Inzenjerski Alati u Elektronici

UNIVERZITET U NOVOM SADU FAKULTET TEHNIČKIH NAUKA DEPARTMAN ZA ENERGETIKU, ELEKTRONIKU, TELEKOMUNIKACIJE KATEDRA ZA ELEKTRONIKU

mr Mirjana Videnović Mišić

Milko Đurđević Dejan Krstić

INŽENJERSKI ALATI U ELEKTRONICI Protel 99SE MicroCap 7 -SKRIPTA-

NOVI SAD 2007

M.Videnović-Mišić, M. Đurđević, D.Krstić INŽENJERSKI ALATI U ELEKTRONICI

PREDGOVOR PRVOM IZDANJU Predmet Inženjerski alati u elektronici slušaju studenti Fakulteta Tehničkih Nauka u Novom Sadu, na Departmanu za energetiku, elektroniku i telekomunikacije, u 3. semestru na smeru Mikroračunarska elektronika. Predmet je koncipiran kao uvod u osnove rukovanja softverskim alatima koji se koriste za projektovanje, modeliranje, simulaciju i ispitivanje električnih kola kao i za dizajn i izradu gotovih štampanih ploča. Tokom kursa se radi u dva osnovna programska paketa namenjena tome: Protel kompanije Altium (verzija 99SE) i MicroCap kompanije Spectrum Software (verzija 7). Za savladavanje rada u ovim programskim alatima nije neophodno nikakvo prethodno poznavanje ovih alata, već samo osnove korišćenja kompjutera u Windows-ovom okruženju. Ova skripta je nastala sakupljanjem prepiski i materijala koji je korišćen na laboratorijskim vežbama školske 2006/07. i beleškama studenata, te kao takva ona predstavlja objedinjeno štivo za praćenje vežbi i polaganje ispita iz ovog predmeta. Mnoštvo slika i ilustracija bitno olakšavaju razumevanje i usvajanje izloženog gradiva. Autori se zahvaljuju svima koji ukažu na određene nedostatke ili greške prilikom štampe teksta. Sve nejasnoće i primedbe možete poslati autorima na [email protected].

U Novom Sadu, novembar 2007. Autori

2


SADRŽAJ: PREDGOVOR PRVOM IZDANJU

str. 2

1. PROTEL Uvod u programski paket Protel 99SE Vežba 1 – PIC programator (JDM interfejs) 1.1.1 Izrada električne šeme za PIC programator 1.1.2.Izrada PCB-a za PIC programator Vežba 2 – Bežični mikrofon 1.2.1. Izrada električne šeme za bežični mikrofon 1.2.2. Izrada PCB-a za bežični mikrofon

str. 4 str. 6 str. 6 str. 17 str. 22 str. 22 str. 32

1. MICROCAP 2.1. Uvod u programski paket MicroCap 7 2.2. Osnovna linearna kola sa OP 2.2.1. Invertujući pojačavač 2.2.2. Neinvertujući pojačavač 2.2.3. Jedinični pojačavač 2.2.4. Diferencijalni pojačavač 2.3. Zadaci (upotreba simulatora 7) 2.4. Analize u MicroCap 7 2.4.1. DC analiza 2.4.2. AC analiza 2.4.3. Tranzijentna analiza 2.5. Uticaji na prenosnu karakteristiku 2.5.1. Uticaj neidealnosti OP na prenosnu karakteristiku OP 2.5.2. Uticaj Voff na prenosnu karakteristiku 2.5.3. Uticaj Vos na prenosnu karakteristiku 2.5.4. Uticaj R1 (IBIAS) na prenosnu karakteristiku 2.5.5. Konfiguracija invertujućeg pojačavača sa OP 2.6. Pojačavačka kola 2.6.1. Položaj mirne radne tačke stepena sa zajedničkim emiterom 2.6.2. AC analiza stepena sa zajedničkim emiterom 2.6.3. Microcap analiza stepena sa zajedničkim emiterom 2.6.4. Microcap AC analiza stepena sa zajedničkim emiterom 2.7.Kombinacione mreže 2.7.1. Signali u digitalnim elektronskim kolima 2.7.2 Digitalni pobudni generatori (Stimulus Generators) 2.7.3. Osnovne logičke operacije

3

str. 36 str. 39 str. 40 str. 41 str. 41 str. 42 str. 43 str. 45 str. 45 str. 45 str. 46 str. 46 str. 46 str. 47 str. 50 str. 50 str. 51 str. 54 str. 54 str. 56 str. 60 str. 66 str. 68 str. 68 str. 71 str. 76


GLAVA 1. PROTEL Programski paket Protel firme Altium1 nastao je sredinom devedesetih godina XX veka kao jedan od prvih programskih paketa za dizajn i izradu štampanih pločica. Na svom početku postojanja nije imao izgled kakav danas poseduje, niti se pojavio pod imenom koji danas ima. U početku su postojala dva odvojena programa od kojih je jedan bio za izradu shema električnih kola (Schematic Editor), a drugi za prenos tih shema i izradu u tzv. PCB 2 oblik (PCB Editor). Svojom verzijom Protel firma Altium objedinjuje ta dva programa u jedan programski paket koji sada predstavlja jedinstveni alat za izradu štampanih pločica od sheme do gotove štampane pločice. Pored Protel-a pojavili su se i još uvek se pojavljuju i drugi programski alati drugih firmi koji služe istoj svrsi, međutim Protel je ostao kao jedan od, u potpunosti, zaokruženih programskih alata namenjenih projektovanju, dizajnu i izradi štampanih pločica zajedno sa svojom velikom bibliotekom elemenata koji se koriste u tom cilju i više nego funkcionalnim interfejsom za rukovanje procesom koji omogućava vrlo pregledan i brz pristup svim važnijim funkcijama u programu. Od verzije Protel 99SE koja je objavljena u nekoliko Service Pack-ova (tačnije od SP1 do SP6) do danas su se razvile još verzije Protel DXP (verzija 2004) i najnovija verzija Altium Designer 6 (verzija 2006) počev od koje Protel više ne nosi svoj stari naziv.

UVOD U PROGRAMSKI PAKET PROTEL 99SE U katalogu proizvođača ili pretragom na internetu možete pronaći data-sheet 3 svake komponente odnosno podatke o komponenti: simbol, kritični parametri komponente, kućište u koje je upakovano, dimenzije kućišta, raspored nožica na komponenti, koju funkciju obavlja svaka od tih nožica i sl. Ako imate shemu, komponente i njihov tehnički opis koji znate da protumačite, vi onda imate osnovno znanje za pravljenje uređaja, jer znate kako da povežete komponente. Međusobno povezivanje komponenti očigledno se ne može vršiti u vazduhu već nam je potreban medijum koji će to sve povezati. Kakav medijum? Čvrst, minimalne zapremine i provodan. Rezultat toga je vitroplast odnosno ploča tankog izolatora čije su obe strane prekrivene provodnim materijalom (bakrom). Šta je naš zadatak tokom učenja Protel-a? Zadatak je kako na vitroplastu (p)ostaviti provodne površine samo tamo gde mi želimo. Provodne površine predstavljaju veze između komponenti kao i njihovih footprint4-ova (lemna mesta) koji su potrebni svakoj komponenti da bi se mogla montirati na štampanu ploču. Takođe je moguće na štampanoj ploči napisati dodatne podatke o komponentama odnosno o njihovim nazivima ili vrednostima kao i o samoj shemi na ploči (šta predstavlja, autor, datum...) Da bi zaštitili štampanu ploču od daljeg procesa oksidacije kao i od fizičkih oštećenja nanosi se sloj stop-laka koji ima dodatnu ulogu da spreči razlivanje lema po štampanoj ploči i vezama. Što je štampana ploča složenija to je i broj slojeva, a samim tim i broj maski sve veći. STRUKTURA I PRINCIP RADA PROTEL-a Pod jednim krovom Design Explorer stavljeno je više manjih programa: - Schematic Library - Schematic Editor - PCB Library - PCB Editor Kako Protel funkcioniše najbolje prikazuje sledeći dijagram toka procesa realizacije projektnog zadatka koji se postavlja pred inženjera (slika i). Ne samo da su svi programi pod jednim krovom, već su i svi delovi projekta na istom mestu unutar projektne baze podataka *.ddb (Design Data Base), shema *.sch (Schematic), štampana ploča *.pcb (Printed Circle Board), biblioteka komponenti *.lib (Library), biblioteka futprintova *.lib (Library), NET lista *.net (Net List). Prednosti ovakvog načina organizacije su: - pokretanjem jednog programa na raspolaganju su svi programi koji su nam potrebni da dođemo do konačnog proizvoda, a to je štampana ploča, - svi dokumenti nastali u pojedinim fazama rada kao i alati koje koristimo u radu sa njima su na jednom mestu, 11

Više informacija možete naći na www.altium.com engl. printed circuit board – štampana pločica 3 engl. datasheet – tehnički opis (specifikacija) 4 engl. footprint – otisak štampe elementa na pločici 2

4


- čuvanjem u okviru jedne baze podataka isključena je mogućnost da se deo projekta izgubi, ako želimo da zaštitimo naš projekat od radoznalih pogleda moguće ga je zaštititi šifrom tako da su podaci dostupni samo nama ili određenoj grupi ljudi.

CRTEŽ NA PAPIRU

SHEMATSKI PRIKAZ

PCB PRIKAZ

ŠTAMPANA PLOČICA

NETLIST

SCHEMATIC EDITOR

PCB EDITOR

SCHEMATIC LIBRARY

PCB LIBRARY

Slika i. Princip rada Protel-a U cilju razumevanja programskog paketa i samog postupka kojim ćemo od početne šeme odnosno crteža na papiru doći do konačnog rezultata odnosno do izgleda naše štampane pločice, analiziraćemo i uraditi dve vežbe. U prilogu je takođe urađen i jedan projekat.

5


VEŽBA 1 - PIC programator (JDM interfejs, Jens Dyekar Madsen) Vaš prvi projektni zadatak će biti generisanje fajla za izradu štampane ploče (odnosno PCB-a - Printed Circuit Board) “programatora“ PIC mikrokontrolera (PIC - Programmable Intelligent Computer). Cilj je omogućiti programiranje najpopularnijih tipova jeftinih i moćnih integrisanih kola tipa “sve na jednom mestu”, na primer: PIC 16F84, PIC 16F627, PIC 16F628 itd (http://www.ke4nyv.com/picprojects.htm). U stvari, izrada ovakve elektronske minijature jedva da se može nazvati projektom u pravom smislu te reči jer se sastoji od svega nekoliko komponenata i ona je odabrana kao prvi primer samo zato što je teško naći jednostavniji uređaj koji ima neku korisnu primenu. Princip rada ovog programatora je sledeći: PIC mikrokontroler koji želimo isprogramirati stavimo u 18-pinsko podnožje na pločici. Pločica je serijskim portom povezana sa računarom na kome se nalazi softver namenjen za programiranje mikrokontrolera tj. pločica je isprojektovana da predstavlja interfejs između mikrokontrolera i serijskog porta računara. Nakon programiranja, mikrokontroler skinemo sa pločice programatora i stavimo u podnožje njegovog originalnog kola. 1.1.1. IZRADA ELEKTRIČNE ŠEME ZA PIC PROGRAMATOR Korak 1 – Crtanje električne šeme na papiru Kao i obično, sve počinje na brzinu nacrtanom skicom na papiru, slika 1.1. Na osnovu ove improvizovane šeme potrebno je napraviti štampanu pločicu.

Slika 1.1. Ručno nacrtana šema

Slika 1.2. Pokretanje Protela Korak 2 –Pokretanje Protela

Kliknite dva puta na ikonu na Desktopu da biste pokrenuli Protel (Design Explorer), slika 1.2. Pred vama se otvara radno okruženje Protela (za sada prazno), odnosno deo intefejsa koji je zajednički za sve delove ovog programskog paketa. Osnovni delovi radnog okruženja su: • Standardni delovi Windows aplikacija (naslovna linija, linija menija, linija sa alatima - toolbar) • Explorer • Glavni prozor (Design Window) Korak 3 – Kreiranje novog projekta Potrebno je napraviti novu bazu podataka u kojoj će biti smešteno sve što je vezano za vaš novi projekat. Odaberite File  New Design (Ukoliko nijedan projekat nije trenutno otvoren, opcija New Design ne postoji pa u tom slučaju treba kliknuti na File  New.) • U dijalog boksu koji se pojavljuje (slika 1.3), proverite da li je u polju Design Storage Type upisano: MS Access database. Ova opcija je upisana po „difoltu“ ali ako ste je u međuvremenu izmenili, obavezno je odaberite klikom na strelicu sa desne strane ovog polja. • U polju Database File Name, upišite ime novog projekta (PIC Programator). • Kliknite na taster Browse u polju Database Location i odaberite lokaciju gde će biti sačuvana vaša nova baza podataka (E(ili F):\Projekti). Korak 4 – Kreiranje novog dokumenta u Šematik Editoru Baza podataka koju ste upravo napravili je za sada prazna. Prvi dokument koji će ući u njen sastav je električna šema. Da biste je nacrtali potrebna vam je prazna radna površina i pokrenut odgovarajući program (Šematik Editor). Drugim rečima potrebno je otvoriti novi dokument u Šematik Editoru. Da biste ga otvorili odaberite: File  New  Schematic Document (slika 1.4).

6


Slika 1.3. Kreiranje novog projekta Sada se u glavnom prozoru (desna polovina ekrana) nalazi ikona koja simbolizuje novi dokument (slika 1.5). Dodelite mu novo ime (ukoliko to niste već uradili neposredno nakon otvaranja novog dokumenta): kliknite desnim tasterom miša na ikonu Sheet1.Sch  Rename  upišite “SHEMA”.

Slika 1.4. Kreiranje novog dokumenta

Slika 1.5. Preimenovanje novog dokumenta

Na kraju, kliknite dvaput na istu ikonu i pred vama će se otvoriti dokument sa praznom radnom površinom spremnom za rad, slika1.6. Kao što primećujete, sadržaj linije sa alatima i linije sa menijima su izmenjeni tj. dodati su novi meniji i alati. To se dešava svaki put kada pokrenete neki program iz Protelovog paketa (Šematik Editor, PCB Editor, Editor PCB biblioteka, Editor Šematik Biblioteka). Bitno je napomenuti da svaki od tih programa prikazuje svoje menije i alate.

Slika 1.6. Prazan Šematik dokument

Slika 1.7. Explorer

7


Radno okruženje – Explorer • Namena ovog dela radnog okruženja (slika 1.7) je da prikaže sve postojeće dokumente jedne baze podataka (*.Ddb) kao i njihov međusobni odnos i hijerarhiju. Najčešći tipovi dokumenata koje ćemo videti u Exploreru a pripadaju bazi podataka projekta su *.sch, *.pcb, *.net, *.lib... • Radi na principu Windows Explorera (u glavnom prozoru je prikazan sadržaj koji odaberete u exploreru, isto je kretanje kroz fajlove, kopiranje i sl.). • Klikom na ikonicu

u gornjem levom uglu može da se sakrije ili ponovo prikaže površina Explorera. Radno okruženje – Glavni Prozor (Design Window)

Igra višestruku ulogu: prikazuje sadržaj selektovanog foldera u Exploreru (slika 1.8), duplim klikom na dokument koji vas interesuje automatski otvara program specijalizovan za rad sa njim (slika 1.9). Glavni prozor je sada radni sto na kome možete imati gomilu otvorenih fajlova a da vam njihova organizacija i kretanje kroz njih uopšte ne predstavlja problem (za to služe tabovi ili u slučaju više otvorenih dokumenata strelice).

Slika 1.8. Prikaz sadržaja selektovanog foldera

Slika 1.9. Duplim klikom otvaramo dokument i njegov program

Radno okruženje – Kontrol panel (Browse Sch) Na slici 1.10. je prikazan Kontrol panel Šematik Editora koji: • se nalazi na kartici iza explorera. Pojavljuje se čim otvorite neki dokument odnosno neki od alata Protela. • nema jedinstven izgled već zavisi od tipa otvorenog dokumenta. • je direktna veza korisnika sa dokumentom na kojem radi. • omogućava brz pristup komponentama. U gornjem delu (Browse) je lista aktivnih biblioteka, a klikom na taster Add/Remove možemo dodavati ili brisati biblioteke sa spiska. Tasterom Browse se mogu pretraživati komponente u zadatoj biblioteci, slika 1.11. Moguće je znajući deo imena komponente, korišćenjem opcije Filter (ili Mask) i džoker znakova * (zamenjuje više simbola) i ? (zamenjuje jedan simbol) u selektovanoj biblioteci pronaći traženu komponentu (npr. AN* za lakše pronalaženje simbola za antenu). U srednjem delu su izlistane sve komponente selektovane biblioteke a ispod liste je grafički prikaz trenutno odabrane komponente. Tasterom Place komponenta se može spustiti direktno u šemu. Ako se neka komponenta želi izmeniti u toku rada selektujemo je a zatim kliknemo na taster Edit. Program se prebacuje direktno u Editor Biblioteka i postavlja komponentu u prvi plan nakon čega se unesu željene izmene. Taster Find služi za pretragu komponenti u više biblioteka zadavanjem određene lokacije, slika 1.12.

Slika 1.10. Kontrol panel

8


Slika 1.11. Pretraga komponenti opcijom Browse

Slika 1.12.Pretraga komponenti opcijom Find

Korak 5 – Učitavanje potrebnih biblioteka Ako pogledajte skicu sa početka ove vežbe, slika 1.1, videćete da su vam za crtanje šeme potrebne samo 4 različite komponente: • 9-to pinski konektor za serijsku vezu • Otpornik (2 komada) • 18-to pinsko DIP podnožje • Priključak za napajanje Da biste komponente postavili na radnu površinu potrebno je u Kontrol panelu prvo učitati biblioteke u kojima se one nalaze. U ovom slučaju to je samo jedna biblioteka Miscellaneous.lib koja se nalazi u istoimenoj bazi podataka. Njena tačna lokacija je: C(ili D):\Program Files\Design Explorer 99SE\Library\Sch\Miscellaneous Devices.ddb Ukoliko navedena biblioteka trenutno nije prisutna u spisku učitanih biblioteka, pratite sledeće korake da biste je učitali (slika 1.13): 1. Kliknite na Tab Browse Sch da biste prikazali Kontrol panel. 2. Kliknite na dugme Add/Remove. 3. U dijalog boksu koji se pojavljuje pronađite a zatim kliknite na traženu biblioteku da biste je označili (gornja polovina prozora). 4. Kliknite na dugme Add i odluku potvrdite pritiskom na OK. 5. Sadržaj biblioteke je izlistan u levoj polovini ekrana.

Slika 1.13. Učitavanje potrebne biblioteke simbola

9


Korak 6 – Postavljanje komponenata U ovom koraku je potrebno iz biblioteke uzeti odgovarajuće komponente (odosno njihove simbole) i rasporediti ih po radnoj površini. To možete uraditi na sledeće načine: • Kada komponentu pronađete na spisku u Kontrol panelu kliknite na nju da biste je označili a zatim kliknite na taster Place. Time ste omogućili njeno ”prenošenje“ do radne površine u glavnom prozoru. Svakim sledećim pritiskom na levi taster miša u šemu će biti postavljena po jedna kopija komponente. Desnim tasterom miša prekidate ovu operaciju. • Drugi način je dupli klik na komponentu i već je možete postaviti na šemu. Desnim tasterom miša prekidate operaciju. Izmene “u letu” Tasterima: Spacebar (prazan razmak), x, y i Tab, komponentu možete još u toku postavljanja da rotirate (Spacebar), preslikate kao lik u ogledalu (Flip Horizontal, “prevrni“ duž ose x – taster x, Flip Vertical, prevrni duž ose y – taster y) ili da joj izmenite atribute (oznaka, vrednost, futprint, boja itd.-Tab). Postavljanje konektora Simbol konektora serijske veze je pronađen u biblioteci simbola pod imenom DB9. Da bi na električnoj šemi imao istu orijentaciju kao i na skici, u toku postavljanja je “prevrnut” duž x- i y- ose (lik u ogledalu), slika 1.14.

Slika 1.14. Postavljanje konektora Postavljanje otpornika Od tri simbola za otpornik koji postoje u učitanoj biblioteci, odabran je tip koji ima oznaku RES2. U jednoj operaciji kopiranja postavljene su dve komponente jedna za drugom.

Slika 1.15. Postavljanje otpornika

10


Postavljanje podnožja za IC kolo U Editoru PCB biblioteka postoji futprint (odnosno otisak komponente na PCB-u) za 18-to pinska IC kola (DIP 18) ali u Editoru Biblioteka Simbola nema simbola za odgovarajuće prazno podnožje. Zato je ovde izveden mali trik da bi se izbeglo pravljenje nove komponente. Iskorišćena je činjenica da računar simbole i odgovarajuće futprinte povezuje samo preko brojeva koji su pridruženi pinu (simbol komponente) odnosno padu (fotprint komponente). To omogućava da umesto komponente sa simbolom podnožja iskoristimo bilo koju komponentu sa 18 izvoda (u ovom slučaju to je konektor sa oznakom CON18, kao što je prikazano na slici 1.16).

Slika 1.16. Postavljanje 18-to pinskog konektora Postavljanje priključka za napajanje Priključak za napajanje se postavlja na isti način kao i prethodne komponente. Kao što se vidi na slici 1.17, u ovu svrhu je iskorišćen element pod nazivom CON2.

Slika 1.17. Postavljanje priključka za napajanje Postavljanje simbola portova za napajanje Iako nisu obavezni deo šeme, portovi za napajanje se veoma često koriste zato što znatno doprinose preglednosti dokumenta. Oni označavaju međusobno udaljene tačke u kolu koje su električno povezane (na istom potencijalu). U ovom primeru to su Power Port: VCC i GND. Kada odaberete odgovarajuću ikonu u Wiring Toolbar-u, pre nego što postavite Power Port, kliknite na taster Tab na tastaturi kako biste portu dodelili ime i atribute koji određuju njegov izgled. Pri postavljanju, portove, isto kao i ostale komponente, možete rotirati pomoću tastera Space. Mi ćemo kao simbol za VCC koristiti kružić (Circle), a kao simbol za GND liniju (Bar).

11


Slika 1.18. Postavljanje simbola portova za napajanje Korak 7 – Crtanje veza Povezivanje se vrši alatom Place Wire iz palete sa alatima Wiring Tools. Kada kliknete na ovu ikonu, kursor će promeniti oblik u krstić što znači da možete početi sa “ožičavanjem“. Postavite kursor u polaznu tačku i kliknite levim tasterom miša. Time ćete započeti postavljanje jedne električne veze. Kada želite da promenite smer kretanja, ponovo kliknite na isti taster da biste “polomili“ liniju. Kada na ovaj način postavite i poslednji segment jedne veze, kliknite na desni taster da biste je prekinuli. Posle ovoga, alat za ožičavanje je i dalje aktivan tako da možete da nastavite sa povezivanjem drugih komponenata. Ako želite da prekinete proces električnog povezivanja komponenti skliknite još jednom na desni taster miša. Prilikom povezivanja komponente žicom program sam signalizira korisniku gde je „topli“ kraj pina simbola komponente odnosno gde će se povezivanjem komponente i žice napraviti električni kontakt. U tom slučaju prevlačenjem žice preko pina simbola pojavljuje se krug u centru kursora. U tom trenutku završavate postavljanje žice.

Slika 1.19. Crtanje veza U toku postavljanja veze • Ako u toku povlačenja veze pritisnete taster Delete na tastaturi, biće obrisan poslednji pravolinijski segment. • Pritiskom na taster Spacebar možete da promenite način postavljanja veze. Ima ih nekoliko i najbolje je da sami odaberete onaj koji vam odgovara.

