BAI-GIANG-GIAI-TICH-MACH-TREN-MAY-TINH

* 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.. Mạch điện có t

GIẢI TÍCH MẠCH TRÊN MÁY TÍNH

GV: Trương Ngọc Anh anhtnspkt@gmail.com

* NỘI DUNG:

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)

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:

do ta thiết kế sơ bộ)

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

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

Bước 1: Tạo file sơ đồ nguyên lý có hỗ trợ phân tích (PSPICE)

1 File  New  Project

Hình 1.2

2 Nhập tên file (<255 ký tự), chọn chế độ có hỗ trợ phân tích (Analog or Mixed A/D), nhập đường dẫn nơi lưu file

a VDC: Nguồn 1 chiều

b VSIN: Nguồn tín hiệu sin

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

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

Bước 5: Đặt thông số cho linh kiện

* Một số nguyên tắc ghi giá trị:

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

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

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

- Ta phân tích 2 dòng lệnh sau:

Trong đó:

_ : 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

R8 3.5K

12.00V

R4 330 2.544mA 9.744V

R5

100 120.0mA

10.30V

R1 1k 1.696mA

R6

680 17.65mA

R2 2K 848.1uA

R7 5K 2.400mA

Hình 1.15 – Kết quả sau khi phân tích Bias Point (hiển thị điện áp và dòng)

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…

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

 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:

R6 5K

0

R1 22k

R5

56k V1

FREQ = 1kHz

VAMPL = 10mV

VOFF = 0V

Q2 Q2SC1815

C3 220uF

R3 5.6k

0

C1 10uF

R4 1.2k

0

R2 1k

C2 10uF

0

Hình 2.1 – Mạch khuếch đại ghép trực tiếp

- Các bước thực hiện vẽ mạch tương tự như bài 1

- Những linh kiện mới trong mạch:

- Tụ điện có cực tính: C_elect  Analog

- 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

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 < VCNhư vậy, VE < VB < VC

 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

Q2 Q2SC1815

0V

5.843V

R6 5K

R2 1k

C2 10uF

0

Q1 Q2SC1815

0

0V

C1 10uF

0 12.00V

C3 220uF

0V

R3 5.6k

452.1uA

R6 5K

0A

R2 1k

1.099mA

R4 1.2k

10uF

C3 220uF 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

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

- 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

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)

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

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

7 Một số công cụ hỗ trợ trong đồ thị:

- Toggle Cursor: Bật/Tắt bảng tọa độ

+ Chỉ quan tâm dòng số 1  khi quan sát 1 điểm

+ Quan sát bảng tọa độ tại dòng 1 theo nguyên tắc tọa độ (x,y)

VD: A1 (6.1257,1.6755) Trong đó:

V2 = 6.1257 V (nguồn cung cấp)

VC = VB = 1.6755V + Muốn xem giá trị trên đồ thị nào ta chọn vào ký tự đại diện của đường đồ thị đó

- Mark Label: Hiển thị vị trí của tọa độ

+ Có thể di chuyển giá trị hiển thị theo nguyên tắc kéo & thả + Có thể xóa bằng cách chọn (tắt con trỏ - Toggle Cursor – trước khi xóa) và Delete

1 Vẽ hoàn chỉnh mạch nguyên lý Trong trường hợp phân tích

này ta dùng nguồn tín hiệu VAC ở nguồn vào tín hiệu (tần

số thay đổi, biên độ không đổi) Trong đó: VAC – biên độ

của tín hiệu; VDC – thành phần DC của tín hiệu AC

R4 1.2k

R6 5K

R3 5.6k

Hình 2.8

2 Tạo và chọn chế độ phân tích

- New Simulation Profile”   Nhập tên: Biên tần  Create

End Frequency: Giá trị kết thúc phân tích Points/Decade: Số điểm lấy mẫu/1 decade (khoảng chia)

