Bài giảng Giải tích mạch trên máy tính - GV. Trương Ngọc Anh

Chia sẻ: Minh Minh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:50

Thêm vào BST

Báo xấu

273
lượt xem 52
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng giải tích mạch trên máy tính nhằm giúp người học nắm được các cách tính toán thông số, phân tích nguyên lý các mạch điện tử, sử dụng các phần mềm có sẵn để tính toán và phân tích mạch hỗ trợ cho việc thiết kế. Mời bạn đọc cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Giải tích mạch trên máy tính - GV. Trương Ngọc Anh

GIẢI TÍCH MẠCH TRÊN MÁY TÍNH GV: Trương Ngọc Anh anhtnspkt@gmail.com * NỘI DUNG: - Giải tích mạch: Tính toán thông số, phân tích nguyên lý các mạch điện tử trong môn học liên quan (Mạch điện 1,2; Điện tử cơ bản 1,2; Kỹ thuật số; Vi xử lý 1…)  Mạch Tương tự, mạch số, Mạch Số + điều khiển bằng chương trình (Vi điều khiển). - Trên máy tính: Sử dụng các phần mềm có sẵn để tính toán và phân tích mạch hỗ trợ cho việc thiết kế.  Phần mềm: 1. ORCAD – PSPICE (9.2) – Tương tự, số 2. PROTEUS – ISIS (7.4 SP3) hoặc (7.6 SP4) – Tương tự, Số, Vi điều khiển * MỤC ĐÍCH:  VẼ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ (Vẽ từ sơ đồ nguyên lý có sẵn do ta thiết kế sơ bộ).  PHÂN TÍCH MẠCH  Quan sát được kết quả  Hiệu chỉnh thiết kế theo yêu cầu. * THI: - Thi viết  Trình bày các thao tác thực hiện trên máy, nhập các thông số cần thiết để phân tích, các loại linh kiện, công cụ thường sử dụng trong phân tích mạch. - Thi trên máy tính: Vẽ chi tiết và đầy đủ thông tin theo mạch nguyên lý cho sẵn và phân tích mạch theo yêu cầu. - Thời gian: 60ph - Không được sử dụng tài liệu. Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 1
PHẦN 1: ORCAD – PSPICE SPICE là 1 mạch mô phỏng tương tự hoặc hỗn hợp giữa tương tự và số (Analog or Mixed A/D), được dùng để kiểm tra việc thiết kế mạch & dự đoán nguyên lý hoạt động của mạch. Đó là 1 phần đặc biệt quan trọng trong mạch tích hợp (IC). Ông Berkeley là người đã nghiên cứu ra SPICE đầu tiên tại phòng thí nghiệm trường đại học của California. Vì vậy mà nó có tên là Simulation Program for Integrated Circuits Emphasis. SPICE có thể thực hiện những mạch phân tích khác nhau, đây là những mạch quan trọng nhất: Phân tích mạch DC không tuyến tính: phân tích đường cong dịch chuyển DC. Phân tích chuỗi Fourier & điện áp phi tuyến: tính toán điện áp & dòng điện theo thời gian. Khi 1 tín hiệu rộng được sử dụng, phân tích chuỗi Fourier sẽ cho biết dãy quang phổ của tần số. Phân tích đường tuyến tính AC: phân tích ngõ ra theo chức năng của tần số (biên tần, pha tần…). Thiết lập biểu đồ bode. Phân tích nhiễu. Phân tích độ nhạy. Phân tích biến dạng. Phân tích Fourier: tính toán và vẽ biểu đồ phổ của tần số. Phân tích Monte Carlo. Thêm vào đó PSpice có những thư viện tương tự và số của những linh kiện tiêu chuẩn (như là NAND, NOR, flip-flops, MUXes, FPGA, PLDs, và còn nhiều linh kiện số khác nữa). Đây là 1 công cụ hữu ích cho việc mở rộng ứng dụng số & tương tự. Tất cả sự phân tích này có thể được thực hiện ở những nhiệt độ khác nhau. Nhiệt độ mặc định 27oC. Mạch điện có thể bao gồm những linh kiện sau :  Nguồn dòng và nguồn áp độc lập & phụ thuộc  Điện trở  Tụ điện  Cuộn cảm  Cuộn cảm ứng tương hỗ (hỗ cảm)  Đường truyền tín hiệu  Khuếch đại thuật toán  Công tắc  Diode  Transistor lưỡng cực  Transistor MOS  JFET  MOSFET  Cổng số  Và những linh kiện khác Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 2