12


Izmene na postavljenoj vezi (editovanje) Kliknite na električnu vezu da biste je označili. Na vezi će se pojaviti markeri koji označavaju početak, kraj i mesta u kojima veza menja pravac. • Kliknite na neki od njih i „odvucite“ ga na novu poziciju da bi vezi promenili oblik. • Kliknite na taster Delete na tastaturi da bi obrisali celu vezu. • Postavite kursor na slobodnu površinu pored veze i kliknite levim tasterom miša da bi uklonili markere i/ili potvrdili eventualne izmene oblika. Korak 8 – Označavanje komponenata Povezivanjem postavljenih komponenti dobićete električnu šemu, slika 1.20. Da biste na osnovu električne šeme mogli da projektujete PCB, potrebno je, još u stadijumu crtanja šeme vašeg projekta, uneti sve podatke neophodne za: • generisanje PCBa (što su futprintovi odnosno otisci komponenti na PCB-u - AXIAL0.4, RAD0.1...), • kupovinu komponenti (tip komponente ili njenu vrednost - 1kΩ, BC103, OP741,...), • preglednost šeme (redni broj tog tipa komponenti i sl. - R1, R2, C1, Q1...) Drugim rečima potrebno je definisati atribute svih komponenti. U praksi, prilikom označavanja komponenti koristi se komanda Annotate (Tools  Annotate). U ovom slučaju, kako se radi o svega 5 komponenti sve atribute unesite sami. Kliknite dvaput levim tasterom miša na neku komponentu i popunite polja: • Footprint (kućište) • Designator (oznaka sa rednim brojem) • Part Type (vrednost) Ovaj postupak ponovite za sve komponente, koristeći podatke iz tabele 1.

Slika 1.20. Menjanje atributa komponenti na gotovoj šemi Upisivanje atributa • Komponente se najčešće ne postavljaju iz originalnih biblioteka već se prethodno iskopiraju u posebnu biblioteku. U toj VAŠOJ biblioteci simbola se nalaze najčešće korišćene komponente, koje se tu pripreme za upotrebu (upišu potencijalni futprintovi komponente i njena oznaka) i tek tada koriste. Stoga te komponente već prilikom postavljanja u šemu imaju upisane obavezne atribute i preostaje vam samo da ih numerišete komandom Annotate. • PCB Editor razlikuje komponente na osnovu kućišta (Footprint) i oznake (Designator). Zbog toga upisivanje vrednosti komponente u rubriku Part Type nije obavezno. Biblioteka Designato Part Type Footprint Biblioteka Komponenta Simbol simbola r (oznaka) (vrednost) (kućište) futprinta Miscellaneous PCB Otpornik 1 RES2 R1 2K2 AXIAL0.4 Devices.lib Footprints.lib Miscellaneous PCB Otpornik 2 RES2 R2 22K AXIAL0.4 Devices.lib Footprints.lib Miscellaneous D Type Konektor DB9 K1 DB9FL Devices.lib Connectors.lib Miscellaneous PCB Podnožje CON18 IC DIP18 Devices.lib Footprints.lib Miscellaneous PCB Napajanje CON2 PWR 5V RAD0.1 Devices.lib Footprints.lib

13


Tabela 1. Korišćene komponente i njihovi atributi Smisao naziva pojedinih futprintova Pre svega, da kažemo par reči o jedinicama mere koje se koriste u Protelu. To su milimetri i mili (milsi). Šta je mil? To je skraćenica za mili inch odnosno hiljaditi deo inča. 1 inč = 1000 mil = 25,4 mm 100 mil = 2,54 mm 300 mil = 7,62 mm Zašto uopšte uvodimo nove jedinice kada nam je prirodno da računamo sve u milimetrima? Zato što je udaljenost nožica svih standardnih komponenti data u umnošcima mila a ne umnošcima milimetara.Drugim rečima udaljenost padova (lemnog mesta komponente) u futprintu komponente se izražavaju u milima. Razlog za to je sledeći. Početni razvoj integrisanih elektronskih kola se odigrao u SAD-u gde su inči, stope, milje i sl. nasleđeni sistem jedinica. U momentu kada su postavljani standardi, narodi koji koriste taj sistem jedinica su na njih imali ključni uticaj. Tipični fotprintovi se nalaze u biblioteci PCB Fooprints.lib koja se nalazi u bazi podataka Advpcb.ddb. Njena tačna lokacija je: C(iliD):\Program Files\Design Explorer 99SE\Library\Pcb\Generic Footprints\Advpcb.ddb • Opcijom File  Open otvorite Advpcb.ddb bazu podataka. Radni prostor Protela nakon otvaranja Advpcb.ddb je prikazan na slici 1.21. Otvorili smo PCB biblioteku što se može videti u nazivu Kontrol Panela aktiviranog programa (Browse PCBLIB).

Pretraga

Slika 1.21. Radna površina biblioteke futprintova U ovom slučaju Kontrol Panel prikazuje sve futprintove koji se nalaze u toj biblioteci (strelice i vertikalna skrol linija omogućavaju šetanje kroz biblioteku futprintova). Polje Mask omogućava, ukoliko znate deo naziva futprinta, upotrebom džoker znakova * (zamenjuje više simbola) i ? (zamenjuje jedan simbol) brži pronalazak željenog futprinta. Dodatne opcije koje se nalaze u Kontrol Panelu PCB biblioteke su: promena imena futprinta (Rename), uklanjanje futprinta iz biblioteke (Remove), dodavanje futprinta u biblioteku (Add), postavljanje futprinta u neki PCB dokument (Place), lokalna izmena padova futprinta (Edit i Jump) i automatsko unošenje tih izmena u trenutno otvorenom PCB dokumentu (UpdatePCB). U glavnom prozoru trenutno je prikazana selektovana komponenta, 96CON. • Futprint otpornika AXIAL0.4 Ukoliko u polje Mask upišete AXIAL0.4 (voditi računa o velikim i malim slovima u Protelu!!!) u listi komponenti će se naći samo taj futprint. Duplim klikom na naziv AXIAL0.4 se dobija slika ovog futprinta u glavnom prozoru. Ovaj futprint se najčešće koristi kao futprint otpornika. Deo naziva AXIAL pokazuje da je otpornik montiran aksijalno na štampanu ploču odnosno da je telo komponente paralelno sa pločom. Broj u nazivu nam daje do znanja da je udaljenost između lemnih tačaka (padova) 400 mil. Ako izmerite udaljenost između nožica standardnog otpornika (1/4W) primetićete da su to vrednosti udaljenosti između padova futpinta otpornika odnosno 400 mil. Standardnom otporniku takođe odgovara i AXIAL0.3 futprint ali je pri tom nožice otpornika potrebno saviti odmah nakon izlaska nožica iz tela otpornika podvrgavajući ih tako velikom mehaničkom naprezanju. Ovaj futprint otpornika koristite u slučaju da ne planirate da otpornik odlemljujete i pomerate a želite smanjiti površinu PCBa.

14


Slika 1.22.Aksijalni način montiranja otpornika

Slika 1.23. Futprint AXIAL0.4

Bitno je pomenuti da su padovi futprinta komponente nacrtani u Multilejeru (MultiLayer), sloju sive boje koji povezuje sve slojeve PCBa. Padu je moguće promeniti (slika1.25): oblik (Shape-Round, Rectangle, Octagonal), dimenzije (X- i Y-size), veličinu rupe za nožicu komponente (Hole Size, rupa je na slici prikazana kao svetlo plavi krug unutar sivog prstena), lokaciju (X-Location, Y-Location). Bitno je primetiti da je u TopOverlay sloju (žutim) nacrtan oblik komponente koja treba da se zalemi između dva pada. Ukoliko tehnologija izrade PCB-a omogući štampanje Top Overlay sloja korisniku je omogućeno da vidi gde komponenta treba da se zalemi kao i da uoči koji je prostor zauzet od strane otpornika (3D). • Futprint napajanja RAD0.1 Za razliku od aksijalnog, postoji i radijalni način postavljanja otpornika, što je ređi slučaj, ali se koristi onda kada, zbog ograničenog prostora, moramo komponente gušće spakovati na štampanu ploču.

Slika 1.24a) otpornik

b) konektor

c) futprint

U našem slučaju, ne radi se o uspravno postavljenom otporniku, slika 1.24a, već o konektoru, slika 1.24b koji po defaultu ima futprint sa oznakom RAD0.1, slika 1.24c. • Futprint 18 pinskog podnožja DIP18 Veliki broj integrisanih kola koristi futprint sa oznakom DIPx (Dual In-line Package), gde x označava broj pinova, što može biti 4, 6, 8, 14, pa i preko 40. Ono što treba znati je na koji način su raspoređeni pinovi kod komponenti u DIP kućištu.

Slika 1.24. Atributi Pad-a

Slika 1.25 Pinovi kućišta DIP18

Slika 1.26. Futprint DIP18

Na integrisanom kolu sa DIP kućištem postoji polukružni žleb koji nam pomaže da ga pravilno orijentišemo, slika 1.25. Bez obzira na broj pinova na kućištu, kada ga orijentišemo kao na slici, pin 1 je u gornjem levom uglu a ostali su raspoređeni u smeru suprotnom od kretanja kazaljke na satu (counter-clockwise). U Protelu, kod DIPx futprinta, pin 1 je obeležen pravougaonim padom, slika 1.26.

15


• Futprint serijskog konektora DB9FL Slika 1.27. prikazuje futprint za ženski serijski konektor DB9.

Slika 1.27 Futprint DB9FL

Slika 1.28. Kreiranje Net liste Korak 9 – Kreiranje Net liste

Električna šema je gotova i sada na osnovu nje treba napraviti ploču sa štampanim vezama u PCB Editoru. Prvi korak u ovom poslu je kreiranje Net liste. To je poseban tekstualni dokument koji se formira na osnovu informacija unetih prilikom crtanja šeme u Šematik Editoru. Te informacije, neophodne za generisanje PCB-a, su sledeće: • koji su futprintovi svake komponente i oznaka komponente (jer PCB Editoru ništa ne znači simbol komponente niti njena vrednost), • kako su komponente međusobno povezane. Odaberite: Design  Create Netlist Ako su u dijalog boksu koji se pojavljuje odabrane opcije kao na slici 1.28, potvrdite odluku sa OK i Net lista će se automatski pojaviti kao novi dokument u sastavu projekta. Ovo je istovremeno i poslednje što je potrebno uraditi u Šematik Editoru. Zatvorite ga da bi radni prostor bio uredniji. 1.1.2. IZRADA PCB-a ZA PIC PROGRAMATOR Korak 1- Kreiranje novog dokumenta u PCB Editoru Do sada smo se bavili crtanjem šeme PIC programatora u Šematik Editoru (SHEMA.sch). Iz tog virtuelnog (šematskog) sveta neophodno je preći u svet fizičke predstave PIC programatora tj. PCB svet. Kako u istom fajlu nije moguće imati obe predstave vašeg projekta (šematik i PCB) neophodno je otvoriti novi dokument ali sada u PCB Editoru. Da biste napravili novi PCB dokument odaberite: File  New  PCB Document.

Slika 1.29. Kreiranje novog PCB dokumenta

Slika 1.30. Preimenovanje novog dokumenta

Kao i u prethodnom slučaju, novom dokumentu dodelite neko prepoznatljivo ime (npr. PLOCICA) i zatim dva puta kliknite na ikonu da bi se u glavnom prozoru pojavila prazna radna površina. Ukoliko se PCB dokument otvorio odmah nakon pokrenute naredbe, promena njegovog imena je moguća nakon zatvaranja dokumenta (na ikonici PCB dokumenta pomoću desnog tastera na mišu i opcije Rename promenite ime željenog PCB dokumenta). Korak 2. Učitavanje potrebnih biblioteka futprintova Radna površina u PCB Editoru je prazna i spremna za unos podataka koji se nalaze u Net listi (mostu između Schematic Editora i PCB Editora). Da bi prilikom učitavanja Net liste u PCB dokument sve prošlo bez greške (All Macros Validated, odnosno da bi PCB Editor pronašao futprintove) neophodno je prije njenog učitavanja u PCB učiniti

16


dostupnim sve biblioteke u kojima se nalaze futprintovi komponenti. Drugim rečima, biblioteke od interesa se moraju naći na listi Libraries u Browse PCB prozoru (Kontrol panelu). Ukoliko ovaj uslov nije ispunjen, kliknite na taster Add/Remove i potom dodajte potrebne biblioteke (slika 1.32). U slučaju PIC programatora, korišćeni su futprintovi iz dve biblioteke: • PCB Footprints.lib (...\Pcb\GenericFootprints\Advpcb.ddb) • D Type Connectors.lib (...\Pcb\Connectors)

Slika 1.31. Prazna radna površina PCB editora

Slika 1.32. Učitavanje potrebnih biblioteka

Drugi način za učitavanje potrebnih biblioteka je komandom Design  Add/Remove Library. Korak 3 - Učitavanje Net liste Na redu je unos Net liste sa podacima bitnim za fizičku predstavu uređaja (međusobne veze između komponenti kao i njihovi futprintovi). Odaberite: Design  Load Nets. Tasterom Browse označite Net listu (SHEMA.NET) i unesite je u rubriku Netlist File.

Slika 1.33. Učitavanje Net liste Izveštaj o statusu koji se pritom pojavljuje ključan je za nastavak rada: • Ako Error kolona nije prazna: pročitajte uzrok greške, kliknite na taster Cancel, ispravite grešku na šemi i ponovite postupak (ne zaboravite da napravite novu Net listu). • Prazna Error kolona i poruka All macros validated su siguran znak da ste na dobrom putu i da možete da nastavite sa radom. Kliknite na taster Execute. Nakon učitavanja Net liste, program će po radnoj površini na samo rasporediti futprintove (odnosno otiske komponenti na PCB-u) svih komponenti koje su korišćene u šemi već će i rastegljivim linijama označiti njihove međusobne električne veze. Korak 4 – Razmeštanje komponenata i priprema za rutiranje

17


Slika u glavnom prozoru je električna šema uređaja u kojoj su simboli komponenata zamenjeni njihovim futprintovima, slika 1.35. Vaš zadatak je da ih rasporedite po površini buduće štampane ploče i da odredite pravila za njihovo povezivanje (rutiranje): Podešavanje okruženja Podesite radno okruženje, odnosno opcije kojima određujete šta će biti prikazano na ekranu i kako će se program ponašati u toku razmeštanja objekata. Izaberite opciju ToolsLibrary Options. Automatski se otvara prozor prikazan na slici 1.34. U kartici Options je moguće podesiti: • tip grida (Visible Kind=Lines, Dots), • merne jedinice u kojima vam program saopštava neke od informacija (Measurement Unit=Imperial, Metric), • minimalno pomeranje komponenti duž x- i y- ose (ComponentX, Component Y) • minimalano pomeranje kursora tokom pomeranja i menjanja objekata i provodnih linija duž x- i y-ose (Snap X, Snap Y), • selektovanje i definisanje veličine Electrical Grida omogućava postavljanje dodatne (električne) mreže koja će omogućiti električno povezivanje komponenti čiji se pinovi ne nalaze na glavnoj mreži. • Promenite vrednosti Snap X, Snap Y, ComponentX, ComponentY sa 20mila na10mila. Odaberite karticu Layers u prozoru Document Options, slika 1.34. U ovoj kartici se podešava: • vidljivost pojedinih slojeva (Signal Layers, Silkscreen, Other), • vidljivost sloja koji automatski, tokom rada, prikazuje grešku dizajniranja (DesignRuleCheck Errors), • vidljivost veza pojedinih komponenti (Connections), • vidljivost rupa na padovima i vijama. U ovoj kartici se podešava rezolucija vidljivih mreža 1 i 2 (Visible Grid1, Visible Grid 2). Promenite vrednost Visible Grid 1 sa 20mil na 100mil. Sa OK potvrdite promenu podataka.

Slika 1.34. Podešavanje opcija Razmeštanje komponenata Ne postoji neko posebno pravilo vezano za raspored osim što je potrebno paziti da se veze što manje ukrštaju. U konkretnom slučaju, konektor K1 mora da se nalazi na ivici PCB-a da bi mu se omogućio pristup. Da biste pomerili komponentu odaberite: Edit  Move Component (ili je jednostavno prevucite). U toku premeštanja, tasterima Spacebar, x i y možete komponentu da rotirate ili da je preslikate u odnosu na x ili y osu. Pravila za rutiranje Kako je uređaj veoma jednostavan i nema ograničenja u dimenzijama koje može da nametne upotreba kućišta (kutije), uradićemo ga u tehnici jednoslojne štampe sa relativno širokim bakarnim vezama (30 mil). U dijalogu: DesignRules na kartici Routing podesite sledeće opcije: • Width Constraint = 30 mil (širina električne veze na PCB-u), • Routing Layers  Top Layer = Not Used (za povezivanje komponenti se ne koristi gornji bakarni sloj već samo donji bakarni Bottom Layer sloj).

18


Postavljanje granične linije Nakon što ste razmestili komponente i podesili pravila za njihovo povezivanje definišite oblast u kojoj će Protel umesto vas pokušati povezati komponente. U KeepOutLayeru postavite graničnu liniju. Kliknite na tab u dnu ekrana da biste odabrali KeepOutLayer

.

Alatom za crtanje linija definišite površinu proizvoljnog oblika koja obuhvata sve komponente, što je vidljivo kao ljubičasta boja na slici 1.36.

Slika 1.35. Neraspoređeni futprintovi

Slika 1.36. Iscrtavanje granične linije Korak 5 - Rutiranje

Vaš projekat je sada spreman za proces generisanja električnih veza između futprintova tzv. rutiranja. Odaberite: Auto Route  All. U dijalogu koji se pojavljuje kliknite na taster Route All i sačekajte da program uradi svoj deo posla.

Slika 1.37. Rutiranje pomoću Autorutera Program uglavnom rešava problem sa 100% uspeha već u prvom pokušaju ali ako iz nekog razloga niste zadovoljni izgledom PCB-a, pokušajte ponovo. Odaberite: • Tools  Un-Route  All (uklanjanje svih pethodno postavljenih bakarnih veza) • Pomerite komponente koje su “nezgodno” postavljene • Ponovite rutiranje opcijom : Auto Route  All Korak 6 – Doterivanje izgleda PCB-a

19


Na kraju, kada budete zadovoljni rezultatom, možete da izvedete nekoliko zahvata iz „estetske hirurgije“ i da doradite sitne detalje na Trekovima (bakarnim linijama koje povezuju futprintove komponenti). U tu svrhu iskoristite komande Edit menija: • Move  Move • Move  Drag • Move  Break Track • Move  Drag Track End

Slika 1.38. Jedno od mogućih krajnjih rešenja Vaš prvi projekat je gotov. Naredni korak bi bio njegova realizacija u praksi. To podrazumeva izradu štampane ploče u domaćoj radinosti ili slanje projekta firmi koja se profesionalno bavi izradom štampanih ploča.

20


VEŽBA 2 – Bežični mikrofon Prilikom izrade PIC programatora napravili smo folder E(ili F):\Projekti u kome ćemo sačuvati sve što je vezano za naš rad u Protelu. Sledeći korak je otvaranje nove baze podataka odnosno novog Protel projekta. 1.2.1. IZRADA ELEKTRIČNE ŠEME ZA BEŽIČNI MIKROFON Korak 1 – Kreiranje novog projekta Kliknite na: File  New Design. Podesite sledeće opcije, kao na slici 1.39: • Design Storage Type: MS Access Database • Database File Name: fm mikrofon • Database location: E (iliF):\Projekti

Slika 1.39. Kreiranje novog projekta

Slika 1.40. Kreiranje novog Šematik dokumenta

Korak 2 - Kreiranje novog dokumenta u Šematik Editoru U okviru ovog projekta otvorite fajl u kome će biti nacrtana šema (slika 1.40). Kliknite na: File  New  Schematic Document. Novom fajlu dodelite ime (npr. SHEMA) a zatim dvaput kliknite na njegovu ikonu. U desnoj polovini ekrana je sada prazna radna površina. Zumirajte je nekoliko puta pomoću tastera Page Up dok se u krupnom planu ne pojavi pomoćna mreža.

Slika 1.41. Prazna radna površina Šematik Editora Korak 3 - Učitavanje potrebnih biblioteka Kliknite na karticu (Tab) Browse Sch da biste prikazali Kontrol Panel. U njemu učitajte potrebne biblioteke simbola (Add/Remove...). Simboli svih komponenti osim LM358 se nalaze u C (ili D):\Program Files\Design Explorer 99SE\Library\Sch\Miscellaneous Devices.ddb. Potrebne simbole komponente ćete lako pronaći u selektovanoj biblioteci korišćenjem opcije Filter. U pretragu su uključeni džoker znaci (*,?) i početna slova naziva komponente na engleskom jeziku. Za mikrofon, engleski microphone, simbol ćemo pronaći nakon što u Filter polje ukucamo mic*, slika 1.42(a). Imamo dva pogotka: microphone 1 i microphone 2. Izabrali smo za crtanje u ovoj šemi npr. microphone2. U slučaju integrisanog kola LM358 (http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/2/0474fapydds5e61p5h10ggyt1hky.pdf) situacija je nešto složenija, slika 1.42(b). Iako se u već pomenutoj biblioteci simbola (Miscellaneous Devices.lib) nalazi simbol za jedan operacioni pojačavač (Part1/1) on nam ne odgovara jer je LM358 integrisano kolo u čijem se kućištu nalaze dva operaciona pojačavača tj. dva operaciona pojačavača imaju JEDAN LM358 futprint. Zbog toga je potrebno opcijom Find pronaći biblioteku u kojoj se nalazi LM358, slika 1.42(c). Od pronađenih biblioteka odaberite i dodajte na spisak bazu podataka Protel DOS Schematic Libraries.ddb, slika 1.42(c). LM358 se nalazi u njenoj Protel DOS

21


Schematic Operational Amplifiers.lib biblioteci. Selektujte je. U polje Filter upišite LM358, slika 1.42(d). Na ovaj način ste pronašli integrisano kolo LM358 koje u svom sastavu ima dva operaciona pojačavača (Part1/2 i Part2/2). Strelicama Part prošetajte se kroz LM358 integrisano kolo, slika 1.43. Ukoliko uporedite oznake pinova LM358 u datasheet-u, slika 1.42(b), i oznake pinova LM358 iz Protelove biblioteke, slika 1.43, uočićete slaganje oznaka i brojeva pinova integrisanog kola. Napajanje i masa (VCC i GND) se u šemi dovode samo na prvi operacioni pojačavač (Part 1/2) jer drugi operacioni pojačavač (Part 2/2) koji se nalazi u istom kućištu ima sa prvim OP zajedničko napajanje i masu.

(b) Raspored pinova kod LM358

(a) Nađena komponenta MICROPHONE2

(d) Nađena komponenta LM358

22


(c) Traženje komponente LM358 Slika 1.42.

Slika 1.43. U kućištu komponente LM358 nalaze se dva operaciona pojačavača Korak 4 – Crtanje šeme Koristeći komponente iz Kontrol panela i potrebne alate Šematik Editora nacrtajte šemu. Nazivi simbola pojedinih komponenti kao i naziv biblioteke u kojoj se nalaze su vidljivi u Tabeli 2. U Tabeli 3 su date akcije koje je potrebno primeniti prilikom crtanja šeme.

