AWR Design Environment 2009

Transkriptio

1 1. Johdanto: AWR Design Environment 2009 Tässä harjoituksessa tutustutaan AWR (Applied Wave Research) piirisimulaattorin käyttöön, jolla voidaan käyttää mm. tasavirta-, vaihtovirta ja transienttianalyyseissä. Tässä keskitytytään ohjelman perustoimintoihin simuloimalla hyvin yksinkertaista transienttipiiriä. Harjoituksessa käydään läpi piirikaavion ja kuvaajien piirtäminen sekä muuttujien (esim. komponenttiarvot) säätäminen ilman, että simulaatio täytyy suorittaa uudestaan. Käytämme transienttisimulaattorina APLACia, joka on kehitetty ja kehitetään edelleen Aalto-yliopiston Sähkötekniikan korkeakoulun Radiotieteen ja -tekniikan laitoksella. 2. Käynnistäminen: Käynnistä AWR oletusasetuksilla (APLAC tulisi olla valittuna), jolloin ruudulle pitäisi aueta seuraavannäköinen ikkuna. Tarkista että löydät tarvittavat työkalupalkit ja ali-ikkunat Project Browser (ja sen välilehdet Project, Elements sekä Layout) ja Status Window.

2 3. Asetuksien määritteleminen: Määritellään seuraavaksi tarkoitukseen sopivat projektin sekä piirisimulaattorin asetukset. Ensin projektin asetukset: Valitse valikkopalkista Options > Project Options > Frequencies. Muutosilmiötarkastelua ei tehdä tietyillä taajuuksilla, jolloin taajuusmäärittelyt voidaan poistaa. Valitse Single Point ja Replace sekä kirjoita kenttään arvo 0 ja klikkaa Apply. Valitse sitten välilehti Global Units ja aseta kohdat kuten kuvassa alla. Klikkaa OK. Piirisimulaattorin asetukset: Valitse valikkopalkista Options > Default Circuit Options > Transient. Poista valinta Use HB Settings, jotta voidaan määritellä muokatut asetukset. Oletusasetuksilla laskenta suoritetaan vain kahdella jaksolla, jolloin muutosilmiöt jäävät epäselviksi. Arvot tulee valita käytettyjen komponenttiarvojen mukaan. Alkuarvauksen jälkeen sopivat arvot voi löytää haarukoimalla. Koska käytännön komponenttiarvot (C ja L) ovat hyvin pieniä, piiri on hyvin nopea ja värähtelytaajuudet korkeita. Tämän tehtävän kannalta sopivat arvot ovat: aloitusheki: 0 ns, lopetushetki: 100 ns ja näytteitä lasketaan 0,1 ns välein.

3 4. Uuden piirikaavion luominen: Ohjelmassa monet asiat voidaan tehdä kolmella eri tavalla, myös uusi piirikaavio voidaan luoda kolmella tavalla: Uusi piirikaavio luodaan valitsemalla joko 1) Project Browser > Circuit Schematics > New Schematic... (oik. hiiri) 2) Project > Add Schematic > New Schematic... valikkopalkista tai 3) New Schematic... työkalupalkista Annetaan sen nimeksi vaikka S, jonka jälkeen työtilaan (Workspace) pitäisi ilmestyä valkoinen pilkullinen tyhjä piirikaavio. 5. Komponenttien lisääminen piirikaavioon: Piirikaavion piirtämiseksi valitaan vasemmasta alakulmasta (Project Browserin alalaita) välilehti Elements, jolloin Project Browserin tilalle vaihtuu Element Browser, jossa on listattu ohjelman kirjastojen piirikomponentit (Circuit Elements). Tässä työssä tarvitaan keskitettyjä komponentteja (Lumped Element) ja lähteitä (Sources). Tarvittavat komponentit (yksi jokaista): - vastus (Circuit Elements > Lumped Element > Resistor > RES) - kondensaattori (Circuit Elements > Lumped Element > Capacitor > CAP) ja - kela (Circuit Elements > Lumped Element > Inductor > IND).

