Simulazione AC

SIMetrix

In questa esercitazione utilizzeremo SIMetrix/SIMPLIS Elements per effettuare misure su segnali sinusoidali e ad onda quadra. Se non lo avete mai usato è utile prima di proseguire consultare la pagina SIMetrix/SIMPLIS Elements 101.

Il primo circuito AC

Il primo circuito è costituito da un generatore sinusoidale in serie a due resistori R1 ed R2, secondo la classica struttura del partitore di tensione.

Disegniamo il circuito

Inseriamo gli elementi, scegliendoli tra le icone oppure nella voce di menù Place.

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

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. Nell'esempio la sinusoide ha frequenza 1 kHz (T = 1 ms) e quindi possiamo scegliere un tempo di simulazione di 5 ms circa.

Per avviare la simulazione si preme il pulsante corrispondente (oppure: F9).

Visualizziamo i grafici

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

Di seguito un grafico esemplificativo:

Tensione sinusoidale

A volte il grafico presenta alcuni aspetti che possono essere migliorati:

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

Uso dei cursori

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

Per utilizzare segnali diversi dalla sinusoide è possibile utilizzare il Waveform Generetor (generatore di forme d'onda oppure generatore di funzioni oppure function generator), da cercare tra i Voltage sources del menu Place.

Attività 1

Disegnare un circuito simile a quello sopra mostrato.

Visualizziamo il grafico della tensione Vin e della tensione Vout ai capi di R1. Possiamo indicare queste tensioni come, rispettivamente, tensione di ingresso e tensione di uscita del circuito. Il grafico dovrebbe apparire simile al seguente:

Fare le seguenti misure, da riportare in una tabella:

Attività 2

Sostituire R2 del circuito sopra mostrato con un condensatore da 100 nF e ripetere le stesse misure descritte nell'attività 1; aggiungiamo inoltre il punto seguente:

Misurare la fase

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

Misura della fase

  1. Attivare i cursori attraverso la voce di menu Cursors
  2. Posizionare Il cursore REF (riferimento) all'inizio di un periodo di Vin (in rosso nel grafico), in corrispondenza del passaggio in salita per l'asse orizzontale (nota 6)
  3. Posizionare un cursore (in figura B, ma il nome è indifferente) alla fine del periodo di Vin. Verrà mostrata la misura del periodo T (nota 6)
  4. Posizionare un secondo cursore, A in figura, (Cursors → Add Additional Cursor) in corrispondenza del passaggio in salita 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 (nota 6)
  5. Applicare la seguente formula: φ = 360 · Td / T. Con i numeri dell'esempio in figura otteniamo φ = 360 · 64 / 200 = 115° (nota 8).

Ripetiamo le stesse misure almeno per:

Attività 3

Sostituire R2 del circuito sopra mostrato con un induttore da 100 mH. Ripetere quanto descritto nella attività 2.

Attività 4

Sostituire il generatore sinusoidale con un generatore di segnali triangolari (Wavform generator).

Successivamente sostituire il generatore con segnali di altro tipo agendo nell'area Wave shape nel menù di configurazione di Waveform.

Simulazione AC

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

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

Diagramma di Bode

Questo grafico è noto come Diagramma di Bode.

Attività 5

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

Attività 6

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 7

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.

Attività 8

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

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

Note

  1. Il guadagno di tensione può essere definito anche come GV = VoutP / VinP, con lo stesso valore numerico che si ottiene con i valori efficaci nel caso di segnali sinusoidali ideali
  2. Per migliorare la misura con i cursori è meglio evitare l'effetto spezzata nel grafico; per migliorare le misure automatiche è meglio non visualizzare il tratto iniziale del grafico, come descritto qui
  3. 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°
  4. 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
  5. Non è possibile simulare un'onda quadra ideale, cioè porre a zero i tempi di salita e discesa, nell'esempio impostati a 5 ns
  6. I cursori possono essere trascinati in orizzontale o verticale quando il puntatore del mouse assume le forme . Un cursore può essere agganciato ad un altro segnale quando il puntatore del mouse assume la forma .
  7. Attenzione a come sono indicate le unità di misura! Per esempio nell'immagine mostrata "a" (atto) indica 10-18, praticamente zero...
  8. Con il metodo mostrato la fase è sempre minore, in modulo, di 90°


Data di creazione di questa pagina: settembre 2020
Ultima modifica: 14 marzo 2022


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