TP Electronique - Campus - Ecole des mines de Nantes

ECOLE DES MINES DE NANTES
N°1A – SIMULATION DE CIRCUITS
ELECTRONIQUES ANALOGIQUES
Logiciel PSPICE
Objectif du TP
Le but de ce TP est de familiariser l’élève avec le logiciel de simulation de circuit
électronique PSPICE. Ce logiciel est un outil indispensable à tout développement de
dispositifs électroniques analogiques (et numériques). Les circuits que vous devrez simuler
sont des filtres passifs du premier et second ordre, passifs et actifs.
I. PRESENTATION DE PSPICE
! ! Vous travaillerez dans le répertoire « Bureau/Mes documents/Users PSPICE ».
Evitez de toucher l’écran (traces de doigts). A la fin du TP, vous effacerez vos
fichiers ainsi que de la Corbeille et vous éteindrez le PC! !
Mot de passe XP commun aux trois PCs Pspice analogique : « pspice »
La version étudiante que vous utiliserez pour ce TP est gratuite. Elle est distribuée par la
société OrCAD et vous pouvez la télécharger à l’adresse http://www.orcad.com/. Cependant,
seuls les PCs mis à votre disposition seront utilisés pour ce TP.
Pspice (9.1 student) se démarre de la manière suivante :
Par le menu
Démarrer/Programmes/Pspice student :
Par le répertoire OrCAD_Demo/Pspice :
OU
Les fonctions des principaux boutons de l’interface PSpice sont données sur la figure
suivante :
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ECOLE DES MINES DE NANTES
Cadrage
schéma
Copier
coller
Gestion
graphique
Annuler
rétablir
Librairie
composants
Fils
connexion
Paramètres
simulation
Derniers
composants
Simulation
Sondes
Mesure en
tous points
II. ETUDE D’UN FILTRE PASSE BAS DU PREMIER
ORDRE
1
Analyse temporelle
A savoir :
•
La sélection d’un composant se fait par : «
« Ctrl+G »
•
Le tracé des fils de jonction se fait par: «
•
Les sondes de mesures sont placées avec : «
ou « Ctrl+M »
» ou « Draw/Get New Part… » ou
» ou « Draw/Wire » ou « Ctrl+W ».
» ou « Markers/Mark Voltage Level »
Réalisez le schéma suivant :
V1 est un générateur de tension d’amplitude VAMPL=1V, de fréquence FREQ=1kHz et de
composante continu VOFF=0V (Part: VSIN ; Lib: source.sld)
R1 est une résistance de 1K (Part: R; Lib: analog.sld)
C1 est un condensateur de 1uF (Part: C; Lib: analog.sld)
Une masse doit obligatoirement être définie et de LABEL=0 (Part: AGND; Lib: port.sld)
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ECOLE DES MINES DE NANTES
Pour tourner un composant de 90°, utilisez : ctrl r
Les caractéristiques des différents composants peuvent être modifiées en double cliquant
bouton de gauche de la souris sur le composant désiré.
On peut vérifier la validité du schéma dans le menu Analysis puis Electrical Rule check.
Avant de lancer une simulation, il faut configurer le type d’analyse souhaité ainsi que la plage
de visualisation. Pour cela utilisez : «
» ou « Analysis/Setup… » puis sélectionnez une
analyse temporelle en cochant « Transient .. ».
Dans ce menu, le pas de simulation est donné par Print Step, le temps total de la simulation
par Final Time. Configurez le comme suit :
Enregistrez votre fichier dans Bureau/Mes documents/Users PSPICE puis commencez
la simulation en cliquant sur : «
» ou « Analysis/Simulate » ou « F11 » :
Il est possible d’ajouter des courbes à partir de l’interface graphique en sélectionnant le nœud
sur lequel on veut faire une mesure par le menu Trace puis Add.
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L’évaluation d’une valeur en un point d’une courbe s’effectue avec les curseurs
« Trace/Cursor/Display » ou «
» et les boutons de droite et gauche de la souris.
Question 1
• Expliquez l’allure de la tension au borne de C1 en début de simulation .
On peut modifier la tension initiale du condensateur C1 en jouant sur le paramètre IC du
modèle C1. Initialisez la tension aux bornes de C1 à IC=1V puis relancez la simulation.
• Donnez le déphasage entre la tension aux bornes du condensateur et celle du générateur.
