulsanti contrassegnati da V e da I, una volta terminata la simulazione, visualizzano sotto formato testo numerico i valori di tensione e/o corrente direttamente sul circuito(.. e non è poco!!)
DEFINIZIONE DELLE CARATTERISTICHE DI SIMULAZIONE
Si accede al menù PSpice di Capture per definire le caratteristiche di simulazione:
- selezionare il comando
New Simulation apparirà la finestra accanto;per creare una nuovo profilo di simulazione;
-specificare il nome NAME del nuovo profilo di simulazione ed il modello da cui prendere le propietà Inherit From;
-Fare click sul pulsante Create per continuare.
SIMULAZIONE SETTING
La finestra accanto serve per definire il tipo di simulazione che si desidera effettuare e le modalità con cui deve operare.
- selezionare la scheda Analysis e quindi Analysis type,si può scegliere tra le seguenti opzioni:
1. Bias Point; 2. DC Sweep; 3. AC Sweep;4. Time Domain;
-in relazione al tipo di simulazione selezionato l'utentedeve inoltre definire una serie di parametri di simulazione specifici.
- fare click sul pulsante OK per continuare...
BIAS POINT(ANALISI DEI POTENZIALI)
Il punto di lavoro del circuito viene comunque calcolato anche se Bias Point non è selezionato. Nel file di output (file di testo) vengono fornite le s
eguenti informazioni:
- le tensioni di tutti i nodi del circuito
- la corrente fornita da ciascun generatore di tensione e la potenza totale dissipata.
Quando l'analisi del Bias Point è abilitata, viene aggiujnta al file di output la lista dei potenziali di tutti i dispositivi presenti.
NB la simulazione Bias Poiunt è una simulazione soltanto di tipo Numerico/testuale
DC SWEEP 1(Analisi in continua)
L'analisi DC Sweep prevede la ricerca del punto di lavoro in continua, mantenendo attivi solo i generatori DC sia di tensione che di corrente.
N.B. i condensatori sono considerati dei circuiti aperti e
gli induttori dei cortocircuiti.
Inoltre l'analisi offre la possibilità di far variare uno dei parametri del circuito consentendo l'osservazione delle variazioni del punto di lavoro in funzione di tale parametro.
- Voltage Source il parametro che viene fatto variare è la tensione di uno dei generatori di tensione del circuito;
- Temperature viene fatta variare la temperatura a cui viene calcolato il punto di lavoro;
- Current Source il parametro che viene fatto variare è la corrente di uno dei generatori di tensione del circuito;
- Model Parameter viene fatto variare un parametro all'interno del modello di un dispositivo;
- Global Parameter viene variato il valore di uno dei parametri globali definiti nel circuito.
DC SWEEP 2
In questa simulazione devono essere definiti i seguenti parametri:
- il nome del parametro da variare NAME;
- il tipo di scala Linear, Logarithmic o una lista di valori Value List;
- il valore iniziale Start value;
- il valore finale End value;
- l'incremento o passo di simulazione Increment;
- eventualmente la lista dei valori separati da una virgola.
AC SWEEP (Analisi in Alternata)
L'analisi AC SWEEP permette di calcolare la risposta in frequenza del circuito. In questa simulazione
devono essere definiti i seguenti parametri :
- Il tipo di scala Linear o Logarithmic;
- il valore inioziale di frequenza Start Frequency;
- il valore finale di frequenza End Frequency;
- il numero di punti per decade Point/Decade.
TRANSIENT DOMAIN ( Analisi nel Tempo)
L'analisi Transient, calcola la risposta nel dominio del tempo di un circuito. Il segnale d'ingresso può essere a impulso, esponenziale, sinusoidale, lineare a tratti, modulato.
In questa simulazione devono essere definiti i seguenti parametri:
- - il tempo di fine simulazione RUN to TIME,
- - il tempo di inizio simulazione Start Saving data after.
SIMULAZIONE
Una volta deciso quale simulazione effettuare, per dare inizio alla simulazione si seleziona Run dal Menù PSpice.
Automaticamente il programma genera il file netlist corrispondente e lo inserisce tra i file di uscita output di PSpice per renderne accessibile la visione in qualsiasi momento.
Sempre a seguito della comando Run sullo schermo viene visualizzata la finestra del programma PSpice che effettua la simulazione, in automatico seguiranno i grafici della simulazione o i risultati numerici.
VISUALIZZAZI
ONE DELL' OUTPUT PROBE
Eseguendo una simulazione, si può vedere come Orcad unisca in un'unica interfaccia Simulatore. Output e Probe.
Probe è l'interfaccia grafica che permette la rappresentazione dei risultati simulati con PSpice tracciando diversi tipi di diagrammi.
I risultati possono essere visualizzati sul monitor in diversi formati e scale, o stampati e plottati su una vasta gamma di periferiche.
SETTAGGI DI PROBE 1
Selezionare Add dal menù Trace per visualizzare più di una traccia. Allo stesso modo, selezionare Add Y Axis dal menù Plot per aggiungere un secondo asse Y( ad es. per utilizzare due scale diverse per i grafici).
Selezionare dal menù Trace- Cursor-Display per visualizzare i cursori.
Tenendo premuto il pulsante sinistro del mouse, si sposta il primo cursore; tenendo premuto il pulsante destro del mouse, si sposta il secondo cursore.
Sulla piccola finestra in basso si leggono le coordinate dei cursori, e le differenze tra le rispettive componenti.
Per eliminare i cursori cliccare sullo stesso pulsante che li abilita.
