ORCAD ANALOG ORCAD OPGAVER ANALOG. Bias spændinger: 1.1) a: Spændingsdeler: Beregn først I hånden de to spændinger, Uout1 og Uout2.

Transkript

1 ORCAD OPGAER ANALOG Bias spændinger:.) a: Spændingsdeler: Beregn først I hånden de to spændinger, og. 8dc 34dc k Beregn derefter I og I R4. k R4 7k b: Brug nu ORCAD til at verificere resultaterne..) Find vha. ORCAD simulering samtlige knudepunktsspændinger i dette kredsløb. Find tillige alle strømme i modstandene, og de effekter, der afsættes i dem. dc.k A 6.8k dc ælg A/D,.3) Beregn knudepunktsspændingerne. A 5k Angiv hvilken vej, strømmen løber i de forskellige modstande. Begrund!!!!! 5dc 5k dc R4 3 7dc Opladning / afladning af kondensatorer: Af: alle Thorø Udskr. 87 Side af 33

2 Der findes flere måder hvorpå man kan simulere op / afladning af kondensatorer. De gennemgås her::.) Givet flg. kredsløb: Uc U c er et navn, Netalias der er sat på en ledning for at navngive ledningen, eller knudepunktet. Findes for oven til højre. dc 4.7u Der ønskes tegnet graf for kondensatorens opladning ( spændingen i punktet Uc ) Når kredsløbet er tegnet, sættes fx en voltagemarker på et sted på knudepunktet Uc. I opsætningen af simuleringen vælges Transient ( time domain ). Der vælges en runtime på fx 5 gange T ½liv Der er en afkrydsningsrude kaldet noget i retningen af Skip initial transient bias point calculation. Denne markeres. Herved undlader programmet at beregne som om alle kondensatorer er opladt, ( afbrudt ) og alle spoler som kortslutninger..) Alternativ kan der indsættes en speciel komponent, der angiver en kondensators startspænding: IC= Uc Der påsættes en komponent I, ( initial Condition m. ledning ) der findes i biblioteket PSPICE/SPECIAL. Herved tvinges programmet til at lade startspændingen være = olt, eller fx 47 olt. dc u.3) Haves fx flg kredsløb:: IC= Komponenten til at definere spændingen over kondensatoren har nu ben. Kaldes IC, ( Initial Condition m. forbindelser! ) og findes ligeledes i biblioteket PSPICE/SPECIAL. dc 47u Uc Også denne kan gives en ønsket spænding. 47k Af: alle Thorø Udskr. 87 Side af 33

3 .4) Komponenten Tclose findes i biblioteket PSPICE / EAL. Den hedder SW_TCLOSE. Dobbeltklikkes der på den kan der ændres i dens onmodstand, og dens off modstand. 5dc TCLOSE =.5 U 47k Uc 47u Klik på tallet på komponenten efter lighedstegnet, og der kan angives hvilket klokkeslæt, kontakten sluttes..5) Tegn viste kredsløb: IC= TCLOSE =. U IC= er opladt til olt, C til olt. og skal med,??? De er Gigaohm. Grafen skulle gerne se således ud: Forklar! g u 4k C u g 5 s 5ms ms 5ms ms 5ms 3ms (:) (:) Time.6) Der placeres en spændingskilde, der hedder pwl. Findes i biblioteket PSPICE / SOURCE. Dette står for PeaceWice Linear oltage. Generatoren kan bringes til at frembringe en spænding, der inden for et bestemt tidsforløb ændrer spændingen fra en værdi til en anden. 4 Uc 3.6 i ønsker fx at spændingen de første sekunder skal være. Så skal spændingen stige fra til olt på sek. Spændingen skal forblive olt i en time, hvorefter den falder til Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 3 af 33

