Schematics Versão 2.1

8/17/2019 Schematics Versão 2.1

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SPICE - Simulation Program with I ntegrated Circuit

Emphasis (programa de simulação com ênfase em circuitos integrados)

O simulador de circuitos PSpice foi criado pela empresa Microsim, e em poucos anos tornou-se osimulador de circuitos eletrônicos mais utilizado do mundo. A cada ano que passava, uma nova versão eradesenvolvida. A Microsim desenvolveu seu software, até a versão 8.0, com o nome de Microsim PSpice. O softwarePSpice foi vendido para a empresa Cadence Design Systems, que por sua vez, queria mudar a aparência estéticadeste software. Não mudou só a aparência, mas também o nome para OrCAD. O software PSpice, responsável peloscálculos matemáticos do simulador continuou o mesmo, mas o layout de desenho mudou-se e o ambiente onde sãomostrados os gráficos (Probe) teve uma mudança com a adição de muitas ferramentas úteis.

A primeira versão do software OrCAD é a versão 9.0, enquanto a última da Microsim foi a 8.0,confirmando a linhagem do software. Como o simulador da Microsim já era utilizado á vários anos pelosengenheiros eletricistas e eletrônicos, os antigos usuários tiveram uma certa ”resistência” `a nova versão do produto, por já estarem acostumados com versão anterior. Pensando nestes fiéis usuários a empresa Cadence lançou naversão 9.2 a versão 8.0, ou seja, quem gostou da nova aparência utiliza o Capture Cis (salva os arquivos comextensão .opj), enquanto os ´dinossauros´ utilizam o Schematics (salva os arquivos com extensão .sch), onde ambosrealizam seus cálculos no PSpice da versão 9.2 e plotam gráficos no Probe também desta versão. Contudo, ressalta-se que os arquivos usados no Schematics podem ser importados pela plataforma Capture, porém, o inverso não éverdadeiro.

Abaixo destacamos alguns programas:

SCHEMATICS: Plataforma de simulação

PSPICE AD: PSPICE compilador

SIMULATE: Simulador

CAPTURE: Editor de esquemático e VHDL

LAYOUT PLUS: Editor de Layout

LAYOUT PLUS SMART ROUTE: Roteador

PSPICE MODEL EDITOR: Editor de modelos

PSPICE STIMULUS EDITOR: Editor de estímulos


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I - EXEMPLO DE CRIAÇÃO DE CIRCUITO

Neste trabalho, o circuito linear mostrado na figura 1 será usado para exemplificar os diversos recursos doOrcad Schematics.

Figura 01

Cada projeto iniciado tem uma janela independente, permitindo-se o gerenciamento simultâneo de vários projetos na mesma sessão e o controle, de forma reunida e organizada de todas as informações necessárias a cada projeto, incluindo diretórios de esquemáticos, páginas esquemáticas, componentes, arquivos VHDL e apresentaçãode resultados, como valores de materiais e netlists.

I.1 – Criando um novo projeto Pspice

a) A partir do menu Iniciar do Windows, selecionar o folder Orcad Fami ly Release 9.2 e, a seguir, o atalhoSchematics ;

Figura 02


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b) Aparecerá a tela inicial Schematics, como ilustrado na figura 02. O schematic é o local onde será descrito ocircuito a ser simulado, isto é, o local onde um conjunto de componentes passivos (resistores, capacitores, indutores,diodos) e ativos (fontes de tensão, fontes de corrente) serão dispostos e interligados (nós e malhas).

Figura 03

A seguir, são listadas as principais funções contidas no menu:

b1) Menu File

b2) Menu Edit

b3) Menu Draw


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b4) Menu View

b5) Menu Analysis

I.2 – Posicionando-se componentes da tela

a) Para selecionar algum componente existem três maneiras diferentes:

Pressionando CTRL+G

Indo até o Menu Draw Get New Part

Clicando no ícone da palheta superior

Em qualquer um dos caso, deve-se abrir a janela abaixo, com a tela Part Browser Advanced:

Figura 04

Para procurar um componente, existem duas formas:

Digitar o nome do componente no campo Parte Name, se este for conhecido pelo leitor. Por exemplo, R para resistor, C para capacitor, L para indutor, e assim por diante. Esta opção permite o acesso rápido aocomponente, mas exige alguma familiaridade do leitor com o pacote Schematics;

Procurá-lo diretamente na lista e clicar no elemento desejado. Esta opção é lenta, mas é recomendada paraquem ainda está iniciando o aprendizado.


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b) Quando se seleciona algum componente, como o resistor R na figura 05, observa-se na janela o seu símbolo euma breve descrição;

Figura 05

c) Após selecionar o componente, clicar no botão Place. O cursor do mouse passa a ter o formato do componente.Clicar no local escolhido na tela do Schematic para afixá-lo, conforme mostrado na figura 06.

Caso se deseje aumentar ou diminuir o tamanho do desenho na tela, pode-se usar os botões Zoom In ou

Zoom Out, na palheta superior: .