4 Xác định điểm cần đo:

- Đo điện áp VRtải (VR6)nên ta dùng que đo điện áp

- Đặt que đo ngay chân linh kiện hoặc đặt tên cho đường dẫn

- Để xác định chính xác tên của tín hiệu ta đặt tên cho đường tín hiệu đó

 Công cụ : Net Alias  Nhập tên  Nhấp trái chuột vào đường dẫn cần đặt tên

Hình 2.10

5 Chạy phân tích  Chọn Run PSPICE 

6 Quan sát kết quả phân tích

- Xem kết quả ở trang đồ thị

Hình 2.11

Trong đó:

Trục X : Tần số nguồn tín hiệu (10Hz – 1 Mega Hz)

Trục Y: Giá trị điện áp ngõ ra (biên độ) trên Rtải

2.4.2 Pha tần:

Đo góc lệch pha tín hiệu ngõ ra so với tín hiệu ngõ vào khi thay đổi tần số  xác định vùng tần số có góc lệch pha nhỏ nhất theo yêu cầu

* Các bước thực hiện:

- Tương tự các bước ở phân tích biên tần

- Xác định giá trị cần đo (bước 4):

+ Trường hợp 1: Đặt que đo góc pha Chọn menu Pspice  Chọn Marker  Advanced  Phase of Voltage (VP)

Hình 2.12

+ Trường hợp 2: Thêm tín hiệu cần đo trên trang đồ thị

Hình 2.13

2.4.3 Các lưu ý khi hiển thị nhiều đường đồ thị:

- Để hiển thị 2 đường đồ thị trên cùng một hệ trục có chung trục X và khác trục Y VD:

+ Đường đồ thị biên tần: có trục X là tần số, trục Y là điện áp

+ Đường đồ thị pha tần: có trục X là tần số, trục Y là góc lệch pha – độ

 Như vậy, khi hiển thị ta cần tách riêng trục Y cho từng đường đồ thị

 Thêm trục Y: Menu Plot  Add Y Axis

Hình 2.14

 Thêm đường đồ thị trên trục Y mới: Menu Trace  Add Trace…

 Kết quả:

Hình 2.15

2.5 PHÂN TÍCH TIME DOMAIN:

* Yêu cầu: Đo và hiển thị dạng sóng ngõ ra của mạch khuếch đại

- Nhận xét: Đo dạng sóng ngõ ra của mạch khuếch đại là đo VRtải (VR6) Cấp tín hiệu sin ở ngõ vào và đo dạng sóng tín hiệu ngõ ra để xác định độ ổn định của tín hiệu

- Chọn chế độ phân tích là: Time Domain (Đo dạng sóng)

* Các bước thực hiện:

1 Vẽ hoàn chỉnh mạch nguyên lý Trong trường hợp

phân tích này ta dùng nguồn tín hiệu VSIN ở

nguồn vào tín hiệu vào (tần số cố định, biên độ

thay đổi) Trong đó: VOFF – thành phần DC trong

tín hiệu sin; VAMPL – biên độ của tín hiệu; FREQ –

R4 1.2k

00

R6 5K

R3 5.6k

Hình 2.16

2 Tạo và chọn chế độ phân tích

- New Simulation Profile”   Nhập tên: Đo dạng sóng  Create

- Trong mục Analysis Type (kiểu phân tích)  Chọn Time Domain  OK

3 Nhập thông số phân tích:

Hình 2.16

Trong đó:

Run to Time: Thời gian phân tích (Tphân tích)

VD: Tphân tích = 60.003 ms : Tổng thời gian phân tích là 60,003 s.Start saving data after: Thời gian bắt đầu hiển thị tín hiệu (Tcho phép)

VD: Tcho phép = 60s : Sau 60s thì bắt đầu hiển thị

Maximum step size: Thời gian lấy mẫu (Tmẫu)

VD: Tmẫu = 0.01ms : Sau mỗi 0.01ms thì đo 1 lần

Nghĩa là trong 3ms ta đo 300 lần (3ms/0.01ms = 300 mẫu)

* Nguyên tắc:

Trong đó:

VD: ftín hiệu = 1kHz  T = 1ms Như vậy, để hiển thị rõ ràng trên màn hình ta chỉ cần 3-5 chu kỳ hình sin để quan sát  3-5 chu kỳ T  3-5 ms

T = 1/ftín hiệu (s)

Tphân tích = Tcho phép + Tcần hiển thị