circuitos eléctricos e sistemas digitais departamento de...

Circuitos Eléctricos e Sistemas Digitais

Departamento de Física da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa

Mestrados Integrados em Engª. Biomédica e Engª. Física e Licenciatura em Física

1.º Semestre 2018/2019

Estes guias correspondem a versões atualizadas e/ou adaptações dos protocolos dos anteriores. JF FCUL

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Prática n.º 3

Familiarização com o simulador de circuitos elétricos PSpice; diagramas de Bode.

1. Utilize o Schematics para desenhar o circuito da Figura 1. Defina a análise a efetuar, e realize a

simulação, corrigindo os erros, caso seja necessário (verifique o ficheiro de saída gerado pelo utilitário, comando ‘Analysis>Examine Output’). Compare os valores das correntes e das tensões obtidos com os que obtém usando os métodos de análise que conhece.

2. O circuito RC da Figura 2 é um filtro passa-baixo (R=1 kΩ e C=10 nF). Utilize o Schematics do

PSpice para desenhar o diagrama esquemático do circuito. c) Aplique na entrada (Vin) uma sinusóide de 1 V de amplitude. Observe a resposta temporal do

circuito para frequências do sinal para 100 Hz, 1 kH, 10 kHz, 100 kHz, e 1 MHz. Utilize o utilitário “Probe” para traçar o módulo da função de transferência (Vout/Vin) e a diferença de fase entre Vout e Vin em função da frequência (diagramas de Bode). Determine a frequência de corte do circuito.

b) Utilize o utilitário “Probe” para observar a resposta temporal do filtro quando aplica uma onda quadrada de 4 V de amplitude com os seguintes valores de período: 0,5 μs, 5 μs e 10 μs.

3. O circuito da Figura 3 é um filtro passa-banda. Simule comportamento do circuito:

a) Aplique à entrada (Vin) uma sinusóide de 1 V de amplitude. Observe a resposta temporal do circuito para frequências do sinal para 100 Hz, 1 kH, 10 kHz, 100 kHz, e 1 MHz. Utilize o utilitário “Probe” para traçar os diagramas de Bode: o módulo da função de transferência (Vout/Vin) e a diferença de fase entre Vout e Vin em função da frequência. Determine a frequência central do filtro, e as frequências de corte inferior e superior.

b) Substitua a resistência R2 por uma resistência de 1 kΩ e C2 por um condensador de 100 nF. Trace novamente os diagramas de Bode, e determine a frequência central do filtro, e as frequências de corte inferior e superior. Comente os resultados face aos obtidos na alínea anterior.

Introdução ao PSPICE: Circuitos Elétricos e Sistemas Digitais, 1.º Semestre, 2018/2019


Estes guias correspondem a versões atualizadas e/ou adaptações dos protocolos dos anteriores. JF FCUL 2 de 22

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Anexo A:

Introdução ao simulador PSPICE (PSpice 9.1 student version)

O PSPICE é a uma versão comercial do software SPICE de simulação de circuitos elétricos e eletrónicos, muito usado para verificar o desenho de circuitos e prever o seu funcionamento e antever as respostas temporal e em frequência de circuitos. SPICE é o acrónimo de “Simulated Program with Integrated Circuits Emphasis”. A versão de demonstração que vamos usar é disponibilizada pela pela OrCAD Corp. of Cadence Design Systems, Inc..1 O SPICE permite fazer vários tipos de análises, definidas com o comando “Analysis > Setup”. As mais relevantes/importantes são:

• “Bias Point Detail”: faz o cálculo das tensões nodais e das correntes;

• Análise DC: faz o cálculo da função de transferência DC;

• Transiente ou temporal (“time analysis”): calcula as tensões e correntes em função do tempo

• Fourier: determina os espectros de frequência das tensões e das correntes

• Análise AC ou em frequência [AC “sweep” (“frequency analysis”)]: faz um varrimento em frequência do sinal de entrada e representa os sinais de saída em função da frequência do sinal de entrada, gerando os diagramas de Bode em amplitude e fase.

As opções de cada uma das análises permitem definir as condições de execução, sendo necessário que o utilizador defina os parâmetros associados à análise, por exemplo se o tipo de análise é linear ou por década, o tempo de duração, as frequências inicial e final, etc.. Na versão de demonstração que vamos usar, da OrCAD Corp. of Cadence Design Systems, Inc., começa-se por implementar o diagrama esquemático descritivo do circuito usando a interface gráfica do utilitário do PSPICE designado Schematics Editor. O Schematics Editor (ficheiro executável psched.exe) pode ser encontrado na pasta C:\Program Files\OrCAD_Demo\PSpice ou equivalente, dependendo da instalação realizada. Terminada a implementação do circuito define-se o tipo de análise que se pretende efetuar. Concluída esta fase, a gravação do diagrama do circuito é gera um ficheiro com a extensão .sch.