Figura 06


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d) A tela Part Browser Advanced permanecerá aberta e pode-se fixar quantos componentes de desejar, como nafigura 07.

Para fechar esta tela basta clicar em Close.

Clicando-se no botão do lado direito do mouse, retorna-se ao formato de seta usual;

Ou então, clicar em Esc do teclado.

Antes de afixar o componente, pode-se rodá-lo em 900, usando-se Edit Rotate. Ou então, roda-se o componente usando-se CTRL+R . Se o componente já estiver sido afixado, clicar uma vez no componente, deixando em cor vermelha, eAplicar CTRL+R .

Se um dado componente precisar ser usado uma única vez, pode-se selecioná-lo e já pedir para se fechar atela Part Browser Advanced, clicando-se em Place & Close.

Pode mudar a posição de um componente, marcando-o (ele passa a cor vermelha) e arrastando-o com o botão esquerdo do mouse pressionado.

Pode apagar um componente a qualquer momento, marcando-o (ele passa a cor vermelha) e clicando natecla Del do teclado.

Figura 07


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e) Caso se esteja procurando algum componente, mas não se sabe o seu Part Name, pode-se digitar a classe docomponente no campo Description Search. Por exemplo, se estiver procurando um diodo, mas não se sabe qual poderá usar, digita-se diode (diodo em inglês) neste campo e clica-se em Search. Todos os diodos disponíveisaparecerão na lista de componentres.

Figura 08

f) O conjunto de blibliotecas disponíveis no Pspice pode ser acessado digitando-se * no campo Part Name eclicando-se em Libraries. Clicar em Cancel se não se desejar acessar nenhuma delas.

Figura 09

Normalmente, a biblioteca de fontes de tensão é a analog.slb. São bibliotecas de transistores a eval.slb eebipolar.slb. E assim por diante.


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g) Para de localizar um componente específico, por exemplo, um amplificador operacional 741, digita-se *741 nocampo Part Name. Assim, todos os componentes que tiverem 741 no nome serão mostrados na lista decomponentes. Clicar em Cancel se não se desejar acessar nenhum deles.

Figura 10

h) Caso se deseje a lista completa de volta, digita-se * no campo Part Name, e automaticamente se recupera todosos componentes da lista.

Figura 11


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I-2 – Posicionando fontes de tensão e de corrente DC

a) A fonte de tensão constante é obtida digitando-se VDC no Part Name;

b) A fonte de corrente constante é obtida digitando-se IDC no Part Name;

Figura 12

I.3 – Posicionando-se o terra

a) É necessário que todos os circuitos tenham um terra. Este pode ser escolhido por qualquer um dos componentes:

GNDANALOG, GND_EARTH ou EGND

Repete-se: é obrigatório a presença de um nó “zero”, que será o nó de referência (nó de terra do circuito),ao qual serão referenciadas todas as tensões calculadas.

Figura 13

b) Como a tela Part Browser Advanced não é mais necessária, pode-se fechá-la clicando em Close.


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I.4 – Conectando-se os componentes

a) Existem formas para se conectar os componentes:

Apertar CTRL+W

Clicar em Draw Wire

Clicar em .

Em todos os casos, o cursor do mouse assume a forma de um lápis ou uma caneta.

Clicar numa das extremidades do componente e soltar o clique. Se dirigir ao ponto final da conexão e daroutro clique. A conexão será realizada

Os conectores sempre são trechos de retas. Ou seja, para se inserir uma trilha que faz um ângulo de 900,deve-se desenhar o primeiro trecho, e, a seguir, o segundo, a 900 do primeiro.

Os nós das redes são indicados por pontos (certificar-se de que este ponto está presente na conexão)

O cursor volta ao normal clicando-se no botão direito do mouse. As conexões podem ser apagadas selecionado-se o fio e em seguida apertando a tecla Del do teclado.

Figura 14Observação importante:

Figura 15

Para conferir a ligação, basta clicar em um dos componentes e arrastá-lo. Se os fios forem arrastados unidos aocomponente, a ligação foi feita com sucesso, caso contrário, ele deve ser refeita.


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I.5 – Alterando os nomes e valores dos componentes

Cada componente no PSpice é composto por três atributos: o nome, o valor e o componente global.Qualquer um destes pode ser selecionado pelo mouse, clicando-se em cima do nome, do valor (estes passam a ficar

dentro de uma caixa retangular , ) ou do componente global (este passa a ter cor

avermelhada ).

O Pspice coloca automaticamente nomes e valores default nos componentes. Pode-se alterar estes atributos,e outros mais, segundo diferentes opções.

a) Para se alterar o nome do componente, dar dois cliques sobre o nome do componente que aparece na tela,abrindo-se a janela Edit Reference Designator. Daí, trocar o nome no campo Package Reference Designator.

Figura 16

No caso deste circuito, nenhum nome será alterado (a menos que o leitor assim o deseje).