4 olt i løbet af sek. Her forbliver den så indtil der er gået. sekunder. For at indstille generatoren, dobb. klikkes der på den. Herved åbnes der et regneark med oplysninger for komponenten.. Rul helt til højre. Indtast værdierne i T, T osv. og, osv. for hhv. tiden og spændingen. ælg time domain ( transient ) simulering, og runtime =..7) Afladning af kondensator: IC= u k.8) Sæt en sw_tclose ind i serie med sw_topen dc CC TOPEN = U sw_topen/eval C u 8k.9) Afladning kondensator 3 sek. Undersøg dette kredsløb. Tager afladningen 3 sek.?? ælg komponenter, der får Uc til at falde til 3 olt i løbet af 3 sekunder! IC= u k Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 4 af 33

5 .) Sæt en sw_tclose ind i serie med sw_topen dc CC TOPEN = U sw_topen/eval C u 8k.) : Draw by hand a graph for the following circuit: : Use ORCAD to verify. In Simulation settings tjeck the Skip initial transient. Otherwise ORCAD will calculate as if the capacitor has been charged up. dc 4 47k u.) Another way is to use a virtual component, to describe an Initial Condition for a capacitor. I can be found in library / Special In ORCAD, the capacitor initial voltage can be defined by a special virtual component called I, Initial Condition connection. u IC= 47k by hand draw a graph for this circuit: The capacitor has been charged to olt. Again verify the graph with ORCAD Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 5 af 33

6 .3) Another interesting component is the switch, sw_topen and sw_tclose. They can be found in the library /EAL. Calculate the simulate period, fx by the formula for the half life. 7dc 5 sw_topen TOPEN = U4 sw_tclose TCLOSE = U3 u 47k Then simulate and draw graph!.4) Unfortunately?? the ONresistance for the switch is. Ohm, but worse, the OFFresistance is Mega Ohm. To avoid influence from the switch the following circuit can be used! Or double click the switch, to open its spreadsheet. Scroll rightwards, and find the offresistance. Change it to fx. Meg. 7dc 5 sw_topen TOPEN = U4 TCLOSE = U5 sw_tclose TCLOSE = U3 u 47k This is better for big values of resistors! Diode 3.) Diodespændingsfald. D dc DN448 3.) D3 Enkelt ensretning OFF = AMPL = 6 FREQ = DN448 Gnd Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 6 af 33

7 3.3) Brokobling. GREAZkobling?? D4 DN448 D5 DN448 OFF = AMPL = 6 FREQ = 3 D6 DN448 D7 DN448 Zenerdiode 3.4) DN75 findes i /EAL OFF = AMPL = FREQ = 4 R4 D DN75 Harmoniske signaler 4.) Opbyg et kredsløb som følgende. Der er brugt en SIN, dvs. en sinusgenerator. Den indstilles til en frekvens på hz. Dens genererede signal er olt peack. OFF er, dvs. offset i forhold til = er, signalet ligger omkring!! OFF = AMPL = FREQ = ælg Simulations Settings til Time Domain, altså tiden ud ad Xaksen. ælg fx runtime til 3 millisekunder. Dvs. at der vil fremkomme 3 hele svingninger på grafen. Sæt en voltagemarker på, så der automatisk vises en graf i PROBE. is grafen fra Probe! Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 7 af 33

8 4.) C Monter nu en ekstra SIN oven på den anden. Frekvens er den tredobbelte, og amplituden en tredjedel! Offset er stadig! is igen grafen Prøv igen med en tredje generator som vist. is graferne!!! Prøv at give en forklaring Obs! 3 skal have amplituden.!!!!! i stedet for.5 OFF = AMPL =.5 FREQ = 5 OFF = AMPL = FREQ = B A A 3 FREQ = 3 AMPL =.333 OFF = 4.3) Her er der brugt en Marker, der viser differens spænding! C 4 OFF = AMPL =.43 FREQ = 7 OFF = AMPL =. FREQ = 5 3 OFF = AMPL = FREQ = B A A FREQ = 3 AMPL =.333 OFF = RCLED ved AC Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 8 af 33

