Giáo trình Giải tích mạch trên máy tính

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 2 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 3 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. R8 3.5K R4 330 R5 100 R1 1k R6 680 R2 2K R7 5K V1 12Vdc R3 220 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 4 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. Hình 1.3 3. Chọn Create a blank project (Tạo một dự án thiết kế mới hoàn toàn)  OK. Hình 1.4 Bước 2: Lấy linh kiện – có hỗ trợ phân tích (chọn các thư viện trong thư mục PSPICE). * Một số thư viện cơ bản: (Ví dụ trong mạch điện trở có 2 linh kiện: điện trở và nguồn điện một chiều) (1) ANALOG: R, C, L (2) SOURCE: (NGUỒN TÍN HIỆU) a. VDC: Nguồn 1 chiều. b. VSIN: Nguồn tín hiệu sin. Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 5 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 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. - 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 7 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 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. Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 9 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 10 - 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 11 R8 3.5K R4 330 R5 100 R1 1k R6 680 R2 2K R7 5K V1 12Vdc 0 R3 220 Hình 1.14 – Mạch sau khi thêm GND. R8 3.5K 2.544mA 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 0 V1 12Vdc 142.6mA R3 220 2.544mA 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 12 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 13 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 14 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: 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 V2 12Vdc 0 Q1 Q2SC1815 0 R2 1k C2 10uF 0 Hình 2.1 – Mạch khuếch đại ghép trực tiếp. Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 15 - 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 16 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, 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 trí khác để dễ quan sát. Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 17 0V Q2 Q2SC1815 0 V1 FREQ = 1kHz VAMPL = 10mV VOFF = 0V 1.153V 0V R5 56k 2.053V R1 22k 0V 5.843V R6 5K R2 1k C2 10uF 0 Q1 Q2SC1815 0V V2 12Vdc 0 447.8mV R4 1.2k 0 0V C1 10uF 0 12.00V C3 220uF 0V R3 5.6k 0 Hình 2.4 – Kết quả điện áp tại các nút. Q2 Q2SC1815 7.394uA 1.099mA -1.107mA 0 V1 FREQ = 1kHz VAMPL = 10mV VOFF = 0V 0A R5 56k 3.060uA R1 22k 452.1uA R6 5K 0A R2 1k 447.8uA 0 Q1 Q2SC1815 3.060uA 444.8uA -447.8uA V2 12Vdc 1.552mA 0 R3 5.6k 1.099mA R4 1.2k 1.104mA 0 C1 10uF 0C2 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. Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 18 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) VB (Q2) p1 m1 p2 m2 p3 m3 pn 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 19 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 20 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. V_V1 0V 4V 8V 12V 16V 20V 24V V(Q2:c) V(Q2:b) 0V 5V 10V 15V (6.1380,1.6841) 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 21 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. 