+ - Piiriteoria I - Harjoitustyön ohjeet v out. v in (Heräte) 1. Johdanto. vin. 1. Johdanto Alkutoimet... 3

Transkriptio

1 vin (V) time Piiriteoria I - Harjoitustyön ohjeet 2009 vin vout vout(v) - time 1. Johdanto Laboratoriotyössä harjoitellaan sähköisten piirien simulointia, ja simuloinnit tehdään työasemaympäristössä käyttäen kaupallista ohjelmistopakettia (Cadence), joka sisältää piirikaavio-editorin ja piirisimulaattorin. Ilmoittautumislista julkistetaan maaliskuun loppupuolella. Esitehtävät tehdään omin päin huhtikuun aikana ja itse työ tehdään ohjatusti toukokuun alussa. Esitehtävät/harjoitustyö tehdään kahden hengen ryhmissä, ja kullakin ryhmällä on hieman erilaiset mitoitukset simuloitaville piireilleen. Työselostukseksi palautetaan 3-sivuinen vastauslomake (jaetaan myöhemmin). 1. Johdanto Alkutoimet Piirikaavion piirto (Virtuoso Schematic Editing - ikkuna) Simulointi (Cadence Analog Design Environment - ikkuna)... 7 Liite 1: Herätteiden ja simulointien kuvaus piirisimulaattorissa Työ koostuu kahdesta osasta: 1. Esitehtävistä, joissa lasketaan tunnuslukuja herätetietoja yksinkertaiselle RC-piirille. Herätetiedoilla tarkoitetaan itse harjoituksessa eri simulaatioissa käytettäviä tulojännitteen kuvauksia. Esitehtävät toteutetaan sähköisenä tenttinä, eli esitehtävät tehdään joko koti- PC:llä tai PC-työasemaluokassa. Lisätietoa esitehtävistä kerrotaan keväämmällä. 2. Simulointitehtävistä, jotka tehdään työasemaluokassa. Simuloinneista kirjataan muistiin muutamia oleellisia tuloksia. Työn lopussa vastataan pariin jälkitehtävään Simuloitava piiri on oheisessa kuvassa Piirille tehdään seuraavat simulaatiot: aikavaste (transienttianalyysi) pulssimuotoiselle herätteelle, aikavaste sinimuotoiselle herätteelle ja taajuusvasteanalyysi (AC-analyysi) jatkuvalle sinisignaalille R v in (Heräte) + - C v out (Vaste) 1 2

2 2. Alkutoimet Pari asiaa oletetaan tehdyksi ennen työasemaluokkaan tuloa: Työhön on ilmoittauduttu Esitehtävät on tehty ja ryhmällä on 3-sivuinen vastauslomake Työssä kannattaa edetä tämän ohjeen mukaan Piirikaavion piirto-ohjelman käyttöönotto (icms-ikkuna) Näyttöön ilmestyi icms- ja What s New -ikkunat. Jälkimmäisen voi sulkea. icms-ikkunasta File New Library Aikaa on runsaasti, työssä menee tyypillisesti n. 1,5 tuntia. Kukin ryhmä täyttää vain yhden vastauslomakkeen Ennen Cadencen käynnistystä Tehdään ensin oma työhakemisto Terminal-ikkunassa mkdir PT1 Ohjelmisto tarvitsee joukon tiedostoja ja ohjelmistopolkuja toimiakseen. Kopioi tarvittavat tiedostot komennoilla cp /research/ellab/public/pt1lab/*.* ~/PT1/ cp /research/ellab/public/pt1lab/.c* ~/PT1/ Siirrytään työhakemistoon ja otetaan asetukset käyttöön. cd PT1 source.cadenceenv Käynnistämme Cadencen icms Aukeaa New Library -ikkuna. oikealta alhaalta Don t need a Techfile ja kirjoita kohtaan Library Name: sapilib. Lopuksi ok. icms-ikkunasta File New Cellview Aukeaa Create New File -ikkuna. Valitaan Library-kohdasta juuri määritelty sapilib. Namekohtaan kirjoitetaan rcpiiri. Nyt aukeaa piirikaavioeditori Virtuoso Schematic Editing Lyhenteitä Piirikaavion piirrossa ja simuloinneissa käytetään numeroarvoissa seuraavanlaisia lyhenteitä Taulukko 1: lyhenne numerona Cadencessa n (nano) e-9 μ (mikro) e-6 m (milli) e-3 k (kilo) e3 M (mega) e6 Esimerkiksi luku 5, annetaan muodossa 5.62e-9. Tärkeää: käytä pistettä pilkun asemesta esim. ei 5,62e-9 vaan 5.62e