Slika 1.44. Električna šema bežičnog mikrofona Tabela 2. Korišćene komponente i njihovi atributi Komponenta

Simbol

Biblioteka simbola

Designator

23

PartType

Footprint

Biblioteka


Otpornik 1, 2, 3, 4

RES2

Otpornik 5

RES2

Otpornik 6

RES2

Otpornik 7

RES2

Otpornik 8

RES2

Kondenzator elektrolitski 1 Kondenzator 2, 3 Kondenzator 4, 5, 6 Kondenzator elektrolitski 7

ELECTRO2 CAP CAP ELECTRO2

Kondenzator 8

CAP

Kondenzator 9

CAPVAR

Baterija

BATTERY

Mikrofon

MICROPHONE2

Operacioni pojačavač

LM358

NPN tranzistor

NPN

Prigušnica

INDUCTOR

Antena

ANTENNA

OPERACIJA: Simetrično preslikavanje duž xose (lik u ogledalu) Simetrično preslikavanje duž yose (lik u ogledalu)

Miscellaneous Devices.lib Miscellaneous Devices.lib Miscellaneous Devices.lib Miscellaneous Devices.lib Miscellaneous Devices.lib Miscellaneous Devices.lib Miscellaneous Devices.lib Miscellaneous Devices.lib Miscellaneous Devices.lib Miscellaneous Devices.lib Miscellaneous Devices.lib Miscellaneous Devices.lib Miscellaneous Devices.lib Protel DOS Schematic Operational Amplifiers.lib Simbol.lib Miscellaneous Devices.lib Miscellaneous Devices.lib

(oznaka)

(vrednost)

(kućište)

R1, R2, R3, R4

4K7

AXIAL0.4

R5

150K

AXIAL0.4

R6

220

AXIAL0.4

R7

3K9

AXIAL0.4

R8

100

AXIAL0.4

C1

22u

RB.1/.2

Otisak.lib

C2, C3

10n

RAD0.2

PCB Footprints.lib

C4, C5, C6

1n

RAD0.4C

Otisak.lib

C7

4u7

RB.1/.2

Otisak.lib

C8

33p

RAD0.2

PCB Footprints.lib

C9

5-60p

VARC

Otisak.lib

BT1

9V

RAD0.1

PCB Footprints.lib

MK1

MIC

EMIC

Otisak.lib

IC1

LM358

DIP8

PCB Footprints.lib

T1

BC108

TO-18

PCB Footprints.lib

L1

L400

L400

Otisak.lib

A1

ANTENA

PAD

Otisak.lib

PRIMENJENO NA KOMPONENTU:

KORIŠĆENO:

MIC

Taster x u toku premeštanja

LM358

Taster y u toku premeštanja

Rotacija za 90 stepeni

...

Promena elemenata u okviru jedne komponente

LM358

futprinta PCB Footprints.lib PCB Footprints.lib PCB Footprints.lib PCB Footprints.lib PCB Footprints.lib

Taster Spacebar u toku premeštanja Edit  Increment Part Number

Tabela 3. Operacije nad komponentama u toku crtanja šeme

Slika 1.45. Numerisanje komponenata

Korak 5 – Numerisanje komponenata Ako ste završili sa crtanjem, na redu je numerisanje komponenata. Najlakši i najsigurniji način da to izvedete pomoću komande Annotate: Tools  Annotate (All parts), slika 1.45. Korak 6 – Dodela futprintova komponentama

24


U Šematik Editoru morate pripremiti sve informacije neophodne tokom pravljenje PCBa. Jedan od obaveznih atributa komponente je futprint komponente. Izgled futprinta je u direktnoj vezi sa fizičkim 3D izgledom komponente (čija projekcija odgovara crtežu u Top Overlay sloju) i rastojanjem nožica komponente (što odgovara rastojanju pinova futprinta). Od komponenti potrebnih za realizaciju ovog projekta do sada smo se susreli samo sa standardnim otpornicima (AXIAL0.3, AXIAL0.4). Nove komponente su elektrolitski kondenzatori, promenljivi kondenzatori (varaktori), “obični kondenzatori“, mikrofon, antena, LM358, BC108 i kalem. Neophodno je sagledati fizičke dimenzije komponenti jer jedino na osnovu njihovih dimenzija možemo videti kako bi trebao da izgleda futprint odgovarajuće komponente. BC108 (http://www.ic-on-line.cn/IOL_bc108/PdfView/1032796.htm) Na osnovu datasheet-a npn tranzistora BC108 dobijene su osnovne informacije o fizičkim dimenzijama komponente, broju i značenju svakog pada futprinta, slika 1.46. Proizvođač je naveo da je kućište komponente TO-18.

(a) Realan izgled

(b) Simbol (c) Pogled odozdo

2 3

1

(d) Futprint

(f) Fizičke dimenzije

(e) Pogled odozgo Slika 1.46. Tranzistor BC108

Na raspolaganju nam je velik broj Protelovih biblioteka futprintova ali je za nas najinteresantnija biblioteka standarnih futprintova Fooprints.lib koja se nalazi u bazi podataka Advpcb.ddb na lokaciji C(iliD):\Program Files\Design Explorer 99SE\Library\Pcb\Generic Footprints\Advpcb.ddb. Otvorite ovu bazu podataka opcijom FileOpen… Podesite izgled okruženja u Editoru PCB Biblioteka tako što ćete izabrati opciju ToolsLibrary Options. Promenite vrednosti Snap X, Snap Y, ComponentX, ComponentY sa 20mila na10mila. Promenite vrednost Visible Grid 1 sa 20mila na 100mila. Sa OK potvrdite promenu podataka. Potrebno je proveriti da li se u PCB Footprints.lib nalazi ovaj futprint (opcijom Mask). Izgled pronađenog futprinta TO-18 je prikazan na slici 1.46(d). Bitno je naglasiti da je proizođač dao dimenzije komponente gledano odozdo i bočno dok futprint predstavlja pogled na komponentu odozgo. Neophodno je predstavu komponente koju je dao proizvođač, slika 1.46(c), transformisati u oblik pogodan za futprint, slika 1.46(e). Upoređivanjem futprinta i transformisanog tlocrta komponente uočavamo da su brojčane oznake na istim mestima, da je oblik isti, da je udaljenost padova ista (padovi su na kružnici prečnika 100mila=2.54mm=a), da je obim komponente između vrednosti za D i D1 isti. Jedina korekcija bi mogla biti veličina rupe na padu (veličina b=0.47mm u tablici) čija je vrednost 0.762mm. Razlika je procentualno velika ali kako je potrebna veća rupa od prečnika nožice da bi se komponenta bez oštećenja postavila na odgovarajuće mesto na PCBu možemo je prihvatiti. Proveravamo da li je ekvivalencija između simbola i futprinta zadovoljena. Na osnovu podataka koje je dao proizvođač vidite kako su označeni pojedini padovi futprinta kao i koji je pad emitera (1), kolektora (3) i baze (2). • Potrebno je proveriti da li se oznake na TO-18 slažu sa podacima koje je dao proizvođač. Sa slike 1.46(d) i 1.46(e) se vidi da su oznake padova identične. • Sledeći korak je provera simbola komponente odnosno da li su na simbolu NPN tranzistora iste oznake kao na slici 1.46(b). Da bi to proverili moramo da se vratimo na šemu projekta na kojoj ćete duplim klikom na simbol NPN tranzistora otvoriti prozor sa atributima komponente, slika 1.47(a). Selektujte opciju Hidden Pins. Sa OK

25


protvrdite promenu. Na simbolu komponente su se pojavile oznake pinova. Vidite da je broj koji odgovara bazi 1, emiteru 3 a kolektoru 2. IMAMO PROBLEM. Ukoliko ostavimo simbol ovakav kakav jeste kolo sigurno neće raditi jer će pobuda umesto na bazu biti povezana na emiter. MORAMO izmeniti oznake na simbolu. Zašto ne na futprintu? Generalno izmena može da se uradi i na TO-18 ali ne u Protelovoj biblioteci. Taktički bilo bi pametnije izmeniti simbol iz prostog razloga što su oznake TO-18 standard koji koristi ogroman broj proizvođača komponenti. Simbol NPN tranzistora ne možemo izmeniti na licu mesta, u šemi, već u biblioteci simbola komponenti. Pitanje je da li je zgodno menjati simbol u opštoj Protelovoj biblioteci (Miscellaneous Devices.lib) ili je bolje napraviti svoju ličnu biblioteku najčešće korišćenih simbola. Plan je sledeći: otvoriti biblioteku simbola, iskopirati odgovarajući simbol a zatim ga korigovati u skladu sa podacima dobijenim od proizvođača i izgleda upotrebljenog futprinta.

(a) Atributi

(b) Simbol

(c) Izmena pinova

Slika 1.47. BC 108 u Protelu Odaberite opciju File New Design. Nova baza podataka se nalazi u folderu D(iliE):\Projekti pod nazivom Biblioteka.ddb. Opcijom File New sa spiska mogućih tipova dokumenata odaberite Schematic Library Document. Dodelite ime biblioteci simbola npr. Simbol.lib. Otvorite Kontrol Panel (Browse SchLib). Na spisku komponenti u biblioteci simbola se nalazi Component_1 odnosno prazan list u biblioteci simbola. Za početak iskopiraćemo simbol NPN tranzistora iz Miscellaneous Devices.lib u Simbol.lib. Da bi to uradili potrebno je da obe biblioteke budu otvorene. Otvorite C(iliD):\Program Files\Design Explorer 99SE\Library\Sch\Miscellaneous Devices.ddb. U njenom Kontrol Panelu pronađite korišćenjem opcije Mask (npr.NPN*) simbol NPN tranzistora.U spisku komponenti selektujte NPN tranzistor (NPN, NPN DAR, NPN DIAC, NPN-PHOTO, NPN1). Desnim klikom na naziv NPN se otvara meni (Select all, Copy, Cut, Paste, Delete). Da bi iskopirali simbol NPN tranzistora odaberite naredbu Copy. Nakon toga iz Miscellaneous Devices.ddb biblioteke pređite u Kontrol Panel novootvorene biblioteke Simbol.lib. U prostor Kontrol Panela u kome se nalazi spisak komponenti desnim klikom aktivirajte već viđeni meni. Odaberite opciju Paste kojom kopirani simbol NPN tranzistora ubacujete u spisak komponenti biblioteke Simbol.lib, slika 1.47(c). Trenutak je za korekciju oznaka pinova simbola NPN tranzistora. U donjem delu prozora Kontrol Panela naziva Pins mogu se videti oznake pinova simbola (baza označena brojem 1, kolektor brojem 2 a emiter brojem 3). Direktnim klikom na bazu simbola tranzistora u glavnom prozoru ili B(1) u Pins delu prozora se otvara prozor Pin u kojem je potrebno izmeniti sadržaj polja Number sa 1 na 2, slika 1.47(c). Istim postupkom promenite brojeve pinova kolektora (23) i emitera (31). Opcijom Update Schematic u Kontrol Panelu Simbol.lib se promena simbola direktno unosi u šematik koji je otvoren. Osim simbola NPN tranzistora ova biblioteka treba da sadrži simbole komponenti koje najčešće koristite. LM358 (http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/2/0474fapydds5e61p5h10ggyt1hky.pdf) Izgled kućišta integrisanog kola LM358 kao i njegove osnovne dimenzije su date na slici 1.48. Na osnovu tabelarno datih podataka i šematskog prikaza kućišta može se videti: • da su maksimalne dimenzije tela kućišta 400mila*260mila (Amax*Bmax=0.400inch *0.260inch) • da kućište ima 8 nožica međusobne udaljenosti 100mila i 300mila (G=0.1inch i L=0.3inch), maksimalne širine nožice 20mila (Dmax=0.02inch> Jmax=0.012inch).

26


Slika 1.48. LM358 i njegove fizičke dimenzije Pređite u Kontrol Panel editora PCB biblioteka (BrowsePCBLIB) PCB Footprints.lib. U polje Mask unesite DIP*. U spisku DIP* futprintova pronađite futprint DIP8, slika 1.49. Kućište čiji je futprint DIP8 ima 8 nožica kao i kućište LM358. Trenutno je vidljiva mreža 1 sa rastojanjem 100mil. Vidimo da je rastojanje padova futprinta (tj. nožica komponente) 100 mil i 300mil. Do sada su sve dimenzije i brojevi odgovarali definiciji futprinta LM358. Problem nastaje kada pogledamo dimenzije oblika u TopOverlay sloju (žuta zatvorena linija) koje su 400mil*200mil. Veličina od 200mil u slučaju LM358 kućišta može biti minimalno 240mil. Ova greška nije problematična jer je važniji podatak o međusobnom položaju padova (L=300inch i G=0.1inch, PRIMETITE da jedino ova dva parametra nemaju minimalnu i maksimalnu vrednost). BITNO je naglasiti da je futprint predstava komponente u PCB Editoru dok je simbol predstava iste komponente u Šematik Editoru. Kao rezultat, oznake na simbolu i futprintu moraju da budu identične, npr. ako je minus ulaz jednog operacionog pojačavača (OP) označen brojem 2, slika 1.42(b) i slika 1.43, tada je broj 2 upisan na padu koji odgovara toj nožici na futprintu, slika 1.49.

Slika 1.49. DIP8 Elektrolitski kondenzatori C1, C7 (22uF i 4u7F) Na slici 1.50. je prikazan izgled elektrolitskog kondenzatora. U slučaju komponente koju koristimo u ovoj vežbi, udaljenost između priključaka komponente je 100mil dok je prečnik osnove kućišta 200mil. U standardnoj biblioteci PCB Footprints.lib oznake kućišta kondenzatora počinju slovom “r“. U polju Mask Kontrol Panela ove biblioteke upišite r*. Spisak futprintova je sledeći: RAD0.1, RAD0.2, RAD0.3, RAD0.4, RB.2/.4, RB.4/.8, RB.5/1.0. Opcijom Tools Library Options podesite raster vidljivog grida 1 na 100mil. Pogledajte oblike ovih futprintova. Za početak nas interesuje žuta linija u TopOverlay sloju koja prikazuje oblik komponente viđen odozgo. Gledajući samo oblik futprinta a ne njegove dimenzije (100mil, 200mil) vidite da kao potencijalni futprint našeg elektrolitskog kondenzatora ostaju RB.2/.4 (slika 1.50), RB.4/.8, RB.5/1.0. (pogled odozgo na našu komponentu je krug). U slučaju elektrolitskog kondenzatora nije svejedno kako je priključen u kolo. Na komponenti je uvek označen minus priključak kondenzatora (oznakom na kućištu i kraćom nožicom). Na futprintu je označen plus priključak komponente (žuti plus). Pogledajte detaljnije dimenzije RB.2/.4 futprinta. Vidi se da su padovi udaljeni 200mil=0.2inch dok je prečnik kružnice 400mil=0.4inch. Pogledajte oznaku futprinta, njegov naziv daje osnovne informacije o dimenzijama futprinta. Takođe, u skladu sa ovom terminologijom futprint koji nama treba bi se zvao npr. RB.1/.2 ali ga u spisku nema. Mogli bismo npr. da u ovoj biblioteci napravimo taj futprint ali bi ipak bilo bolje da napravimo svoju biblioteku futprintova u Biblioteka.ddb. Plan je sledeći: otvoriti biblioteku futprintova, iskopirati najsličniji futprint a zatim ga korigovati u skladu sa željenim dimenzijama.

27


Slika 1.50. (a) Elektrolitski kondenzator 0.47uF/50V

(b) futprint RB.2/.4

Opcijom File New sa spiska mogućih tipova dokumenata odaberite PCB Library Document. Novi Dokument nazovite npr. otisak.lib. Biblioteka futprintova koju ste upravo otvorili, na spisku futprintova u Kontrol Panelu, sadrži futprint PCBKOMPONENT_1. Kada pogledate izgled ovog futprinta u glavnom prozoru uočavate da je površina prazan list odnosno da ne sadrži nijedan objekat. To je početna prazna površina papira za crtanje futprintova. Za sada PCBKOMPONENT_1 (dok je jedan jedini futprint) nije moguće obrisati. Međutim moguće je iskopirati već gotov futprint iz neke druge biblioteke futprintova. U trenutku kopiranja potrebno je da su otvorene obe biblioteke (iz koje se kopira i u koju se kopira). U našem slučaju to su PCB Footprints.lib i otisak.lib jer ćemo kao polaznu tačku za futprint elektrolitskog kondenzatora iskoristiti već nacrtan RB.2/.4 iz PCB Footprints.lib. Otvorite Kontrol Panel u PCB Footprints.lib. Selektujte komponentu RB.2/.4 u spisku futprintova. Desnim klikom na selektovan futprint otvara se meni (New, Copy, Paste, Rename, Delete). Odaberite opciju Copy. Pređite u Kontrol Panel biblioteke otisak.lib. Desnim klikom na prostor gdje bi trebao da se nalazi spisak komponenti u biblioteci ponovo otvorite već viđeni meni. Opcijom Paste u spisak ubacite RB.2/.4. Selektujte pad 1. Opcijom Drag&Drop (uhvati i prevuci) ga pomerite za 100mila ka padu 2 tako da je sada njihova međusobna udaljenost 100mila, slika 1.51(a). Duplim klikom na žuti krug u TopOverlay sloju aktivirajte Arc prozor, slika 1.51(b). U polju Radius upišite 100mil (prečnik = 200mila). Opcijom Drag&Drop oblikujte futprint elektrolitskog kondenzatora, slika 1.51(d). Desnim klikom na naziv RB.2/.4 u otisak.lib izmenite opcijom Rename naziv futprinta npr. u RB.1/.2. Selektujte PCBKOMPONENT_1. Desnim klikom odaberite opciju Delete. U spisku futprintova u biblioteci otisak.lib se nalazi samo RB.1/.2.

(a) Počinje se od futprinta RB.2/.4

(b) Podešavanje kruga

(c) Premeštanje padova

(d) Rezultat je RB.1/.2

Slika 1.51. Prepravljanje futprinta RB.2/.4 u RB.1/.2 Kondenzator C4, C5, C6 (0.001uF=1nF) Na slici 1.52(a). je prikazan kondenzator vrednosti 1nF. Rastojanje između nožica komponente je 400mil. Dužina tela komponente je oko 700mil dok je širina komponente oko 250mil. U PCB Footprints.lib potražimo futprint koji bi odgovarao ovim zahtevima. U polju Mask Kontrol Panela pretražite ovu biblioteku sa r*. Spisak futprintova je sledeći: RAD0.1, RAD0.2, RAD0.3, RAD0.4, RB.2/.4, RB.4/.8, RB.5/1.0. Pogledajte oblike ovih futprintova. Po obliku ali ne po dimenzijama najsličniji su RAD0.1, RAD0.2, RAD0.3, RAD0.4. Najpribližniji traženom futprintu kondenzatora je futprint RAD0.4, slika 1.52(b). Plan je sledeći: u već postojeću biblioteku futprintova otisak.lib iskopirati RAD0.4, korigovati izgled futprinta u skladu sa željenim dimenzijama, promeniti mu ime u RAD0.4C. Udaljenost padova je korektna (400mil) ali je oblik realne komponente veći (700mil*250mil u odnosu na 560mil*150mil). Objekte nacrtane u TopOverlay sloju korigovati uz pomoć opcije EditChange (ili dupli klik na liniju koju želite promeniti) nakon koje se otvara prozor Track, slika 1.52(c). Izmenite dužinu trake (koordinate početne ili krajnje tačke ili koordinate obe tačke). Korekciju veličine linija možete izvesti opcijom EditMoveDrag Track End.

28


Rezultat je prikazan na slici 1.52(d). (Prilikom razvlačenja linija je potrebano da rezlucija pomeranja kursora bude što je moguće manja. Zbog toga opcijom ToolsLibary Options podesite Grid opcije na 1mil). Opcijom Rename promeniti naziv futprinta u RAD0.4C.

(a) Fizički izgled

(b) Futprint RAD0.4

(c) Menjanje dužine linija

(d) Futprint RAD0.4C

Slika 1.52. Kondenzator 1nF Kondenzator C2, C3, C8 (0.01uF=10nF i 33p) Na slici 1.53(a). je prikazan kondenzator vrednosti 10nF.Udaljenost između nožica je 200mila. Debljina kućišta ne prelazi 100mila. Plan je sledeći: otvoriti standardnu biblioteku futprintova, pronaći isti ili sličan futprint. Ukoliko je potrebno korigovati ga nakon kopiranja u biblioteku otisak.lib. U PCB Footprints.lib i već poznatom spisku futprintova u (RAD0.1, RAD0.2...) ove zahteve ispunjava RAD0.2, slika 1.53(a).

Slika 1.53. (a) Kondenzator 10nF

(b) Futprint RAD0.2 Prigušnica (zavojnica, kalem) L400

29


Na slici 1.54. je prikazan simbol prigušnice kao i njen fizički izgled. Udaljenost nožica komponente je 300mil dok je širina poprečnog presjeka 100mila. Vežbe radi napravimo potpuno novi futprint prigušnice naziva L400. Opcijom ToolsNew Component ili desnim klikom u deo prozora BrowsePCBLib Components otvorite prazan list papira za novu komponentu – PCBCOMPONENT_1. Opcijom PlacePad nacrtajte dva pada na međusobnom rastojanju 300mil, slika 1.54(c). Za procenu međusobnog rastojanja koristite mrežu VisibleGrid1 čiju ste rezoluciju postavili na 100 mil. Duplim klikom na pad 0 otvorite prozor u kome se definišu karakteristike pada. Promenite sadržaj polja Designator sa 0 na 2 (jer brojevi na simbolu i futprintu MORAJU da se slažu), slika 1.54(c). U dnu Kontrol Panela pronađite opciju Current Layer. Promenite trenutni sloj u kome ćete crtati oblik komponente iz TopLayer sloja u TopOverlay sloj. Desnim klikom na radnu površinu otvara se meni (Place, Tools, View, Library, Options, Properties). Opcijom PlaceTrack simbolički nacrtajte jedan namotaj kalema (kosu liniju) pomoću tastera Space kojim birate mod crtanja linije, slika 1.54(d). Prilikom crtanja segmenta koristite jedan levi klik je za promenu putanje linije, jedan desni klik za završetak linije a dva klika za izlazak iz moda crtanja linije. Selektujte nacrtanu kosu liniju selektovanjem površine (oblika pravougaonika) oko nje ili istovremenim aktiviranjem tastera Shift i levog klika mišem na komponentu. Nakon selektovanja boja selektovanog objekta se menja. Segment je spreman za manipulaciju. Opcijom Edit Copy (ili Crtl+c) iskopirajte kosu liniju klikom na nju. Opcijom EditPaste (ili Crtl+v) kursor se pretvara u plus koji drži iskopirani objekat. Postavite objekat na željeno mesto. Ponovite opciju EditPaste kako bi postavili još par simboličkih navojaka kalema, slika 1.54(e). Deselektujte objekte opcijom EditDeselectAll ili aktiviranjem ikonice L400.

. Gotov futprint kalema je prikazan na slici 1.54(f). Opcijom Rename promenite naziv ovog futprinta u

(a) Izgled

(b) Simbol

1

1

0

2

(c) Menjanje broja padovima

30


(d) Crtanje linije

(e) Kopiranje linije

(d) Gotov futprint

Slika 1.54. Kalem i crtanje futprinta za njega Antena

1

Slika 1.55. Antena, simbol i futprint Ukoliko pogledamo simbol antene u šematik editoru (uz uključenu opciju Hiden Pins na samom simbolu) vidimo da antena ima samo jedan pin odnosno da je njen futprint građen od jednog pada za koji će biti zalemljena antena. Plan je sledeći: otvoriti biblioteku futprintova, napraviti novi futprint a zatim ga korigovati u skladu oznakama na simbolu. U biblioteci otisak.lib otvorite Kontrol Panel. U delu Kontrol Panela u kome se nalazi spisak komponenti kliknite desnim tasterom miša. Otvara se meni (New, Copy, Paste, Rename, Delete). Odaberite opciju New. Pojavljuje se prazan list papira imena PCBCOMPONENT_1. U radnom prostoru je dovoljno postaviti jedan pad opcijom PlacePad. Kliknite 2 puta na pad kako bi se otvorilo prozor Pad u kome ćete promeniti atribut Designator sa 0 na 1, slika 1.55. Nakon što ste nacrtali futprint promenite mu ime u PAD opcijom Rename iz već viđenog menija. Mikrofon (http://en.wikipedia.org/wiki/Electret_microphone) Mikrofon tipa electret i simbol za mikrofon su prikazani na slici 1.56. Dimenzije kućišta bitne za izradu futprinta su sledeće: udaljenost nožica je 100mil, prečnik tela mikrofona je 400mil, što je vidljivo sa slike 1.56. Plan je sledeći: otvoriti biblioteku futprintova otisak.lib, napraviti novi futprint a zatim ga korigovati u skladu oznakama na simbolu.

