M 4MEG 1N I 3MEG 1N J 1.69MEG 1.78N L 533K 5.62N D 178K 5.62N B 562K 1.78N

Transkriptio

1 Johdanto Harjoitustyön ohjeet Laboratoriotyössä harjoitellaan sähköisten piirien simulointia, ja simuloinnit tehdään työasemaympäristössä käyttäen kaupallista ohjelmistopakettia, joka sisältää piirikaavioeditorin ja piirisimulaattorin. Työt tehdään kahden hengen ryhmissä, ja kullakin ryhmällä on ryhmän tunnuskirjaimen mukaan hieman erilaiset mitoitukset simuloitaville piireilleen, katso taulukosta 1 sivulla 3. Työselostukseksi palautetaan 4-sivuinen lomake (sivut 12-15), johon (pienellä käsialalla) sopii kaikkien tehtävien ratkaisut. Kukin ryhmä täyttää sivujen lomakkeet. Lomakkeisiin tulee kummankin nimet joten niitä ei palauteta kaksin kappalein! Tämä koskee myös esitehtävien tarkistusta: tarkistetaan yhdet esitehtävät per ryhmä. Tarkistustilaisuuteen voi tarpeen vaatiessa osallistua vain toinen ryhmän jäsenistä. Esitehtävien tarkastustilaisuudessa saattaa kuitenkin joutua tekemään korjauksia. Työ koostuu kolmesta osasta: a) esitehtävistä (sivut 12-13) jotka on tehtävä ennen työasemaluokkaan tuloa. Niissä muodostetaan kuva siitä mitä simuloinneista oletetaan tulevaksi ja lasketaan valmiiksi herätteiden muotoja. Työohje on syytä lukea ennen laboratorioon tuloa. b) simulointitehtävistä, jotka tehdään työasemaluokassa. Simuloinneista kirjataan muistiin muutamia oleellisia tuloksia. Sivut c) jälkitehtävistä, jossa katsotaan mitä harjoitustyöstä jäi käteen tai mieleen. Nämä tehdään laboratoriotyön lopussa ennen palautusta. Sivu 15. Lue ja täytä myös sivun 16 salassapitosopimus. Sen tekevät kummatkin ryhmän jäsenet ja se annetaan assistentille työn lopussa. Simuloitava piiri on näytetty oheisessa kuvassa. Piirille tehdään seuraavat simulaatiot: aikavaste (transienttianalyysi) askelmaiselle herätteelle, aikavaste (transienttianalyysi) sinimuotoiselle herätteelle ja taajuusvasteanalyysi (AC-analyysi) jatkuvalle sinisignaalille R uin uout C Taulukossa 1 on ryhmien komponenttiarvot. Vasemmanpuoleisen sarakkeen kirjain saadaan harjoitustyön ilmoittautumislistasta. Taulukko 1: Ryhmäkohtaiset komponenttiarvot Kirjain R [Ω] C [F] A 1MEG 1N B 562K 1.78N C 316K 3.16N D 178K 5.62N E 2MEG 1N F 1.12MEG 1.78N G 632K 3.16N H 356K 5.62N I 3MEG 1N J 1.69MEG 1.78N K 949K 3.16N L 533K 5.62N M 4MEG 1N N 2.25MEG 1.78N O 1.26MEG 3.16N P 711K 5.62N Q 5MEG 1N R 2.81MEG 1.78N S 1.58MEG 3.16N T 889K 5.62N KÄYTÄ SIIS AINA LYHENTEITÄ N, U, M, K ja MEG: N = 10-9 (nano) U = 10-6 (mikro) M = 10-3 (milli) K = 10 3 (kilo) MEG = 10 6 (mega) Lisäksi: Käytä pistettä pilkun asemesta (esim. ei 5,62N vaan 5.62N). Älä myöskään jätä väliä numeroarvon ja lyhenteen välille. 3 2