3 3. Piirikaavion piirto (Virtuoso Schematic Editing - ikkuna) 3.2. Tulo- ja lähtöportit (Pinnit) vin (tuloportti) res (vastus) vout (lähtöportti) Paina näppäintä p. Aukeaa Add pin -ikkuna. Tuloportti: Kirjoita Pin Names -kohtaan vin ja valitse Direction -kohtaan input. Tämän jälkeen siirrä hiiren osoitin Virtuoso-ikkunaan, jolloin osoittimessa on tuloportin symboli. Aseta se haluamaasi paikkaan. Lähtöportti: Kirjoita Pin Names -kohtaan vout ja valitse Direction -kohtaan output. Nyt asetetaan lähtöportin symboli Virtuoso-ikkunaan. cap (kondensaattori) Sulje Add Pin -ikkuna. gnd (maa) 3.3. Johdotus Piirikaavioeditorissa johdotustilaan päästään painamalla näppäintä w. Aseta johdotus komponenttien välille. Älä oikosulje komponenttia Vastus, kondensaattori ja maa Kun asetat komponentteja, muista jättää tilaa johtimen piirtoon (ei liian likelle toisiaan). Paina näppäintä i. Aukeaa Add Instance -ikkuna. Klikkaa Browse-nappia, jolloin aukeaa Library Browser -ikkuna (ks. kuva). Ikkunassa on kolme saraketta, joista vasemmasta valitaan kohta analoglib. Kun klikkaat kohtaa analoglib, keskimmäiseen sarakkeeseen tulee vaihtoehtoja. Keskimmäisessä sarakkeessa on valittavat komponentit cap: kondensaattori res: vastus gnd: maa Oikeanpuoleisesta sarakkeesta valitaan kohta symbol. Kun olet valinnut esim. analoglib + cap + symbol, siirrä hiiren osoitin Virtuoso-ikkunaan. Osoittimessa pitäisi olla kondensaattorin symboli joka asetetaan klikkaamalla sopivaan paikkaan. Komponenttien ensiasettelussa vastuksen voi kääntää lappeelleen oikealla hiiren napilla. Tämän voi toki tehdä myöhemmin valitsemalla vastus ja painamalla j-näppäintä. Komponentteja voi siirtää hiirellä valitsemalla ensin komponentti kerran klikkaamalla, minkä jälkeen painetaan vasen hiiren nappi pohjaan. Esc-napilla poistutaan johdotustilasta Ryhmäkohtaiset Komponenttiarvot Komponenttien arvot löytyvät 3-sivuisen vastauslomakkeen etusivulla. pelkkä vastus ja paina näppäintä q. Aukeaa Edit Object Properties -ikkuna, josta Resistance-rivillä asetetaan Value-kohtaan oma ryhmäkohtainen komponenttiarvo. Toistetaan sama kondensaattorille, eli Capacitance-riviin Value-kohtaan oma arvo Tarkista ja tallenna Virtuoso-ikkunassa valitaan Design Check and Save Jos nyt icms-ikkunan lokitiedoissa on varoituksia tai virheitä, jotain on pielessä Aukaistaan simulaattori Virtuoso-ikkunassa valitaan Tools Analog Environment Nyt aukeaa Cadence Analog Design Environment -ikkuna, ja päästään viimeinkin simuloimaan. Sulje lopuksi Library Browser ja Add Instance -ikkunat. Jos hiiren osoittimen kohdalla on edelleen komponentin symboli, paina esc-nappia. 5 6

