Complementi di Elettronica analogica - Esercitazione 1

BREVE INTRODUZIONE

Questa serie di appunti intende fornire delle indicazioni generali su come svolgere

correttamente i progetti di elettronica realizzati attraverso il software PSpice 9.1 (versione

gratuita per studenti, disponibile su http://www.quellidiinformatica.org/modules.php?

name=Downloads&d_op=getit&lid=222 o in alternativa su http://www.electronics-

lab.com/downloads/schematic/013/ ) e sviluppati in laboratorio durante il corso di

Elettronica Analogica tenuto dal prof. Giovanni Scarpetta.

In questa prima parte di appunti vedremo come realizzare lo schema di un filtro passa

basso (filtro passivo del primo ordine), valutandone la risposta armonica in modulo e fase,

così come visto nella prima esercitazione del corso, oltre ad introdurre i comandi di base

che PSpice mette a disposizione.

PROGETTO DI UN FILTRO PASSABASSO

Le specifiche del progetto richiedono la costruzione di un filtro passivo del primo ordine

passa basso, con guadagno a centro banda pari a ½ (= 0,5) e frequenza di taglio uguale a

10KHz (= 10000 Hz), più la valutazione della risposta armonica in modulo e fase dopo

aver effettuato la simulazione con PSpice.

Supposto che abbiate scaricato ed installato sul vostro computer la versione 9.1 del

programma, avviatelo sotto Windows seguendo il percorso Start ---> Programmi --->

PSpice Student ---> Schematics; dovrebbe apparire una schermata, chiamata

Schematics, come quella presentata in figura 1.1, dove compare una sorta di foglio

virtuale sul quale va disegnato il circuito. Figura 1.1: Schermata

iniziale di Schematics

su PSpice

Sappiamo che lo schema circuitale di base di un filtro passa basso prevede un resistore in

serie ad un condensatore; siccome il guadagno a centro banda deve essere ½ per ω=0, in

questo caso va aggiunto anche un secondo resistore, da porre in parallelo al

condensatore. Per aggiungere nuovi componenti allo schema, cliccate sul bottone Get

New Part (rappresentato da un binocolo ed evidenziato in rosso in figura 1.2), posto sulla

barra degli strumenti in alto.

Figura 1.2: Get New Part (evidenziato in rosso) e Draw Wire (evidenziato in blu)

Una volta fatto ciò, appare una piccola finestra denominata Part

Browser Basic (fig. 1.3) con una lista che comprende svariati

componenti, tra cui bipoli (resistenze, condensatori, induttori...),

generatori (di tensione, di corrente...), operatori logici (AND, OR...),

e tanti altri. Per selezionarne uno si può ricercare il nome nel campo

Part Name e/o scorrere la lista fino a trovare il componente

desiderato; scrivete R per selezionare un resistore, C per ottenere

un condensatore. Dopo averlo selezionato (nel campo Description

verrà visualizzata una piccola descrizione del componente), cliccate

su Place se volete inserirlo e aggiungerne un altro o su Place &

Figura 1.3: Part Close se volete inserirlo e chiudere la finestra; se invece volete

Browser Basic tornare indietro e chiudere la finestra, premete Close. Nei primi

due casi, scorrendo il puntatore sullo schema appare il simbolo del componente

selezionato; per posizionarlo, cliccate col tasto sinistro del mouse su un punto preciso

dello schema (potete comunque modificarne la posizione in un secondo momento

selezionandolo e trascinandolo col tasto sinistro del mouse). Per ruotare un componente

di 90 gradi (in modo da posizionarlo in verticale anziché in orizzontale e viceversa),

effettuate la combinazione di tasti Ctrl + R prima di compiere il posizionamento oppure

selezionandolo dopo averlo inserito; per cancellarlo, selezionatelo e premete il tasto Canc.

Adesso collegate i componenti tra loro servendovi del bottone Draw Wire (evidenziato in

blu in figura 1.2): il cursore prenderà le sembianze di una matita; tenendo premuto il tasto

sinistro del mouse mentre lo trascinate, tracciate le linee di collegamento.

Effettuate tutte queste operazioni fino ad ottenere uno schema circuitale come mostrato in

figura 1.4. Figura 1.4: Schema

circuitale di base del filtro

passa basso con guadagno a

centro banda di ½

Passiamo ora al calcolo dei valori di R1, R2 e C1. Essendo un circuito a tre componenti, il

rapporto tra i fasori α è pari a: α = [R2/(R1+R2)] * 1/{1+jωC[(R1*R2)/(R1+R2)]}, da cui,

v v

sapendo che in generale α = 1/1+jωRC = 1/1+j(ω/ω ), dove ω = 1/RC, si deduce che nel

v s s

caso in esame ω vale: ω = 1/C*[(R1*R2)/(R1+R2)] = 2πf . A partire da quest'equazione

s s s

si ricava la relazione che lega la frequenza di taglio (che sappiamo essere pari a 10 KHz)

ad R1, R2 e C=C1: f = 1/2πC*[(R1*R2)/(R1+R2)] = 10 KHz

s

Ponendo a sistema l'equazione trovata con l'altra ricavabile a partire dal guadagno a

centro banda (che è la parte reale di α ), ossia R2/(R1+R2) = 0.5, e scegliendo

v

R1=R2=1kΩ (per rispettare tale relazione), viene fuori che C = C1 = 0,032 μF.