2 MENTOR GRAPHICSIN KÄYTTÖÖNOTTO Mentor Graphicsin ohjelmistopakettia käytetään Oulun yliopistossa moniin eri harjoitustöihin useilla eri asetuksilla, jotka ovat osin toisiaan poissulkevia. Jotta löydettäisiin tarvittavat kirjastot ja vältyttäisiin erinäisiltä ongelmilta, tätä työtä varten on määritelty uudestaan Mentorin ohjelmakutsut siten, että ne samalla asettavat oikeat hakupolut. Kaikki työssä tarvittavat tiedostot löytyvät hakemistosta /elsoft1/mentor/tech/sapi. Tee näin: Aukaise tekstieditorilla (esim. dtpad) oma.cshrc -tiedostosi eli kirjoita Terminal-ikkunassa: dtpad.cshrc& Lisää sanatarkasti.cshrc tiedostoosi oman polkumärittelysi rivin set path = ($path $HOME/bin) jälkeen: set path = (/elsoft1/mentor/tech/sapi/bin $path) Talleta.cshrc-tiedosto (Pulldown)>File>Save 1 ja suorita se terminaalissa komennolla. source.cshrc ja huomaa, että tämän istunnon aikana muutokset vaikuttavat vain siinä Terminalikkunassa, jossa kirjoitit source-komennon. Ensimmäisen istunnon aikana Mentorin ohjelmat eivät siis käynnisty muista ikkunoista, jollei niissäkin anneta e.m source-komentoa. Tee kotihakemistoosi alihakemisto mentor/sapi mkdir mentor cd mentor mkdir sapi cd sapi 1. Pulldown-valikko: työalueen yläpuolella on tavanomainen valikko, josta löytyy useita alivalikkoja (File, Edit,...) PIIRIKAAVION PIIRTO-OHJEET Käynnistä piirikaavioeditori komennolla sapi_da & Aloita piirikaavion piirto Pulldown-valikosta File>Open>Sheet ja kirjoita siihen nimeksi /home/oma_tunnus/mentor/sapi/rcpiiri Poimi nyt (Pulldown)>Libraries>SpiceLib -valikosta saatavasta SpiceLibpanelista komponentit Portin, Portout, Resistor, Capacitor ja Ground ja johdota niistä haluttu RC-piiri. Käytä piirikaavion piirtoon apuna sivuja 6-7. Muuta komponenttien arvot oikeiksi (taulukko 1) ja komponenttien nimiin osanumerot juokseviksi (R1 ja C1). Kiinnitä erityisesti huomiota, mihin kohtaan tulee arvo (instpar, esim 1.26MEG), mihin nimi (inst, esim. R1). Muuta myös tuloja lähtöporttien portin ja portout nimiksi uin ja uout. Kun piirikaavio on piirretty, se tarkistetaan komennolla (Pulldown)>Check>Sheet Huom! Jos tarkastus-raportti näyttää virheitä tai varoituksia, on jotain pielessä. Piirikaavio talletetaan komennolla (Pulldown)>File>Save Sheet instpar (laita tähän oma ryhmäkoht. arvo taulukosta 1) (LÄHTÖPORTTI) portout Kuva R1 1.26MEG (TULOPORTTI) portin uin uout inst resistor capacitor ground C1 3.16N instpar (ryhmäkoht.) käytä pistettä tarvittaessa, EI PILKKUA!!!