SETTAGGI DI PROBE 2
Cliccando due volte sugli assi oppure selezionando la voce X Axis Setting o Y Axis Setting nel menù Plot si apre una nuova finestra nella quale sono presenti diverse opzioni: si può modificare il Range visualizzato abilitando la voce USer Defined nell'area Data Range e inserendo nel box di dialogo i valori estremi tra cui disegnare;
Si può cambiare la scala da Lineare a Logaritmica, nella finestra di settaggio dell'asse X.
Cliccando su Axis Variabile è possibile cambiare la variabile in ascissa: nel box di dialogo Trace Expression digitare il nome della nuova variabile sezionandola dalla lista a sinistra.
Nel menù View sono presenti diverse opzioni per ingrandire una parte del grafico.
In particolare, selezionando Area, si potrà "disegnare" con il mouse un rettangolo che incorporerà la parte di grafico da ingrandire.
In bvasso a sinistra nella finestra è indicato il nome della grandezza analizzata(posta sull'asse Y) preceduta da un simbolo dello stesso colore della gtraccia disegnata.
Cliccare sul nome se si vuole modificare tale variabile, o calcolare una qualsiasi funzione di essa.
E' possibile calcolare il rapporto tra due grandezze, se ad esempio si vuole calcolare il rapporto tra due tensioni digitare V(xx)/V(YY) nel Box dsi dialogo Trace Expression.
DEFINIZIONE DEGLI STIMOLI D'INGRESSO
Ogni circuito elettronico per poter funzionzre, ha bisogno di essere sollecitato da opportuni segnali di ingresso chiamati Stimoli.
Con PSPICE esistono due tipi di stimoli che possono generare segnali digitali cioè valori che possono assumere solo due livelli, livello alto e livello basso e stimoli che possono dar vita a segnali analogici.
I principali stimoli analogici sono i seguenti:
- Segnali Costanti
- Segnali sinusoidali
- Segnali rettangolari, triangolari non periodici;
- Segnali modulati.
SEGNALI COSTANTI VDC e IDC
I segnali costanti sono generati da generatori indipendenti di tensioni e di corrente. I simboli grafici sono questi mostrati in fig.
Nella realizzazione della simulazione quando vengono uitlizzati generatori costanti VDC e IDC basta fare doppio click sul valore per impostare la differenza di potenziale tra i due nodi del generatere o la corrente fornita dal generatore stesso.
SEGNALI SINUSOIDALI VSIN e ISIN
Vengono utilizzati tali generatori quando devono essere generate tensioni o correntisinusoidai, secondo la relazione y(t)=Ym sen(kt+r). I simboli grafici sono i seguenti:
nella realizzazione della simulszione quando vengono utilizzati generatori VSIN e ISIN basta farer doppio click sul valore per impostare:
VOFF= tensione di offset, VAMP= ampiezza massima del segnale, FREQ=frequenza del segnale.
SEGNALI SINUSOIDALI MODULATI IN FREQUENZA VSFFM e ISFFM
Vengono utilizzati tali generatori per produrre un segnale modulato in frquenza. I simboli grafici sono i seguenti:
nella realizzazione della simulazione quando vengono utilizzati generatori VSFFM e ISFFM basta fare doppio click sul valore per impostare: VOFF= tensione di offset, VAMP=ampiezza max del segnale, FC=frequenza del segnale portante, MOD=indice di modulazione, FM=frequenza del segnale modulato.
SEGNALI RETTANGOLARI, TRIANGOLARI , NON PERIODICI VPULSE e IPULSE
RETTANGOLARE: un segnale che assume nel tempo due soli valori distinti, passando alternativamente dall'unp all'altro ad intervalli di tempo regolari, la transizione tra due valori avviene in un tempo teoricamente nullo.
Nella realizzazione della simulazione quando vengono utilizzati generatori VPULSE e IPULSE basta far doppio click sul valore per impostare:
V1= vaore tensione iniziale, V2=valore massimo tensone, TD=tempo in cui il segnale rimane a V!, TR=tempo di salita, TF=tempo di discesa, PW=tempo in cui il segnale rimane a V2,PER= periodo del segnale.
TRIANGOLARE: segnale costituito da due fasi, nella prima il valore cresce linearmente nel tempo dal picco negativo Vmin al picco positivo Vmax, nella seconda fase il valore decresce fino a raggiungere di nuovo Vmin.
N.B. fare particolare attenzione nell'impostazione dei tempi di salita e di discesa e di durata.
IMPULSIVO: segnale che assume ovunque un valore nullo(0), tranne che per un breve intervallo di tempo nel quale assume un valore costante. Nella somulazione il PER va impostato a 0 secondi.
ESEMPIO DI SIMULAZIONE
QUESTO MOSTRATO IN FIGURA è L'ESEMPIO DI UNA SIMULAZIONE DI UN CIRCUITO RC SOTTOPOSTO AD UN SEGNALE DI INGRESSO A GRADINO
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Lascio al lettore la soluzione di questi semplici esercizi
Impostare AC Sweep Type su Logarithmic/decade, quindi Point/Decade a 10 , Start frequency a 10 End frequency a 10 MEG. Premere OK.
Definire un nuovo profilo di simulazione e nella finestra Simulatio Setting scegliere il tipo di analisi naturalmente sceglieremo Time Domain(Transient). Assegniamo il valore finale dell'intervallo di tempo nel quale si vuole effettuare l'analisi, ad esempio 10 ms( in maximum step size) non che il passo con cui sivogliono rappresentare i risultati. 