Slika 1.56. Mikrofon (a) Fizički izgled

(b) Simbol

31

(c) Futprint


U biblioteci otisak.lib otvorite Kontrol Panel. U delu Kontrol Panela u kome se nalazi spisak komponenti kliknite desnim tasterom miša. Otvara se meni (New, Copy, Paste, Rename, Delete). Odaberite opciju New. Pojavljuje se prazan list papira imena PCBCOMPONENT_1. U radnom prostoru postavite dva pada opcijom PlacePad na rastojanju 100mil. Koristite mrežu Visible Grid1=100mil za prostornu orijentaciju. Kliknite dva puta na pad kako bi se otvorilo prozor Pad. Promenite atribut Designator za padove kako bi brojevi na simbolu i padovima bili isti. Opcijom PlaceArc (Center) postavite krug oko padova. Krug je crvene boje jer je u Top Layeru. Kliknite 2x na krug kako bi se otvorio prozor Arc. U njemu promenite Layer sa TopLayer u TopOverlay. Ukoliko pogledate nožice na mikrofonu uočićete da je jedna vezana na kućište koje često ide na masu što je ovde slučaj. U našem slučaju, gledajući simbol komponente, to je pin 1. Opcijom PlaceTrack u blizini pada 2 nacrtajte znak +.Nakon što ste nacrtali futprint promenite mu ime u EMIC opcijom Rename iz već viđenog menija. Rezultat je prikazan na slici 1.56. Promenljivi kondenzator C9 (Varaktor, 5-60p) Na slici 1.57 je prikazan fizički izgled jednog promenljivog kondenzatora kao i njegov simbol. Ukoliko pogledate pažljivo sliku komponente vidite da komponenta ima tri nožice odnosno njen futprint ima tri pada. Ukoliko pogledamo simbol iste komponente vidite da postoje dva (za program bitna) pristupa. Ova razlika ne predstavlja nikakav problem jer su u slučaju ove komponente dve nožice kratko spojene i zaista imamo dva pristupa. Padovi leže na kružnici prečnika 300mil, slika 1.57(c), dok se pogled odozgo na komponentu može predstaviti kužnicom u TopOverlay sloju prečnika 400mil. Da bi vam crtanje bilo lakše promenite sa Tools Library Options VisibleGrid1 na 50mil. Padovi koji su dijametralno suprotni su u realnoj komponenti kratko spojeni. Kao rezultat moraju imati istu oznaku pada (Designator) koja se slaže sa brojem na simbolu komponente. U slučaju promenljivog kondenzatora nije bitno koja je nožica 1 a koja 2. Konačan izgled futprinta, naziva VARC (dodat string), je prikazan na slici 1.57(c).

Slika 1.57.

(a) Fizički izgled

(c) Futprint

(b) Simbol Slika 1.57.

Korak 7 – Dodela vrednosti komponentama Iako to nije neophodno, dodela vrednosti komponentama je sledeći korak i to ćete morati da uradite za svaku komponentu pojedinačno ( na primer: dupli klik na R1  Part Type = 4K7). Kao i numerisanje, ovo možete da uradite u toku postavljanja ili premeštanja pritiskom na taster Tab. Korak 8 – Kreiranje Net liste Ako je sve na svom mestu preostaje vam da napravite Net listu: Design  Create Netlist, slika 1.58. Time ste završili posao u Šematik Editoru. Na redu je izrada PCB-a. 1.2.2. IZRADA PCB-a ZA BEŽIČNI MIKROFON Korak 1 - Kreiranje novog PCB dokumenta

32


U okviru projekta “FM MIKROFON” napravite PCB fajl: File  New  PCB Document, slika 1.59. Ikoni koja predstavlja novi fajl dodelite ime (u ovom slučaju FM.PCB) i dvaput kliknite na nju da bi se pojavila radna površina PCB Editora.

Slika 1.58. Kreiranje Net liste

Slika 1.59. Kreiranje novog PCB dokumenta

Ako želite da proverite da li je sve pravilno podešeno, ovo je pravi trenutak za tako nešto (u tu svrhu možete da iskoristite tabelu koja se nalazi u prethodnom poglavlju). Pored toga, potrebno je da proverite listu aktivnih PCB biblioteka u kojoj moraju da se nalaze PCB Footprints.lib i Otisak.lib. (Komponentama u Šematik Editoru su dodeljeni futprintovi koji se nalaze u ovim bibliotekama). Korak 2 – Učitavanje Net liste Učitajte Net listu iyborom opcije Design = Load Nets. U dijalog boksu koji se pojavljuje kliknite na Browse i odaberite Net listu SHEMA.NET. Prazna Error kolona je siguran znak da ništa ne nedostaje. Ako se pojavi greška, unesite potrebne izmene u električnoj šemi, napravite novu Net listu i ponovite postupak. Ako je sve u redu, kliknite na taster Execute i pojaviće se komponente povezane rastegljivim linijama koje označavaju buduće veze.

Slika 1.60. Učitavanje Net liste Korak 3 - Postavljanje granične linije

33


Linijama u KeepOut sloju iscrtajte ivice budućeg PCB-a. U ovom primeru nije predviđeno kućište za uređaj i pločica ima oblik pravougaonika. Ako niste sigurni koje će biti dimenzije konačne pločice, iscrtavanje ivica možete da odložite do početka rutiranja (ovaj proces zahteva postojanje ovakve granice). Korak 4 - Raspoređivanje komponenata Raspoređivanje komponenata je ključna faza u radu i od nje najviše zavisi krajnji izgled PCB-a. Za premeštanje se koristi postupak „povlačenja“ (klikni  premesti  spusti) ili komanda Edit  Move  Component (prečica – MC). Ako tragate za određenom komponentom uradite sledeće: posle komande Move Component kliknite na prikazanu radnu površinu. Sa spiska koji se pojavljuje odaberite komponentu i postavite je na željeno mesto. U svakom slučaju, cilj razmeštanja je postizanje kompromisa: gusto i pravilno postavljeni elementi uz minimalnu dužinu i ukrštanje veza. Pored ovih, često moraju da budu zadovoljeni i drugi uslovi. U ovom primeru, pošto je radna frekvencija mikrofona oko 100 MHz, dodatni uslov je bio i izdvajanje stepena oscilatora (tranzistor sa pripadajućim elementima). Na slici je prikazano jedno od mogućih rešenja koje zadovoljava postavljene uslove. Korišćene komande: • Move Component • Rotate (Spacebar) • Move to Grid • Select PCB Components (Šematik Editor)

Slika 1.61. Raspored komponenata

Slika 1.62. Podešavanje Autorutera

Korak 5 – Rutiranje pomoću Autorutera Došlo je vreme za rutiranje. Pošto mi radimo samo jednoslojnu štampu, isključićemo upotrebu gornjeg sloja (TopLayer), kako Auto-ruter ne bi pravio veze u oba sloja, već samo u donjem (BottomLayer). Odaberite: Design  Rules, na Routing Tabu Routing Layers  Properties isključite TopLayer (opcija Not Used). Ako su sva ostala pravila podešena, (Design  Rules), odaberite: Auto Route  All  Route All, slika 1.62.

Slika 1.63. Izrutirana pločica Uz kratak izveštaj, pred vama će se ubrzo pojaviti PCB u konačnom obliku. Ako ste zadovoljni izgledom, možete nastaviti sa radom.

34


Ako Autoruter nije postigao uspeh 100% ili ako iz nekog drugog razloga niste zadovoljni rezultatom, uklonite bakarne veze (Tools  Un-Route  All), promenite raspored komponenata ili pravila za rutiranje i ponovite postupak. Korak 6 – Postavljanje bakarnog poligona Kada ponavljanjem prethodnog scenarija dođete do konačne verzije, komandama iz menija Edit  Move (Move, Drag, Break Track...) popravite sitne nepravilnosti na vezama. Potom treba postaviti bakarni poligon. U našem slučaju, bakarna površina koja štiti VF deo kola od spoljnih uticaja će biti postavljena samo u donjem sloju (BottomLayer) i biće povezana sa zajedničkom masom: GND-net. Odaberite: Place  Polygon Plane i postavite sve kao na slici 1.64. Kliknite na OK i potom postavite poligon preko VF dela kola.

Slika 1.64. Dijalog boks Polygon Plane

Slika 1.65. Bakarni poligon postavljen preko VF dela kola

Korak 7 – Podešavanje prikaza oznaka Ako želite da na površini budu odštampane oznake i/ili vrednosti komponenata, omogućite njihovo prikazivanje (ukoliko već nisu prikazane) komandom: Tools  Preferences  Show/Hide  Strings  Final. Na kraju, veličinu oznaka prilagodite veličini komponenata (u ovom primeru visina – Height = 35mil, debljina – Width =7mil.) i postavite ih na komponente kojima pripadaju. Selektujte komponente i onda odaberite: Tools  Interactive Placement  Position Component Text

Slika 1.66. Podešavanje prikaza oznaka

35


Slika 1.67. Konačan izgled štampane pločice Na kraju, možete videti i 3D prikaz vaše pločice, onako kako Protel pretpostavlja da će izgledati. Odaberite: View  Board in 3D, slika 1.68.

Slika 1.68. 3D prikaz gotove pločice

GLAVA 2. MICROCAP Programski paket MicroCap firme Spectrum Software nastao je devedesetih godina XX veka kao jedan od prvih programskih paketa za ispitivanje i simulaciju električnih kola, pri čemu se dato kolo želi samo ispitati i proveriti da li ispunjava željene karakteristike, a ne želi se obavezno i fizički načiniti. Izdato je nekoliko verzija ovog simulatora, trenutno je u opticaju verzija 9, dok ćemo se mi tokom ovog kursa pozabaviti verzijom 7. Više nego funkcionalan interfejs za rukovanje procesom koji omogućava vrlo pregledan i brz pristup svim važnijim funkcijama u programu svrstava ovaj program u sam vrh alata za simulaciju.

2.1. UVOD U PROGRAMSKI PAKET MICROCAP 7 Nakon startovanja programa Mcap 7 aktivira se editor šema, slika 2.1. Ako je prostor glavnog prozora prazan ili zauzet drugim projektom novi editor šema otvaramo sa File  New. Izborom ove opcije otvara se prozor na slici 2.2.

36


Osnovni elementi za rad Osnovne komande za rad Radna površina

Slika 2.1. Radno okruženje MicroCap-a

Slika 2.2. Izbor opcije New

Slika 2.3. Neinvertujući pojačavač sa dodatnim komponentama

Od tri ponuđene mogućnosti Schematic (otvaranje fajla koji omogućava šematski opis električnog kola), SPICE/Text (otvaranje fajla u kojem će se opisati električno kolo u tekstualnoj formi - NET lista koju je Protel automatski pravio će biti obavezan deo ovog fajla) i Library (kreiranje nove biblioteke modela komponenata) odabraćemo Schematic i potvrditi unos sa OK. Pre nego što krenemo dalje pogledajmo električno kolo, prikazano na slici 2.3, koje bi trebalo nacrtati u MicroCap 7. Možemo primetiti da ovo električno kolo liči na neinvertujući pojačavač sa OP (ako pogledamo gde je priključen ulazni signal) što i jeste slučaj. Pojedine komponente su dodate kako bi se efekti u kojima se realan OP razlikuje od idealnog lakše uočili. Da bi nacrtali neko električno kolo moramo znati gde se nalazi biblioteka komponenti koje ćemo tokom crtanja koristiti. MicroCap 7 ima meni pod nazivom Component. Ako ga otvorite, slika 2.4, možete uočiti tri dela. U prvom delu se nalaze biblioteke, u drugom delu se nalazi linija Find Component za lakše pronalaženje potrebne komponente dok se u trećem delu nalazi deset poslednjih komponenti koje ste prilikom crtanja koristili. Opcije Analog Primitives i

37


Analog Library se razlikuju u tome što Analog Primitives predstavlja skup analognih komponenti čije osobine vi definišete prilikom postavljanja u električno kolo dok je Analog Library skup komercijalnih komponenti čije karakteristike daje proizvođač. Opcije Digital Primitives i Digital Library imaju isto značenje samo što se u njima nalaze digitalne komponente. U Animation se nalazi nekoliko komponenti koje omogućavaju interakciju između procesa simulacije i korisnika kao što su LED dioda, 7-segmentni displej i digitalni prekidač, slika 2.5.

Slika 2.4. Component

Slika 2.5 Component  Animation

Osim u meniju Component osnovne komponente se mogu naći u liniji sa alatima, zaokruženo na slici 2.1. To su masa, otpornik, kondenzator, kalem, dioda, bipolarni tranzistor, mosfet, OP, invertor, baterija, impulsni i sinusni generator. Da bi izgled šeme bio pregledan uključite mrežicu na ekranu tasterom Iz linije sa alatima odaberite oznaku za OP. U modu ste crtanja OP-a. Kursor se automatski pretvara u simbol OP. Postavite ga na radnu površinu. Automatski se otvara prozor koji traži da se definišu osobine OP (slika 2.6) Npr. interesuje nas LM741. To je osnovni OP čiji se model nalazi u sastavu biblioteke Mcap 7. U spisku modela potražite LM741. Selektovanjem LM741 se automatski upisuje da je model OP koji je nacrtan tipa LM741. Parametri njegovog modela postaju automatski vidljivi. (Ovu istu komponentu ste mogli odabrati opcijom Component  Analog Library Opamp  LF0000  LM741 ). Pređite na PART i promenite naziv komponente sa X0 na OP (slika 2.7) • Sa OK potvrdite vaš unos • Ukoliko niste zadovoljni nekim od parametara ili želite da se neke dodatne informacije vide na ekranu dovoljno je dvaput kliknuti mišem na komponentu da se ponovo otvori prozor sa njenim osobinama. • MCap nekada sam dodaje napone napajanja OP, i to proprati odgovarajućom informacijom prikazanom na slici 2.8. Ukoliko se to nije desilo potrebno je da vi dodate baterije na odgovarajuće priključke OP prelaskom u mod za crtanja baterija - direktnim selektovanjem njihove ikonice iz linije alata ili izborom opcije Component  Analog Primitives  Waveform Sources  Battery. Baterije su nam u ovom slučaju potrebne ne samo za napajanje OP već i za ulazni napon V3 (V1 i V2 su već postavljeni kod OP) i VOS bateriju koja modeluje naponski ofset OP startne vrednosti 0 (VALUE=0). Nakon dodatih baterija šema izgleda kao na slici 2.9.

38


Podešavanje OP

OP je postavljen na radnu površinu

Slika 2.6. Postavljanje OP-a

Model koji želimo Part

Slika 2.7. Izbor modela i promena naziva komponente

Slika 2.8. Info prozor o postavljenim napajanjima za OP

• Ukoliko nam položaj komponente ne odgovara i želimo da je zarotiramo selektujemo ciljanu komponentu i dok držimo levi taster miša pritisnut aktiviranjem desnog tastera miša rotiramo komponentu (alternativne metode su nakon selektovanja komponente odabrati opciju Edit  Box  Rotate ili odabrati ctrl+r kombinaciju na tastaturi). • Vreme je da dodamo otpornike prelaskom u mod za crtanje otpornika - direktno biranjem odgovarajuće ikonice u liniji alata ili izborom opcije Component  Analog Primitives  Passive Components  Resistor. Nakon

39


postavljanja otpornika automatski se otvara prozor sa njegovim parametrima od kojih nas trenutno interesuju PART (u Protelu Designator) ime komponente u šemi i VALUE odnosno vrednost komponente. Vrednosti otpornosti i oznake postaviti u skladu sa vrednostima prikazanim na slici 2.3. Interesantno je primetiti da MCap7 izvršava automatsko indeksiranje odnosno smatra da postavljate otpornike redom odnosno R1, R2...

Slika 2.9. Etape crtanja šeme neinvertujućeg pojačavača sa OP •

Potrebno je postaviti masu. Aktiviranjem ikonice za uzemljenje ili Component  Analog Primitives Connectors  Ground prelazite u mod za postavljanje mase.

Slika 2.10. Etape crtanja šeme neinvertujućeg pojačavača sa OP • Na kraju je to sve potrebno povezati biranjem ikone za ožičavanje (imamo dve ikone jednu za prave linije i jednu za izlomljene). Ožičavamo tako što odaberemo ikonicu i kliknemo (levo dugme miša) na kraj koji želimo ožičiti i ne puštajući dugme miša vučemo žicu do pina koji želimo povezati. • Izborom tastera T iz linije sa alatima možemo označiti izlaz OP sa Vout. Bateriji V3 možemo promeniti naziv (PART) na Vin. Izborom ikonice Node Numbers ili Options  View  Node Numbers možemo videti i oznake čvorova, slika 2.10.

2.2. OSNOVNA LINEARNA KOLA SA OP Prilikom osnovne analize električnih šema sa operacionim pojačavačem (OP) koristićete model idealnog OP koji poseduje sledeće osobine: • Beskonačno veliku ulaznu otpornost Ru= ∞ (odnosno nulte ulazne struje). • Nultu izlaznu otpornost Ri = 0. • Beskonačno veliko diferencijalno pojačanje u OTVORENOJ petlji A = ∞. • Parametri idealnog OP nisu zavisni od učestanosti, odnosno imaju istu vrednost na svim frekvencijama. • Jednosmerne karakteristike su idealne. Faktor potiskivanja CMRR je beskonačan, ulazne struje, napon i struja offseta su jednaki nuli. Simbol OP kao i njegova idealna prenosna karakteristika su prikazani na slici 2.11. Vidimo da iako OP ima dva ulaza (V+ i V-) ulazni napon od interesa je upravo njihova razlika (V+-V-). Ovakav način rada proističe iz unutrašnje strukture OP kome je na ulazu diferencijalni pojačavač, ali o tome na višoj godini i nekom drugom predmetu.

40


Slika 2.11. Simbol OP, test kolo za crtanje prenosne karakteristike OP, prenosna karakteristika idealnog OP Sa prenosne karakteristike možete jasno videti tri segmenta. Dva horizontalna segmenta predstavljaju režim saturacije OP kada je izlaz OP dostigao najviši i najniži napon u električnom kolu odnosno napone napajanja (VC=15V i VE=-15V). Pojačanja nema odnosno A=0. Treći segment predstavlja linearnu oblast rada OP čija strmina upravo govori o izuzetno velikom pojačanju OP u ovom segmentu, odnosno A→∞. Osnovna mana OP je vidljiva upravo na tom segmentu. Linearna oblast rada je izuzetno uska te moramo pribeći triku kako bi je proširili. Trik se zove negativna povratna sprega. Kad god vam zatreba da linearizujete kolo i da poboljšate sa tog stanovišta njegove performanse upotrebićete negativnu povratnu spregu. U slučaju OP negativna povratna sprega predstavlja povratnu spregu sa izlaza OP na invertujući ulaz OP V-. Kao posledica ove povratne sprege u linearnim kolima sa OP uvodimo pojam virtuelne mase odnosno virtuelnog potencijala kojeg možemo objasniti na sledeći način: izlazni napon je konačan (od VE do VC). Ako izlazni napon OP podelimo sa pojačanjem OP A dobijamo vrednost (V+-V-)=Vout/A=0 odnosno da su V+ i V- na istom potencijalu. Znajući osnovna ograničenja i poboljšanja OP možemo prikazati osnovne konfiguracije linearnih električnih kola sa OP kao što su: invertujući pojačavač, neinvertujući pojačavač, diferencijalni pojačavač, bafer i instrumentaiconi pojačavač. 2.2.1. INVERTUJUĆI POJAČAVAČ Na slici 2.12. je prikazana konfiguracija invertujućeg pojačavača. Kako je u pitanju kolo linearne elektronike neophodno je prisustvo negativne povratne sprege (ovde realizovane pomoću otpornika R2).

Slika 2.12. Konfiguracija invertujućeg pojačavača sa OP Pobudni napon Vs je priključen na otpornik R1 koji je priključen na invertujući ulaz OP V-. Neinvertujući ulaz OP V+ je priključen na masu. Na osnovu principa virtuelne mase odnsono virtuelnog potencijala (Uul=0) V+ i V- su na istom (nultom) potencijalu. Kao posledica toga vidimo da struja Ii koja teče kroz otpornik R1 na njemu pravi pad napona vrednosti VS = R1 Ii odnosno Ii= VS / R1 Ova struja je veza ulaznog napona Vs i izlaznog napona Vo jer je to struja koja teče kroz otpornosti R1 i R2 (jer je zbog velike ulazne otpornosti ulazna struja u OP nula, Iul=0). Na osnovu II Kirhofovog zakona za konturu A dobijamo da je :

Za invertujući pojačavač možemo da zaključimo da je sve u znaku minusa: naponsko pojačanje je negativno, a ulazni signal je usmeren ka ulazu invertujućem ulazu V-.

41


Kao dodatak primetimo da je ulazna otpornost invertujućeg pojačavača koju vidi pobudni generator R1 (jer je Vpriključak na masi te VS generator “vidi“ samo otpornost R1). 2.2.2. NEINVERTUJUĆI POJAČAVAČ Kod neinvertujućeg pojačavača (pojačavač = linearno kolo = negativna povratna sprega) takođe postoji negativna povratna sprega realizovana pomoću otpornika R2, pobudni generator je priključen na neivertujući ulaz OP, slika 2.13.

Slika 2.13. Konfiguracija neinvertujućeg pojačavača sa OP Kako je ulazna otpornost OP beskonačna ulazna struja u OP je Iul=0, dok je kao posledica virtuelnog potencijala napon VS=V+=V-=VR1. Struja Ii teče kroz otpornike R1 i R2, odnosno Vo=Ii (R1+R2). Ova ista struja takođe formira pad napona na otporniku R1 koji je jednak VS odnosno VS=R1Ii. Naponsko pojačanje je stoga:

odnosno:

Možemo da zaključimo da je kod neinvertujućeg pojačavača sve u znaku plusa odnoso da je njegovo naponsko pojačanje pozitivno i da mu je ulazni napon priključen na V+ odnosno neinvertujući ulaz OP. Ulazna otpornost pojačavača je ∞+R1 odnosno ∞. Ako uporedimo ulazne otpornosti invertujućeg (R1) i neinvertujućeg pojačavača (∞) vidimo da je neinvertujući pojačavač bolji, jer ne oterećuje električno kolo koje mu daje pobudni signal VS. 2.2.3. JEDINIČNI POJAČAVAČ Ako u prethodnoj konfiguraciji zamenimo R1=∞ dobijamo električno kolo prikazano na slici 2.14. kod koga je vrednost naponskog pojačanja:

Osim jediničnog naponskog pojačanja specifičnosti ove konfiguracije su velika ulazna otpornost (ona potiče od velike ulazne otpornosti OP) i mala izlazna otpornost (R2||Rout, gde je Rout izlazna otpornost OP koja je takođe mala). Zbog toga ne bi trebalo da čudi što je alternativni naziv jediničnog pojačavača – bafer. U programiranju pojam bafera označava memoriju koja preuzima podatke od jednog procesa i daje ih nekom drugom procesu. Pri tome ne postoji nikakva veza između ova dva procesa tj. ne znaju za postojanje jedan drugog.