2
Analyse fréquentielle
Il faut tout d’abord modifier le générateur V1 en sélectionnant un générateur de tension de
fréquence variable appelé VAC. (Part: VAC; Lib: source.sld). L’amplitude de ce générateur
sera de 1V ACMAG=1V et sa composante continue sera nulle DC=0V.
Le type d’analyse est à présent fréquentielle donc choisissez « AC Sweep... » dans le menu
« Analysis/Setup… » (pensez à dé-sélectionner l’analyse temporelle « transient »). On
choisira un balayage en fréquence logarithmique de 10Hz a 10kHz avec 10 points/décade.
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ECOLE DES MINES DE NANTES
Effectuez la simulation.
Question 2
• Visualiser la tension aux bornes de C1 en décibels en plaçant une sonde de type
« vdb » (menu « Markers/ Mark Advandced ») et déterminer à l’aide des curseurs la
fréquence de coupure du filtre à –3dB et la pente du filtre en dB/decade.
• Visualisez la phase de cette même tension. Donner la valeur à 1000Hz.
Rappel : Vdécibels = 20log10(V )
III. FILTRE PASSE BAS DU 2° ORDRE
1
Analyse fréquentielle
Réalisez le montage suivant :
V2 est un générateur du type VAC d’amplitude 1V
L1 est une bobine de 10mH (Part: L; Lib: analog.sld)
R1 est une résistance de 50 (Part: R; Lib: analog.sld)
C1 est un condensateur de 1uF (Part: C; Lib: analog.sld)
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On choisit un balayage en fréquence logarithmique de 100Hz à 100kHz avec un pas de 10
points/décade.
On a la possibilité de diviser l’écran graphique en demis écrans sur lesquels on peut visualiser
le gain et la phase simultanément (menu Plot puis Add Plot) (Fig.1) ou bien sur le même
écran en doublant l’axe des Y (menu Plot puis Add Y Axis) (Fig.2)
100
0d
-100d
0
SEL>>
-200d
VP(C1:2)
VP(C1:2)
100
-100
0
-100
100Hz
VDB(L1:2)
1.0KHz
10KHz
100KHz
-200
100Hz
VP(C1:2)
1.0KHz
10KHz
100KH
VDB(L1:2)
Frequency
Frequency
Fig.1
Fig.2
Question 3
• Visualisez le diagramme de BODE (gain et phase) du filtre et relevez la fréquence de
résonance du filtre.
• Quelle est la pente d’atténuation du filtre en dB/decade.
Nous allons réaliser l’étude de ce filtre pour différentes valeurs de R1. Pour cela R1 doit être
modifiée en une résistance de type « Rbreak » (Part: Rbreak; Lib: breakout.sld) qui pourra
prendre plusieurs valeurs. Dans notre cas 25, 80 et 200Ω. N’oubliez pas de choisir une valeur
multiplicative de 1, sinon avec le paramétrage d’origine, vous simulerez 25k, 80k et 200kΩ!
Il faut ensuite définir la liste de valeur que va prendre R1 dans le menu Analysis, setup puis
Parametric... :
Tracez ensuite les différentes courbes de gain et de phase du filtre.
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Question 4
• Quelle est l’influence de R1 sur le gain et la phase ?
2
Analyse temporelle
Nous allons injecter un échelon de tension à l’entrée du filtre et visualiser la sortie pour
différentes valeurs de R1.
1V
0V
Echelon de tension
Le générateur doit pour cela être remplacé par une source de tension du type « VPWL » dont
les caractéristiques sont les suivantes: DC=0V, T1=5ms, V1=0V, T2=5.000001ms, V2=1V.
(Pour Pspice T1 et T2 doivent être différents alors qu’il sont identiques en théorie, on les
choisit donc très proche).
Générateur type PWL
Part: VPWL
Lib: source.sld
T2 ,V2
V
Tn-1 ,Vn-1
Tn ,Vn
DC: Tension pour T=0
Ti : Instant d’évaluation
Vi: Tension au temps Ti
DC
T
T1 ,V1
T3 ,V3
On observera le signal de 0 à 20ms par pas de 20ns et on conserve R1 en « Rbreak » (20 80
200).
Question 5
• Visualisez les différentes réponses du filtre en fonction de R1 et conclure quant à
l’influence de R1.