BÀI 1: VẼ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CÓ HỖ TRỢ PHÂN TÍCH (PSPICE) 1. VẼ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ: - Yêu cầu: Vẽ mạch điện sau và tính toán các giá trị dòng đi qua các nhánh và điện áp tại các nút. R1 R3 R4 1k 220 330 R2 R8 2K R5 3.5K 100 R6 R7 680 5K V1 12Vdc Hình 1.1: Mạch điện trong thực tế. * Trình tự các thao tác: Bước 1: Tạo file sơ đồ nguyên lý có hỗ trợ phân tích (PSPICE). 1. File  New  Project Hình 1.2 Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 3
2. Nhập tên file (
c. VAC: Nguồn xoay chiều. * Qui trình: 1. Chọn Menu Place  Part … Hoặc Phím tắt: “P” hay “Shift + P” Hoặc Biểu tượng (shortcut): Hình 1.5 2. Chọn Add Library… (thêm thư viện)  Chọn thư viện Anlalog  Nhập R vào mục Part để chọn linh kiện. Hình 1.6 Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 5
Bước 3: Sắp xếp linh kiện. - Sắp xếp linh kiện ngay khi lấy linh kiện. Hoặc - Di chuyển (Drag & Grop – Kéo và thả). Công cụ là: Select - - Xoay – Rotate : Phím tắt “R” hoặc nhấp phải chuột  Chọn Rotate. Bước 4: Nối dây. - Công cụ Wire – “W”   Bước 5: Đặt thông số cho linh kiện. * Một số nguyên tắc ghi giá trị: - k,K: kilo (E3) - m,M: mili (E-3) - Meg: Mega (E6) - u: micro -  (E-6) - G: Giga (E9) - p: pico (E-9) - T: Tera (E12) - n: nano (E-12) - f: femto (E-15) - Ứng với từng linh kiện thì ta có đơn vị chuẩn mà không cần ghi ra. VD: R (-ohm)  100  100 ohm C (F – Farad)  10u  10uF VD: 1 tụ điện có giá trị 225 picofarad được biểu diễn: 225P, 225p, 225pF, 225pFarad, 225E-12, 0.225N - Nguyên tắc cơ bản: Cần gì thì chọn đó . Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 6
Bước 6: Phân tích. Hình 1.7 – Thanh công cụ phân tích mạch. * Qui trình: 1. Tạo chế độ phân tích mới. Chọn biểu tượng : “New Simulation Profile”  2. Đặt tên phân tích tùy ý. VD: “Tinh dong ap”  Chọn Create. Hình 1.8 Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 7
3. Chọn chế độ phân tích: BIAS POINT (Tính toán tất cả thông số dòng và áp trong mạch). Hình 1.9 4. Chạy phân tích  Chọn Run PSPICE  . 5. Quan sát kết quả phân tích. - Chế độ BIAS POINT  Xem kết quả ở trang vẽ sơ đồ nguyên lý. Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 8
2. CÁCH NHẬN DẠNG LỖI “KHÔNG NỐI DÂY HOẶC THIẾU GND”: Hình 1.11 – Thông báo lỗi khi phân tích. - Để nhận biết được lỗi ta quan sát trong trang thông tin lỗi. Hình 1.12 – Thông tin lỗi chi tiết. Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 9