42


Slilka 2.14. Bafer ili jedinični pojačavač U elektronskim kolima bafer služi kao odvojni stepen što je rezultat njegovih već navedenih performansi (AV=1, Rul→∞, Rout→0). Sa velikom ulaznom otpornošću on može da se poveže na izlaz bilo kog kola, preuzme informaciju od njega pri tome ga ne opterećujući (odnosno ne remeteći radni režim tog električnog kola). Preuzetu informaciju on idealno prosleđuje dalje, jer je njegova izlazna otpornost izuzetno mala (setite se da je idealan generator predstavljen samo sa svojim simbolom, a da njegovu neidealnost predstavlja otpornost - što je ta otpornost veća to je veće odstupanje napona od njegove idealne vrednosti zbog pada napona na tom otporniku). Ako pogledamo otpornik R2 u negativnoj povratnoj sprezi vidimo da kroz njega ne prolazi struja zbog beskonačne ulazne otpornosti OP što znači da je on ovde nepotrebna komponenta tako da je konačna verzija bafera prikazana na slici 2.14. 2.2.4. DIFERENCIJALNI POJAČAVAČ Električno kolo koje je prikazano na slici 2.15. je složenije od prethodna dva primera. Tokom rešavanja složenijih lineranih kola sa OP (pa i ovog) poslužićemo se znanjem iz osnova elektrotehnike (teorema superpozicije) i rezultatima prethodna dva slučaja (invertujući i neinvertujući pojačavač). Interesuje nas kao i do sada kako izlazni napon Vo zavisi od ulaznih napona V1 i V2. Prinicipom superpozicije ćemo ovaj problem razbiti u dva jednostavnija: Vo kao funkcija V1 (V2=0) i Vo kao funkcija V2.

Slika 2.15. Pojačavač razlike ulaznih napona odnosno diferencijalni pojačavač Vo kao funkcija V1 (V2=0) Konfiguracija sa slike 2.15. se zamenom V2=0 svodi na konfiguraciju prikazanu na slici 2.16. Nadam se da vam je jasno da kroz otpornik R1||R2 ne teče struja (zbog beskonačne ulazne otpornosti OP) te da je V+ ulaz OP na masi odnosno jednak nuli. Kako je V1 ulazni napon koji je preko otpornika R1 povezan na V- ulaz OP trebalo bi da je jasno da je u pitanju konfiguracija invertujućeg pojačavača prikazana na slici 2.12. sledi da je na osnovu formule

43


Slika 2.16. Vo kao funkcija V1 (V2=0)

Slika 2.17. Vo kao funkcija V2 (V1=0) Vo kao funkcija V2 (V1=0)

Konfiguracija sa slike 2.15. se zamenom V1=0 svodi na konfiguraciju prikazanu na slici 2.17. Ako uporedimo sliku 2.17. i sliku 2.13. neinvertujućeg pojačavača možemo primetiti da je jedina razlika u položaju ulaznog napona. Da bi primenili formulu za naponsko pojačanje neinvertujućeg pojačavača neophodno je pronaći vrednost napona V+ u konfiguraciji prikazanoj na slici 2.17. Kako je ulazna otpornost OP beskonačno velika to struja koja teče iz pobudnog generatora V2 prolazi samo kroz otpornike R1 i R2 odnosno V2, R1, R2 i V+ formiraju naponski razdelnik na osnovu koga lako vidimo da je vrednost napona V+ sledećeg oblika:

Na osnovu formula je izlazni napon samo kao posledica ulaznog napona V2 oblika:

Vo konačno Primenom teoreme superpozicije i formula dobijamo zavisnost izlaznog napona od ulaznih naopona V1 i V2:

Na osnovu prethodne formule je jasno zašto se ovaj pojačavač zove diferencijalni pojačavač odnosno pojačavač razlike ulaznih napona.

2.3. ZADACI (UPOTREBA SIMULATORA MICROCAP 7) MicroCap 7 kao i bilo koji drugi simulator štedi vreme i novac jer omogućava da se uređaj projektuje i analizira bez njegove materijalne realizacije. Prikazaćemo njegovu upotrebu na jednom vama već poznatom primeru. 1. Pokrenite Mcap 7 pomoću prečice na desktopu 2. Opcijom File  Open, slika 2.18, otvorite fajl D:\Program Files\Mcap7\II godina\proba.cir. 3. Na slici 2.18(b) je prikazan izgled vašeg ekrana nakon otvaranja fajla proba.cir. Konfiguracija koja će biti podvrgnuta analizi od strane MCap7 je instrumentacioni pojačavač. Na radnoj površini pored električnog kola koje predstavlja instrumentacioni pojačavač je ispisana zavisnost izlaza od ulaznih napona VA i VB. Na osnovu brojčanih vrednosti otpornika dobijamo Vout=10 (VA-VB). 4. Da bi MCap iskoristili za dobijanje prenosne karakteristike odaberite opciju Analysis  DC... 5. Automatski se otvara prozor u kome su već urađena potrebna podešavanja, slika 2.19. Nas interesuje kao i uvek u slučaju pojačavačkih kola sa OP kakva je zavisnost Vout (Y Expression) od razlike ulaznih napona (VB-VA) (X Expression).

44


Slika 2.18 (a) MicroCap7 prozor Open

(b) otvoren fajl proba.cir

Slika 2.19. Prozor za podešavanje parametara DC analize

Slika 2.20. Rezultat DC analize Na slici 2.20. je prikazan rezultat pokrenute analize. Da bi očitali podatke od interesa moramo preći u kursor mod klikom na 4. ikonicu u drugom redu sa leve strane (zaokružena na slici 2.20) ili tasterom F8 na tastaturi. Nakon ulaska u mod za očitavanje podataka levim klikom miša postavimo levi kursor u linearni deo karakteristike. Isti postupak ponovimo za desni kursor sa desnim tasterom miša. Ispod grafika se nalaze podaci o lokacijama kursora, razlici njihovih međusobnih pozicija kao i o nagibu te promenljive u odnosu na x-osu. Interesuje nas naponsko pojačanje koje predstavlja nagib linearnog dela prenosne karakteristike. Kako je nagib prave definisan kao:

45


pojačanje Av bi mogli izračunati na osnovu podataka ispisanih ispod grafika. Jedno rešenje bi bilo da očitamo vrednost za svaku tačku ponaosob i da oduzmemo x i y vrednosti za dve na grafiku selektovane tačke (na osnovu formule za k). Bolji pristup je iskoristiti već izračunate razlike u delu Delta te je Av=14.652\1.465=9.999, ali najbolji iskoristiti direktno opciju Slope koja nam direktno daje nagib Vout u odnosu na VB-VA vrednosti 9.999 što je u stvari naponsko pojačanje AV. Odstupanje od predviđene vrednosti (10 vs. 9.999) je malo i posledica je upotrebe realnog modela OP.

2.4. ANALIZE U MICROCAP 7 U MicroCap 7 električna šema nije naš konačan cilj. Od interesa su nam rezultati simulacija odnosno odgovarajućih analiza električnih kola. Analize koje su nam na raspolaganju se nalaze u meniju Analysis, slika 2.21. Osnovne analize koje ćemo koristiti tokom ovog kratkog kursa MicroCap-a su tranzijentna, AC i DC analiza.

Slika 2.21. Vrste analiza 2.4.1. DC ANALIZA DC analiza odgovara jednoj tradicionalnoj laboratorijskoj analizi pri kojoj generatori priključeni na kolo daju samo jednosmerene vrednosti napona odnosno struje. Cilj analize je da se utvrde potencijali u čvorovima i struje u granama kola u slučaju takve pobude. Ovo je drugim rečima slučaj analize kola pri kom su kondenzatori izvađeni iz kola, induktivnosti kratko spojene, nezavisni naizmenični naponski generatori kratko spojeni, a nezavisni strujni strujni izvađeni. Jednosmerni nezavisni izvori (strujni i naponski) ostaju, kao i svi zavisni izvori. To odgovara zapravo nalaženju tzv. radnih tačaka komponenata (i kao takvo mora prethoditi AC analizi). Ipak, DC analiza ne služi samo za to. DC analiza ne znači obavezno apsolutno konstantne vrednosti ulaznih generatora. Za DC analizu važi i analiza pri kojoj se naponi generatora menjaju toliko sporo da struje odnosno naponi akumulacionih elemenata (induktivnosti i kapacitivnosti) mogu to da prate. Na ovaj način se obično snimaju prenosne karakteristike . 2.4.2. AC ANALIZA AC režim analize odgovara takvom merenju pri kom potencijale čvorova i struje elemenata određuju jednosmerni generatori na koje je kolo priključeno i time postavljaju radne tačke svih elemenata kola. Pored njih na ulaz kola dodaje se i generator sinusnog talasnog oblika veoma male amplitude. Cilj AC analize je da se odredi kako ovaj generator utiče na struje i napone u svim delovima kola. Obično se pri tom analizira odnos amplituda i fazna razlika naizmeničnih komponenata napona ili struje na izlazu kola i napona ili struje ulaznog sinusnog generatora. Mala amplituda ulaznog sinusnog napona neophodna je zbog toga što u elektronskom kolu ima nelinearnih elemenata. Da su amplitude veće, na izlaz kola bi dospeo nelinearno izobličen signal, odnosno pojavili bi se i viši harmonici ulaznog signala. AC analiza se od stvarne laboratorijske analize razlikuje u tome što se analiza prilikom simulacije ne sprovodi na osnovu modela komponenata za sve signale (režim velikih signala) nego na osnovu linearnih modela za male signale. Njihovi parametri se određuju linearizacijom karakteristika nelinearnih komponenata u okolini radne tačke (utvrđene prethodnom DC analizom). Na taj način, između ulaznog i izlaznog signala postoji samo linearna zavisnost. Rezultat analize obično daje odnos amplituda izlaznog i ulaznog signala ili njihovu faznu razliku. Pritom nas zanima kako se taj odnos i fazna razlika menjaju sa promenom frekvencije dok se amplituda i faza ulaznog signala ne menja. Zato simulator prilikom AC analize ne vrši proračune samo na jednoj frekvenciji, nego na više frekvencija, obično od neke početne frekvencije do krajnje koje proizvoljno zadajemo. Na osnovu izračunatog odnosa amplituda i fazne razlike obično se crta Bodeov ili Nyquistov dijagram. 2.4.3. TRANZIJENTNA ANALIZA

46


Ova analiza odgovara jednom laboratorijskom instrumentalnom merenju kada su ulazni signali elektronskog kola nekakve funkcije vremena. Tokom analize utvrđujemo kakve se struje (naponi) javljaju u granama (čvorovima) kola kao odziv na pomenute ulazne signale. Prilikom instrumentalnog merenja kao ulaz koristimo funkcijski generator, a kao uređaj za merenje koristimo osciloskop. Radi lakše uporedivosti odziva različitih kola i lakše ponovljivosti merenja, kao ulazni signal obično se koristi jedinična odskočna, nagibna ili impulsna funkcija. Kod simulatora njih dobijamo iz programljivih impulsnih generatora. Inače samo ime “tranzijentna analiza” upućuje na analizu prelaznih pojava u elektronskim kolima. Rezime: Tranzijentna analiza nam kao izlazni rezultat daje promenu signala (od interesa) u vremenu. AC analiza nam prikazuje ponašanje amplitude i faze signala (od interesa) u zavisnosti od frekvencije. DC analiza nam kao rezultat daje prikaz struja, napona u mirnoj radnoj tački. Takođe je pogodna za prikaz međusobne zavisnosti bilo koja dva signala odnosno dobijanje prenosnih karakteristika.

2.5. UTICAJI NA PRENOSNU KARAKTERISTIKU 2.5.1. UTICAJ NEIDALNOSTI OP NA PRENOSNU KARAKTERISTIKU OP Za električno kolo koje smo nacrtali proanaliziraćemo uticaj parametara OP na prenosnu karakteristiku celog električnog kola, prikazanog na slici 2.10. Za to će nam biti potrebna DC analiza i dodatna opcija Stepping. Pre bilo kakve analize da pomenemo gde se nalaze parametri koji su nam u ovoj analizi interesantni. Kliknite dva puta na simbol za OP u nacrtanoj električnoj šemi. Automatski se otvara prozor koji prikazuje osnovne parametre kao i nivo modela OP, slika 2.22. Ako želimo da u električnoj šemi prilikom simulacija koristimo model idealnog OP tada je LEVEL=1 a parametri OP koji se prilikom proračuna uzimaju u obzir su A (pojačanje OP u otvorenoj petlji), ROUTDC (izlazna otpornost OP pri DC analizi), ROUTAC (izlazna otpornost pri AC analizi). Ako niste sigurni šta koja skraćenica parametra znači pokažite kursorom na njega i u dnu prozora će vam se dati njegovo kratko objašnjenje, slika 2.22. informacija za VOFF.

Type

Level Voff

Ioff

Slika 2.22. Parametri i nivo modela OP Kad pravimo realan uređaj tad koristimo realne modele komponenti. Za OP ti modeli su trećeg nivoa odnosno LEVEL=3, kao što je prikazano na slici 2.22. Ovi modeli nastoje da što bolje prikažu realno ponašanje OP te uzimaju u obzir sve prikazane parametre (složeno ponašanje neophodno je opisati sa složenijim modelom sa više parametara). U našoj analizi želimo da pogledamo uticaj parametara VOFF i IOFF odnosno naponskog i strujnog ofseta. U slučaju idealnog OP ti parametri bi bili jednaki nuli. Međutim kako je prlikom proizvodnje izuzetno teško napraviti

47


komponente koje su potpuno potpuno iste (uparene) tada kao posledica te neuparenosti nastaje VOFF i IOFF različiti od nule. MicroCap će nam prikazati kako se ta neidealnost odražava na prenosnu karakteristiku. Idealizujumo OP što možemo više sa stanovišta neuparenosti odnosno upišimo VOFF=0 i IOFF =0. • Odaberite Analysis  DC. Automatski se otvara prozor, slika 2.23, u kome su za vas već postavljeni parametri analize. • Za Variable 1 odnosno izvor koji se menja iz padajućeg menija ispod Name izaberite Vin (jer želite da dobijete prenosnu karakteristiku električnog kola). Unesite opseg promene od -50mV do 50mV sa korakom od 5mV. To sve je upisano u prozoru ispod Range. • Za X Expression ostavite DCINPUT1 jer se to odnosi na Vin a u Y Expression polje unesite oznaku za izlazni čvor OP. Kliknite desnim klikom u to polje i pogledajte šta sve MCap može da prikaže (napon čvorova, napon, struje i snaga komponenti...), slika 2.24. Izlazni napon OP možete predstaviti na nekoliko načina: kao napon čvora na kojem stoji oznaka Vout odnosno V(Vout), kao napon čvora 6 odnosno V(6), slika 2.10. ili kao izlaz OP Vout (OP). Odlučite se za varijantu koja vam odgovara.

Slika 2.23. Prozor za podešavanje DC analize

Slika 2.24. Izbor promenljivih za DC analizu u MicroCap7 2.5.2. UTICAJ Voff NA PRENOSNU KARAKTERISTIKU Kliknite na taster Stepping. Automatski se otvara prozor prikazan na slici 2.25. Cilj nam je prikazati kako promena VOFF utiče na prenosnu karakteristiku. Ukoliko menjate parametre komponente odnosno ukoliko je Parameter Type postavljen na Component tada menjamo parametar jedne od više komponenti (u drugom slučaju Parameter TypeModel imamo manji izbor Step What). Zbog toga u prvo polje Step What sa padajuće liste biramo OP, a u drugom polju VOFF. Da ne bi za svaku vrednost VOFF menjali parametre OP i pokretali DC analizu elegantniji način je pozvati opciju Stepping i u njoj uneti sve napone VOFF od interesa.

48


Slika 2.25. Stepping prozor Ukoliko je metod variranja parametra od interesa List tada u polje From uneti tu listi. Ukoliko je metod promene parametra linearan (što je najčešći slučaj) tada u polje From uneti vrednost -1m u To vrednost 1m i u Step Value vrednost 1m, kao što je prikazano na slici 2.26. Potvrdite aktivnost Stepping prozora u polju Step It=Yes. Na ovaj način smo podesili da se VOFF parametar OP menja od -1mV do 1mV sa korakom od 1mV.

Slika 2.26. Stepping prozor • Pokrenite DC analizu tasterom F2 sa tastature ili aktiviranjem ikonice sa linije alata. Rezultat analize je prikazan na slici 2.27. Sva tri prethodno navedena segmenta su prisutna. Linearna oblast je proširena što je posledica negativne povratne sprege. • Na grafiku su vidljive tri prenosne karakteristike nacrtane za tri različita napona VOFF • U modu ste za reskaliranje (u koji eventualno možete ući sa F7 ili ikonicom u liniji alata). Zaokružite oblast oko koordinatnog početka koja nas interesuje. • Uđite u kursor mod kako bi očitali podatke koji nas interesuju. Situacija bi trebala nakon ovih akcija biti kao na slici 2.28. • Primećujemo da je trenutno aktivna donja prava pri kojoj je vrednost VOFF=-1mV što je vidljivo iz zaglavlja grafika PRVI.CIR OP.VOFF=-1m. • Promena karakteristike se može postići strelicama gore/dole sa tastature. Prebacite se na karakteristiku VOFF=0mV. Karakteristika teži električnom kolu sa idealnim OP odnosno prolasku kroz koordinatni početak.

49


Slika 2.27. Prenosna karakteristika električnog kola prikazanog na slici 2.10. pri promeni napona VOFF OP od -1mV do 1mV sa korakom 1mV

Slika 2.28. Uvećan deo karakteristika u okolini koordinatnog početka • Postavite kursor na poziciju X=0 da vidite da li je efekat neuparenosti komponenti prisutan. To u kursor modu možete odraditi ručno ali je daleko elegantnija opcija sa ikonicom odnosno Go To X (Shift+Ctrl+X ). Automatski se otvara rozor prikazan na slici 2.29. Pored ikonice za Go To X se nalazi opcija Go to Y ( ili Shift+Ctrl+Y) koju ste takođe mogli upotrebiti da proverite gde je koordinatni početak u odnosu na prenosnu karakteristiku, slika 2.30. U prozor Value upišite vrednost za koju vas interesuje Y odnosno X vrednost signala (očitano postavljanjem levog odnosno desnog kursora).

50


Slika 2.29. Go To X opcija

Slika 2.30. Go To Y opcija

• Sa Go To X smo očitali koordinate (0, 0.010) što znači da ofset odnosno neuparenost još uvek postoji. Osim VOFF i IOFF i drugi parametri OP utiču na pomeraj preseka sa nulom karakteristike iz koordinatnog početka. • Proverimo gde je Y=0 za preostale dve krive. Povežite te podatke sa vrednostima VOFF. Kako je okrenuta baterija koja se nalazi sakrivena unutar OP simbola na V+ grani? Da li se dodaje Vin ili od njega oduzima? Pogledajte gde se nalazi presek karakteristike sa x-osom odnosno kolika je vrednost Vin neophodna da neutrališe uticaj VOFF odnosno kada OP smatra da je na ulazu napon nula. (Odgovor: Vin+VOFF jer je za VOFF=-1m presek sa x-osom pri Vin=1mV) 2.5.3. UTICAJ Vos NA PRENOSNU KARAKTERISTIKU Aktivirajte prozor Stepping (sa F11 ili iz DC analysis prozora ili sa ikonicom iz linije menija). Deaktivirajte promenu VOFF napona sa Step It=No. Pređite na drugi prazan prozor i popunite podatke za VOS kao na slici 2.31.

Slika 2.31. Stepping funkcija za analizu uticaja VOS na prenosnu k-ku • Pokrenite DC analizu tasterom F2 sa tastature ili aktiviranjem ikonice sa linije alata. • Za sva tri napona pogledajte gde se nalazi presek karakteristike sa x-osom. • Procenite da li je vaš zaključak iz prethodne analize OK. 2.5.4. UTICAJ R1 (IBIAS) NA PRENOSNU KARAKTERISTIKU Aktivirajte prozor Stepping. Deaktivirajte promenu VOS napona sa Step It=No. Pređite na drugi prazan prozor i popunite podatke za otpornost R1 kao na slici 2.32.

Slika 2.32. Stepping funkcija za analizu uticaja R1 na prenosnu k-ku • Pokrenite DC analizu. • Uvećajte deo oko koordinatnog početka i uđite u kursor mod za očitavanje podataka. Šta bi sada mogao biti uzrok ovog pomeraja kada su VOFF, VOS i IOFF postavljeni na nulu? Treba primetiti da se promenom otpornika R 1 menja situacija u električnom kolu što znači da kroz R1 teče struja. U slučaju idealnog OP smo smatrali da je ulazna otpornost

51


beskonačna i da je ulazna struja nula. U slučaju realnog OP to nije slučaj. Struja koja teče kroz R 1 je struja polarizacije IBIAS. Promenom IBIAS u šemi OP pogledajte kako se menja položaj preseka sa x-osom. 2.5.5. KONFIGURACIJA INVERTUJUĆEG POJAČAVAČA SA OP • Otvorite novi šematik fajl u vašem direktorijumu (npr. invpoj.cir *.cir as circuit). • Nacrtajte električno kolo prikazano na slici 2.33(a). Ukoliko MicroCap7 nije automatski dodato napajanje na mestu VE i VC dodajte baterije od -15 odnosno 15V. • Za model OP izaberite već korišćeni LM741. Ne menjajte njegove k-ke. • Pokrenite DC analizu. • Popunite prozor za DC analizu na način prikazan na slici 2.33(b). • Rezultat analize je prikazan na slici 2.34.

Slika2.33. (a) Invertujući pojačavač sa OP naponskog pojačanja Av=-R2/R1

(b) Prozor za definisanje DC analize

Slika 2.34. Prenosna karakteristika invertujućeg pojačavača prikazanog na slici 2.33(a) • Kolike su granice linearnog režima rada ovog pojačavača? Kako do njih doći bez očitavanja sa grafika? (R: ±13,947/9,999). • Zamenite bateriju Vin na ulazu pojačavača sinusnim generatorom Vin. Modifikovana šema je prikazana na slici 2.35, dok je polazni model sinusnog generatora (npr. 1MHZ) prikazan na slici 2.36(a). Ukoliko neki od parametara ponuđenog modela ne odgovaraju zgodno je definisati novi model sinusnog generatora opcijom New (naziva npr. IIGOD). Promenu frekvencije sinusnog generatora sa 1MEGHz (vodite računa da MCap kao SPICE orjentisan program nije CASE SENSITIVE odnosno mHz i MHz je za njega miliHz, a za mega koristimo oznaku Meg) na 10MHz unosite

52


u polje F, slika 2.36(b). U polje A se unosi vrednost amplitude sinusnog generatora, u DC jednosmerna vrednost generatora, PH fazni pomeraj signala, RS otpornost koja opisuje neidealnost sinusnog generatora. • TAU (exponential time constant) i RP (repetion period of exponential) imaju veze sa prigušenim sinusoidama što je jasnije iz načina na koji MCap definiše sinusni generator: if TAU=0 then V=A*sin(2*PI*F*TIME+PH)+DC else V=A*exp(-T/TAU)*sin(2*PI*F*TIME+PH)+DC where T=TIME mod RP RP must be specified for TAU to have an effect.