Como desenhar um circuito

Iniciar/abrir o “Schematics Editor”

(Ficheiro psched.exe na pasta C:\Program Files\OrCAD_Demo\PSpice\) Quando se inicia o programa, abre-se uma janela idêntica à da Figura seguinte.

1 PSpice 9.1 student version: http://webpages.ciencias.ulisboa.pt/~jmfigueiredo/aulas/PSPICE_W7_ps9_1.zip.




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Figura 1:

A primeira coisa a fazer é colocar os componentes na área de desenho. Para inserir componentes

usa-se o comando “Get New Part” do menu “Draw” ou clicando no ícone ou ainda com CTRL+G. Abre-se uma janela de onde se pode selecionar o componente que se pretende adicionar. Escreve-se o nome/designação do componente ou localiza o componente desejado na lista indicada (uma fonte de tensão independente, no exemplo da Figura seguinte), ou procura-se o componente nas bibliotecas pressionando o botão ‘Libraries’ (nas bibliotecas após a sua seleção do componente este é inserido pressionando o botão ‘OK’). Para adicionar uma resistência, um condensador ou uma indutância é suficiente escrever “r”, “c” e “l” no campo “Part Name”. Alguns elementos podem ser encontrados facilmente escrevendo: r – resistência; c – condensador; l – indutância; d – díodo; VDC – fonte de tensão DC; VAC – fonte de tensão AC; VSIN – fonte de tensão sinusoidal; VPULSE – “gerador de impulsos”; GND_ANALOG ou GND_EARTH – comum/terra do circuito. Para inserir cada componente no ambiente de trabalho deve-se selecionar o componente, após o localizar na lista mostrada, e pressionar o botão ‘Place & Close’; se se pretender inserir mais de um exemplar do componente de clicar no botão ‘Place’. De seguida podem-se “descarregar” os restantes componentes necessários à implementação do circuito.




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Figura 2:

Os componentes são identificados por um nome, que deve ser único. Em conjunto com o nome normalmente aparece também o valor numérico da grandeza física associada. O nome e o valor da grandeza física associada podem ser modificados pelo utilizador selecionando o componente e clicando duas vezes com o botão esquerdo do rato. Com duplo “clic” abre-se a janela de propriedades do componente (ver o exemplo com fonte de tensão na figura) onde estes atributos podem ser alterados. Esta ação efetua-se “clicando” com o rato uma vez sobre o campo correspondente à grandeza e colocando o valor que se pretende. No caso de uma resistência, por exemplo, deve-se indicar o novo valor no campo “VALUE” da janela. São usados as seguintes expressões e símbolos para escrever o valor das grandezas: k – quilo; u – micro (ex. uF = microfarad). Ter em atenção que componentes como fontes/geradores de tensão, por exemplo, requerem o preenchimento de vários campos – ver mais adiante. Fazem-se as alterações necessárias e fecha-se a janela das propriedades do componente. Sempre que se faz uma alteração é necessário gravar o novo atributo. Os componentes disponíveis estão agrupados por similaridade e/ou fabricante e organizados por ordem alfabética, em arquivos independentes denominados bibliotecas (libraries).




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Figura 3:

De seguida coloca-se cada componente na posição do diagrama que se pretende clicando uma vez com o botão esquerdo do rato. Caso se pretenda fazer uma rotação de 90º do componente antes de posicioná-lo utiliza-se o comando ‘Ctrl+R’ ou no menu “Edit” escolher “rotate”; para “virar” CTRL+F (Edit” “Flip”. Para finalizar a colocação do componente pressione a tecla ESC. Selecionando um componente é possível movê-lo para outra posição no diagrama. Para apagar um componente faz-se “Delete”. Não esquecer de incluir um ponto de terra/comum (GND). A simulação não corre se não existir um nó correspondente ao ponto comum/terra. Montar o circuito:

Após a inclusão de todos os componentes é necessário realizar as respetivas interconexões, ligando-os através de fios metálicos. As ligações entre os componentes são efetuadas com a seleção do ícone

(ou usar a opção Wire” no menu “Draw” ou CTRL+W) e clicando sucessivamente nos terminais dos componentes a ligar. (Deve treinar esta funcionalidade.) Como o ponteiro “no modo lápis” clicar no terminal do componente que se quer ligar, e mover o ponteiro (irá ver uma linha a tracejado) até ao segundo componente clicando no terminal respetivo. Repetir até ter o circuito completo. Se quiser criar um nó, coloque o ponteiro “no modo lápis” e clique no ponto do fio onde quer gerar o nodo. Experimente as diferentes formas de fazer ligações. Para que o ponteiro volte ao modo normal




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clicar no botão direito do rato. Pode mexer nos fios selecionando-os e movendo-os, criando diferentes junções/”cantos”.