3 MENTOR GRAPHICSIN KÄYTTÖLIITTYMÄ SUN-työasemissa on kolminappinen hiiri, jonka nappeja puhutellaan jatkossa LMB=vasen (left), MMB=keskimm. (middle) ja RMB=oikea (right). MG:n ohjelmissa käskyt voidaan antaa hyvin monella eri tavalla. Eri tapoja ovat Pulldown-valikko: työalueen yläpuolella on tavanomainen valikko, josta löytyy useita alivalikkoja (File, Edit,...) Panelivalikko: Työalueen oikealla puolella on ohjelman tilan mukaan päivittyvä paneli, josta todennäköisimmät funktiot saa suoraan Työalueella piirtäminen ja valitseminen tehdään vasemmalla hiiren napilla (LMB), mutta oikealla hiiren (RMB) napilla saadaan popup-valikko, josta löytyy tarpeellinen määrä alivalikoita. Mentor Graphicsin ohjelmissa on myös graafinen käskytulkki, joka toimii siten, että työalueella painetaan keskimmäinen hiiren nappi (MMB) pohjaan ja piirretään sillä jokin yksinkertainen kuvio (stroke). Piirtämällä kysymysmerkin saa esille luettelon käytössä olevista strokeista. Stroken koko on vapaa, mutta sen muoto tulkitaan 3 x 3 ruudukon avulla. Funktionäppäimet F1-F12 on ohjelmoitu erilaisille pikafunktioille, ks. taulukko 2. Aluksi on helpointa käyttää panelista tai popup-valikosta löytyviä käskyjä. Käytännössä popup-valikolla selviää erittäin hyvin. Pulldown-valikko Työtila Popupvalikko stroke Paneli Funktionäppäinten help Kuva 2 Ohjelmiston käyttöliittymä Ohessa on muutamia piirrossa tarvittavia toimintoja: Taulukko 2: Piirikaavioeditorin toimintoja Funktio Käskyn antotapa Valinta Hiiren vasen näppäin (LMB) Unselect all eli poista valinta F2 popup-valikko Hiiren oikea näppäin (RMB) tai F4 stroke (piirrettävä komento) Hiiren keskim. näppäin (MMB) pohjassa piirron ajan Move -nappi ja MMB painettuna Johtimen piirto stroke ylhäältä alas tai F3 Komponentin kiertäminen 90 o (rotate) Valitaan komponentti. (Popup) Rotate/Flip Propertyn editoiminen eli komponentin nimen tai arvoin muuttaminen Shift-F7 editoitavan nimen tai arvon päällä tai (popup)properties>modify Copy Control-MMB painettuna tai stroke C Delete DEL-näppäin View alue stroke vas.ylhäältä oikealle alas View kaikki stroke oik.alhaalta vas. ylös Zoomaa kauemmas ja lähemmäs Kauemmas: stroke vas.alhaalta oikealle ylös Lähemmäs: stroke oik. ylhäältä vasemmalle alas Näytön keskitys kaksois-klikkaus MMB:llä keskittää näytön osoittimen osoittamaan paikkaan Symbolin sijoittaminen joko Spicelib-paletista tai peruspaletista komennolla Choose symbol Piirikaavion tarkistaminen (Pulldown)Check>Check sheet Piirikaavion tallentaminen (Pulldown)File>Save sheet 7 6