- Ta phân tích 2 dòng lệnh sau: Trong đó: R : Loại linh kiện. _ : Dấu cách (loại linh kiện và tên linh kiện). R1, R2 : Tên linh kiện. N00215, N00249 : Là điểm nối của 2 chân của điện trở do phần mềm tự gán số. 1k, 2K : Giá trị của linh kiện. * Nhận xét: Theo cách ghi như trên ta thấy 2 linh kiện có cùng số thứ tự chân nên 2 linh kiện này sẽ được nối song song với nhau. Đây chính là nguyên tắc mà phần mềm hiểu được nguyên lý của mạch thông qua dòng lệnh.  Như vậy: Với thông tin lỗi (ERROR – Node N00215 is floating) nghĩa là bị lỗi tại 1 chân của điện trở R1 hoặc R2. Kết luận: Trong trường hợp này ta quan sát trong mạch nguyên lý nếu không bị lỗi chưa nối dây thì đây chính là trường hợp mạch thiếu GND. Vì PSPICE cho rằng nguồn VDC chỉ có dương nguồn và âm nguồn không có GND nên hở mạch. 3. VẦN ĐỀ GND TRONG MẠCH: TRONG BẤT CỨ MẠCH ĐIỆN PHÂN TÍCH NÀO THÌ CHƯƠNG TRÌNH PSPICE LUÔN YÊU CẦU PHẢI CÓ MASS (GND) CỦA TÍN HIỆU. - Chọn menu Place  Ground… (phím tắt “G”) Hoặc - Chọn biểu tượng  0/SOURCE. Hình 1.13 Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 10
R1 R3 R4 1k 220 330 R2 R8 2K R5 3.5K 100 R6 R7 680 5K V1 12Vdc 0 Hình 1.14 – Mạch sau khi thêm GND. R1 1.696mA R3 R4 1k 220 330 R2 2.544mA 2.544mA 2.544mA 848.1uA 9.744V R8 2K 10.30V R5 3.5K 120.0mA 100 R6 17.65mA R7 680 12.00V 2.400mA 5K V1 142.6mA 12Vdc 0 Hình 1.15 – Kết quả sau khi phân tích Bias Point (hiển thị điện áp và dòng) Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 11
4. MỘT SỐ THƯ VIỆN THÔNG DỤNG:  ANALOG: chứa những linh kiện thụ động (R,L,C), hỗ cảm , dây dẫn điện sóng, nguồn dòng và nguồn áp phụ thuộc (điện áp phụ thuộc nguồn áp E, dòng điện phụ thuộc nguồn dòng F , điện áp phụ thuộc nguồn dòng G và dòng điện phụ thuộc nguồn áp H).  SOURE: cung cấp những nguồn dòng và nguồn áp khác nhau như: Vdc, Idc, Vac, Iac, Vsin, Vexp, pulse, piecewise linear v.v… Đọc lướt qua thư viện để thấy những giá trị thích hợp.  SOURCSTM: cung cấp những nguồn tín hiệu cho phân tích số.  EVAL: cung cấp diode (D…), transistors lưỡng cực (Q…), MOS transistors, JFETs(J….) opamp thực tế như 4741, công tắc (SW- tClose, SW-tOpen), những cổng số & những linh kiện khác nhau.  ABM: chứa những phép toán để ứng dụng như là: phép nhân (MULT), phép tổng (SUM), căn bậc hai (SWRT), Laplace (LAPLACE), arctan (ARCTAN), và nhiều hơn nữa.  SPECIAL: chứa những linh kiện trạng thái khác nhau như PARAM, NODESET, v.v… Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 12
5. CÁC PHÍM TẮT THƯỜNG SỬ DỤNG KHI VẼ MỘT SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ:  Phím “R,H,V”: Để xoay linh kiện.  Phím “I” : Phóng to bản vẽ.  Phím “O”: Thu nhỏ bản vẽ.  Phím “T”: Biên soạn văn bản.  Phím “Ctrl + Z”: Bỏ qua lệnh vừa thực hiện.  Phím “ Delete”: Xóa. Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 13
BÀI 2: PHÂN TÍCH MẠCH 1. CÁC CHẾ ĐỘ PHÂN TÍCH MẠCH CƠ BẢN:  BIAS POINT: Tính toán tất cả thông số các mức áp DC tại các nút và dòng điện chạy qua các nhánh. Dùng xác định điều kiện phân cực DC của một mạch điện.  DC Sweep: Thay đổi hàng loạt các giá trị (dòng, áp, giá trị linh kiện, nhiệt độ, thông số linh kiện…) và đo các giá trị ở dạng DC (dòng, áp, công suất,…). Dùng phân tích các đặc tính của các linh kiện điện tử, như vẽ các đường cong đặc tính của Diode, Transistor, SCR, Triac… (Volt-Ampere, Vào-Ra,…).  AC Sweep/Noise: Thay đổi hàng loạt giá trị tần số và đo các giá trị chịu sự ảnh hưởng của tần số (áp – biên tần, góc lệch pha – pha tần, dòng, …). Dùng phân tích các tín hiệu trên mạch điện theo biến tần số và góc pha (trục X lấy theo biến tần số).  