Per attribuire i valori calcolati ai componenti del circuito, cliccate due volte col tasto sinistro

sull'etichetta (label) corrispondente al valore corrente; dato che R1 ed R2 hanno i valori di

default coincidenti con quelli che gli abbiamo assegnato, dovremo modificare solo

l'etichetta del valore di C1, per cui cliccate due volte su “1n” e, una volta comparso il

campo Set Attribute Value, assegnategli il valore trovato scrivendo 0.032u (state molto

attenti a mettere il punto e non la virgola, poiché nel mondo anglosassone la separazione

tra cifre intere e decimali viene fatta con il punto e il PSpice adotta questa convenzione).

Ricordate che il valore va inserito sempre senza l'unità di misura e che, se volete inserire

valori con notazione scientifica, ci sono delle lettere che inserite nel campo dei valori

3 -3 -6

vengono interpretate come potenze di 10 (le più usate sono: k = 10 ; m = 10 ; u = 10 ; n

-9

= 10 ). Se desiderate anche modificare il nome del componente, ripetete la procedura di

prima cliccando sull'etichetta opposta a quella del valore (ad esempio R1).

Prima di passare alla simulazione vera e propria, dobbiamo completare il circuito

specificando l'ingresso e l'uscita ed inserendo un generatore di tensione sinusoidale (dal

momento che ci interessa l'analisi armonica) ed una massa. Innanzitutto ritornate alla

finestra Part Browser Basic cliccando su Get New Part e rieseguite le stesse istruzioni, ma

stavolta cercando VSIN (per inserire il generatore, che dovrete collocare ai capi della parte

“scoperta” di sinistra) e AGND (che sta per analog ground e vi permette di inserire il

collegamento a massa, che va collocato sotto l'estremità bassa del condensatore).

Successivamente cliccate due volte col tasto sinistro del mouse sul generatore

sinusoidale: comparirà una finestra dove potrete fissarne i valori di funzionamento

(inizialmente vuoti). Per il nostro progetto, modificate i seguenti parametri: DC = 0; AC = 1;

VOFF = 0; VAMPL = 1; FREQ = 10k . I primi due servono ad impostare se il segnale è in

continua (DC) o in alternata (AC), mentre l'ultimo permette di inserire la frequenza di

taglio.

Adesso ci resta solo da attribuire le etichette per indicare l'ingresso, l'uscita ed il

collegamento a terra, che permetteranno al simulatore di interpretare correttamente i

segnali da tracciare: per fare ciò, cliccate due volte sulle linee per modificarne l'etichetta;

in particolare rinominate in la linea orizzontale in alto a sinistra, out quella in alto a destra

e 0 quella in basso a sinistra (che indicheranno rispettivamente ingresso, uscita e massa).

Alla fine dovreste ottenere un circuito come in figura 1.5. Figura 1.5: Circuito finale del

filtro passa basso con

guadagno a centro banda di ½

A questo punto possiamo passare alla simulazione del circuito. Andate sulla barra dei

menù e selezionate prima Analysis e poi (nel menù che compare) Setup... : apparirà una

finestra come quella illustrata in figura 1.6, chiamata appunto Analysis Setup. Per i

progetti che svilupperemo, considereremo solo due tra i bottoni in essa presenti: AC

Sweep, ossia l'analisi armonica, e Transient, ovvero l'analisi nel tempo.

Figura 1.6: Analysis Setup

Per il progetto che stiamo realizzando in quest'esercitazione, poiché ci interessa solo la

risposta in modulo e fase, useremo soltanto AC Sweep, perciò cliccate sul relativo bottone;

apparirà un'altra finestra, denominata AC Sweep and Noise Analysis e raffigurata in

figura 1.7. La finestra è composta da tre sezioni: nella

prima, AC Sweep Type, va scelto il tipo di “spazzolata” del

segnale, che può essere lineare, ad ottave o a decadi; nella

seconda, Sweep Parameters, vanno impostati i parametri

che determineranno l'andamento e la visualizzazione del

segnale, ovvero i punti totali, la frequenza iniziale e la

frequenza finale; la terza, Noise Analysis, consente di

aggiungere rumore al segnale per valutarne il

comportamento in presenza di disturbi. Per la nostra

Figura 1.7: AC Sweep and

Noise Analysis simulazione, selezionate Decade nella prima sezione,

mentre nella seconda lasciate inalterati i punti totali (Total Pts.) ed impostate la frequenza

iniziale e finale scrivendo 10 nel campo Start Freq. e 10Meg in quello End Freq.; lasciate

così com'è, invece, la sezione riguardante il rumore. Confermate il tutto cliccando su OK

(la finestra AC Sweep scomparirà), poi chiudete anche quella di Analysis Setup cliccando

su Close.

Prima di avviare la simulazione, se non l'avete ancora fatto, salvate il circuito che avete

realizzato cliccando sul bottone col dischetto nella barra degli strumenti, oppure andando

su File ---> Save o ancora premendo F11 (PSpice vi chiederà di salvare su file il circuito,

altrimenti non potrete simularlo). Per iniziarla, premete F1 oppure andate su Analysis --->

Simulate. Se tutto è andato bene e non si sono verificati errori, dovrebbe comparire una

schermata con un grafico dallo sfondo nero, come quella in figura 1.8.

Figura 1.8:

Schermata di

simulazione di

PSpice