4 4. Simulointi (Cadence Analog Design Environment - ikkuna) Pulssimuotoinen heräte Setup Stimulus Edit Analog Aukeaa uusi ikkuna, johon Editor-kohdassa valitaan Graphical ja paina ok. Nyt aukenee jälleen uusi ikkuna, jossa tehdään pulssimuotoinen heräte. Valitaan function-kohdasta pulse Kohdat johon lisätään tietoja ovat: Voltage 1, Voltage 2, Rise Time, Fall Time, Pulse Width ja Period. Nämä on selitetty liitteessä 1. kohta enabled, paina nappia Change ja ok. Tässä vaiheessa siirrytään seuraavalle sivulle (kappale 4.1.4), sinimuotoista herätettä tehdään vasta simulointitehtävässä Sinimuotoinen heräte 4.1. Aikatason simuloinnit - simulointitehtävät 1 ja 2 Tässä kohdassa kannattaa ottaa 3-sivuisen vastauslomakkeen kysymys-osio. Vastauslomakkeen etusivulla on tiedot herätteistä ja liittessä 1 sivulla 12 on koostettu joitain simulaattorin käyttämiä termejä Simuloinnin kesto Analyses Choose... Aukeaa Choosing Analyses -ikkuna, jossa Analysis kohdassa tran (transientti- eli aikatason analyysi) kirjoita simuloinnin kesto kohtaan Stop Time kohta enabled. Tämä tarkoittaa että asetus on voimassa Muuta ensin tehtävään 2 liittyvä simuloinnin kesto (kappale 4.1.1). Analyses Choose... Setup Stimulus Edit Analog Aukeaa uusi ikkuna, johon Editor-kohdassa valitaan Graphical ja paina ok. Nyt aukene ikkuna, jossa tehdään sinimuotoinen heräte. Valitaan function-kohdasta sin Kohdat johon lisätään tietoja ovat: Amplitude ja Frequency. Nämä on selitetty liitteessä 1. Paina nappia Change ja ok. Tehtävässä 2 tehdään myös pari lisäsimulointia pienemmillä herätteen taajuuksilla. Simuloinnin kestoa pitää kasvattaa, kun taajuutta pienennetään, ks. vastauslomake. Muista, että simuloinnin kesto muuttuu aikatason simulointitehtävissä. Eli tämä asetus muutetaan tehtäväkohtaisesti. 7 8

5 Ajetaan aikatason simulointi Ensin valitaan mitä signaaleja halutaan graafiseen kuvaajaan Outputs To be Plotted Tämän jälkeen klikataan porttia, jonka kuvaajaa halutaan tarkastella. Tehtävässä 1 valitaan pelkkä vout, tehtävässä 2 vin ja vout. Nyt Cadence Analog Design Environment -ikkunassa on outputs-ruudussa niiden jännitteiden nimet, jotka halutaan kuvaajana. Sitten simuloidaan: Simulation Run Nyt aukeaa kuvaaja-ikkuna Taajuustason simulointi - simulointitehtävä 3 Kun olet saanut simulointitehtävän 2 tehtyä, voit kopioida täyttämäsi taulukon taajuusarvot (Hz) tehtävän 3 taulukkoon Simuloinnin taajuusväli Analyses Choose... Aukeaa Choosing Analyses -ikkuna. Analysis kohdassa ac (taajuustason analyysi) kirjoita aloitustaajuus ja lopetustaajuus kohtiin Start ja Stop Sweep Type -kohtaan logarithmic, ja aseta Points Per Decade -kohtaan 30 (pisteitä per dekadi) Enabled ja paina ok Simulointitulosten tarkastelu aikatasossa Simuloitujen käyrien vieressä on graafisia nappeja, joista Crosshair Marker (A ja B) piirtävät eräänlaisen kursorin, jolla voi tarkastella esim. missä ajassa pulssi on noussut arvoon 0,9V (simulointitehtävä 1). Kun klikkaat vaikkapa Marker A:n kuvaajaan, kuvan alapuolella on teksti A(t,y), missä t ja y ovat aika ja jännitearvo kyseisessä kohdassa. Kun kursoreita on kaksin kappalein (Marker A ja B), voidaan tarkistaa, mikä on kahden sinimuotoisen signaalin välinen viive (Simulointitehtävä 2). Simulointitehtävässä 2 tarkastellaan sekä herätettä että vastetta. Simulaattori piirtää kuvaajat aina samalle y-akselille, mikä saattaa vaikeuttaa tulkintaa. Switch Axis mode - nappi piirtää useamman jännitekuvaajan eri akseleille. Kun olet simuloinut ja haluat tietää kahden käyrän välisen viiveen, sen voi määrittää: a) Huipusta-huippuun viiveenä, tai delete undo Crosshair Marker A Crosshair Marker B calculator Switch Axis Mode Huomaa, että Cadence Analog Design Environment -ikkunassa Analyses -ruudussa on sekä tran (aikatason analyysi) että ac. Kummatkin ovat voimassa eli Enabled. Voit joko deletoida tran-kohdan valitsemalla sen ja painamalla ikkunan oikealla sivulla olevaa delete-kuvaketta tai vaihtoehtoisesti voit tupla-klikata tran-riviä ja poistaa valinta enabled AC-Heräte Setup Stimulus Edit Analog (Graphical & ok, kuten aiemmin) Tehdään sinimuotoinen heräte, jonka taajuutta pyyhkäistään. Valitaan function-kohdasta sin, eli se on sama kun edellisessä tehtävässä Tyhjennä kohdat Amplitude ja Frequency Aseta AC magnitude-kohtaan: 1 Aseta AC phase -kohtaan 0. Paina nappia Change ja ok. b) viivenä nollan-ylitys kohdasta. Jälkimmäinen metodi (b) on paljon tarkempi, koska simulaattorin aika-askel on rajallinen; simulaattori piirtää suoran viivan laskettujen pisteiden välille. 9 10

