Laboratorio: simulazione AC con MPLAB MINDI

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Stesura preliminare

In questa esercitazione utilizzeremo un software di simulazione analogica per effettuare misure su segnali sinusoidali e ad onda quadra. Si tratta di una pagina introduttiva per l'uso di questo strumento fondamentale del laboratorio di elettronica.

Il software che utilizzeremo è MPLAB Mindi, scaricabile gratuitamente dal sito Microchip ; per i nostri scopi è comunque utilizzabile un qualunque simulatore analogico. Ovviamente i dettagli potranno essere diversi.

Se non avete mai usato MPLAB Mindi è utile consultare la pagina Simulazione con MPLAB Mindi 101 (nota 1).

Il primo circuito AC

Il primo circuito è un semplice RC con ingresso sinusoidale.

Circuito RC con ingresso sinusoidale

Disegniamo il circuito

Inseriamo gli elementi, scegliendoli tra le icone (consigliato come primo approccio) oppure nella voce di menù Place. Per modificare i valori principali di un componente è richiesto un doppio click sul componente stesso. Per altri parametri, in particolare quelli grafici, occorre usare il tasto destro del mouse. Spostamento e rotazione dei componenti, inserimento dei fili di collegamento e simili operazioni sono effettuate in modo intuitivo oppure con le voci di menù.

Si noti in particolare come la sorgente sinusoidale è stata impostata nell'esempio:

Occorre disattivare eventuali opzioni DC presenti di default (non vi deve essere nulla innanzi AC)
AC 1 0: lasciamoli invariati. Serviranno nella simulazione AC
All'interno di Sin(0 2 5k 0 0)
- Il primo 0 indica l'offset (traslazione verticale)
- il 2 indica l'ampiezza di picco
- il 5k (sottointeso Hz) la frequenza
- il secondo 0: il ritardo, in secondi
- Il terzo 0: il fattore di dumping

Scegliamo il tipo di simulazione

La modalità più semplice per simulare un circuito è Transient, simile alla visualizzazione prodotta da un oscilloscopio. Per attivarla occorre impostarla in Simulator → Chose Analysis oppure con il tasto F8

Impostazioni della modalità transient

Il parametro fondamentale da impostare è lo Stop time, cioè la durata della simulazione in secondi. In genere lo si imposta a qualche multiplo del periodo del segnale che ci interessa analizzare.

Per avviare la simulazione si preme il pulsante corrispondente (oppure: F9). Su schermo non viene mostrato nessun grafico, ma solo una finestra che indica la conclusione della simulazione che, per un circuito semplice, è estremamente piccolo.

Ogni volta che si modifica il circuito è necessario avviare una nuova simulazione.

Visualizziamo i grafici

Per visualizzare i grafici è necessario utilizzare le sonde (Probe).

Due sonde interattive (tensione e corrente nel pin di un componente) sono presenti tra le icone, altre possono essere trovate nella voce di menù.

Di seguito un grafico esemplificativo (nota 2):

Tensione e corrente in un grafico RC

Usando le icone (oppure le corrispondenti voci di menù) è possibile:

Effettuare misura dirette di alcune grandezze: valore efficace (RMS), valor medio (Mean) e della frequenza. Occorre utilizzare la voce di menù Measure.
Usare i cursori (Cursors)

Nel caso di una nuova esecuzione della simulazione è necessario aggiornare i grafici (Plot → Update Curves)

Esercizio 1

Disegnare un circuito simile a quello mostrato con un resistore da 10 kΩ o poco più ed un condensatore da 1 nF o poco più. Come frequenza del segnale sinusoidale scegliamo, per cominciare, qualche kHz.

Visualizziamo il grafico della tensione ai capi di R1 e di V1.