0V 4V V(Q2:c) V(Q2:b) + Muốn xóa đường đồ thị nào ta chọn vào tên đường đồ thị đó rồi nhấn Delete. 0V 4V V(Q2:c) V(Q2:b) - 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. Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 22 2.4. Phân tích AC SWEEP: 2.4.1 Biên tần: * Yêu cầu: Xác định ở vùng tần số nào thì biên độ ngõ ra ổn định và góc lệch pha nhỏ nhất. - Nhận xét: Thay đổi tần số ở ngõ vào và đo tín hiệu ngõ ra (biên độ), hoặc góc lệch pha. - Ta chọn vùng tần số khảo sát từ 10 Hz  1 Mega Hz. - Biên độ ngõ ra  Giá trị điện áp đo trên điện trở tải. - Chọn chế độ phân tích là: AC Sweep. * Các bước thực hiện: 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. Q1 Q2SC1815 C2 10uF R1 22k R4 1.2k 0 V2 12Vdc Q2 Q2SC1815 0 C3 220uF 0 0 V1 1Vac 0Vdc 0 C1 10uF Ngo_Ra R5 56k 0 R2 1k R6 5K R3 5.6k Hình 2.8 2. Tạo và chọn chế độ phân tích. - New Simulation Profile”   Nhập tên: Biên tần  Create. - Trong mục Analysis Type (kiểu phân tích)  Chọn AC Sweep  OK. Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 23 3. Nhập thông số phân tích: Hình 2.9 Trong đó: AC Sweep Type: Kiểu thay đổi giá trị Linear: Tuyến tính (có qui luật) Logarithmic: Logarit (biểu diễn theo dạng biểu đồ loga) Start Frequency: Giá trị bắt đầu phân tích 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. Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 24 Hình 2.10 5. Chạy phân tích  Chọn Run PSPICE  . 6. Quan sát kết quả phân tích. - Xem kết quả ở trang đồ thị. Frequency 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz V(NGO_RA) 0V 1.0V 2.0V 3.0V 4.0V (78.453K,2.8263) (100.000K,2.6722) (8.8423K,3.1359)(66.746,3.1489) 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. Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 25 * Nhận xét: - Trong vùng tần số 66.746 Hz đến 8.84233 KHz, biên độ ngõ ra gần như không đổi (ổn định). - Tại tần số 100 KHz, biên độ ngõ ra suy giảm 15% (3.14 V – 100%, 2,67V  85%). - Nếu cho phạm vi biên độ ổn định ±10% thì ta có vùng tần số mới có giới hạn trên là 78.453 kHz (3.14V – 100%, 90%  2,826V  đưa con trỏ đến tại giá trị này  biết được tần số). 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). Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 26 Hình 2.12 + Trường hợp 2: Thêm tín hiệu cần đo trên trang đồ thị. Hình 2.13 Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 27 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 Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 28 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 – tần số của tín hiệu. Q1 Q2SC1815 V1 FREQ = 1kHz VAMPL = 10mV VOFF = 0V C2 10uF R1 22k R4 1.2k 0 V2 12Vdc Q2 Q2SC1815 0 C3 220uF 0 0 0 C1 10uF Ngo_Ra R5 56k 0 R2 1k 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. Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 29 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 Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 30 4. Xác định điểm cần đo: - Đo điện áp VRtải (VR6) nên ta dùng que đo điện áp. Hình 2.16 5. Chạy phân tích  Chọn Run PSPICE  . 