9 CRled 5.) RCled Simuler først dette kredsløb. Iagttag faseforskydningen. OFF = AMPL = FREQ = Uin Ombyt C og R. Simuler igen, Forklar! n Ladningspumpe: 6.) Opbyg dette kredsløb, og forklar funktionen.! dc D DN4 = = TD = u TR = u TF = u PW = 5u PER = m D DN4 u C u Belastnings modstand 6.) Opbyg følgende kredsløb. D D Brug en WPWL til at simulere en oscillator. DN448 DN448 Kredsløbet genererer en negativ spænding C u 3u Forklar! = = TD = TR = TF = PW =.m PER =.m Simulering af en spole, der bliver afbrudt. Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 9 af 33

10 7.) TCLOSE =. U9 Først ses på spolestrømmens opvoksning. For at se strømmen, kan der indsættes en lille modstand i ledningen, så der kan tegnes et billede af spændingen i stedet for strømmen. dc L mh Rspole 8 Alternativ kan der også anbringes en strømmarker!. 7.) Derefter ses på når transistoren går off. Strømmen bliver afbrudt, og modstanden ned gennem transistoren ( her symboliseret med en switch ) er erstattet af. L mh Rspole 8 Hvad bliver spændingen over transistoren ( )? dc U9 Zoom ind på grafen for bedre at kunne se! TOPEN =.m 7.3) Sæt nu en diode på, for at undgå at strømmen ødelægger transistoren! Hvor stor bliver nu transienten, dvs. spændingsspidsen over transistoren?? dc DN448 D L mh Rspole 8 U9 TOPEN =.m LCled Af: alle Thorø Udskr. 87 Side af 33

11 8.) Tegn følgende: TOPEN =. U dc n L uh Grafen: s 5us us 5us us 5us (:) Time Forklar grafen: 8.) Oscillationsfrekvensen kan beregnes af formlen: Special / I f = π L C Kredsløbet kan også simuleres med følgende: Der er placeret en I, der tvinger kondensatoren til at starte med olt. IC= n L uh som forstærker Af: alle Thorø Udskr. 87 Side af 33

12 9.) Calculate the gain of the following circuits. erify with ORCAD SIN OFF = AMPL = FREQ = 3 U 47k 9.) Inverting amplifier. 47k SIN OFF = AMPL = FREQ = Uin 3 U Push Pull.) Uplus Simuler med OR CAD dette push Pull kredsløb. Tjek for Cross Over!! Forklar! Uplus dc 3 dc OFF = AMPL = FREQ = Q QN Q QN97A Uminus Uminus Af: alle Thorø Udskr. 87 Side af 33

13 .) Uplus Uplus Uplus Kredsløbet skal nu laves til single supply: Uplus dc 3 dc Uminus OFF = AMPL = FREQ = 4 n R4 Q3 QN Q4 QN97A R5 K R6.3) Output kan også tages via en kondensator: Uplus Uplus Uplus dc Q3 dc 3 Uminus OFF = AMPL = FREQ = 4 n R4 QN Q4 QN97A C u R6 33.4) Der bruges nu en : Er der Cross Over?? Forklar! CC CC U Q QN CC dc OFF = AMPL = 4 FREQ = n Q QN97A C u.5) Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 3 af 33

14 Tag nu feed back fra udgangen!! Tjek for Cross Over. Forklar. CC CC OFF = AMPL = 4 FREQ = Uin n U Q QN Q QN97A C u CC dc Brokobling af højtalere:.) Et kredsløb ser således ud: Simuler det, og vis grafer: OFF = 6 AMPL = 3 FREQ = dc U CChalve R5 CChalve CChalve R4 U R6 Graferne ser fx således ud! Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 4 af 33

15 8 6 4 s.ms.ms 3.ms 4.ms 5.ms (:) (:) (R4:) Time 5 5 s.ms.ms 3.ms 4.ms 5.ms (:,R4:) (:) (:) (R4:) Time 5 5 s.ms.ms 3.ms 4.ms 5.ms (:,R4:) (:) (:) (R4:) Time Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 5 af 33