Time Domain (Transient): Phân tích mạch theo thời gian xác định (đo dạng sóng của tín hiệu, quá trình quá độ…). Dùng phân tích các mức áp trên các điểm của mạch điện lấy theo biến thời gian (trục X lấy theo biến thời gian). Phân tích này có công dụng như dùng một máy hiện sóng (dao động ký). 2. PHÂN TÍCH MẠCH KHUẾCH ĐẠI: 2.1. Vẽ mạch nguyên lý: V2 12Vdc R1 R3 22k 5.6k C2 0 Q1 Q2 10uF C1 R6 10uF 5K Q2SC1815 Q2SC1815 R5 V1 VOFF = 0V 0 VAMPL = 10mV 56k C3 FREQ = 1kHz R2 R4 220uF 1k 1.2k 0 0 0 0 Hình 2.1 – Mạch khuếch đại ghép trực tiếp. Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 14
- Các bước thực hiện vẽ mạch tương tự như bài 1. - Những linh kiện mới trong mạch: - Tụ điện: C  Analog. - Tụ điện có cực tính: C_elect  Analog. - Nguồn sin: VSIN  Source. - Transistor: Q2SC1815  Jbipolar. - Tìm kiếm thư viện và linh kiện: - Chọn Place  Part…  chọn Part Search. - Trường hợp 1: Nếu biết tên linh kiện chính xác nhưng không nhớ thư viện. + Nhập tên linh kiện  Chọn Begin Search  Xem kết quả. VD: Transistor 2SC1815  Tên chính xác theo phần mềm Q2SC1815. Hình 2.2 - Trường hợp 2: Nếu không biết tên linh kiện chính xác theo phần mềm. + Nhập tên linh kiện và phối hợp với dấu “*” để thay thế những ký tự không nhớ. VD: Transistor 2SC1815. Tên thường sử dụng là: C1815. + Lúc tìm ta thêm dấu “*”: *C1815: Tìm tất cả linh kiện có chứa chuỗi ký tự C1815 ở phía sau cùng. *C1815*: Tìm tất cả linh kiện có chứa chuỗi ký tự C1815 ở giữa. Hình 2.3 Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 15
2.2. Phân tích BIAS POINT: * Yêu cầu: Phân cực cho transistor sao cho mạch làm việc ở chế độ khuếch đại. - Nhận xét: Transistor phải được phân cực ở chế độ khuếch đại. Như vậy, khi phân cực ta phải thỏa mãn điều kiện sau: - mối nối B-E phân cực thuận  VB > VE - nối B-C phân cực nghịch  VB < VC Như vậy, V E < VB < V C  Để thỏa mãn được biểu thức trên ta đo điện áp tại 3 chân E, C, B của 2 transistor Q1 và Q2 (6 điểm điện áp).  Chọn phân tích BIAS POINT (tính toán thông số dòng, áp, công suất,… cho toàn mạch). * Các bước thực hiện: 1. Vẽ hoàn chỉnh mạch nguyên lý. Trong trường hợp phân tích Bias Point thì ta không cần quan tâm đến tụ vì tụ sẽ bị hở mạch đối với tín hiệu DC. Như vậy, tụ có hay không trong mạch không ảnh hưởng đến kết quả phân tích  giữ nguyên mạch nguyên lý ở mục 2.1. 2. Tạo và chọn chế độ phân tích. - New Simulation Profile”   Nhập tên: Phân cực  Create. - Trong mục Analysis Type (kiểu phân tích)  Chọn BIAS POINT  OK. 3. Nhập thông số phân tích: Không cần nhập thêm thông số nào. 4. Xác định điểm cần đo: Không cần xác định vì tự động tính toán toàn mạch. 5. Chạy phân tích  Chọn Run PSPICE  . 6. Quan sát kết quả phân tích. - Xem kết quả ở trang vẽ sơ đồ nguyên lý. Điệp áp Dòng điện Công suất - Có thể di chuyển các giá trị điện áp, dòng điện, hay công suất qua vị trí khác để dễ quan sát. Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 16