6. Quan sát kết quả phân tích. - Xem kết quả ở trang đồ thị. Hình 2.17 Trong đó: Trục X : Thời gian cần phần tích 4ms. (Chỉ hiển thị 3ms từ 1-4ms) Trục Y: Biên độ của tín hiệu ngõ ra. * Nhận xét: Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 31 - Tương tự kết quả của máy hiện sóng (dao động ký) ta có thể đo được biên độ đỉnh đỉnh của tín hiệu ngõ ra. - Đồng thời, ta cũng có thể xác định được tần số của tín hiệu qua việc xác định thời gian của 1 chu kỳ. (f = 1/T) * Ghi chú: - Đo biên độ đỉnh-đỉnh hay giá trị giữa 2 điểm cần đo, ta dùng bảng tọa độ để xác định. 1. Bật Toggle Cursor. 2. Di chuyển đến điểm đo đầu tiên và nhấn phím phải chuột để chọn  Quan sát dòng số 2 trong bảng tọa độ. 3. Di chuyển đến điểm thứ 2  quan sát dòng số 1 trong bảng tọa độ. 4. Quan sát dòng thứ 3. Hình 2.18 – Biên độ đỉnh đỉnh – dòng số 3. Hình 2.19 – Thời gian của 1 chu kỳ T - dòng số 3. Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 32 2.5. ĐO DẠNG SÓNG NGÕ RA ỨNG VỚI MỘT SỐ GIÁ TRỊ CỦA ĐIỆN TRỞ TẢI. * Yêu cầu: Đo và hiển thị dạng sóng ngõ ra của mạch khuếch đại ứng với 2 giá trị của điện trở tải Rtải là 5k và 10k. * Nhận xét: Chọn chế độ phân tích Time Domain (Đo dạng sóng). * Qui trình: Tương tự mục 2.5. Cần lưu ý: 1. Thế giá trị linh kiện bằng 1 biến số. Có dạng: {tên biến}. Hình 2.20 2. Khai báo thông số cho biến mới đặt. Menu Pspice  Place Optimizer Parameters  Nhấp chuột trái ra màn hình  Nhấp 2 lần chuột trái để nhập thông số. Hình 2.21 Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 33 3. Chọn chế độ phân tích và nhập thông số theo yêu cầu. Hình 2.22 * Trong đó: - General Setting: Tương tự mục 2.5 (Time Domain). - Parametric Sweep: + Start Value: Vẽ 1 đường đồ thị ứng với giá trị này. + Cộng Start Value + Increment  Vẽ 1 đường đồ thị theo giá trị sau khi cộng. + Nếu giá trị sau khi cộng > End Value thì dừng lại. VD: Start Value: 5k End Value: 10k Incement: 5k 4. Đặt đầu dò (que đo) vào điểm cần đo. 5. Thực hiện phân tích. 6. Quan sát kết quả phân tích. * Chú thích cho đồ thị: Menu Plot  Label  Time 0s 0.5ms 1.0ms 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms 3.5ms 4.0ms V(NGO_RA) -5.0V 0V 5.0V R_Tai = 5k R_Tai = 10k * Để xem thông tin của đường đồ thị ta dùng cách sau: - Di chuyển đến đường đồ thị và nhấn chuột phải  Chọn Information Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 34 PHẦN 2: PROTEUS - ISIS I. VẼ MẠCH NGUYÊN LÝ: * Yêu cầu: Mô phỏng 1 mạch đếm BCD (0-9) dùng IC 74LS90 và IC tạo xung 555. 1. Lấy linh kiện. - Linh kiện sử dụng trong mạch: 1. 555 – “555” – Analog IC (Phân loại – Category) 2. Điện trở - “RES” Generic (lý tưởng) – Resistors 3. Tụ điện – “CAP” Generic – “CAP-POL” – Capacitors 4. IC đếm 74LS90 – “74LS90” 5. Led 7 đoạn đã giải mã – “7seg” + “BCD” (Optoelectronics - Các linh kiện phát quang). * Lấy linh kiện: - Menu Library  Pick Device - Hoặc chọn biểu tượng Component Mode   Sau đó chọn P trong cửa sổ Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 35 - Trong cửa sổ linh kiện ta nhập tên linh kiện cần tìm kiếm vào ô Keywords. - Quan sát ô Result để xem kết quả tìm kiếm. - Giảm số lượng kết quả bằng cách chọn thêm cột phân loại (Category –phân loại cấp 1; Sub-Category – phân loại cấp 2; Manufacturer – nhà cung cấp – phân loại cấp 3). 