3
Transformée de Fourier (FFT)
Remplacez « Rbreak » par une résistance fixe de 2 ohms et visualisez la réponse du filtre
pour le même paramétrage que précédemment.
Effectuez une Transformée de Fourier (Fast Fourier Tranform) sous l’espace graphique à
l’aide du bouton FFT : «
» et mesurez la fréquence de résonance.
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IV. REALISATION D’UNE SOURCE CODEE POUR LE
PROTOTYPE D’ORIENTATION DE PANNEAUX
SOLAIRES
Dans cette partie du TP, nous considérons que vous êtes suffisamment formé au logiciel
PSPICE pour réaliser un exercice d’électronique avec un minimum de directives.
Le problème
On désire leurrer le P.O.P.S. (Prototype d’Orientation de Panneaux Solaires) à l’aide d’une
source lumineuse codée de faible intensité. Cette source sera une matrice de LED infrarouges
(du même type que celle de vos télécommandes TV), alimentée par un générateur de signaux
carrés. Ainsi, même en présence d’une source lumineuse principale d’intensité élevée telle
qu’un spot halogène (220V 45W) ou le soleil, le P.O.P.S. devra s’orienter vers la source
leurre.
Ce qu’il faut savoir
Une source principale telle qu’un spot halogène ou une lampe à incandescence génère un
signal de photodiode comportant une forte composante continue ainsi qu’une composante
sinusoïdale à la fréquence de 2×50Hz = 100Hz. On réalisera une simulation de ce signal en
sommant une sinusoïde d’amplitude 0-pic de 0.5V et une tension d’offset de 10V (VSIN).
Nous vous conseillons d’étudier le signal sur une seule période.
Nous choisissons d’alimenter la source leurre en signaux carrés positifs à la fréquence de
~10kHz. On utilisera pour cela un circuit LM555 (555D) alimenté en 12V (VDC), la
documentation de ce circuit est à la fin du TP. Pour simplifier la simulation, on supposera que
les photodiodes du P.O.P.S. délivrent un signal proportionnel à celui d’alimentation des LED
infrarouges. Vous prendrez des résistances de la série E12 (voir début du document de TP) et
RA>500Ω; C=10nF ainsi qu’un rapport cyclique D le plus proche possible de ½. La sortie
sera réduite d’un facteur ~100 par un diviseur de tension dont la charge équivalente pour le
LM555 sera Rc>100kΩ.
Vous sommerez ces deux signaux ce qui correspondent pour le P.O.P.S. à la présence
simultanée de la source leurre et de la source principale. On pourrait réaliser un sommateur
avec un Ampli Op, mais pour obtenir un résultat rapide, vous utiliserez la fonction SUM
library : abm. La sortie d’un SUM doit être obligatoirement chargée (exple : résistance de
1kΩ sur la masse).
Ce signal somme sera ensuite injecté à l’entrée d’un filtre Passe Haut de Rauch dont la
fréquence de coupure sera de ~1.6kHz. La structure de ce filtre est donnée à la fin de ce TP.
L’amplificateur opérationnel est un (uA741) alimenté en symétrique + et –12V (VDC) et on
prendra R2 = R5 et C1 = C3 =C4 = 10nF.
Ce qu’il faut faire
Question 6
• Réalisez l’alimentation en signaux carrés à l’aide du circuit LM555 chargé par le diviseur
de tension. Puis sommez ce signal avec celui de la cible principale (sinus 100Hz). Faites
contrôler le résultat par un encadrant.
• Réalisez le filtre de Rauch et montrez à votre encadrant que vous obtenez en sortie de ce
filtre un signal permettant au POPS de suivre la source leurre en présence d’une source
principale intense.
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RA
2
4
8
7
RB
6
3
5
1
C
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FILTRE A STRUCTURE DE RAUCH
Filtre Passe Haut
C4
C1
R5
C3
+
R2
Ve
Vs
La transmittance est :
T=
− R2R5C1C3ω2
1 + R 2 (C1 + C3 + C4 ) jω − R2R5C3C4ω2
T0
Sous sa forme normalisée : T =
( jω)2
ω02
1 + 2mj ωω0 +
avec : ω =
(jω)2
ω02
1
1
R2
C
; m = (C1 + C3 + C4 )
et T0 = 1
2
R 5 C3 C 4
C4
R2R5C3C4
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