6 Ajetaan taajuustason simulointi Tyhjennä Cadence Analog Design Environment -ikkunasta outputs-ruudusta kummatkin vin ja vout. Sitten aja simulointi: Simulation Run LIITE 1. Herätteiden ja simulointien kuvaus piirisimulaattorissa Nyt kuvaaja ei ilmesty automaattisesti simuloinnin päätyttyä. Seuraavaksi esitetään sekä amplitudi (magnitude) että vaihe (phase) taajuuden funktiona. Valitaan Resuts Direct Plot AC Magnitude & Phase Ohjelma pyytää sinua osoittamaan piirikaaviosta, että mitä signaalia piirretään. Klikkaa lähtöporttia (vout) ja paina esc. Juuri ilmestyneet kuvaajat ovat samalla y-akselilla, joten painetaan Switch axis mode-nappia. Nyt pitäisi näkyä amplitudi desibeleinä (db...) ja vaihe asteina (phase...) allekkaisina kuvaajina. Varmistetaan vielä, että taajuusakseli on logaritminen. Axes X Axis Style-kohdasta log ja paina ok AC-simulointitulosten tarkastelu Pulssimuotoinen heräte sinimuotoinen heräte (aikatason analyysi) simulaattorissa tarkoittaa Voltage 1 min. amplitudi = 0 Voltage 2 max. amplitudi = 1 Rise time (tr) nousuaika = 0.1τ Fall time (tf) laskuaika= 0.1τ Pulse width (tw) pulssin leveys = 7τ Period (tper) jakso eli periodi = 14.2τ Amplitude (huippu-) amplitudi = 1 Frequency taajuus Ei käytetä Crosshair Markereita, vaan valitaan Markers Vertical Markers Aseta kohtaan Marker locations välilyönnillä erottaen ne taajuudet, jotka kirjasit simulointitehtävän taulukkoon (Hertzeina). Paina sitten Apply-nappia ja Display Intercept Data -nappia. Nyt pitäisi aueta Results Display Window -raportointi-ikkuna, joka Numeroi äskeiset kuvaajat, eli Curve name map kertoo kumpi käppyrä on nimetty raportissa nimellä Curve1 ja kumpi Curve2 Curve table -kohdassa X value on äsken näppäillyt taajuudet ja vastaavat amplitudit desibeleinä ja vaiheet asteina ovat Curve1 - Curve2 sarakkeissa. Nämä arvot kirjataan Simulointitehtävä 3:n taulukkoon. Huom! Taulukon pienimmällä taajuudella amplitudikuvaaja antaa tuloksena millidesibelejä. Esim. -43mdB on sama kuin dB. aikatason simulointi, eli transienttianalyysi taajuustason simulointi, eli ac-analyysi simuloinnin kesto pisteitä per dekadi (kun taajuus kasvaa 10-kertaiseksi) = 30 aloitustaajuus = 0.01/τ lopetustaajuus = 100/τ simulaattorissa tran ac Stop Time Points Per Decade Start Stop Vastaa vielä jälkitehtäviin ja pyydä assaria tarkastamaan vastauslomakkeen. Kuittaus nimilistaan, kun työ on hyväksytty