4 Kuva piirikaaviosta: Komponentit saa asetettua piirikaaviolle vetämällä hiirellä ensimmäinen näppäin. Kun näppäimen päästää ylös, komponentti tulee valituksi. Tämän jälkeen sen voi liikuttaa haluamaansa kohtaan hiirellä ja pyörittää hiiren oikealla näppäimellä. AWR:ssä kaikkien komponenttien jalat on numeroitu mittauksia varten. Ensimmäinen nasta korostetaan väkäsellä. AWR:stä ei löydy varsinaista transienttilähdettä, vaan askelvastetta pitää simuloida kanttiaallolla. Tähän käytetään dynaamista AC jännitelähdettä (Circuit Elements > Sources > AC > AC_V). Lisää lähde piirikaavioon samaan tapaan kuin yksittäiset komponentit. Lisää piiriin vielä maa, jotta simulaattori tietää nollapotentiaalin. Maan löydät valikkopalkista Draw > Add Ground, työkalupalkista Add Ground tai voit käyttää näppäinyhdistelmää Ctrl-G. Voit zoomata kuvaa näkymävalikon (valikkopalkin View) työkaluilla tai painamalla Home-näppäintä, jolloin näkymä sovitetaan ikkunaan.

5 6. Muuttujien määritteleminen: AWR:ään voi määritellä muuttujia, joiden arvoa voi muuttaa lennosta liukukytkimillä (Tuner-työkalu) ja samalla näkee kuinka muutos vaikuttaa simulointituloksiin. Muuttujat määritellään lisäämällä yhtälö (Equation) muotoa muuttuja = arvo joko Global Definitions ikkunaan (globaali muuttuja) tai kyseiseen piirikaavioon (paikallinen muuttuja). Valitse joko Draw > Add Equation valikkopalkista (ks. kuva vasemmalla), Add Equation työkalupalkista tai käytä näppäinyhdistelmää Ctrl-E lisätäksesi yhtälön. Lisää yhtälöt R = 1, E = 1, C = 1e-9 (1 nf) ja L = 100e-6 (100 µh). Tee muuttujista säädettäviä klikkaamalla yhtälöitä yksi kerrallaan hiiren oikealla näppäimellä ja valitsemalla pudotusvalikosta Properties. Avautuvasta ikkunasta rastita Tune (käytä säätimessä) ja Constrain (määrittele säätörajat), jolloin yhtälöt muuttuvat sinisiksi. Täytä seuraavat arvot: R E L C Upper Bound e-6 100e-9 Lower Bound 0 1 1e-9 1e-12

6 7. Lähteen määrittely: Seuraavaksi muutetaan lähde tarkoitukseen sopivaksi. Tuplaklikkaa vasemmalla näppäimellä lähteen päällä tai valitse Properties hiiren oikean näppäimen pudotusvalikosta. Tähän transienttianalyysiin sopii parhaiten pulssilähde (Signal = Pulse), jolle on määritelty vain transientit ja periodi (SpecType = Trans. Only (Period)). Määritellään periodiksi jokin aika, johon mennessä muutosilmiöt ovat varmasti tasaantuneet, esimerkiksi yksi sekunti (miljardi (1e9) nanosekuntia) kuten kuvassa alla (Period = 1e9 ns). Määritellään kanttiaalto siten, että se on negatiivisen puolijakson aikana nollassa (LO = 0 V) ja positiivisen puolijakson aikana sen arvo on aikaisemmin määritelty muuttuja E (HI = E). Pulssin jaksonaika (TW = 1e9 ns) määritellään samoilla kriteereillä kuin periodi määriteltiin aiemmin. Tarkista, että arvot ovat kuten kuvassa alla ja klikkaa OK. Aivan kuten lähteen tapauksessa, muuta myös komponenttiarvot siten, että ne käyttävät aikaisemmin määriteltyjä muuttujia. Piirikaavio on nyt valmis. Muita yleisimmin käytettyjä lähteitä: DCVS / DCCS: DC_V / DC_I: ACVS / ACCS: Tavallinen DC-jännitelähde (V) / -virtalähde (I) Dynaaminen DC-jännitelähde (V) / -virtalähde (I) Tavallinen AC-jännitelähde (V) / virtalähde (I) Lasketaan suoritetaan kaikilla kyseiselle piirikaaviolle määritellyillä taajuuksilla

7 8. Uuden kuvaajan luominen: Palaa takaisin Project Browseriin valitsemalla Project-välilehti vasemmasta alakulmasta (Element Browserin alareuna). Lisää uusi kuvaaja valitsemalla joko Project Browser > Graphs > New Graph (oik. hiiri), valikkopalkista Project > Add Graph... tai Add New Graph työkalupalkista. Valitse tyypiksi Rectangular ja nimeksi V (niinkuin voltage, jännite).