4 SIMULOINTIOHJEET (Tehtävät sivulla 14-15) Leikkaa ensin irti kaikki työselostuslomakkeet (sivut 12-15) ja tee simuloinnit käyttäen näitä ohjeita. Lomakkeita täytettään yksi kappale per ryhmä. Kun piirikaavio on piirretty, käynnistä Terminal-ikkunasta simulaattori komennolla sapi_accusim rcpiiri Simulaattori käynnistyttyä katsele hetki oikeampuoleista paneli-valikkoa. Panelin ylälaidassa on punaisella mm. kohdat DC, FREQ ja TIME, joilla valitaan suoritettavan simuloinnin tyyppi. Analyysissä tarvittavat asetukset löytyvät panelin Setup Analysis -napista. Sivulla 9 löytyy ohjeet tulosten tarkasteluun ja sivulla 10 selitetään annettaviin arvoihin liittyviä termejä. Valitse oikeanpuoleisesta panelista Add Keeps -> All Simulointien asetukset määrätään aina toiminnolla Setup analysis ja herätteet (tulosignaali) toiminnolla Add force. Simulointitehtävät 1 ja 2: (TIME MODE) Paina panelista nappia TIME. Ensimmäisellä kerralla Setup Analysis-ikkuna aukeaa automaattisesti. Nyt asetetaan simuloinnin kesto ja aika-askel, joita esitehtävissää laskettiin. Seuraavaksi määritä heräte valitsemalla hiiren vasemmalla näppäimellä ainoastaan tulosignaalin johdin ja suorittamalla panelista Add Force ja valitse ikkunassa Pulse ja sijoita tähän esitehtävissä lasketut sopivat numeeriset arvot. Simulointiherätteen muuttaminen käy antamalla tulosolmulle uusi force, joka korvaa entisen. Seuraavaksi valitse tarkasteltavat signaalit valitsemalla piirikaaviosta, eli valitse tulo- ja lähtöjohdin ja paina panelista kohtaa Trace Trace on simuloinnin aikana jatkuvasti päivittyvä oskilloskooppikuva ja se on tässä työssä kätevämpi kuin toinen graafinen esitystapa Chart, joka piirretään simuloinnin jälkeen ja joka ei päivity kun simulointi ajetaan uudestaan. Kuvaa voi zoomata lähemmäs ja kauemmas kuten piirikaavioeditorissa (ed. sivun taulukko). Simulointi käynnistyy panelikomennolla Run Nyt voidaan tarkastella simulointituloksia. Kun herätettä muutetaan pulssista siniherätteeksi, määritetään uusi heräte TIME MODE-panelista (muista valita ensin ainoastaan tulosignaalin johdin) Add Force ja valitse nyt Sin Simulointitehtävä 3: (FREQ MODE) Poista ensin mahdolliset chart/trace ikkunat. Taajuustason analyysi on nyt siis FREQ (eikä TIME MODE) ja setup analysis -parametrit annetaan AC analyysille. Taajuusvaste esitetään useimmiten ns. Boden kuvaajana, jossa taajuusakseli ja amplitudi-informaatio esitetään logaritmisena. Tälläinen kuvaaja saadaan siten, että ensin ajetaan AC-simulointi ja sitten valitaan piirikaaviosta pelkästään lähtösolmu ja annetaan komento (Pulldown)>Results>Chart>Chart Result (valitse bode ja paina ok) Tuloksien tarkastelu jokaisessa simulointitehtävissä Liukuva kursori saadaan trace/chart-ikkunassa hiiren oikean napin takaa: (Popup)>Chart>Add Cursor>Click Siirrä osoitin kuvaajaan ja klikka vasenta hiiren nappia. Tällöin pystyakselin viereen trace/chart-ikkunassa syntyy harmaa palkki jota klikattaessa vasemmalla hiiren napilla kursorin väri muuttuu vihreäksi. Tämän jälkeen kursori on liikuteltavissa vasemmalla hiiren napilla. Kursoreita voidaan ottaa käyttöön useampiakin, jolloin ensimmäisessä kursorissa lukee aikaruudun alaosassa base ja muissa kursoreissa vastaavassa kohdassa aikaväli base-kursoriin. Tämä on kätevä esim. kahden sinisignaalin välisen viiveen määrittämiseen.. u(t) u(t) Kursori T base t HUOM! Yleinen simulaattorin toimimattomuuteen johtanut temppu on herätteen (forcen) määrittäminen esim. väärään paikkaan. Tästä pääsee eroon poistamalla kaikki forcet: (Pulldown) > delete > Forces > All signals 9 8

5 LIITE 1. Herätteiden ja simulointien kuvaus piirisimulaattorissa Simulointitehtävät 1 ja 2 ovat aikatason simulointeja (transienttianalyysi). Tehtävässä 1 herätteen tyyppi on PULSE ja tehtävässä 2 SIN. Simulointitehtävässä 3 tehdään taajuustason analyysi, jolloin valitaan ensin paneelista FREQ MODE. Kuvassa 3 on simulaattorin tarvitsemia tietoja herätteestä (force) ja simulointiparametreistä (setup analysis). Kuvassa 3 tarkoittaa simulaattorissa v1 min. amplitudi = 0 initial value v2 max. amplitudi = 1 pulsed value td viive = 0 delay time tr nousuaika = 0.1τ rise time tf laskuaika= 0.1τ fall time tw pulssin leveys = 7τ pulse width tper jakso eli periodi = 14.2τ period dcval poikkeama nollakeskiarvosta = 0 offset ampl (huippu-) amplitudi magnitude f taajuus frequency Simuloinnin kuvaus (Setup Analysis) transienttianalyysi (TIME MODE) taajuustason analyysi (AC-analyysi, simulaattorissa FREQ. MODE) aika-askel = 0.01τ simuloinnin kesto pisteitä per dekadi (kun taajuus kasvaa 10-kertaiseksi) = 30 aloitustaajuus = 0.01/τ lopetustaajuus = 100/τ time step stop time points per decade start freq stop freq 10 PULSE tw v2 v1 tr tf td tper SIN ampl { dcval Kuva 3: Pulssi- ja siniheräte. 11 tw T = 1/f