16 Bodeplot.) Lav frekvenskarakteristik for en opampkobling: U Først med single opamp ac dc 47k DB Placer en Bodeplot Marker. ælg for oven Pspice, vælg Markers, Advanced,.) U Placer nu en kondensator over. Simuler igen. Forklar!! ac dc 47k DB n Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 6 af 33

17 Grafen ser således ud. 4.3).Hz Hz KHz.MHz DB(:) Frequency Der placeres nu også en kondensator i serie med ac. Den optræder i tælleren!! dc DB U 47k n C u Grafen! 4.Hz Hz Hz.KHz KHz KHz.MHz DB(:) Frequency Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 7 af 33

18 .4) Lav Bodeplot for Inverting Opamp R4 U ac dc DB.5) C3 Placer C3. Simuler igen! n R4 U ac dc DB Det ses, at kredsløbet dæmper ved høje frekvenser. Dvs. udgangssignalet er mindre end indgangssignalet. db er lig gangs forstærkning. 5 5.Hz Hz Hz.KHz KHz KHz.MHz DB(C3:) Frequency.6) Simuler dette. Forklar!! C3 n C4 R4 U ac dc n DB Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 8 af 33

19 Bodeplottet: 5 5.Hz Hz Hz.KHz KHz KHz.MHz DB(C3:) Frequency.7) Nu bruges en Rigtig operationsforstærker. Den er ikke så hurtig, den kan ikke følge med ved høje frekvenser. Usig bruges til at overføre et signal ~ luftledning. Der er brugt en special marker, der giver to grafer, en forstærker og en fasedrejning. plus dc Usig 3 LM34 plus 4 U5A minus Usig 3 LM34 4 plus U7A minus R5 R6 ac dc Usig Usig Ug 3 Ui UA LM34 4 R4 =Aol(f)*Ui minus 3 dc Summationsforstærker Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 9 af 33

20 3.) OFF = AMPL = 5 FREQ = Uin OFF = AMPL = FREQ = Uin U Oscillator 4.) Beskriv dette kredsløb. er / 5 olt. Beregn U MAX. IC= k U Simuler kredsløbet med ORCAD. Runtime = sek, Max stepsize =.5 u 8.k 4.) Lav kredsløbet om til single supply. Se det næste kredsløb! Forklar de tog verificer ved simulering. IC= k U 5dc Double click på en. Scroll til højre, og og forandre opamp ens negative powersupply til olt som vist herunder u 6.4k 6.4k Af: alle Thorø Udskr. 87 Side af 33

21 4.3) Nu ændres den Ideelle komponent til en rigtig opamp. Brug LM34 / Analog. Denne skal have powersupply for at arbejde korrekt. Wire kan tegnes ved at placere en komponent CC fra biblioteket /CAPSYM. Den findes efter tryk på knappen I højre side. Flere ledninger kan tegnes ved blot at placere flere CCkomponenter, og fx. ved at navngive dem forskelligt. Symboler med same navn er forbundne! Highlight komponenten, og kopier den med Ctrlmove. Simuler: Bemærk luftledningen fra CC til CC. CC 5dc IC= Uc u 3 k UA 4 LM34 CC 6.4k CC 6.4k Af: alle Thorø Udskr. 87 Side af 33

22 4.4) Simuler dette kredsløb: Uminus er en CCkomponent, der har fået ændret navnet 5dc 5dc CC Uminus IC= Uc u 3 k 4 UA LM34 Uminus CC 8k PWM 5.) Forklar følgende kredsløb. Puls Width Modulation( PWM ) CC 5dc 5dc Uminus Uc IC= Uc u 3 k 4 UA LM34 Uminus CC 8k 4dc Uc Uref 3 U3 pwm Lav efterfølgende spændingen 3 om til fx. 5, 6, 7,og 8 olt, og iagttag pwm. Komparator Af: alle Thorø Udskr. 87 Side af 33