2. Sắp xếp linh kiện. - Di chuyển - - Select Mode  Chọn linh kiện  Drag & Drop. - Xoay  Rotate , Mirror 3. Nối dây. - Di chuyển chuột đến chân linh kiện thì phần mềm sẽ chuyển sang chế độ nối dây. * Nối nguồn và Mass cho mạch: - Biểu tượng  - Terminal Mode - Nguồn: “Power” - Mass: “Ground” 4. Đặt thông số cho kinh kiện. - Nhấp 2 lần chuột trái vào giá trị của linh kiện hoặc ký hiệu của linh kiện (hiệu chỉnh tên và giá trị cùng 1 lúc – thay đổi 2 dòng đầu tiên của hộp thoại – Component Reference (D.1) và dòng 2 là giá trị của linh kiện. - Các dạng giá trị tương tự như Orcad. 5. Thực hiện mô phỏng mạch. RUN STEP PAUSE STOP Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 36 6. Một số công cụ hỗ trợ phân tích mạch số: * Phân loại: SIMULATOR PRIMITIVES (Các công cụ hỗ trợ mô phỏng) - CLOCK: Tạo nguồn cung clock.  Hoặc - DCLOCK: Xung clock cho mạch số  : Generator Mode  * Phân loại: DEBUGGING TOOLS (Công cụ gỡ rối) + Tạo ra mức logic “0”, “1”.  Công cụ: LOGICSTATE. + Đo mức logic.  Công cụ: LOGICPROBE. Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 37 2. ĐỌC TÀI LIỆU DATASHEET: 1. Tên (chức năng) của IC. VD: 74LS90 – Decade Counter Bộ đếm 10 (số trạng thái) 2. Mô tả ngắn gọn linh kiện. Description - 4 bit (đếm nhị phân) - 0000  1111 (16 trạng thái). - Đếm 10 trạng thái: 0000  1001 (0-9) - IC đếm chia làm 2 phần. - Divide-by-two: Mạch chia 2 (2 trạng thái)  2 trạng thái 0,1  Mạch chia tương đương 1 mạch đếm 1 bit. - Divice-by-five: Mạch chia 5 (5 trạng thái)  000 – 100 (0-4) (chỉ cần 3 bit)  Tương đương mạch đếm 3 bit. - HIGH-to-LOW: cạnh xuống  74LS90 sẽ có 2 bộ đếm độc lập: - 1 bộ đếm 2 - 1 bit (2 trạng thái) - 1 bộ đếm 5 – 3 bit (5 trạng thái)   Ta có thể nối 2 mạch đếm 2 và đếm lại với nhau thành bộ đếm 10 (0000 – 1001), 10 trạng thái, hay còn gọi là bộ đếm BCD (0-9).  Nối lại bằng cách ngõ ra bộ đếm 2 nối với ngõ vào chân cấp xung clock (CP – Clock Pulse) của bộ đếm 5. * Một số thông số kỹ thuật cần quan tâm: - Điệp áp cung cấp. - Công suất tiêu thụ. - Tần số làm việc.  Điện áp và công suất  Thiết kế bộ nguồn. 3. Sơ đồ chân (Logic Symbol) và tên chân (Pin Name). 4. Bảng trạng thái, bảng sự thật, bảng chế độ. - State Table, Truth Table, Mode Table, Functions Table (bảng chức năng).  Quan hệ của các ngõ vào ra. Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 38 3. LINH KIỆN MÔ PHỎNG: 1. Led đơn. - Từ khóa: “LED” - Phân loại: Optoelectronics (tất cả các linh kiện phát quang) - Led đơn dùng để phân tích có khả năng thay đổi trạng thái  Animated (linh kiện có khả năng chuyển động, thay đổi trạng thái) - Phân cực cho led (điện trở phân cực, điện trở hạn dòng). Rhd = (Vngõ ra của IC - Vled)/Iled = (4,6V – 1,6V)/10mA = 300 ohm - Chọn 270 hoặc 330. 2. Led 7 đoạn. - Từ khóa: “7seg” - Phân loại: Optoelectronics - Phân loại led: Anode chung và Cathode chung  Common Anode – Common Cathode - Led đã giải mã và led chưa giải mã.  Led đã giải mã thì chỉ có 4 ngõ vào ứng với 4 bit nhị phân (led dùng mã BCD).  Cách kết nối: 0001 – số 1 1000 – số 8 23 22 21 20  Led chưa giải mã (có 7 ngõ vào ứng với 7 đoạn a,b,c,d,e,f,g) + Chân chung (Anode hay Cathode). Anode Cathode Giải tích mạch trên máy tính – Trương Ngọc Anh – ĐHSPKT Trang 39 * Led 7 đoạn có hỗ trợ phương pháp quét – (7SEG MUX).  Phần thông số của led: - Trigger Time: (thời gi