8 9. Mittauksen lisääminen kuvaajaan: Lisää juuri luomaasi kuvaajaan mittauksia valitsemalla joko Project Browser > Graphs > V > Add Measurement... (oik. hiiri), valikkopalkista Project > Add Measurement... tai Add New measurement työkalupalkista (kuvaajan tulee olla valittuna).

9 Valitse avautuvasta valikosta Nonlinear > Voltage > Vtime ja aseta Simulator: APLAC Trans. Valitse Measurement Componentiksi AC_V.V1 ja lisää mittaus kuvaajaan klikkaamalla Apply. Lisää myös muut mittaukset (katso alla oleva kuva) ja klikkaa OK. Kuten edellä, tee uusi kuvaaja virralle (tyyppi: Rectangular, nimi I) ja lisää mittaus vastuksen R1 (RES.R1) läpikulkevalle virralle (Nonlinear > Current > Itime) ja aseta Simulator: APLAC Trans. Lisää mittaus klikkaamalla Apply ja OK.

10 10. Simulointi: Voit järjestää ikkunat automaattisesti valikkopalkin Window-valikosta (ks. kuva vasemmalla). Nyt kaikki on valmista simulointia varten. Simuloinnin käynnistät valitsemalla joko Simulate > Analyze valikkopalkista, Analyze työkalupalkista tai painamalla F8-pikanäppäintä (ks. kuva oikealla). Ruudun tulisi olla allaolevan kuvan kaltainen. Kuvassa näkyy erittäin nopeasti vaimentuva värähtely. Siispä värähtelytaajuus on liian suuri määritellyille simulaattorin asetuksille. Voit muuttaa simulaattorin asetuksia ja ajaa simulaation uudestaan tai voit muuttaa komponentteja Tuner-työkalulla.

11 11. Muuttujien arvon muokkaamien liukukytkimillä: Avaa Tuner valitsemalla joko Simulate > Tuner valikkopalkista, Tuner työkalupalkista tai painamalla pikanäppäintä F9. Ruudulle avautuu ikkuna, jossa on liukukytkimet lineaarisella asteikolla jokaiselle muuttujalle, jotka on määritelty käytettäväksi Tuner-työkalussa (tässä tapauksessa määritellyt muuttujat E, R, C ja L). Voit muuttaa näitä arvoja ilman, että simulaatio täytyy suorittaa uudestaan. Voit myös muuttaa (aiemmin määriteltyjä) säätörajoja. Kasvata kapasitanssia ja induktanssia, jolloin värähtelytaajuus pienee (ks. kuva). Huomaa, ettei Tuner osaa muuttaa asteikoita ja/tai laskentarajoja automaattisesti. Asteikot päivittyvät, jos suoritat simulaation uudestaan (F8), mutta laskentarajat täytyy käydä muuttamassa manuaalisesti asetuksista (ks. kohta 12. Asetusten uudelleenmäärittäminen).

12

13 12. Asetusten uudelleenmäärittäminen: Edellisessä kuvassa arvot ovat jo niin suuret, ettei yksikään kuvaaja mahdu ikkunaan. Muuttamalla simulaattorin asetuksia (valikkopalkista Options > Default Circuit Options > Transient) sopiviksi (0, 1e6, 10) aaltomuoto tulee uudestaan näkyviin. Jos laskettavia pisteitä on liian paljon (Step on liian pieni) simulaation laskenta käy raskaammaksi, jolloin muutettaessa muuttujien arvoja Tuner-työkalulla simulaattori voi kaatua, jolloin Tuner muuttuu viereisen näköiseksi. Tällöin laskenta on järkevintä lopettaa (Stop) ja ajaa simulaatio uudestaan valitsemalla joko Simulate > Analyze valikkopalkista, Analyze työkalupalkista tai painamalla F8-pikanäppäintä. Ongelmatilanteissa ohjeistusta voi etsiä työkalupalkin Help-valikosta, josta löytyy AWR:n käyttöohje (AWRDE User Guide), pikaopas (Quick Reference) ja opas alkuun pääsemiseksi (Getting Started Guide) sekä tutoriaaleja useisiin mallikytkentöihin (Open Example).