23 I á 6.) CC Simuler denne komparator, og forklar!! CC dc OFF = 6 AMPL = FREQ = Uref 3 Uref Pot U U Høj når Ugen > Uref Høj når Ugen < Uref Konstantstrømsgenerator 7.) Undersøg dette kredsløb. CC Det ser ud som om, den i ORCAD indbyggede Darlington transistor QN659 ikke virker. CC Benyt i stedet stk QN. Også til Q. Som kan godt benyttes en Meg Ohm modstand. Lav simulering med Ucc fra til 4 olt. Strømmen måles i en lille modstand! dc meg Q BC547 Q BC57 Darlington 47 Opbyg kredsløbet på fumlebræt, og mål strømmen ved forskellige forsyningsspændinger. Forklar kredsløbet!! Brug i stedet for en PWL som spændingskilde!!! SPOLER / Trafoer Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 3 af 33

24 Om transformere: Normalt opereres med vindingstallet for primærspolen (N) og sekundærspolen (N). Ikke med de tilhørende induktiviteter. Mellem primærspændingen (U) og sekundærspændingen (U) er sammenhængen: U : U = N : N Induktiviteten er proportional med kvadratet af det tilhørende vindingstal. Det gælder altså, at: L : L = N : N Dermed gives også for transformerens oversætning: U : U = ( L : L )/ Hvis L = 3.8 H og L = 56 mh fås oversætningsforholdet til: U : U = 7,54 : Ofte er der ikke perfekt kobling mellem Primær og Sekundærkredsen. For at tage højde for dette, kan Koblingsfaktoren indstilles mellem (ingen kobling) og (perfekt kobling). Koblingsfaktoren bestemmer størrelsen af transformerens modinduktiviteten M. Det gælder for koblingsfaktoren mellem to induktiviteter, L og L, at: K= M /(L. L)/ Simulering med transformere: Find en transformer, eller kort trafo, med navnet XFRM_LINEAR i biblioteket / Analog. Og en sin / Source, og opbyg følgende kredsløb: 8.) I Orcad er spoler ideelle, dvs. spolernes vindinger er uden modstand. Derfor skal der indsættes vindingsmodstande, for at strømmene ikke skal blive uendelig store. OFF = AMPL = 35 FREQ = 5 Rspole Uprimar XFRM_Linear TX Usekundar Sinusgeneratoren indstilles på 35 olt. Det er den peakværdi, der svarer til 3 olt RMS, som der er i stikkontakterne. Også Trafoen skal indstilles. Der skal indstilles, hvilken andel af det primære magnetfelt, der når sekundærviklingen, og inducerer en spænding her. ed en ideel trafo er koblingen %, eller COUPLING lig, som er default. Dobbeltklik på trafoen, for at åbne dens spreadsheet. Ruld hen og i første omgang indstilles følgende spoleværdier: Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 4 af 33

25 Grafen ser således ud! Udgangsspændingen er næsten på højde med Uin! 4 Ændring af sekundær spænding. Primærspolens selvinduktion L skal angives, fx til L = mh. L skal herefter beregnes. 4 s ms 4ms 6ms (UPRIMAR) (USEKUNDAR) Time Der ønskes fx et omsætningsforhold = U/U = :, altså = 3 olt RMS. Der gælder, L= (omsætningsforhold) gange L L mh Sekundærinduktiviteten er herefter: L= = = mh omsforhold Indstil disse værdier: Grafen ser nu således ud! Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 5 af 33

26 4 4 s ms 4ms 6ms 8ms ms (UPRIMAR) (USEKUNDAR) Time 8.) Nu udbygges med en ensretter: OFF = AMPL = 35 FREQ = 5 Uprimar. TX Usekundar D DN4 33uF ( Der bør også være en Rsekundær! Hvorfor??) 8.3) Transformer bygget med spolen L / Analog Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 6 af 33