Figura 4:

Obtém-se o circuito final, Figura . Não esquecer de incluir um ponto de terra/comum (GND). A simulação não corre se não existir um nó correspondente ao ponto comum/terra.

É possível colocar pontas de prova (o marcador de tensão está no lado direito da barra de ferramentas ou CTRL+M) em determinados pontos do circuito para visualizar os valores das tensões e das correntes.

Neste caso foram colocadas pontas de prova para ver o valor da tensão nos terminais da indutância. Uma vez concluído o circuito deve gravar-se o esquema do circuito (gera-se um ficheiro com a extensão “.sch”).

Simulate e Run Probe opções

Para iniciar a análise clica-se no botão “Simulate” na barra de ferramentas ou escolhe-se “Analysis”> “Simulate” ou F11. Se o circuito tiver erros, deve corrigi-los para poder prosseguir. Normalmente a lista de erros aprece na esquerda da secção inferior da janela. Se forem difíceis de interpretar escolher “View – Output File”. Se tudo estiver bem, deve surgir uma nova janela, onde visualizar a representação gráfica dos sinais ou a resposta temporal e em frequência do circuito, conforme pretende.




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Figura 5:

Para correr a simulação escolhe-se a opção “Simulate” no menu “Analysis” ou no ícone . Como o circuito da Figura apresentado erros – falta-lhe a definição do nodo “Terra” – abre uma nova janela com a indicação dos erros.




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Figura 6:

Corrigidos os erros, com a inclusão da “Terra” (GND), obtém-se o resultado da análise: simulação completa. A simulação produz, por defeito, a análise “Bias Point Detail” (cálculo das tensões nodais e

das correntes). Se clicarmos nos ícones serão indicados os valores das tensões e das correntes nos nós e nos ramos do circuito, respetivamente.




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Figura 7:

A definição das características da análise a realizar-se é efetuada na opção “Setup” do menu “Analysis”.

Definição do tipo análise (Analysis Setup)

Para realizar a simulação e utilizar a funcionalidade “Run Probe” do menu Analysis, o circuito deve estar completo e o diagrama devidamente gravado. Não pode haver partes “flutuantes” no circuito como, por exemplo, componentes não ligados. As características dos diferentes componentes relevantes para o seu bom funcionamento devem estar definidas com a atribuição dos valores das respetivas grandezas físicas. O circuito tem de ter uma Terra. A definição das características da simulação que pretende é feita na opção “Setup” do menu “Analysis”. Menu Analysia > Analysis Setup:

“Bias Point Details”: esta análise não lança a funcionalidade “Probe” e por isso não produz qualquer gráfico. Esta opção permite visualizar os valores da tensão e da corrente em certos pontos do circuito.




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Transiente: esta é provavelmente a análise mais importante que se pode fazer no PSpice, pois permite determinar os diferentes valores da corrente e da tensão etc. em função do tempo. É necessário definir pelo menos dois parâmetros (há também o parâmetro “Step Ceiling”, ver adiante): print step e final time. A razão final time/print step determina o número de pontos que PSpice calcula para representa a gradeza/forma de onda. Previamente à execução da simulação deve ponderar qual será o valor mais indicado para o print step, pois este valor irá determinar a qualidade da representação e o tempo que o PSpice demora a realizar a simulação. Eis alguns valores indicativos (): alguns us, se o final time é da ordem de ms; alguns ms se o final time é segundos. Pode definir o parâmetro “Step Ceiling”, que limita o tamanho de cada intervalo, poder aumentar/controlar assim a velocidade do processamento, usando a mesma “regra” atrás exposta. Usando o Transient é possível fazer análise de Fourier dos sinais, a partir da janela de resultados. Experimente. AC Sweep: permite representar graficamente a magnitude a fase de um dado sinal ou o resultado da operação matemática sobre sinais em função da frequência. Tem disponíveis as opções (Linear, Octave e Decade) para representar o eixo das abcissas (frequência). Experimente e verifique o resultado de cada uma destas opções. Nesta análise é necessário indicar o número de pontos que se pretendem representar, a frequência inicial e a frequência final de simulação. DC Sweep: esta análise permite fazer diferentes varrimentos para ver como o circuito responde a diferentes condições de funcionamento. A título de exemplo observar como o circuito responde à variação da tensão de uma fonte DC., entre por exemplo, 0 e 12 V. Tipos de fontes:

VDC: fonte de tensão DC (“Direct Corrente”) que simula uma bateria e permite definir o valor da tensão. VAC: Fonte de tensão alternada (função seno; se quisermos que represente um cosseno devemos adicionar ou subtrair uma fase de 90º. Pode alterar os seguinte parâmetros: ACMAG – valor rms da tensão; DC – tensão DC de desvio (offset); ACPHASE – fase angular da tensão, 0º por defeito. VSIN: fonte de tensão sinusoidal. Se se pretender fazer uma análise transiente deve usar-se VSIN. Esta fonte não deve ser usar para análise de frequência, sendo mais apropriado usar VAC. Parâmetros relevantes da função VSIN: DC – componente DC da onda seno; AC – valor AC da onda seno; Voff – valor de desvio DC, deve ser zero se se pretender uma tensão sinusoidal pura; Amplitude – valor de pico da sinusoide (medido a partir de zero se o DC for nulo); FREQ – frequência em hertz; TD – tempo de atraso em segundos (deve ser zero para uma onda seno




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“normal”); DF – fator de amortecimento (por defeito é zero); PHASE – fase em graus (igual a 90º se se pretender um cosseno). Nas utilizações mais comuns: Voff, TD e DF são colocados a zero, por forma a obter uma onda seno. VPULSE: esta fonte é normalmente usada para simulações onde se pretende estudar o comportamento transiente dos circuitos, onde queremos que aplicar uma onda quadrada. Parâmetros relevantes: DC – componente DC; AC – componente AC; V1 – valor da tensão quando o pulso está “desligado” (para uma onda quadrada corresponde ao valor inferior), pode ser zero, positivo ao negativo; V2 – é o valor correspondente ao pulso propriamente dito (para uma onda quadrada corresponde ao valor superior), pode ser zero, positivo ao negativo; TD – tempo de atraso (não pode ser negativo); TR/TF – tempos de subida e de descida do pulso, respetivamente; TW – largura do pulso; PER – período do pulso (tempo total do pulso: TW + o tempo em que o pulso está “desligado”). PWL (Piece Wise Linear): esta fonte pode ser usada para criar formas de onda “arbitrárias”. Fontes de corrente: para cada uma das fontes de tensão atrás descritas existe a correspondente fonte de corrente. Análise Transiente

Para terminar este guia introdutório do PSPICE apresenta-se a versão ligeiramente alterada do circuito anterior, por forma a permitir realizar análise da resposta temporal do circuito: para além de alterar os valores dos componentes, removeu-se a resistência R3 e substitui-se a fonte DC por uma fonte AC com VOFF=0 V, amplitude 1 V, frequência 1 kHz; adicionou-se uma terceira ponta de prova para visualizar a tensão aplicada ao circuito.




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Figura 8:

Agora é necessário definir que a análise que se pretende. Para visualizar os sinais em função do tempo escolhe-se a opção Transient (time analysis) (menu Analysis -> Setup).

Para realizar a análise Transient é necessário definir Final Time, neste caso 10 ms, e para o Step Ceiling (determina a qualidade da representação gráfica do sinais) usou-se 10 us; como exercício pode verificar o impacto de usar, por exemplo, 100 us.

Figura 9:

A simulação corre com a opção “Simulate” no menu “Analysis” ou no ícone . Se tudo estiver bem, deve surgir uma nova janela, onde irá visualizar a representação gráfica dos sinais V4, VR2 e VC1.




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Figura 10:

Através dos diferentes menus pode alterar-se a visualização, adicionar outras variáveis a visualizar, verificar o valor da corrente/tensão num determinado ponto, etc. Explore os menus para outras funcionalidades e utilize o “Help” sempre que necessário.

Se a janela que resultar da simulação abrir com um fundo preto sem qualquer traço, pode adicionar manualmente os traços dos sinais que quer visualizar. Para adicionar, apagar ou alterar traços usa-

se o menu “Trace” da janela de simulação, e escolhe-se a opção “Add Trace” ou clicar no ícone na barra de ferramentas (ou usar a tecla INSERT), e definem-se os traços que se pretendem representar. Pode apagar traços clicando na legenda respetiva e pressionando a tecla “Delete”. Pode também representar sinais que resultem de operações matemáticas sobre outros sinais. A título de exemplo, pode representar a fase de um dado sinal ou valor de uma dada grandeza X (corrente ou tensão num dado ponto, por exemplo) escrevendo P(X) ou IP(V). Pode ainda atribuir

“etiquetas” aos sinais . Usando as ferramentas de cursor pode caracterizar/identificar pontos

nos gráficos. Para tal deve selecionar o sinal que quer analisar e clicar no símbolo . À direta

deste símbolo tem várias opções (máximo, mínimo, etc.): .