Misuriamo il guadagno G, come qui descritto
Misuriamo la fase φ tra i due segnali, come qui sotto descritto

Per misurare la differenza di fase (o semplicemente fase) tra i due segnali occorre, in riferimento al grafico seguente:

Misura della fase

Posizionare Il cursore REF all'inizio di un periodo di VIN (in rosso nel grafico), in corrispondenza del passaggio per l'asse orizzontale
Posizionare un cursore B alla fine del periodo di VIN. Verrà mostrata la misura del periodo T
Posizionare un secondo cursore A (Cursors→ Add Additional Cursor) in corrispondenza del passaggio per l'asse orizzontale di VOUT, grafico blu (nota 3). Verrà mostrato il ritardo di una sinusoide rispetto all'altra. Indichiamo tale valore con Td
Applicare la seguente formula: φ = 360 · Td / T. Con i numeri dell'esempio otteniamo φ = 360 · 64 / 200 = 115°

Ripetiamo le stesse misure per:

una frequenza dieci volte maggiore. In linguaggio tecnico una decade sopra
una frequenza dieci volte minore. In linguaggio tecnico una decade sotto

Simulazione AC

La misura di guadagno e fase al variare della frequenza è operazione assai comune e produce una coppia di grafici:

Guadagno in verticale e frequenza in orizzontale. In genere il guadagno è riportato in decibel
Fase in verticale e frequenza in orizzontale

Tracciare questi grafici è operazione piuttosto noiosa... Ci viene in aiuto la modalità di simulazione AC:

Simulator → Chose Analysis → AC
Impostare la frequenza di inizio e fine della simulazione
Run
Come sonde usare Probe AC → db Voltage e probe AC → Phase Voltage

Diagramma di Bode

Questo grafico è noto come Diagramma di Bode

Esercizio 2

Disegnare il diagramma di Bode del circuito usato nell'esercizio 1 e confrontare i risultati già trovati.

Esercizio 3

Simulare il circuito reale dell'esercizio 1.

FFT

Possiamo osservare il segnale oltre che nel dominio del tempo, anche in quello delle frequenze. Per fare ciò occorre simulare il circuito in modalità Transient ed utilizzare Probe → Fourier → Probe Voltage Quick oppure Probe Voltage Custom. In genere lo spettro viene visualizzato su assi logaritmici, ma per chi comincia è forse meglio usare grafici lineari.

Esempio 4

Disegnare un circuito con un generatore di onda quadra con frequenza 10 kHz (nota 5) e simulare il circuito in modalità Transient per almeno qualche decina di periodi, per esempio 2 ms:

Pulse

Se si usa la sonda FFT gli assi sono impostati in modo predefinito come logaritmici (grafico rosso, in basso), ma per i nostri scopi è meglio utilizzare una scala lineare usando il tasto destro del mouse (grafico verde, in alto)

Spettro con assi lineari e logaritmici

Per eliminare le piccole "ondulazioni" presenti nello spettro è possibile impostare la sonda Custom come di seguito mostrato:

Verificare ampiezza e frequenza delle varie armoniche.

Esercizio 5

Simulare nel dominio della frequenza ed in quello del tempo un segnale rettangolare con f = 100 kHz, V_H = 5 V, V_L = 0 V, DC = 10%

Verificare la frequenza delle varie armoniche e l'andamento dell'inviluppo.

Note

In American university course numbering systems, the number 101 is often used for an introductory course at a beginner's level in a department's subject area. [...] Based on this usage, the term "101" has been extended to mean an introductory level of learning or a collection of introductory materials to a topic.
Le curve a volte appaiono come spezzate. Pur essendo una risposta tecnicamente corretta, a volta è esteticamente poco piacevole... Per migliorarla è possibile selezionale tra le voci Simulator → Chose Analysis → Advanced Options un Max Time Step 5 o 10 volte inferiore al quanto predefinito, opzione da usare con moderazione
Esistono più punti che hanno questa caratteristica. In genere si preferisce scegliere il più vicino alla posizione del cursore identificato dall'etichetta 0°: così facendo la fase è, in modulo, minore di 180°
Si tratta di una definizione parziale perché le due grandezze di ingresso ed uscita potrebbero essere diverse, sia perché in genere si tratta di una funzione e non di un numero. Qui una trattazione più ampia
Non è possibile simulare un'onda quadra ideale, cioè porre a zero i tempi di salita e discesa, nell'esempio impostati a 5 ns

Data di creazione di questa pagina: settembre 2020
Ultima modifica: 12 ottobre 2020