27 D OFF = AMPL = 35 FREQ = 5 Uprimar Lprim 6H Lsek 5mH Lsek DN4 R4 K K K_Linear COUPLING = L = Lprim L = Lsek L3 = Lsek 5mH D3 DN4 Opbyg en trafo med spolen L/ Analog. De 3 spoler hedder fx L, L og L3. Omdøb L til Lprim, L til Lsek, og L3 til Lsek. Placer en koblingskomponent K_Linear / Analog. Den angiver, hvilke spoler, der skal kobles magnetisk. Dobbelklik på K_Linear, K et i firkanten. Navngiv nu som vist til højre: Grafen: 4 4 s ms 4ms 6ms 8ms ms (UPRIMAR) (R4:) Time Det virker også med de oprindelige komponentnavne, L, L og L3 Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 7 af 33

28 K K K_Linear COUPLING = L = L L = L L3 = L3 Filtre 9.) Simuler følgende kredsløb: Det er en 7 Hz Lavpassfilter,. orden, dvs. 4 db/decade Uin 33k n 33k C U Gnd Gnd 4.7n 9.) Undersøg dette filter: 33 U 33 Hz højpasfilter. orden UIN GND n C n 68 GND 9.3) Her en båndspærre filter 5 er det halve af og, og C er det halve af C3 ac dc 5n C 5n C3 3n U DB Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 8 af 33

29 9.4) Og en kombination. Et båndpassfilter. Et dobbelt Tfilter og = gange. Og = gange C og C3. Tegn Bodeplot!! 5k C n U 5k n C3 n 7.5k Uin R4 9.5) Undersøg følgende filter Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 9 af 33

30 Uin.UF C3 n U R4 P Bas 4.7n C 56n 3 C4 R6 R5 R7 R8 4 R9 8 8 Mellemtone P 5 n C5.8k.8k.8k P3 Diskant C6,8k 4,7n U Undersøgelsen kan ske ved at opdele 3, 4 og 5 i to modstande på hver 5 Kohm. Udtaget kan så flyttes!! 9.6) Her er et andet filter, hvor der er brugt single supply!! C4 8n Uin n 47k U R4 Bas C5 3 R5 Ucc/ R6 5n R7 dc Ucc/ C C3 n u 3.3k Mellemtone R8.8k 47k Diskant C6 8n C7.n 3.3k R9.8k U C8 uf Ucc/ Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 3 af 33

31 9.7) Her et kredsløb, der gør brug af en båndpasfilter til at lave en indikation af, om der eksisterer en frekvens på KHz på indgangen. Ucc Ucc ac dc Uin Uin dc Ucc n 3.9k n C n 56 her en graf over spændingen på U s udgang. C3 U C4 u 8k R4 LED i serie med R7 R5 U R6 47k R7.k 4.M.M Hz Hz.KHz KHz KHz (U:) Frequency Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 3 af 33

32 Spændingskontrolleret switch.) I Pspice / Analog findes en spændingskontrolleret switch. Den har navnet S. dc Der skal være en lille spændingsforskel ( hysterese ) On og Off modstande kan ændres ved at dobbeltklikke på komponenten, og åbne dens spread sheet. S S OFF = 5 ON = 5. Tilsvarende findes en strømstyret switch, kaldet W W s 5s s (:) (:) Time W IOFF =.ma ION = ma.) Spændingsstyret spændingsgenerator I generatorens regneark indtastes forstærkningen, ( gain ). E E Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 3 af 33

33 Grafer ser således ud! 5 s 5s s (E:3) (:) Time Strømstyret strømgenerator hedder F / Analog: F Spændingsstyret strømgenerator; G / Analog Strømstyret spændingsgenerator, H / Analog F G G H H Skylift. Uin Uin Gnd OFF = 6 AMPL = 6 FREQ = dc Uplus Uplus 3 Pot 3 LM34 R9 4 Uplus UA 3 D DN448 Pot 3 LM34 4 Uplus U5A Gnd 3 R8 3 LM34 Uplus 4 U4A D3 DN448 Af: alle Thorø Udskr. 87 Side 33 af 33