Análise em frequência (AC Sweep)




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Caso se pretenda realizar a análise em frequência (i.e., obter informação do desempenho do circuito em função da frequência do sinal aplicado) usa-se a opção a AC sweep (frequency analysis). Neste caso é necessário/recomendável usar uma fonte VAC; por forma simplificar a discussão usa-se um circuito mais simples formando pela fonte VAC, uma resistência e um condensador na configuração apresentada na Figura .

É possível atribui nomes ao nós: neste caso designou-se o nó que liga a resistência ao condensador por Vout e a tensão de excitação Vin (etiqueta do nó).

Figura 11:

Para realizar a análise AC sweep é necessário indicar o número total de pontos por década e definir as frequências inicial e final. Pode também indicar-se o tipo de AC Sweep: Linear, Octave ou Decade. No que se segue escolheu-se a opção Decade. Contudo, deve experimentar as outras duas opções.




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Figura 12:

O resultado da análise está representado na Figura .

Figura 13:




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É possível alterar a forma como os resultados são representados usando o comando Plot e a opção Axis Settings. No exemplo alterou-se a escala de linear para Log.

Figura 14:

Agora a representação gráfica toma a forma representada na Figura .




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Figura 15:

A visualização gráfica do resultado da simulação pode também ser obtida usando o utilitário probe. Este utilitário pode ser selecionado com o comando ‘Analysis>Run Probe’ou, que podendo estar a ser executado por omissão sempre que a simulação acorra sem erros (comando ‘Analysis>Probe Setup’). Este comando executa a simulação e abre a janela com a representação gráfica dos sinais em frequência do circuito. É possível alterar a forma como os sinais são representados e apresentar também o resultado de operações matemáticas realizadas com os sinais do circuito. Através do comando ‘Trace>Add Traces’

ou clicando no ícone é possível representar outros sinais e o resultado de operações matemáticas realizadas sobre sinais. Duas funções muito relevantes para a análise de circuitos que permitem obter os correspondentes diagramas de Bode para a magnitude e para fase são as funções DB(), magnitude em dB (decibel), e P(), fase em graus.

Figura 16:




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Figura 17:

É também possível representar estas duas grandezas em janelas individuais, usando a opção Add Plot to Window do comando Plot, Figura .

Figura 18:




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No circuito em apreço, os diagramas da magnitude e da fase da função de transferência do circuito obtêm-se adicionando os traços DB(V(Vout)/V(Vin)) e P(V(Vout)/V(Vin)), nas respetivas janelas

usando o comando ‘Trace>Add Traces’ ou clicando no ícone .

Figura 19:




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Figura 20:

Exemplos complementares:

1. (Regras de escrita (no PSpice 9.1) dos valores numéricos das grandezas.) Considere os circuitos

das Figuras 1 e 2. Implemente no Schematics os dois circuitos e verifique se são equivalentes, isto

é, se produzem os mesmos valores de tensão e de corrente nos mesmos nós e nos mesmos

ramos, respectivamente.

Resposta: nota - ter em atenção na forma como escreve os valores numéricos das grandezas.




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2. Desenhe o circuito da Figura no Schematics do PSPICE. Obtenha através do PSpice os valores das

correntes nos diferentes ramos e as tensões nos diversos nós.

Resposta:.

3. Desenho o circuito abaixo no Schematics.

a) Aplique à entrada uma tensão sinusoidal Vin de 1 V de amplitude. Observe no domínio do tempo a tensão à saída Vout quando a frequência de Vin é 100 Hz, 1 kHz e 10 kHz.

b) Substitua Vin por uma onda quadrada de 1 V de amplitude. Visualize Vout quando Vin tem frequência 100 Hz, 1 kHz e 10 kHz.

c) Calcule a função de transferência em amplitude e fase, e esboce os diagramas de Bode.




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d) Obtenha os diagramas de Bode usando o utilitário “Probe” e compare-os com os esboços obtidos a partir das expressões analíticas calculadas em c).

4. O circuito da Figura 3 é um filtro passa-banda. Desenhe no Schematics o circuito da Figura 3.

Trace os respetivos diagramas de Bode.

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