6 Huom! Työselostuksia tehdään 1 kappale / ryhmä. Piiriteoria I työselostuslomake 2007 tekijät koul. ohj./ aloitusvuosi / / sotu tai opisk.nro Ryhmän nro/ kompon. kirjain / Esitehtävät (tehtävä ja tarkastettava ennen työasemaluokkaan tuloa) Käytä aina ryhmäkohtaisia komponenttiarvoja (Taulukko 1) LEIKKAA IRTI 1. Sivun 2 kuvassa on yksinkertainen RC-piiri. a ) Esitä sen askelvaste (tulosignaali uin muuttuu 0V:stä 1V:ksi ajanhetkellä t = 0) suljetussa muodossa. uout(t) = laske: b) τ = RC= s ω o =1/τ = rad/s f o = ω o /2π = Hz c) uout(1τ) = V uout(2τ) = V uout(3τ) = V uout(4τ) = V uout(5τ) = V d) aika, jolloin uout = 0.1V ja 0.9V. uout(t1) = (1-e -t1/τ ) = 0.1V -> t 1 = s uout(t2) = (1-e -t2/τ ) = 0.9V -> t 2 = s U 2. a) Esitä verkon siirtofunktio Hjω ( ) out ( jω) = , sekä sen itseisarvo ja U vaihekulma. in ( jω) H(jω) H(jω) H(jω) 12

7 b) Laske em. arvot taajuuksilla ω = 0.1/τ, ω = 1/τ ja ω = 10/τ H(jω) ω=0.1/τ ω=1/τ ω=10/τ H(jω) astetta astetta astetta 3. Simulointitehtäviä varten kirjoita seuraavat herätteiden tiedot. (Aikavakio τ on laskettu edellisellä sivulla). a) Pulssimuotoinen heräte Askeleen nousu- ja laskuaika ovat 0.1τ, pulssin leveys 7τ, pulssin periodi 14.2τ, simuloinnin kesto 14.2τ ja aika-askel on 0.01τ. LEIKKAA IRTI nousuaika ja laskuaika pulssin leveys pulssin periodi ja simuloinnin kesto aika-askel s s s s b) sinimuotoinen heräte Signaalin amplitudi on 1V, kulmataajuus ω on 10/τ ja analyysin kesto 30 jaksoa. Aika-askel on sama, kun a)-kohdassa. Simulaattori käyttää taajuuksia f = ω/2π eikä kulmataajuuksia, joten taajuudet on aina muutettava hertzeiksi! kulmataajuus taajuus simuloinnin kesto aika-askel rad/s Hz s s c) AC-analyysin heräte siten että taajuutta pyyhkäistään logaritmisesti välillä 0.01/τ /τ (muuta hertzeiksi). pisteitä per dekadi aloitustaajuus (Hz) lopetustaajuus (Hz) 30 Hz Hz 4. (Kääntöpuolelle) Miten Design Architect -piirikaavioeditorissa a) muutetaan komponentin arvoa, b) käännetään komponenttia (rotate) ja c) piirretään johdin. d) Miten simulaattorissa mitataan kahden sinisignaalin välinen viive käyttäen kursoria? 13

8 Simulointitehtävät (tehdään työasemaluokassa) Vinkki: ole aktiivinen mutta alä sählää. Valtaosa vastauksista löytyy työohjeesta. Assistentiltakin voi kysyä neuvoa. Aloita sivulta 4 (seuraa työohjeen ohjeita). Käytä simulointitehtävissä omia komponenttiarvoja ja esitehtävien vastauksia. SIMULOINTIOHJEET OVAT SIVULLA Simuloi piirin aikavaste esitehtävässä 3a määrittämällesi pulssimuotoiselle herätteelle uin. Mittaa aika, jolloin uout on 630mv ja 900mV (käytä kursoria, s. 9). 630mV: t 1 = s 900mV: t 2 = s LEIKKAA IRTI 2. Muuta heräte uin sinimuotoiseksi (taajuus 10/τ, amplitudi uin 1, dc-offset 0), simuloi 30 jakson mittainen aika (ks. esitehtävä 3b). Mittaa ja kirjoita alla olevaan taulukkoon: a) Lähtöjännitteen amplitudi uout (ks. kuva 3), kun alkutransientti on tasaantunut, b) alkutransientin kestoaika ja c) tulo- ja lähtöjännitteen välinen vaihe-ero asteina. Vaihe-ero määritellään seuravalla tavalla: tulon ja lähdön välinen viive jaettuna jakson mitalla T kertaa 360 o. Toista simulointi myös taajuuksille 1/τ sekä 0.1/τ ja kirjaa tulokset taulukkoon. HUOM! Kun taajuutta pienennetään kymmenesosaan, pitää simuloinnin lopetusaikaa kasvattaa kymmenkertaiseksi (saadaan saman verran jaksoja näkyville). ω f [Hz] T =1/f [s] 2a) 2b) 2c) etumerkki on miinus! 10/τ 1/τ 0.1/τ 14

