Zastosowania komputerów w elektronice

1. Zastosowania komputerów w elektronice Zastosowania komputerów

2. Zastosowania komputerów • Rozrywka • Programu biurowe, graficzne • Systemy informacyjne • Internet (poczta, WWW, aplikacje sieciowe) • Bazy danych • CAM - Computer Aided Manufacturing • CAD - Computer Aided Design • ...

3. Oprogramowanie CAD w elektronice • PSPCE – komputerowa symulacja układów elektronicznych (analogowych i cyfrowych) • ORCAD – projektowanie płyt drukowanych • MATLAB – uniwersalnym środowisko integrujące algorytmy matematyki stosowanej (metody numeryczne, cyfrowe przetwarzanie sygnałów, telekomunikacja, ...) • Inne • Korzystanie z oprogramowania CAD wymaga: • dobrej znajomości zagadnień projektowania układów elektronicznych, • dobrej znajomości stosowanych przez program sposobów opisu i analizy układów elektronicznych.

4. ORCAD (Cadence) • Program do projektowania płyt drukowanych • Kilka lat temu ORCAD przejął PSPICE

5. PSPICE • SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) • SPICE 2G.6 powstał na Uniwersytecie Berkeley w 1984 roku – ostatnia wersja z kodem programu w języku FORTRAN • SPICE 3 – kod w języku C • PSPICE – nazwa handlowa wersji SPICE zgodnego ze SPICE 2G.6, produkowanego przez firmę MicroSim • Początkowo wejściem i wyjściem programu były tylko pliki tekstowe • Z czasem dodano do programu PSPICE postprocesor graficzny PROBE, który umożliwia prezentację wyników analizy w formie graficznej • Współcześnie plik danych zawierający opis obwodu i parametry analizy można przygotować w programie graficznym

6. Dostępne liniowe elementy obwodu el. • Źródła sygnałów • sinusoidalne (zespolone), • zdefiniowane w dziedzinie czasu (sinusoidalne, prostokątne, modulowane, odcinkami proste itp.) • Elementy liniowe RLC • Filtry • Linie transmisyjne • Transformatory • 4 źródła sterowane

7. Dostępne elementy elektroniczne • diody, • tranzystory bipolarne, • tranzystory unipolarne JFET i MOSFET, • tranzystory GaAsFET, • tyrystory, • transformatory nieliniowe, • wzmacniacze operacyjne, komparatory, • inne układy scalone, • makromodele różnych elementów, np. lamp elektronicznych

8. Dostępne analizy • Analiza stałoprądowa – .DC • Analiza dynamiczna liniowa – .AC • Analiza szumów – .NOISE • Analiza dynamiczna nieliniowa – .TRAN • Analiza parametryczna – .PARAM • Analiza wrażliwości – .SENS • Analizy statystyczne – .MC, .WCASE • Analiza Fouriera (FFT) – .FOUR • Optymalizacja

9. Analiza stałoprądowa – DC Sweep • Zmienną niezależną może być: • napięcie źródła napięciowego • prąd źródła prądowego • temperatura • parametr modelu elementu (np. beta tranzystora) • parametr globalny (rezystancja, stosunek rezystancji, ...) • Układ elektroniczny opisany jest układem równań nieliniowych o rzeczywistych współczynnikach • Układ równań jest rozwiązywany metodą Newtona Raphsona • Wynikiem analizy są stałe prądy i napięcia w obwodzie • Analiza może być zagnieżdżona

10. Przykład analizy stałoprądowej pomiar charakterystyk wyjściowych tranzystora • Mierzony jest prąd kolektora tranzystora Q1 • Zmienną niezależną jest napięcie kolektor emiter tranzystora • Napięcie zmienia się od 0 do 40V z krokiem 10mV • Pomiar jest wykonywany dla prądów bazy równych • 0, 50μA, 100 μA, 150 μA, 200μA, 250μA, 300μA Schemat układu do pomiaru charakterystyk tranzystora

11. Charakterystyki wyjściowe tranzystora 2N3904 i hiperbola strat 300mW

12. Analiza dynamiczna liniowa – AC • Zmienną niezależną jest częstotliwość (analiza w dziedzinie częstotliwości) • Układ elektroniczny opisany jest układem równań liniowych o zespolonych współczynnikach • Elementy nieliniowe są zastąpione małosygnałowymi liniowymi modelami • W układzie musi wystąpić co najmniej jedno źródło sygnału sinusoidalnego (prądowe lub napięciowe) • Wynikiem analizy są zespolone prądy i napięcia w obwodzie • Dostępne charakterystyki: • Amplitudowa • Fazowa • Część rzeczywista, urojona • Opóźnienie grupowe

13. Parametry analizy AC • Dla wszystkich źródeł sygnałów sinusoidalnych należy podać amplitudę i fazę (domyślna amplituda wynosi 1, faza 0) • Dla analizy należy podać • typ skali: liniowa, oktawowa, dekadowa • zakres badanych częstotliwości (początek, koniec) i gęstość punktów pomiarowych • Wynikami są zespolone napięcia i prądy, gdy wymuszenie ma wartość domyślną (amplituda 1, faza 0), to wartości napięć i prądów są wartościami funkcji przenoszenia • Analiza jest liniowa i amplituda sygnałów nie wpływa na funkcje przenoszenia, dlatego np. we wzmacniaczu o napięciu zasilania 10V amplituda napięcia wyjściowego może wynieść 100V

14. Analiza dynamiczna nieliniowa Transient (TRAN) • Zmienną niezależną jest czas (analiza w dziedzinie czasu) • Układ elektroniczny opisany jest układem równań różniczkowych (liniowych lub nieliniowych) • Rozwiązywane jest zagadnienie początkowe (układ równań różniczkowych plus warunek początkowy) • W obwodzie może wystąpić dowolna liczba źródeł sygnałów o b. różnych przebiegach (sinusoidalne, prostokątne, modulowane, odcinkami proste itp.) • Wynikiem analizy są rzeczywiste przebiegi prądów i napięć w obwodzie • Analiza stosowana do • Analizy stanów przejściowych • Analizy zniekształceń harmonicznych wzmacniaczy – dostarcza danych dla analizy FFT • Analizy generatorów • Analizy układów nieliniowych: • modulatorów i demodulatorów, • mieszaczy.

15. Analiza parametryczna • Analizy DC, AC, TRAN mogą być wykonane wielokrotnie dla różnych wartości wybranego parametru np. rezystancji, pojemności czy bety tranzystora • W wyniku analizy parametrycznej uzyskuje się rodzinę charakterystyk – po jednej charakterystyce dla jednej wartości parametru • Na podstawie obserwacji rodziny charakterystyk można określić optymalną wartość parametru projektowanego układu

16. Analiza Fouriera (FFT) • Analizie FFT można poddać wynik analizy AC i TRAN • Analizy dokonuje się w postprocesorze graficznym PROBE • Podstawowe zastosowania to analiza Fouriera przebiegów czasowych napięć i prądów (wyników analizy w dziedzinie czasu): • badanie widma sygnałów wyjściowych układów nieliniowych – mieszaczy, modulatorów i demodulatorów, • badanie zniekształceń harmonicznych wzmacniaczy, • analiza widmowa generatorów. • Analiza zniekształceń harmonicznych jest częścią analizy TRAN – wyniki w formie tekstowej są dostępne w pliku wyjściowym

17. Schemat wzmacniacza WE