Slika 2.35. Invertujući pojačavač

Slika 2.36 (a) Prozor MCap modela sin generatora 1MHz

(b) prozor modela sin generatora IIgod

Odaberite opciju Analysis  Transient. Automatski se otvara prozor za podešavanje parametara analize. Popunite polja u skladu sa slikom 2.37. Interesuje nas promena pobudnog (čvor 3) i izlaznog signala (čvor 5) u vremenu. Ta podešavanja se unose u polja Y Expression. Grafici za ove signale su različiti što se vidi ispod polja P (od Plot). Kako je pobudni signal frekvencije 1kHz bilo bi dobro sagledati u nekoliko perioda ponašanje celog pojačavača sa OP. Perioda pobudnog signala je 1/kHz=1msec. Kao Time Range je odabrano 10m kako bi se videlo 10 perioda pobudnog signala. Opcija Auto Scale Ranges je uključena. Opcijom Run pokrenite analizu. Aktivirajte ikonicu Data points. Na signalima koji su rezultat tranzijentne analize, prikazano na slici 2.38(a), pogledajte gde se nalaze tačke koje je proračunao MicroCap. • Sinusni generator ne deluje kao sinus jer je gruba promena između njegovih “susednih” tačaka. Problem leži u vrednosti Maximum Time Step-a. • Definisanje Maximum Time Step-a koje pronalazite korišćenjem opcije Help  Contents  Index  Maximume Time Step  Transient Analysis Limits dialog box.

53


Slika 2.37. Prozor u kome se podešavaju parametri tranzijentne analize

Slika 2.38(a) Rezultati tranzijentne analize za kolo prikazano na slici 2.35. za difolt vrednost Maximum Time Step-a

Slika 2.38(b) Rezultati tranzijentne analize za kolo sa slike 2.35. za korigovanu vrednost Maximum Time Step-a Maximum Time Step: This field specifies a maximum time step for the run. Micro-Cap will choose as large a time step as possible, consistent with maintaining the specified error tolerance, RELTOL. Error tolerance is primarily determined by monitoring the time rate of change of the charge and flux. For circuits containing capacitance or inductance, the time step control routine will eventually increase the time step to the specified Maximum Time Step value. By selecting a

54


small Maximum Time Step value, more data points are produced and hence smoother waveforms are generated. This does not necessarily imply greater accuracy, just smoother waveforms. Accuracy is controlled by the internal LTE (Local Truncation Error) time step control algorithms. The default value for Maximum Time Step is (tmax-tmin)/50. • Difolt vrednost u ovom slučaju je 10m/50=0.2m. Iako nije unesena u prozor Maximum Time Step ona se podrazumeva. (Ako ne verujete unesite videćete da promene u rasporedu i broju izračunatih tačaka nema) • Trebalo bi nam bar 5-10 puta više tačaka odnosno vrednost Maximum Time Step-a treba podesiti na bar 0.04m. Promenite vrednost ovog parametra i ponovo pokrenite tranzijentnu analizu. Rezultati su prikazani na slici 2.38(b). • Isključite opciju Data points. • Da li je kolo linearno? Na osnovu čega ste to mogli i ranije proceniti? • Opcijom Stepping promenite vrednost amplitude A sinusnog generatora IIgod kako bi proverili svoja zapažanja (npr. slika 2.39).

Slika 2.39. Promena amplitude sinusnog generatora

2.6. POJAČAVAČKA KOLA U praksi je veoma čest slučaj da korisni signal promenljive amplitude i polariteta treba pojačati. Pod pojačanjem se, matematički gledano, podrazumeva množenje signala konstantom većom od jedan. To znači da se vremenska zavisnost signala ne menja, već samo veličina njegove amplitude. U ovakvom konceptu pojačanja podrazumeva se linearnost pojačavačkog kola. Tranzistor pokazuje pojačavačka svojstva, jer male promene bazne struje izazivaju hfe puta veće promene kolektorske struje. Interesantno nam je pojačavačko kolo poznato pod nazivom stepen sa zajedničkim emiterom, slika 2.40, koje ćemo analizirati pomoću MC7. Ako pogledamo prikazano električno kolo vidimo da je pobuda na bazi, a potrošač na kolektoru, odnosno da je emiter zajednička elektroda za ulaz i izlaz. Odatle i naziv pojačavačkog kola - stepen sa zajedničkim emiterom.

Slika 2.40. Stepen sa zajedničkim emiterom Pomoću jednosmernih baterija i otpornika bipolarni tranzistor se polariše postavljanjem mirne radne tačke u željeni položaj u polju statičkih karakteristika. Time se tranzistor postavlja u aktivni režim rada u kome ima približno linearne karakteristike i pokazuje pojačavačka svojstva. Na vežbama iz Uvoda u Elektroniku ste proračunavali položaj mirne radne tačke Q. Mi ćemo ponoviti taj proračun kako bi nakon simulacija u MC7 mogli uporediti rezultate. 2.6.1. POLOŽAJ MIRNE RADNE TAČKE STEPENA SA ZAJEDNIČKIM EMITEROM Za kolo prikazano na slici 2.40. odrediti položaj mirne radne tačke Q ako su dati podaci: VCC=30V, Rg=1k, R1=43k, R2=110k, Re=500Ω, Rp=2k, Rc=1k, hfetip=290, hfemin=200, hfemax=450, VBE=0,6V Da bi odredili položaj mirne radne tačke moramo proračunati odgovarajuće napone i struje u režimu u kome su prisutne samo jednosmerne pobude (DC =Direct Current). To je DC režim rada.

55


U DC režimu naizmenični izvori ne postoje te ih izbacimo ako su prisutni u polaznoj šemi, slika 2.40. Naizmenični strujni izvor zamenimo prekidom (strujni izvor 5mA sin(ωt) izbacimo tako što ga svedemo na 0A čije ponašanje opisuje prekid) a naizmenični naponski izvor kratkim spojem (naponski izvor 5mV sin(ωt) izbacimo tako što ga svedemo na 0V čije ponašanje opisuje kratak spoj). Osim naizmeničnih izvora problematični su i elementi čije se ponašanje menja u zavisnosti od frekvencije signala u električnom kolu kao što su kondenzator i kalem. Podsetimo se modula impedanse kondenzatora |ZC| i kalema |ZL|: |ZC|=1/ωC |ZL|=ωL. Iz formula se vidi promena modula impedanse kondenzatora i kalema sa promenom frekvencije. U DC režimu je frekvencija nula. Vrednost modula impedansi kalema i kondenzatora u DC režimu je tada |ZL|=0 i |ZC|=∞. Na osnovu Omovog zakona pišemo: |Z|=|U/I| gde je U napon na impedansi Z, a I struja koja teče kroz impedansu Z. Možemo zaključiti da je kalem u DC režimu modelovan kratkim spojem jer je |ZL|=|U/I|=0 odnosno U=0 što je napon na krajevima kratkog spoja. Razmislimo kako bi do ovog zaključka mogli doći na osnovu znanja iz Osnova Elektrotehnike. Komponente kao što su kalem i transformator postoje jedino u slučaju prisutnog promenljivog elektromagnetnog polja. Ako tog polja nema (samo konstantne pobude, nema dinamike u električnom kolu) kalem će se svesti na ono što zaista jeste, a to je komad žice (da budemo precizniji namotan komad žice odnosno kratak spoj. U DC režimu je kondenzator modelovan prekidom. Moduo impedanse konenzatora je |ZC|=∞=|U/I| i struja I koja teče kroz kondenzator je nula kao što je slučaj kod prekida. Kako smo do istog zaključka mogli doći na osnovu znanja iz Osnova Elektrotehnike? Šta se dešava sa kondenzatorom u DC režimu. Struja teče samo u jednom smeru. Kondenzator se nakon izvesnog vremena napuni (naelektrisanjem) i kroz njega više ne teče struja. Zaključujemo da je u DC režimu kondenzator zamenjen prekidom. Kondenzatori i kalemovi su akumulacioni elementi koji akumulišu energiju. Kondenzator akumuliše energiju u DC režimu pa se stoga može njegovo ponašanje modelovati prekidom jer na sebe preuzima svu energiju i prekida strujni tok u grani u kojoj se nalazi. Nakon što se u električnom kolu pojačavača prikazanog na slici 2.40. izvrše potrebne izmene specifične za DC režim rada dobijamo električnu šemu, prikazanu na slici 2.41. Ukoliko na linearan deo kola (R1, R2, VCC) primenimo Tevenenovu teoremu tada je električno kolo dodatno pojednostavljeno, prikazano na slici 2.42. Vrednosti Tevenovih ekvivalenata su dobijene na osnovu formula:

odnosno:

Slika 2.41. Električno kolo pojačavača koje se koristi prilikom DC analize

Slika 2.42. Električno kolo koje se koristi prilikom DC analize nakon primenjene Tevenonove teoreme

Pretpostavite da je bipolaran tranzistor u aktivnom režimu. U tom slučaju za njega važe sledeće jednačine: IC=hfeIB i VBE=0.6. Ove jednačine predstavljaju model bipolarnog tranzistora i da bi važile moraju se zadovoljiti određeni uslovi: VCE>0.2 i IB>0. Ako primenite II Kirhofov zakon u konturi I dobijate sledeću jednačinu:

56


Pod pretpostavkom da je bipolaran tranzistor u aktivnom režimu, na osnovu prethodne jednačine dobijate vrednost bazne struje IB:

Ukoliko primenite II Kirhofov zakon u konturi II dobijate sledeću jednačinu:

Proveravamo da li je tranzistor zaista u aktivnom režimu odnosno treba proveriti uslove važenja modela (tj. da li ste dobro pretpostavili i da li ste zaista u tom režimu i da li će vrednosti koje proračunate zaista biti vrednosti koje bi se dobile u realnom kolu) odnosno VCC>VCE>0,2 i IB>0. Iz rezultata formula vidimo da je bipolarni tranzistor zaista u aktivnom režimu. Tek sada izračunavate preostale napone i struje potrebne za određivanje položaja mirne radne tačke. Na osnovu gore navedene pretpostavke i jednačina dobijate vrednost struje kolektora:

Mirna radna tačka na ulaznom delu karakteristike je Q (VBE=0.6, IB=44.38μ). Mirna radna tačka na izlaznom delu karakteristike je Q (VCE=10.69, IC=12.87m). 2.6.2. AC ANALIZA STEPENA SA ZAJEDNIČKIM EMITEROM Nakon što je urađena DC analiza pojačavača trebalo bi da se proračunaju parametri AC analize odnosno parametri koji karakterišu pojačavač u bliskoj okolini mirne radne tačke Q. Naizmenični signali (AC=Alteranting Current) su izuzetno mali tako da se radna tačka kreće po malom linearnom segmentu globalno nelinearne karakteristike bipolarnog tranzistora. Na ovaj način je jedini neliearni element stepena sa zajedničkim emiterom (što je bipolaran tranzistor) u okolini mirne radne tačke linearizovan i predstavljen modelom prikazanim na slici 2.43.

Slika 2.43. Model malih signala za bipolaran tranzistor Odrediti AC parametre stepena sa zajedničkim emiterom kao što su naponsko pojačanje Av, ulazna Ri i izlazna otpornost Ro ako je hfe=290. Pojačavač je prikazan na slici 2.40, a brojčani podaci su isti kao i za DC analizu. Zašto je neophodno pre AC anlaize odrediti položaj mirne radne tačke Q odnosno uraditi DC analizu električnog kola od interesa? Zato što nam ona daje podatke o mirnoj radnoj tački oko koje se radna tačka pojačavača kreće. Ti podaci su u AC model bipolarnog tranzistora ugrađeni preko hie=VT/IBQ= hfeVT/ICQ gdje je VT termički napon vrednosti 25.6mV na sobnoj temperaturi a IBQ i ICQ bazna i kolektorska struja u mirnoj radnoj tački Q. Grubo gledano ako želimo da kao rezultat AC analize dobijemo vrednost pojedinih parametara iz električne malosignalne šeme svi delovi električnog kola (pa i hie) nam moraju biti poznati. Pre nego nacrtamo šemu stepena sa zajedničkim emiterom u AC režimu pogledajmo šta se dešava sa komponentama. U AC režimu su u kolu samo naizmenični signali što znači da jednosmerni izvori nisu dopušteni u šemi odnosno naponski izvor je zamenjen kratkim spojem dok je strujni izvor zamenjen prekidom (istom logikom kao i ranije). Šta se dešava sa frekvencijski zavisnim komponentama kao što su kalem i kondenzator. Posmatraćemo situaciju u kojoj je frekvencija izuzetno velika. To nije uvek slučaj ali mi posmatramo krajnji kako bi pojednostavili prikaz kalema i kondenzatora. Taj nivo rešavanja električnih kola je prilagođen II godini studija. Moduo impedanse kondenzatora je u tom slučaju |ZC|=1/ωC =1/2πfC=1/∞=0=u/i. Možemo zaključiti da je napon na kondenzatoru nula odnosno da je kondenzator u AC režimu zamenjen kratkim spojem. Kondenzator akumuliše energiju u jednosmernom režimu dok u naizmeničnom ukoliko su frekvencije velike ne može stići da se prilagodi promeni pobudnog signala. Kao rezultat, kondenzator promenljiv signal propušta ka ostatku kola. Da bi vam ova tvrdnja bila jasnija prisetite se jednačine iz Osnova Elektrotehnike,

57


gde je C kapacitivnost kondenzatora, uC napon na krajevima kondenzatora, iC struja koja teče kroz kondenzator. Diferencijal u jednačini govori da je nagla promena napona uC na krajevima moguća samo u slučaju velikih struja koje teku kroz njega. Želimo da u prelaznim procesima teku što manje struje kako bi potrošnja bila što manja. Stoga je velika struja kroz kondenzator odnosno velike promene napona na kondenzator u kratkom vremenskom intervalu rezultat havarije (a vrlo retko projektantove želje). Moduo impedanse kalema je |ZL|=ωL =2πfL=∞=u/i, odnosno kroz kalem teče nulta naizmenična struja.Kalem u AC režimu zamenjujemo prekidom. Do istog zaključka ste mogli doći na sledeći način. Kalem je komponenta koja je nešto više od komada žice samo u naizmeničnom režimu. U tom režimu kalem akumuliše energiju. Šta kalem govori ostatku kola: ja akumulišem i u sebe preuzimam svu AC energiju. U grani sa kalemom ne teče naizmenična struja jer se on opire promeni struje (Osnove Elektrotehnike)

pa ga u AC režimu rada zamenjujemo prekidom (jer je AC struja nula) ukoliko je prisutan u kolu. Ukoliko uvedemo sve gore navedene izmjene malosignalna šema za stepen sa zajedničkim emiterom je prikazana na slici 2.44. Otpornosti R1.2=R1||R2, Rpc=Rp||Rc.

Slika 2.44. Ekvivalentna šema za male signale stepena sa zajedničkim emiterom Primenom Tevenenove teoreme (na deo obeležen osenčenim kvadratom) možemo dodatno pojednostaviti šemu, slika 2.45. Izrazi za odgovarajuće Tevenenove ekvivalente su:

Slika 2.45. Ekvivalentna šema za male signale stepena sa zajedničkim emiterom nakon primene Tevenenove teoreme Određivanje naponskog pojačanja celog električnog kola Av=vo/vg Ako želimo naći naponsko pojačanje tada je potrebno naći odnos izlanog napona vo i pobudnog generatora vg odnosno Av=vo/vg . Na osnovu konture I izlazni napon je oblika:

Na osnovu II Kirhofovog zakon primenjenog na ulazni deo ekvivalentne šema za male signale prikazane na slici 2.45. dobijamo izraz za struju baze ib prvo kao funkciju napona vgt a nakon toga kao funkciju pobudnog generatora vg.

58


Zamenom prve formule u drugu dobijamo vezu izlaznog i ulaznog napona:

Jednostavnim sređivanjem prethodne jednačine dobijamo izraz za naponsko pojačanje:

gde je

Određivanje ulazne otpornosti pojačavačkog stepena Ri Ulazna otpornost pojačavača Ri je otpornost koja se „vidi” na fizičkom ulazu pojačavačkog stepena, na slici 97. i slici 98. Ukoliko je očitavamo nakon komponenti vg i Rg, ulazna otpornost je Ri=R1.2||hie≈hie. Ukoliko ulaznu otpornost očitavamo nakon generatora vgt tada je ona oblika Ri=Rgt+hie=Rg||R1||R2+hie≈hie. Određivanje izlazne otpornosti pojačavačkog stepena Ro Izlazna otpornost pojačavačkog stepena Ro je otpornost koju vidi potrošač Rp priključen na izlaz pojačavačkog kola. Nepoznata otpornost Ro se određuje na osnovu Omovog zakona (odnosa napona i struje). Kako je u pitanju linearno kolo na taj način Ro se određuje kao Tevenenov ekvivalent otpornosti. Svi nezavisni izvori su isključeni (naponski izvori KS a strujni izvori zamenjeni prekidom) jer bi u protivnom dobili pogrešnu infomaciju o naponu i struji od interesa. Strujni izvor hfeib zavisi od bazne struje ib i kao takav ne podleže eliminaciji iz električnog kola pri proračunu Tevenenovog ekvivalenta. Šema za proračun izlazne otpornosti sa test generatrom je prikazana na slici 2.46.

Slika 2.46. Malosignalna šema stepena sa zajedničkim emiterom pri proračunu izlazne otpornosti pojačavačkog stepena Izlaznu otpornost pojačavačkog stepena definišemo na sledeći način:

Zadatak bismo mogli pojednostaviti ukoliko pogledamo koliku otpornost vidi test generator vt . Po njemu je izlazna otpornost pojačavačkog stepena, gde je RY otpornost paralelno vezana otporniku RC, označena na slici 2.46.

59


Slika 2.47 Malosignalna šema potrebna prilikom određivanja otpornosti RY Problem izlazne otpornosti pojačavačkog stepena se svodi na problem određivanja RY. Malosignalno kolo u kojem pokušavamo odrediti Tevenenov ekvivalent otpornosti je jednostavnije, prikazano na slici 2.47. Na osnovu vrednosti napona test generatora vY i struje koja teče kroz test generator iY primenom Omovog zakona dobijamo vrednost otpornosti Očigledno je Što se tiče napona vY nemoguće je naći konturu u kojoj bi on bio jedini nepoznat napon. Primenom II Kirhofovog zakona u konturi I dobijamo gde je vce napon na strujom kontrolisanom strujnom generatoru. Napon vce je nepoznata veličina koja se ne može izračunati ni iz jedne druge konture što se može videti ako primenite II Kirhofov zakon u konturi II.

Napon vbc je nepoznata veličina kao i vY (za struju baze ib smatramo da je pomoćna promenljiva). Ponovo imamo jednu jednačinu a dve nepoznate  ne možemo vY eksplicitno izraziti kao funkciju ib. Primenom II Kirhofovog i Omovog zakona u konturi III dobijamo

Proizvod dva broja jednak je nuli ako je bar jedan član proizvoda jednak nuli. Kako su otpornosti u kolu pozitivne veličine tada je

Na ovaj način smo dobili da je izlazna otpornost pojačavačkog kola RC. Na osnovu znanja Osnova Elektrotehnike smo mogli zaključiti isto na sledeći način. Ako pogledamo model malih signala bipolarnog tranzistora, slika 2.43, možemo primetiti da je model unilatelaran. Tok signala u modelu je s leva na desno odnosno nema povratnog uticaja kolektorsko-emiterskog dela modela bipolarnog tranzistora na bazno emiterski pn-spoj. Ako pogledamo malosignalnu šemu prikazanu na slici 2.46. možemo primetiti da je eliminisanjem pobudnog nezavisnog generatora vg eliminisan (u ovom električnom kolu) jedini mogući izvor struje ib odnosno da je ib=0. Sledi da je hfe ib=0 što u malosignalnoj šemi modelujemo prekidom. Možemo zaključiti da test generator vt vidi otpornost RC||∞= RC. 2.6.3. MICROCAP ANALIZA STEPENA SA ZAJEDNIČKIM EMITEROM Stepen sa zajedničkim emiterom

60


Nacrtati šemu stepena sa zajedničkim emiterom prikazanim na slici 2.48. Prilikom crtanja komponenti unesite njihove vrednosti, navedene na šemi. Naknadni unos i izmena parametara komponenti je moguća otvaranjem prozora sa karakteristikama komponente duplim klikom na komponentu. Prilikom povezivanja komponenti vodite računa o položaju čvorova.

Slika 2.48. Jednostepeni pojačavač sa zajedničkim emitorom Opcijom New napravite novi model NPN tranzistora naziva Personal u kome je potrebno uneti vrednost parametra BF (Forward Beta)=290 jer je taj parametar upravo hfe. Za model sinusnog generatora odaberite 1MHz. Promenite naziv generatora u vg. Definisanje parametara tranzijentne analize Pokrenite tranzijentnu analizu izborom opcije Analysis  Transient ili Alt+1. Automatski se otvara prozor na slici 2.49. Upisati vrednosti za vremenski opseg tranzijentne analize (Time Range), maksimalni korak (Maximum Time Step) i temperaturu (Temperature), slika 2.49. Vrednost maksimalnog koraka (1n) ne sme biti ni suviše velika (oblik signala koji se prikazuje je grub) niti suviše mala (opterećuje resurse dodeljene MC7 tj. proračun i crtanje grafika može oduzeti previše vremena).

Slika 2.49. Prozor u kome se podešavaju parametri tranzijente analize Opcijom Run Options definišete da li je vaša simulacija sačuvana na disk. Run Options Normal izvršava simulaciju bez njenog čuvanja na disku. Run Options Save izvršava simulaciju uz njeno čuvanje na disku (*.TSA). Run Options Retrieve učitava prethodno sačuvanu simulaciju (*.TSA) kao da je to nova simulacija. Promenljive stanja (State Variables) su inicijalno postavljene na nulu. Aktiviranjem tastera F12 automatski se otvara prozor State Variables Editora u kome se nalaze vrednosti promenljivih stanja (naponi čvorova, struje kalemova...). Promena promenljivih stanja se može posmatrati tokom trajanja tranzijentne analize. State Variables Read učitava prethodno sačuvane vrednosti promenljivih stanja (sačuvano opcijom Write u State Variables Editoru, *.TOP). Opcijom State Variables Leave promenljive stanja zadržavaju poslednje vrednosti. Ako prvi put pokrećemo simulaciju tada su vrednosti promenljivih stanja nule. Ako ste završili analizu bez povratka u Schematic Editor tada su to vrednosti dobijene na kraju analize. U slučaju da smo odabrali opciju Operating Point Only tada su vrednosti promenljivih stanja upravo vrednosti u mirnoj radnoj tački Q. DC režim

61


Selektovana opcija Operating Point omogućava određivanje napona i struja u mirnoj radnoj tački. Kao polazna osnova se koriste inicijalne promenljive stanja. Proračunavaju se nove promenljive stanja kao odgovor električnog kola na sve pobude u T=0. Ova opcija omogućava MC7 da proračuna polaznu tačku za tranzijentnu analizu. Selektovana opcija Operating Point Only omogućava samo proračun položaja mirne radne tačke. Tranzijentna analiza nije urađena. Rezultat ove analize se vidi u State Variables Editoru, slika 2.50(a), ili povratkom u Schematic Editor selektovanjem ikonice Node Voltages iz linije sa alatima, slika 2.50(b). Da bi mogli uporediti ove dve slike selektujte ikonicu Node Numbers iz linije sa alatima kako bi oznake čvorova postale vidljive.