9 3. Muuta simulointi taajuusvasteen analyysiksi (AC-analyysiksi, simulaattorissa FREQ MODE), herätteeksi Add Force->AC->Magnitude: 1, ja simuloi taajuusalue ω = 0.01/τ /τ (ks. esitehtävä 3c ja s. 9). a) Esitä simulointitulos Boden kuvaajana (sivu 9). Kirjaa taulukkoon amplitudivahvistus ja vaihe-ero eri taajuuden arvoilla. ω (rad/s) f (Hz) (kopioi ed. sivulta) Vahvistus (db) Vaihe-ero (deg) 10/τ 1/τ 0.1/τ LEIKKAA IRTI b) vertaa tehtävän 2 taulukon transienttianalyysillä saatuja amplitudi- ja vaihearvoja nyt AC-analyysillä saatuihin arvoihin (ed. teht. taulukosta 2a ja 2c). Kuinka hyvin tulokset vastasivat toisiaan? vahvistus desibeleinä lasketaan: 20*log 10 ( uout / uin ). Esim. 20*log 10 (0.7) on noin - 3dB. (rasti ruutuun) Erittäin hyvin Osittain Hyvin Huonosti c) luonnostele simuloimasi taajuusvaste: (deg) 0 o 0db (db) Amplitudi (db) Vaihe-ero (deg) - 90 o -40dB f alku f loppu f (Hz) (logariminen) Jälkitehtävät (vastaa kääntöpuolelle) 1. Miten transienttianalyysi ja taajuustason analyysi poikkeavat toisistaan? 2. Kommentteja harjoitustyöstä? 15

10 Palauta tämä työn päätteeksi. Älä niittaa sitä työselostukseen. SCHEDULE 2 CONFIDENTIALITY AGREEMENT Mentor Graphics haluaa opiskelijoiden täyttävän tämmöisen salassapitosopimuksen. Student: School: Effective Date: / 2007 University of Oulu Dept. Electrical and Information Engineering P.O. Box 4500, University of Oulu, Finland LEIKKAA IRTI Älä siis kopioi tai poista tai muuten väärinkäytä softaa tai sen dokumentointia. Kuvien tai simulointitulosten julkaisusta (jossain muussa yhteydessä) täytyy sopia erikseen. In consideration of the opportunity to utilize Mentor Graphics products licensed to School, Student acknowledges and agrees to the following: Software licensed to School (Licensed Software) is trade secret or confidential information of Mentor Graphics or its licensors. Student shall not reverse-assemble, reverse-compile, or otherwise reverse-engineer Licensed Software, in whole or in part. Student shall maintain the confidentiality of Licensed Software and shall not disclose or provide Licensed Software, documentation or any other information regarding Licensed Software to any third party. Student shall not remove any Licensed Software or documentation from the classroom or laboratory. In the event that Student wishes to publish a thesis, results of any study or any other document which refers to either Mentor Graphics and/or the Licensed Software Student shall provide a draft of such proposed publication to Mentor Graphics and obtain Mentor Graphics prior written consent. The provisions of this Confidentiality Agreement shall survive the termination of the Mentor Graphics Educational License Agreement between School and Mentor Graphics. STUDENT Nimmari tulee kohtaan By By Typed Name Date / 2007 Educational License Agreement (Rev ) Page 1 of 1 16