12.00V V2 12Vdc R1 R3 22k 5.6k 0V C2 0 2.053V 5.843V Q1 Q2 10uF C1 R6 10uF 5K Q2SC1815 Q2SC1815 R5 0V V1 VOFF = 0V 1.153V 447.8mV 0 VAMPL = 10mV 56k C3 FREQ = 1kHz R2 R4 220uF 1k 1.2k 0V 0V 0V 0V 0 0 0 0 Hình 2.4 – Kết quả điện áp tại các nút. V2 452.1uA 1.099mA 12Vdc R1 R3 1.552mA 22k 5.6k C2 0 Q1 Q2 10uF C1 444.8uA 1.099mA 3.060uA R6 7.394uA 10uF 5K Q2SC1815 Q2SC1815 -447.8uA R5 -1.107mA 0A 0A V1 3.060uA VOFF = 0V 0 VAMPL = 10mV 447.8uA 56k 1.104mA C3 FREQ = 1kHz R2 R4 220uF 1k 1.2k 0 0 0 0 Hình 2.5 – Kết quả dòng điện tại các nhánh. * Nhận xét: Điện áp tại các chân E, C, B của transistor Q1, Q2 thỏa mãn biểu thức VE < VB < VC nên mạch hoạt động ở chế độ khuếch đại. Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 17
2.3. Phân tích DC SWEEP: * Yêu cầu: Xác định ở điện áp nguồn cung cấp nào thì mạch bắt đầu làm việc ở chế độ khuếch đại. - Nhận xét: Ở giá trị nào của nguồn cung cấp thỏa mãn biểu thức VE < VB < VC của transistor Q1 và Q2 thì mạch bắt đầu khuếch đại. Vì transistor bắt đầu làm việc ở chế độ khuếch đại  mạch khuếch đại. Như vậy, ta phải thay đổi nguồn cung cấp và đo các giá trị điện áp tại 3 chân E, C, B của 2 transistor Q1 và Q2. Theo kinh nghiệm, ta có thể chỉ cần đo 2 tín hiệu VC và VB của transitor Q2 (ngõ ra của mạch khuếch đại ghép trực tiếp này). Nguồn cung cấp VDC 0V 1V 2V … 24V VC (Q2) p1 p2 p3 … pn VB (Q2) m1 m2 m3 mn - Đồ thị biểu diễn mối quan hệ của nguồn cung cấp VDC và điện áp VC và VB của Q2.  Chọn phân tích DC Sweep (thay đổi hàng loạt giá trị nguồn cung cấp – Sweep – và đo điện áp tại các chân VC, VB). * Các bước thực hiện: 1. Vẽ hoàn chỉnh mạch nguyên lý. Trong trường hợp phân tích này cũng tương tự Bias Point nên ta không cần quan tâm đến tụ vì tụ sẽ bị hở mạch đối với tín hiệu DC. 2. Tạo và chọn chế độ phân tích. - New Simulation Profile”   Nhập tên: Nguồn cung cấp  Create. - Trong mục Analysis Type (kiểu phân tích)  Chọn DC Sweep  OK. Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 18
3. Nhập thông số phân tích: Hình 2.6 Trong đó: Sweep Variable: Biến (đối tượng) thay đổi giá trị Voltage Source: Tín hiệu là nguồn áp Current Source: Tín hiệu là nguồn dòng Global parameter: Tín hiệu là giá trị linh kiện Model parameter: Tín hiệu là thông số của linh kiện Temperature: Tín hiệu là nhiệt độ Name: Tên biến (đối tượng) cần thay đổi Sweep Type: Kiểu thay đổi giá trị Linear: Tuyến tính (có qui luật) Logarithmic: Logarit (biểu diễn theo dạng biểu đồ loga) Value List: Danh sách giá trị (không cần qui luật) Start Value: Giá trị bắt đầu phân tích End Value: Giá trị kết thúc phân tích Increment: Bước tăng theo quy luật (dương là tăng, âm là giảm) Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 19
4. Xác định điểm cần đo: - Đo điện áp VC và VB của Q2 nên ta dùng que đo điện áp. - Đặt que đo ngay chân linh kiện để có kết quả tương ứng. 5. Chạy phân tích  Chọn Run PSPICE  . 6. Quan sát kết quả phân tích. - Xem kết quả ở trang đồ thị. 15V 10V 5V (6.1380,1.6841) 0V 0V 4V 8V 12V 16V 20V 24V V(Q2:c) V(Q2:b) V_V1 Hình 2.7 Trong đó: Trục X : Nguồn cung cấp V_V2 (0V – 24V) Trục Y: Giá trị điện áp của VC và VB * Để biết đường đồ thị nào của tín hiệu nào ta quan sát góc trái dưới cùng của đồ thị. 0V V(Q2:c) Điện áp chân C của Q2 (có ký hiệu hình vuông) 4V V(Q2:b) Điện áp chân B của Q2 (có ký hiệu hình thoi) * Nhận xét: Quan sát trên đồ thị, ở điện áp trên 6,138V trở đi mạch bắt đầu khuếch đại vì VC > VB. Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 20