Slika 2.50. Vrednost napona u mirnoj radnoj tački (a) u State Variables Editoru (b) u Schematic Editoru Ako želimo proveriti prethodno izračunate vrednosti promenljivih koje definišu položaj mirne radne tačke Q rezultati prikazani na slici 2.50. nam mogu pomoći. Bolje rešenje je otvoriti u folderu Data (na disku gde je MC7 instaliran) naziv_fajla. TNO (transient numerical output), slika 2.51. U pripremi za vežbu ste izračunali Qul (VBE=0.6, IB=44.38μ) i Qiz (VCE=10.69, IC=12.87m). Uporedite te vrednosti sa vrednostima koje je izračunao MC7. Primećujemo dobro slaganje rezultata. Tokom ad hoc izračunavanja koristimo pojednostavljen, linearizovan model bipolarnog tranzistora koji je daleko jednostavniji od SPICE MC7 modela. Zbog toga su rezultati dobijeni MC7 analizom tačniji. Selektujte opciju za automatsko reskaliranje prikazanog opsega (Auto Scale Ranges). Na dva odvojena grafika (upišite redni broj grafika desnim klikom miša na prazno mesto ispod P) predstavite napon pobudnog generatora i izlazni napon (desni klik na Y Expression, odaberite opciju Variables  Device Voltages ili ako su na šemi prikazani čvorovi opcijom Variables  Node Voltages). Opcije X Range i Y Range označavaju opsege prikaza rezultata simulacije za promenljive selektovane u prozoru X- i Y- Expression ukoliko nije selektovana Auto Scale Ranges Opcija. Deselektujte Operating Point Only i selektujte Operating Point opciju.

Slika 2.51. *.TNO fajl u kome se nalaze vrednosti napona i struja u mirnoj radnoj tački Q Rezultati tranzijentne analize za stepen sa zajedničkim emiterom

62


Svi parametri tranzijentne analize su uneseni. Pokrenite analizu opcijom Run ili sa F2. Rezultati su prikazani na slici 2.52. Za stepen sa zajedničkim emiterom je karakteristično da jedino ova pojačavačka konfiguracija (u odnosu na konfiguracije sa zajedničkom bazom i zajedničkim kolektorom) ima negativno naponsko pojačanje. Pojačavač koji analiziramo predstavlja invertujuću pojačavačku konfiguraciju kod koje kako ulazni napon raste izlazni napon opada. Da li možete da na vašim graficima uočite takav tip promene? Ukoliko se pojačavački stepen ne ponaša kao invertujući a šematski prikaz kola je korektan razlog može biti otpornosti Rp ukoliko ste označavanje signala koji treba da se iscrtaju realizovali opcijom Variables  Device Voltages. Zatvorite prozor tranzijentne analize i u Schematic Editoru otvorite, duplim klikom na Rp, prozor sa parametrima ovog otpornika. Selektujte opciju Pin Names kako bi imena pinova otpornika postala vidljiva. Sa OK potvrdite izmenu.

Sika 2.52. Rezultati tranzijentne analize Izgled otpornika Rp je prikazan na slici 2.53(a). Tačka koju smatramo izlazom pojačavača je Minus Pin otpornika Rp. MC7 prilikom crtanja napona v(Rp) odnosno napona na otporniku Rp crta Vplus-Vminus. Zbog toga se porastom ulaznog napona vg video porast napona na otporniku za koji smo smatrali da je izlazni.

Slika 2.53. (a) Izgled otpornika Rp u Schematic Editoru (b) Stepping prozor SIN 1MHz generatora

63


Ako ne želimo da menjamo oznake u prozoru za podešavanje parametara tranzijentne analize rotiranjem otpornika Rp rešavamo ovaj problem. Preostale opcije su da označite tekstualno izlaz ili da prikažete brojeve čvorova te da opcijom Variables  Node Voltages unesete čvor u Y-Expression polje. Pokrenite ponovo tranzijentnu analizu. Uočimo da je ulazni napon sinusoida koju smo definisali pomoću standardnog 1MHz modela MC7 za sinusne generatore. Vidimo da izlazni napon nije sinusoidalni. Šta je razlog? Kako bi vi rešili ovaj problem? (R: promeniti položaj mirne radne tačke Q ili smanjiti amplitudu pobudnog generatora vg) Odlučićemo se za opciju variranja amplitude pobudnog generatora. Selektujte opciju Model. Na ovaj način možete menjati samo parametre složenih modela kao što su npr. za sinusni generator SIN 1MHZ i za bipolarni tranzistor NPN Personal. Opcijom Stepping menjate parametar sinusnog generatora (Step What=SIN 1 MHZ). Parametar koji se menja je amplituda (A). Metod promene je linearan (Method =Linear). Promena amplitude je od 0 (From) do 1 (To) sa korakom 0.1 (Step Value). Selektujte opciju Step It=Yes. Sa OK potvrdite unos. Pokrenite analizu. Rezultat tranzijentne analize je prikazan na slici 2.54.

Slika 2.54. Ulazni i izlazni napona nakon Stepping promene amplitude pobudnog generatora Šta nas interesuje? Izlazni napon, ulazni napon ili oba napona? Interesuje nas pri kojoj amplitudi ulaznog napona je električno kolo pojačavač odnosno kada se vratio u linearni režim rada. U zaglavlju svakog grafika se nalazi informacija o parametrima stepping funkcije što znači da već imamo informaciju o ulaznom naponu tako da je njegovo predstavljanje višak. Otvorite prozor tranzijentne analize i isključite prikazivanje ulaznog napona (desni klik u polje koje opisuje redni broj grafika i opcija None ili samo obrišite vrednost rednog broja grafika (u ovom slučaju je 1 V(vg)). Pokrenite tranzijentnu analizu. Opcijom Scale Mode u kojoj se nalazite nakon završetka analize zaokružite jednu periodu signala. Uđite u mod za očitavanje vrednosti kako bi parametri Stepping funkcije postali vidljivi. Konačan izgled ekrana je prikazan na slici 2.55. U zaglavlju grafika se osim naziva fajla (ZAJEDNICKI_EMITER.cir) nalazi informacija koja komponenta ili model (SIN 1MHZ) i koji njihov parametar (A) je Stepping opcijom izmenjen kao i koju vrednost trenutno ima (A=1). Sa strelicama gore/dole na tastaturi prođite kroz sve krive. Pri kojoj vrednosti amplitude A sinusnog generatora 1MHZ stepen sa zajedničkim emiterom prelazi u nelinearan režim rada. Granična vrednost amplitude između A=0 i A=100mV.

64


Slika 2.55. Jedna perioda izlaznog napona u kursor modu Kako bi našli što tačniju vrednost granične vrednosti amplitude pozovite funkciju Stepping. Promenite amplitudu A sinusnog generatora od 0 do 100mV sa korakom 10mV odnosno unesite finiju promenu. Sa OK potvrdite unos. Ponovite prethodni postupak (pokrenite analizu, zumirajte dve periode, uđite u kursor mod). Rezultat je prikazan na slici 2.56.

Slika 2.56. Jedna perioda izlaznog napona u kursor modu, smanjeni koraci u Stepping prozoru Za koje vrednosti amplitude sinusnog generatora električno kolo sigurno nije u linearnom režimu rada? (A=100mV i 90mV). Odaberimo npr. amplitudu sinusnog sinala A=0.01. Isključimo Stepping funkciju. Određivanje naponskog pojačanja celog kola Av=vo/vg Promenimo u Schematic Editoru parametar A=0.01 sinusnog generatora. Pokrenite tranzijentnu analizu. Očitajte vrednosti amplitude izlaznog signala V(Rp) (R:1.18V). Znajući vrednost amplitude pobudnog (0.01) i izlaznog (1.18) signala moguće je izračunati naponsko pojačanje celog kola odnosno Av=v(Rp)/vg=-118. Znak minus proističe iz invertujuće prirode stepena sa zajedničkim emiterom. Ukoliko pogledamo rezultat formule (Av=-122) zaključujemo da je slaganje rezultata dobro.

65


Određivanje ulazne otpornosti pojačavača Ri Ulazna otpornost je parametar AC analize što znači da se dobija kao odnos malih naizmeničnih napona i struje. Zbog toga određujemo Ri nakon generatora vg i njegove otpornosti Rg jer je taj deo električnog kola deo sa malim signalima što obezbeđuje prisustvo kondenzatora CS1. • Pokrenite tranzijentnu analizu. • Interesuje nas odnos napona u tački 6 i struje koja teče u toj grani npr. kroz otpornik Rg. • Unesite u prozor za podešavanje parametara tranzijentne analize parametre za proračun ulazne otpornosti. Neka se vidi samo grafik koji prikazuje tu otpornost, slika 2.58. • Pokrenite analizu. Nakon ulaska u kursor mod očitajte vrednost ulazne otpornosti pojačavačkog kola Ri. Uporedite rezultat sa izračunatom vrednošću ove otpornosti (Ri≈hie≈576Ω) • Ukoliko smo dobili negativnu vrednost pogledajmo šematski prikaz kola u Schematic Editoru. Uključimo sa Currents ikonicom u liniji alata prikaz vrednosti struja i njihovih smerova u kolu. Ukoliko je smer struje i(Rg) kao na slici 2.57. tada je negativna vrednost ulazne otpornosti nastala usled neusaglašenosti smera struje odnosno minus i plus priključka otpornika. Rešenje je da se ili okrene otpornost Rg kako bi Plus priključak otpornosti bio u čvoru 7 i struja tekla u pojačavački stepen ili stavi u prozoru za podešavanje parametara Tranzijentne analize znak minus ispred izraza za otpornost tj. –V(6)/I(RG). • Ponovo pokrenite tranzijentnu analizu i očitajte vrednost izlazne otpornosti Ri. Uporedite sa izračunatom vrednošću ovog parametra.

Slika 2.57. Šematski prikaz stepena sa zajedničkim emiterom, prikazani smerovi i vrednosti struja u električnom kolu

Slika 2.58. Prozor za podešavanje parametara tranzijentne analize Određivanje izlazne otpornosti pojačavača Ro Izlazna otpornost pojačavačkog kola je otpornost koju “vidi” potrošač Rp koji je priključen na izlaz pojačavača. Da bi se stavili u položaj otpornika Rp posmatramo električno kolo na mestu Rp od izlaza ka ulazu pomoću napona, struje i Omovog zakona odnosno određujemo Tevenenov ekvivalent otpornosti postavljanjem test generatora vt. Pri tome nijedan nezavisni izvor u AC režimu ne sme biti uključen. Ukoliko pogledamo šematski prikaz stepena sa zajedničkim emiterom vidimo da je jedini AC nezavisni izvor vg(t). Eliminišemo ga kratkim spojem. DC nezavisne izvore eliminišemo prilikom proračuna ali ih u MC7 analizi ne smemo eliminisati. U ad hoc analizi principom superpozicije rešavamo linearizovano električno kolo (koristite pojednostavljene linearne modele nelinearne komponente- NPN tranzistora). Prvo radimo DC analizu (aktivni samo DC izvori signala u kolu) a nakon nje AC analizu (aktivni samo AC izvori signala u kolu). Šta je to već superpozicija. U slučaju MC7 ne možemo prilikom proračuna izlazne otpornosti eliminisati DC izvore jer bi na taj način iz kola izbacili polarizaciju komponente i

66


tranzistor ne bi bio u aktivnom režimu. Superpoziciju i linearizaciju inače nelinearnih komponenti smo uveli jer su naš matematički alat i sposobnosti ograničeni. To programu nije potrebno i on istovremeno rešava jednačine dobijene na osnovu I, II Kirhofovog i Omovog zakona iz konfiguracije električnog kola i nelinearne jednačine koje definišu ponašanje nelinearne komponente (u ovom slučaju bipolarnog tranzistora). Rešenje ovih jednačina (grafički presek različitih krivih) daje položaj radne tačke. • Izmenite polazno kolo pojačavača sa zajedničkim emiterom sledeći gore navedena objašnjenja Rešenje je prikazano na slici 2.59. Generator vt je modela SIN 1MHZ. • Pokrenite tranzijentnu analizu. Interesuje nas odnos test napona vt i struje koja teče kroz test generator. U skladu sa tim unesite odgovarajući Y-Expression u prozor tranzijentne analize, slika 2.60. Pokrenite analizu.

Slika 2.59. Šematski prikaz konfiguracije potrebne za određivanje izlazne otpornosti

Slika 2.60. Prozor za podešavanje parametara tranzijentne analize prilikom određivanja izlazne otpornosti Ro pojačavačkog stepena Očitajte vrednost izlazne otpornosti (Ro=-1kΩ). Da li je ovaj rezultat očekivan? Šta je uzrok neslaganja? (Pogledajte smer struje kroz test generator. Setite se kakav ste smer struje prilikom ad hoc proračuna izlazne otpornosti imali.) Unesite u prozoru prozoru tranzijentne analize potrebnu izmenu. Očitajte vrednost Ro. Uporedite sa prethodno izračunatom vrednošću (Ro=RC=1kΩ). 2.6.4. MICROCAP AC ANALIZA STEPENA SA ZAJEDNIČKIM EMITEROM Ukoliko nas interesuje frekvencijska zavisnost pojedinih signala električnog kola tada u MC7 pokrećemo AC analizu. Interesuju nas granične učestanosti i naponsko pojačanje stepena sa zajedničkim emiterom, prikazanim na slici 2.61. • Odaberite opciju Analysis  AC. Automatski se otvara prozor za podešavanje parametara AC analize, slika 2.62. Interesuje nas moduo amplitude izlaznog AC signala (moduo amplitude napona u tački 5 izražen u decibelima) ne i njegova faza (ph (v(5)). Frekvencijski opseg je od 1kHz do 1THz (1E12). Unesite parametre AC analize. • Pokrenite AC analizu. Rezultat je prikazan na slici 2.63.

67


Slika 2.61. Stepen sa zajedničkim emiterom • Uđite u mod za očitavanje i odredite vrednost db(v(5)) u zaravnjenom delu karakteristike (R: 41.533). U AC analizi se amplituda pobudnog signala automatski postavlja na A=1 dok mu se frekvencija menja kao što je definisano u Frequency Range. To znači da je naponsko pojačanje definisano kao Av=V(Rp)/vg sada oblika V(5)/ vg=V(5)/A= V(5)/1= V(5). Rezultat je dat u decibelima i da bi odredili naponsko pojačanje potrebno je to uzeti u obzir tj. 20 log(Av)=41.533. Nakon rešavanja ove jednačine dobijamo Av=119.3026. Da li je rezultat blizak očekivanom? Zašto se znak pojačanja ne slaže (posmatra se moduo amplitude izlaznog signala te je vrednost naponskog pojačanja koje na osnovu njega dobijemo apsolutna vrednost pojačanja )?

Slika 2.62. Prozor sa parametrima AC analize

Slika 2.63. Rezultat AC analize

68


Na predavanju iz Uvoda u Elektroniku ste definisali propusni opseg (BW=bandwidth) kao BW=fg-fd, gde su fd i fg donja i gornja granična učestanost odnosno učestanosti na kojima vrednost pojačanja u decibelima opadne za 3dB. Pomoću komandi Go To Y =41.533dB-3dB=38.533dB očitajte položaj donje i gornje granične učestanosti (R: fd=3.11kHz).

2.7. KOMBINACIONE MREŽE Digitalne logičke mreže se mogu klasifikovati u dve grupe, kombinacione i sekvencijalne. Izlazni signal kombinacionih logičkih mreža zavisi samo od trenutnih vrednosti ulaznih signala. Kombinacione mreže sadrže proizvoljan broj logičkih kola, ali ne sadrže povratne sprege, odnosno izlazni signal sa bilo kog kola se ne sme dovoditi na ulaz mreže, kako ne bi uticao na ulaz istog tog kola. Na takav način se izbegava uticaj prethodnog stanja na sledeće stanje mreže što je tipično ponašanje sekvencijalnih mreža. Analiza već gotove kombinacione mreže obuhvata formalan opis funkcije koju mreža izvršava na osnovu date logičke šeme, odnosno predstavljanje mreže kombinacionom tabelom ili logičkom jednačinom. Postupak sinteze kombinacione mreže počinje formalnim opisom željenih funkcija mreže, sledi minimizovanje logičke funkcije (korištenjem Karnoovih mapa ili osnovnih zakonitosti Boolean algebre) i formiranje logičke šeme pogodnim metodom (u zavisnosti od raspoloživih logičkih kola). Detaljnije projektovanje mreže podrazumeva dalju nadgradnju sinteze mreže, gde se u obzir moraju uzeti realne karakteristike logičkih kola, kao što su vreme propagacije kroz kolo, margine šuma, vreme rastuće i opadajuće ivice signala, faktor grananja i slično. Kombinacione mreže se koriste u svim digitalnim sistemima, počev od najprostijih digitalnih uređaja do velikih ¨super¨ računara. Zbog veoma široke primene, a i zbog specifičnih, standardizovanih, funkcija koje su zajedničke za raznovrsne digitalne sisteme, pojedini tipovi mreža su dobili naziv prema funkciji koju obavljaju, na primer: dekoder, koder, multiplekser, generator parnosti. Ukoliko imate malo vremena na raspolaganju molim vas da pogledate I, II i III deo prezentacije iz digitalne elektronike na adresi http://www.kel.ftn.ns.ac.yu/predmeti/2/el.html. 2.7.1. SIGNALI U DIGITALNIM ELEKTRONSKIM KOLIMA Ukoliko nas interesuje frekvencijska zavisnost pojedinih signala električnog kola tada u MC7 pokrećemo AC analizu. Interesuju nas granične učestanosti i naponsko pojačanje stepena sa zajedničkim emiterom, prikazanim na slici 2.61. Do sada smo, prilikom učenja MC7, analizirali analogna elektronska kola posmatranjem (analognih) signala u kolu. Uočili smo da je broj dozvoljenih vrednosti analognog signala neograničen, u granicama napona napajanja analognog kola. Tokom ovih vežbi analiziraćemo digitalna elektronska kola odnosno elektronska kola koja obrađuju digitalne signale. Za razliku od analognih signala, broj dozvoljenih amplitudskih nivoa digitalnih signala je ograničen i zavisi od numeričkog sistema kojeg koristite za predstavljanje podataka (binarni – 2 različita nivoa, oktalni – 8 različitih nivoa, decimalni -10 različitih nivoa, heksadecimalni- 16 različitih nivoa). Iako je ljudima prirodan decimalni numerički sistem njegova implementacija bi u digitalnim računarima bila skopčana sa velikim poteškoćama u pogledu tehničke realizacije. Ova digitalna kola bi morala da imaju deset jasno definisanih različitih stanja što bi se moglo realizovati po cenu velike složenosti. Sa stanovišta jednostavnije i pouzdanije realizacije je daleko bolje koristiti binarni brojni sistem koji je reprezentovan sa samo dva stanja odnosno dve različite vrednosti signala (digitalni binarni signal), prikazano na slici 2.64.

Slika 2.64. Digitalni binarni signali u proizvoljnom digitalnom elektronskom kolu

69


Digitalni signali u MC7 Prilikom sinteze analognih kola u MC7 koristili smo analogne komponente, iz menija Components  Analog Primitives ili Components  Analog Library. U slučaju digitalnih elektronskih kola komponente se nalaze u menijima Components  Digital primitives (iz ovog menija biramo standardne komponente kojima sami definišemo parametre modela), Components  Digital Library (iz ovog menija biramo komercijalne komponente kojima su proizvođači odredili parametre modela) ili Components  Animation (ukoliko je potrebna komunikacija između uređaja i nas kao korisnika koja se postiže pomoću LED dioda, sedmosegmentnog displeja i digitalnog prekidača). Fiksne digitalne vrednosti Kako smo se odlučili za binaran digitalni numerički sistem odnosno sistem u kome promenljiva može uzeti samo dve različite vrednosti 0 (Low) ili 1 (High) logično je pitanje kako te konstantne digitalne nivoe (baterija u analognom kolu) možemo napraviti u MC7. • Odaberite opciju Component  Digital Primitives  Stimulus Generators  Fixed Digital. Automatski se pojavljuje simbol fiksne digitalne vrednosti . Ukoliko postavimo fiksnu digitalnu vrednost na željeno mesto u šemi automatski će se otvoriti prozor sa njenim parametrima, slika 2.65. Od interesa su parametri Part, koji označava ime komponente, i Value, koji definiše vrednost fiksne digitalne vrednosti (0 ili 1). • Promenite ime komponente sa U0 na Uproba. Čekirajte opciju Show da se taj parametar vidi. Unesite vrednost za parametar Value fiksne digitalne vrednosti i za njega čekirajte opciju Show. Rezultat bi trebao biti sledećeg oblika

Slika 2.65. Prozor sa parametrima modela fiksne digitalne vrednosti Promenljive digitalne vrednosti Ukoliko želite da u digitalnoj mreži postoji izvesna dinamika bilo bi dobro da se upoznamo sa MC7 opcijama koje nam omogućavaju definisanje promenljivih digitalnih vriednosti. Na raspolaganju su dve opcije : Digital Switch ili Stimulus Generator. Digital Switch • Izaberite opciju Components  Animation  Digital Switch. Automatski se pojavljuje simbol digitalnog prekidača

70


odnosno ukoliko uključimo oznake čvorova u kolu. Zadatak digitalnog prekidača je da omogući promenu vrednosti pobudnog ulaznog signala sa 0 na 1 ili 1 na 0. Da bi ova promena nastala neophodno je pokrenuti tranzijentnu analizu (pustiti vreme da teče kako bi promena vrednosti digitalnog signala bila vidljiva) i kliknuti mišem u polje simbola ove komponente. • Testirajte digitalni prekidač. Izaberite opciju Analysis  Transient Analysis. U prozor za podešavanje parametara tranzijentne analize unesite podatke kao što je prikazano na slici 2.66. Izbor Y Expression možemo dobiti direktnim upisivanjem ili desnim klikom u odgovarajuće polje izborom opcije Variables  Digital States  d(1). Pokrenite tranzijentnu analizu.

Slika 2.66. Prozor tranzijentne analize prilikom testiranja digitalnog prekidača • Da biste mogli da menjate digitalnu vrednost signala u čvoru 1 tj. d(1) neophodno je da na ekranu imate digitalni prekidač kako bi klikom u polje simbola mogli menjati položaj prekidača odnosno vrednost na izlazu prekidača. Opcijom Windows  Tile Vertical u delu tranzijentne analize podelite radnu površinu vertikalno. Sada je vidljiv i digitalni prekidač i prozor u kome se prikazuje rezultat promene položaja prekidača, slika 2.67.

Slika 2.67. – Testiranje digitalnog prekidača • Menjajte položaj digitalnog prekidača. Posmatrajte šta se dešava u prozoru koji prikazuje vrednost njegovog signala. Šta primećujete? Ukoliko ste sporije kliktali na simbol digitalnog prekidača promena vrednosti d(1) se ili nije videla ili ste je jako retko uočili.

71


Slika 2.68. (a)Opcija Animate

(b)Help za Animate Options dialog box

Digitalni prekidač se nalazi na ulazu digitalnog kola. Promenom njegove vrednosti mi analiziramo napravljeno digitalno kolo odnosno određujemo njegov princip funkcionisanja. Da bi kontrolisano proverili sve moguće kombinacije ulaznih promenljivih potrebno nam je više vremena nego što nam u ovom slučaju MC7 daje. Izborom ikonice Animate automatski se otvara prozor, slika 2.68(a), čijim podešavanjem možemo delimično da usporimo analizu MC-a jer se sa Animate Options definiše interval između dve tačke računanja MC-a. Najčešće selektovana opcija je Wait For Time Delay koja zahteva unos vrednosti kašnjenja (Time Delay) između dve uzastopne tačke prilikom računanja MC-a. Izborom Help  Contents  Index, slika 2.68(b), pronađite više informacija o ovoj opciji. Dodatno vreme za osmišljavanje položaja prekidača se dobija ukoliko se MC7 uposli kako bi proces izračunavanja tekao sporije. U MC se to postiže ubacivanjem digitalnog pobudnog generatora. 2.7.2. DIGITALNI POBUDNI GENERATORI (STIMULUS GENERATORS) Promenom položaja digitalnog prekidača morate proći kroz sve moguće kombinacije kako bi utvrdili funkciju gotovog digitalnog kola, što zna da potraje. Drugi način za testiranje kola je pomoću digitalnih pobudnih generatora čiji su ekvivalent u analognom svetu naponski generatori. • Izaberite opciju Components  Digital Primitives  Stimulus Generators, slika 2.69(a).

Slika 2.69. Digitalni pobudni generator (b) prozor sa parametrima Stim1 Komponente koje nas interesuju su od Stim1 do Stim16 gdje je Stim skraćenica za Stimulus Generator dok broj nakon Stim označava broj bita na izlazu pobudnog generatora. • Odaberite sa spiska generator Stim1, . Klikom miša na željeno mesto ga postavite na radnu površinu. Automatski se otvara prozor sa njegovim parametrima, slika 2.69(b). Kao i do sada parametar Part predstavlja ime komponente. Parametri koji su izuzetno bitni za definisanje oblika digitalnog pobudnog signala o kojima ćemo reći nešto više su FORMAT, COMMAND i TIMESTEP. FORMAT Parametar FORMAT definiše format signala na izlazu pobudnog generatora. Ukoliko želimo da je signal binaran tada je FORMAT=1, oktalan FORMAT=3, heksadecimalan FORMAT=4. Zbir svih brojeva koji su predstavljeni u liniji FORMAT moraju biti jednaki broju bita na izlazu pobudnog generatora. Npr. FORMAT=134 nam govori da je prvi bit izlaza binarni, sledeća tri bita predstavljaju oktalni broj i preostala 4 bita predstavljaju heksadecimalni broj. Da bi se ovakav pobudni generator mogao realizovati morali smo na početku izabrati Stim 1+3+4=Stim8. TIMESTEP Parmetrom TIMESTEP se definiše perioda takt signala u sekundama. Difolt vrednost je nula. COMMAND Pomoću parametra COMMAND pisanjem par linija koda definišete izgled signala na izlazima digitalnog pobudnog generatora. U liniji COMMAND se navodi ime promenljive .define naredbe koja definiše i kreira izlaz pobudnog generatora. Glavni deo koda kojim opisujete ponašanje pobudnog digitalnog generatora se nalazi iza .define

72


naredbe. Da bi znali da napravimo pobudni generator, odnosno da definišemo kako se njegovi izlazi menjaju u vremenu, nepohodno je da se upoznamo sa osnovnim naredbama. Naredba

Primer / objašnjenje U trenutku signal ima vrednost . Npr. za jednobitni pobudni generator : .define pob 0ns 1 50ns 0 150ns 1 Kako izgleda ovaj signal?

U 0ns signal poprima vrednost 1 što traje do 50ns kada mu se vrednost menja na 0. Signal je vrednost nula sve do 150ns kada vrednost signala ponovo postaje 1. Ova vrednost ostaje do daljnjeg. Ovaj signal smo mogli definisati i na sledeći način: .define pob +0ns 1 + 50ns 0 + 150ns 1 Kakva je razlika u odnosu na prethodni zapis? Generator nije definisan u jednom redu već se naredba nastavlja u više redova. U SPICE-u je oznaka za nastavak u novom redu + što je upravo novina u odnosu na prethodnu definiciju pobudnog generatora. Vreme promene signala se može definisati relativno u odnosu na prethodni trenutak. Ispred vremena dodajemo tada +. Prethodno definisan signal možemo tada napisati na treći način: .define pob +0ns 1 + +50ns 0 + +100ns 1, gde prvi znak plus predstavlja nastavak naredbe u sledećem redu dok drugi znak plus govori o relativnom računanju vremenskih trenutaka u kojima nastaje promena signala. Ukoliko u igru uvedemo parametar Time Step prethodno definisan signal možemo predstaviti na sledeći način (npr. Time Step=50ns): +0ns 1 +0ns 1 + +c 0 relativno ili +c 0 apsolutno + +2c 1 +3c 1 LABEL=

Ovom naredbom se definiše početak petlje realizovane naredbom GOTO. Bitno je znati da će nakon izvršenja naredbe GOTO program skočiti na prvu naredbu nakon definicije labele i da labela mora biti definisana pre GOTO naredbe.

INCR BY DECR BY

predstavlja momenat u kome se izvršavaju naredbe INCR BY (increment by= povećaj za) ili DECR BY (decrement by= smanji za). je vrednost za koju se u ovom slučaju smanjuje ili povećava vrednost signala na izlazu digitalnog generatora.

GOTO TIMES

GOTO TIMES U trenutku idi na labelu . Ponovi ovaj postupak n puta. Ukoliko je n=-1 formiramo beskonačnu petlju odnosno definisana petlja se non-stop vrti. GOTO UNTIL GT U trenutku idi na labelu sve dok signal ne postane veći (GT=greater than) od . U preostalim naredbama logika je ista. Skraćenice koje su prisutne su značenja: GE= greater or eaqual tham=veće ili jednako od LT= less than=manje od LE= less or equal than=manje ili jednako od GOTO UNTIL GE GOTO UNTIL LT GOTO UNTIL LE Bitno je znati da se u GOTO petlji vreme iako zadato apsolutno nakon prvog prolaska kroz petlju računa relativno. Ova naredba generiše beskonačnu petlju.

GOTO UNTIL GT

REPEAT FOREVER

73


REPEAT TIMES Ova kombinacija naredbi kreira petlju. Sve naredbe između REPEAT i ENDREPEAT ENDREPEAT će se ponoviti n puta. Tabela 2.1. Definisanje izgleda signala na izlazima digitalnog pobudnog generatora naredbama u liniji COMMAND Program kojim opisujete ponašanje generatora signala se piše nakon .define naredbe. Napisani program se može editovati direktno u prozoru parametara komponente, slika 2.69(b), ili na text strani MC7. • Generišite binarni digitalni signal koji se ponaša na sledeći način: Signal je periodičan periode 60ns. Od 0ns do 40ns signal je vrednosti 1, od 40ns do 60ns signal je vrednosti 0 i od trenutka 60ns počinje nova perioda. Signal je prikazan na slici 2.70.

Slika 2.70. Binarni digitalni signal periode 60ns trajanja jedinice 40ns i nule 20ns Dva načina na koji se može generisati ovaj signal su:

.define POB +LABEL=petlja +0ns 1 +40ns 0 +60ns GOTO petlja -1 TIMES

.define POB +repeat forever ++0ns 1 ++40ns 0 ++20ns 1 +endrepeat

• Napravimo heksadecimalni generator digitalnog signala koji se ponaša na sledeći način: Početna vrednost izalaza generatora je F. Svakih 20ns izlazna vrednost generatora se smanjuje za 1 sve dok ne postane manja od 2. Nakon tog trenutka nema više promene izlaza generatora. Na slici 2.71. je prikazan izgled prozora ovog generatora. Koji je to Stim generator? Kakav mu je format? Kako je definisan ovaj generator? Da li će izgled signala odgovarati postavljenom zahtevu? • Da bi videli da li smo dobro definisali promenu izlaza heksadecimalnog generatora u vremenu moramo pokrenuti tranzijentnu analizu. Pre nego je pokrenemo bilo bi dobro sa linije sa alatima aktivirati Node Numbers ikonicu kako bi lakše definisali tačke koje posmatramo tokom tranzijentne analize. Simbol pobudnog generatora je sada

oblika • Nakon pokretanja tranzijentne analize otvara se prozor u kome podešavamo parametre analize i unosimo nazive signala koje posmatramo, slika 2.72. Time Range smo postavili na vrednost 320ns=20ns x 16 kako bi ukoliko postoji potreba generator prošao kroz svih 16 stanja zadržavajući se u svakom 20ns. Heksadecimalan zapis se može realizovati pomoću 4 binarna zapisa. Zbog toga se u polja ispod Y Expression unose (desnim klikom na polje izborom Variables  Digital States...) d(1), d(2), d(3) i d(4).

74


Slika 2.71. Prozor sa parametrima heksadecimalnog digitalnog pobudnog generatora • Pokrenite tranzijentnu analizu. Rezultat analize je prikazan na slici 2.73. Pre nego što pomislimo na proveru rada generatora odnosno konvertovanje signala d( ) u vrednost heksadecimalnog signala neophodno je utvrditi koji je bit najveće težine - d(1) ili d(4). Nadam se da ste zaključili da je to d(1) jer se najsporije menja. Ukoliko pogledate simbol Stim4 generatora vidite da je upravo čvor 1 generatora obeležen kvadratićem. Sada možemo konvertovati 4 signala iz binarnog numeričkog sistema u jedan signal heksadecimalnog sistema. Ubrzo pomislite kako bi bilo lepo da to neko drugi rad za vas.

Slika 2.72. Prozor tranzijentne analize

75


Slika 2.73. Rezultat tranzijentne analize • Sa F9 pozovite prozor tranzijentne analize. Komandom Add dodajte još jedan red u donjem delu prozora. U Y Expression polje upišite hex(1,2,3,4). Na ovaj način MC će sam sračunati heksadecimalnu vrijednost signala kod koga je čvor 1 najveće a čvor 4 najmanje težine. Prilikom definisanja heksadecimalnog signala u zagradi o tome treba voditi računa. Pokrenite tranzientnu analizu. Rezultat je prikazan na slici 2.74. Prisetimo se kako je definisan heksadecimalni generator: Početna vrednost izalaza generatora je F. Svakih 20ns izlazna vrednost generatora se smanjuje za 1 sve dok me postane manja od 2. Nakon tog trenutka nema više promene izlaza generatora. Ukoliko pogledamo signal hex(1,2,3,4) koji u heksadecimalnom zapisu predstavlja izlaz pobudnog generatora moguće je lako proveriti da li je generator tačno definisan.

Slika 2.74. Rezultat tranzijentne analize –prikaz heksadecimalnog signala • Napravite binarni i oktalni signal u jednom generatoru sledećeg ponašanja: u 0ns vrednost binarnog signala je 1 dok je vrednost oktalnog 7. Svakih 20ns smanjuje se vrednost oktalnog signala za 1 sve dok ne postane manji ili jednak 3. U tom trenutku vrednost binarnog signala se promeni sa 1 na 0. Prozor sa parametrima pobudnog generatora je prikazan na slici 2.75.

Slika 2.75. Prozor pobudnog digitalnog generatora binarnog i oktalnog tipa signala kombinovanih zajedno • Obratite pažnju na redosled zapisa u FORMAT liniji (13 a ne 31). Pogledajte kako je definisan mešoviti izvor signala (+0ns 17- u 0ns početna vrednost binarnog signala je 1 dok je vrednost oktalnog signala 7, DECR BY 01smanjuje vrednost binarnog signala za 0 (tj. ne menja ga) dok vrednost oktalnog signala smanjuje za 1 itd.). • Pokrenite tranzijentnu analizu. U prozor tranzijentne analize unesite podatke kao što je prikazano na slici 2.76.

76


Slika 2.76. Prozor tranzijentne analize mešovitog generatora

Slika 2.77. Rezultat tranzijentne analize mešovitog pobudnog generatora Na osnovu zapisa u FORMAT liniji znamo da je signal najveće težine u čvoru 1 (kvadratić) dodeljen prvom definisanom signalu (zbog FORMAT=13) odnosno binarnom signalu dok su preostala tri bita dodeljena oktalnom signalu. Ukoliko želimo da MC7 sračuna vrednost oktalnog signala tačno moramo voditi računa o težini pojedinih binarnih signala odnosno moramo ga definisati kao oct(2,3,4). Pokrenite tranzijentnu analizu. Rezultat je prikazan na slici 2.77. 2.7.3. OSNOVNE LOGIČKE OPERACIJE Podsetićemo se ukratko osnovnih logičkih operacija. Logička operacija

Simbol

I

Logička operacija

Simbol

A 0 0 1 1

Funkcionalna tabela B Y 0 0 1 1 0 1 1 1 Funkcionalna tabela A Y

NE

Logička operacija

Funkcionalna tabela B Y 0 0 1 0 0 0 1 1

Simbol

ILI

Logička operacija

A 0 0 1 1

Simbol

0

1

1

0

Funkcionalna tabela

77


A 0 0 1 1

NI

Logička operacija

Simbol A 0 0 1

NILI

1 Logička operacija

Simbol A 0 0 1

EX-ILI

1 Logička operacija

Simbol A 0 0 1 1

EX-NILI

B 0 1 0 1

Y 1 1 1 0

Funkcionalna tabela B Y 0 1 1 0 0 0 1

0

Funkcionalna tabela B Y 0 0 1 1 0 1 1

0

Funkcionalna tabela B Y 0 1 1 0 0 0 1 1

Bitno je znati sledeće: • da logička kola I+NE ili ILI+NE ili NI ili NILI predstavljaju potpun skup operacija odnosno skup operacija pomoću koga se može izraziti bilo koja logička funkcija. • da prilikom minimizovanja funkcije pomoću Karnoovih mapa konačan izgled funkcije je prikazan ili kao proizvod zbira promenljivih funkcije i njihovih komplemenata (konjuktivna forma) ili kao zbir proizvoda promenljivih funkcije i njihovih komplemenata (disjunktivna forma). U tim formama jasno možete prepoznati I, ILI, NE operacije dok EX-ILI, EX-NILI zakonitosti morate sami uočiti i izvršiti dodatnu minimizaciju. • ukoliko želite da vašu funkciju izrazite isključivo pomoću NI (odnosno NE+I) logičkih kola tada je prilikom minimizacije neophodno obuhvatiti što veće površine jedinica kako bi se kao rezultat dobila disjunktivna forma jer se primenom De Morganovih pravila svodi na

što je disjunktivan oblik funkcije. • ukoliko želite da vašu funkciju izrazite isključivo pomoću NILI (odnosno NE+ILI) logičkih kola tada je prilikom minimizacije neophodno obuhvatiti što veće površine nula kako bi se kao rezultat dobila konjuktivna forma jer se

primenom De Morganovih pravila svodi na

što je konjuktivan oblik funkcije. Pomenute logičke operacije kao logička kola se u MC7 nalaze u meniju Components  Digital Primitives  Standard Gates  ..., slika 2.78. Osim logičkih operacija koje smo pomenuli postoji i komponenta bafer čiji je zadatak da idealno izoluje dva dela električnog kola (ne vide jedan drugog već samo bafer) a da informacija i dalje teče od jednog do drugog izolovanog dela kola. U digitalnim kolima se baferom još i unose dodatna kašnjenja kako bi se eliminisale pojave hazarda. Ukoliko detaljnije pogledate menije logičkih kola možete primetiti da je moguće izabrati broj njihovih ulaza (2,3,4,5 ili 9), slika 2.78.

78


Slika 2.78. Osnovna logička kola u MC7 Primer: Stižu izbori • Napravimo jednostavnu kombinacionu mrežu koja implementira demokratski princip glasanja na izborima. Broj ulaza u mrežu mora biti neparan kako bi bio princip većine mogao da se sprovede. Recimo da su na izbore izašla sva tri glasača (A, B, C) u jednoj maloj zemlji. Ukoliko bilo koja dva glasača daju svoj glas za određenu opciju (1 ili 0) tada bi na izlazu ove kombinacione mreže morala biti vidljiva njihova odluka (Y= 1 ili 0). Realizujte ovu mrežu sa NI logičkim kolima, digitalnim prekidačima na ulazu i LED diodama u kontrolnim tačkama. Ne zaboravite da usporite proračun MC7 kako bi mogli da sebi date vremena za proveru mreže koju ste napravili. • Prvi korak prilikom sinteze kombinacione mreže je opisati detaljno kako želimo da mreža radi ali ovaj put ne rečima što je već urađeno već u formi tablice, slika 2.79. A B C Y 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 Slika 2.79. Demokratski princip većine prikazan na primeru tri glasača u formi tablice Funkcija Y je funkcija tri promenljive odnosno Y=f(A,B,C) čiji rezultat ne zavisi od prethodnih stanja (npr. prethodnih izbora) već samo od trenutne volje glasača, odnosno funkciju Y zaista treba realizovati kombinacionom mrežom koja ima tri ulaza. • Drugi korak podrazumeva minimizovanje funkcije, kako bi se funkcija realizovala sa što manjim brojem logičkih kola i samim tim mreža bila jednostavnija i jeftinija. U ovom obliku funkcije mogu se jasno uočiti logičke operacije (disjunktivna ili konjuktivna forma). Minimizacija funkcije se može realizovati primenom osnovnih zakonitosti Booloean algebre ili grafičkim postupkom pomoću Karnoovih mapa. Pristup sa Karnoovim mapama je jednostavniji i brži te ćemo funkciju minimizovati na ovaj način. • Unesite funkciju Y u Karnoovu mapu od 8 polja, slika 2.80. Izvršite minimizaciju ove funkcije obuhvatanjem minimalnog broja što je moguće većih površina jedinica (jer se funkcija realizuje isključivo sa NI kolima). Površine moraju biti građene od 1 ili 2 ili 4 ili 8 polja, odnosno broj polja u površini mora biti stepen dvojke. Na slici 2.80. su prikazane obuhvaćene površine (I, II i III). Konačan oblik funkcije u obliku Boolean algebre je Y=AB (od površine I) +BC (od površine II) +AC (od površine III).

79


Slika 2.80. – Demokratski princip većine prikazan na primjeru tri glasača u formi Karnoove mape • Treći korak je prilagođenje minimizovane funkcije logičkim kolima koja su nam na raspolaganju, što su u ovom slučaju NI kola. Da bi funkciju Y izrazili isključivo pomoću NI logike neophodno je primeniti dva zakona Boolean algebre: 1.

2. De Morganovi zakoni ,

dobija se sledeće

• Poslednji, četvrti korak je realizacija funkcije u MC7, slika 2.81. Iz oblika funkcije prilagođenog NI logici vidimo da su potrebna 3 dvoulazna i jedno troulazno NI kolo. U MC7 NI kola se nalaze u Components  Digital Primitives  Standard Gates  Nand Gates  ... Prilikom postavljanja logičkog kola na željeno mjesto na radnoj površini se otvara prozor sa parametrima logičkog kola, prikazan na slici 2.82. • Isključite prikaz naziva komponente na ekranu. Za TIMING MODEL odaberite od ponuđenih modela D0_GATE. Izborom ovog modela ponašanja logičkog kola u vremenu smo smatrali da je logičko kolo idealno odnosno da nema nikakvog kašnjenja kroz njega jer nas u ovom slučaju ne interesuju hazardi već samo osnovno a to je logika mreže.

Slika 2.81. Princip većine realizovan u MC7

80


Slika 2.82. Prozor sa parametrima standardnog (dvoukaznog) NI kola Postupak ponovite za preostala 2 dvoulazna NI kola i jedno troulazno NI kolo. • Da bi proverili ispravnost mreže neophodno je proći kroz sve moguće kombinacije ulaznih promenljivih (A,B,C). U tekstu zadatka je navedeno da se u ovom slučaju ta provera izvršava pomoću digitalnih prekidača. Unesite tri digitalna prekidača. Duplim klikom na prekidač se otvara prozor sa njegovim parametrima. Ukoliko ne želite da se u šemi vidi naziv komponente selektujte parametar Part i dečekirajte opciju Show. • Spojite žicom digitalne prekidače i logička kola kao što je prikazano na slici 2.81. Povežite dvoulazna NI kola na troulazno NI kolo, slika 2.81. • Izborom opcije Components  Animation  LED izaberite LED diode. Njihov zadatak je da nam jasno stave do znanja kakve su vrednost signala u tačkama od interesa. Šta nas interesuje? Kako glasaju glasači i kakav je rezultat njihovog glasanja. Zbog toga su LED diode postavljene kao na slici 2.81. Uklonite naziv LED dioda iz šeme (selektujte parametar Part i dečekirajte opciju Show). • U Text modu označite tačke od interesa, slika 2.81. Ovo je izuzetno bitno jer MC prilikom definisanja Y Expression (desnim klikom) omogućava samo prikaz digitalnih stanja čvorova označenih brojčano ili tekstom . Da bi imali dovoljno vremena da tokom tranzijentne analize ležerno izmenjamo vrednosti ulaznih promenljivih i proverimo ispravnost kola koje smo napravili neophodno je usporiti MC sa Animate Options i dodatnim pobudnim generatorom. Dodajte pobudni generator Stim1 sa parametrima koji su prikazani na slici 2.83. Pokrenite tranzijentnu analizu. U prozor sa parametrima tranzijentne analize unesite vrednosti prikazane na slici 2.84. U ovom slučaju ćemo promene vrednosti ključnih signala posmatrati na LED diodama stoga unos d(A), d(B)... u ovom zadatku nije neophodan (a mi ga radimo zarad vežbe i novog zadatka).

81


Slika 2.83. Prozor sa parametrima standardnog (dvoukaznog) NI kola U ovom zadatku prozor sa vremenskim oblicima signala nije neophodan, jer promene signala od interesa vidimo na LED diodama. Promena ulaznih signala se realizuje pomoću digitalnih prekidača klikom na njihov simbol stoga način funkcionisanja mreže koju smo napravili moramo proveriti direktno iz šeme nakon pokretanja tranzijentne analize.

Slika 2.84. Prozor sa parametrima tranzijentne analize Opcijom Run pokrenite analizu. Opcijom Windows u prvi plan dovedi šematski prikaz mreže. Šta uočavate? Da li ste bili dovoljno brzi? Neophodno je dodatno usporiti MC sa Animate Options. Pokrenite Animate Options. Odaberite opciju Wait For Time Delay. Unesite vrednost Time Delay=0.1. Sa OK potvrdite unos. Pokrenite tranzijentnu analizu ponovo. Ispitajte mrežu promenom vrednosti ulaznih signala i izlaznog signala. Varijacija na temu - Stižu izbori Prilikom analize funcionisanja mreže možemo primeniti drugi pristup prilikom generisanja ulaznih promenljivih pažljivo programiranim pobudnim generatorima na ulazu. Na taj način se izbegavaju digitalni prekidači (izbegavajući na taj način dodatni pobudni generator, LED diode i podešavanje Animate Options). Ukoliko pogledate tabelu funkcionisanja ovog uređaja, slika 2.79, videćete da postoji 8 različitih kombinacija ulaznih promenljivih za koje morate ispitati vrednost izlaza mreže. Primećujemo da je signal C duplo brži (duplo manje periode) od signala B koji je duplo brži od signala A.

82


• Iz prethodno nacrtane šeme obrišite sve nepotrebne komponente (digitalne prekidače, LED diode) i unesite tri digitalna pobudna generatora, slika 2.85.

Slika 2.85. Princip većine realizovan u MC7 sa digitalnim pobudnim generatorima umesto digitalnih prekidača i LED dioda • Isprogramirajte ulazne digitalne pobudne generatore npr. .define CSTIM .define BSTIM +Label=startC +Label=startB +0ns 0 +0ns 0 +5ms 1 +10ms 1 +10ms GOTO startC -1 TIMES +20ms GOTO startB -1 TIMES

.define ASTIM +Label=startA +0ns 0 +20ms 1 +40ms GOTO startA -1 TIMES

Slika 2.86. Prozor sa parametrima tranzijentne analize •Odaberite Analysis  Transient. Podesite parametre tranzijentne analize u skladu sa periodama pobudnih generatora (Time Range=40ms, hex(A,B;C)), slika 2.86. • Pokrenite tranzijentnu analizu. Rezultati su prikazani na slici 2.87. Da li mreža funkcioniše kao što je predviđeno?

83


Slika 2.87. Rezultat tranzijentne analize

84

Inzenjerski Alati u Elektronici

Recommend Documents