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b) Para se alterar o valor do componente, dar dois cliques sobre o valor default do componente que aparece na tela,abrindo-se a janela Set Attribute Value. Daí, basta trocar o valor no campo especificado.

Figura 17

O PSpice utiliza as abreviaturas para ordens de grandezas retratadas na Tabela 1. Ressalta-se para seobedecer ao padrão estabelecido.

Tabela 1 – Abreviaturas de unidades.

Observações:

Se for desejado expressar 1 mega, mas for digitado 1 M, o PSpice entende como 1 mili (10-3). O correto é1 Meg (igual a 106);

O PSpice não distingue entre caracteres maiúsculos e minúsculos Para valores 1,5 k = 1500 , não utilizar vírgula e sim ponto, ou seja, escrever 1.5k ão usar espaço entre o valor e a unidade de medida: o correto é digitar 1.5k e não 1.5 k ;

O nome da unidade de grandeza física (sistema SI) é opcional. Assim, 100 e 100ohms são indiferentes.; Na verdade, letras imediatamente seguindo um número, que não são fatores de escala, são ignorados. Porexemplo, 10, 10V, 10Hz e 10ª representam o mesmo número. Também 2,5M, 2.5MA, 2.5 Msec e2.5Mohms;


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c) Outros parâmetros do componente podem ser dando-se dois cliques sobre componente em si (ele passa a ter coravermelhada). Com isto, abre-se uma tela contendo informações sobre todos os seus atributos, inclusive nome evalor.

Pode se mudar o nome ou valor através desta forma alternativa; Pode-se alterar outros atributos do componente selecionado (recomenda-se fazer isto somente após se

adquirir alguma experiência em se trabalhar com o PSpice).; Após fazer cada alteração, clicar em Save Attr. Ao término, clicar em OK .

Figura 18

É recomendado desabilitar as opções Include Non-Changeable Attributes e Include System DefinedAttributes.

Figura 19


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d) Neste estágio da análise, é recomendável salvar o esquemático, usando-se File Save, ou CTRL+S, ou ainda o

botão . Sempre deve-se assegurar que o arquivo foi salvo antes de se partir para as simulações. O arquivo ésalvo com extensão .sch.

Figura 20Antes de se realizar a simulação, sugere-se realizar alguns procedimentos:

Conferir se o circuito tem um terra; Certificar-se que todos os componentes estão com seus terminais conectados e com os valores desejados; Verificar se não há nenhum fio curto-circuitando algum componente; Salvar o arquivo.


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II - EXECUTANDO A SIMULAÇÃO

Para se acessar o menu de simulação no PSpice pode-se proceder de duas maneiras diferentes:

Usar Analysis Setup

Clicar em na palheta superior.A janela mostrada na figura 21 será aberta, a qual, dentre as principais, fornece as seguintes opções de

análise:

Bias Point Detail: mostra as tensões e correntes de polarização; Transient: simulação em um dado intervalo de tempo; AC Sweep: executa a varredura de freqüência numa fonte AC; DC Sweep: Executa uma varredura de parâmetros num circuito DC; Temperature: executa simulações com diferentes temperaturas.

Figura 21

Para escolher uma análise, marca-se a caixa de seleção e depois clica-se no botão correspondente para seconfigurar os valores da simulação. O PSpice permite que mais de um tipo de análise seja realizadasimultaneamente.

Recomenda-se sempre selecionar a caixa Bias Point Detail.


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II-1 – Estabelecendo o ponto de polarização (Bias)

a) Selecionar e clicar no botão Bias Point Detail. Fechar a caixa de diálogos, clicando em Close.

b) Usar o menu Analysis Simulate, ou F11, ou então, clicar no ícone .

c) Aparece a nova janela mostrada na figura 22, em princípio, com a janela principal vazia.

O PSpice verifica se existe algum erro. Caso ele exista, o PSpice informará para que a correção seja providenciada, no rodapé da figura.

Figura 22


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d) Caso não existam erros, a simulação será executada e o resultado será mostrado na tela do PSpice Schematics,conforme a figura 23.

Em geral, são mostradas as tensões nos nós da rede.

Note-se que o botão na palheta superior está selecionado;

Figura 23

e) Se for desejado os valores das correntes nos ramos, seleciona-se o botão na palheta superior. A figura

correspondente está apresentada abaixo.

Figura 24


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Em algumas situações, quando as informações sobre os erros não forem suficientes, pode-se obter maisdetalhes das seguintes formas:

acessando o arquivo de saída através do menu Analysis Examine Output,

ou então, clicar no botão da palheta no lado esquerdo da janela PSPICE A/D.

Em ambos os caso, será listado um relatório detalhado sobre a simulação.

Figura 25

A listagem completa do relatório para este exemplo encontra-se anexado à figura abaixo:


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Figura 26

III – ANÁLISE TRANSITÓRIA

A análise transitória é realizada ao longo do tempo e constitui uma das mais utilizadas no PSpice.

a) Em primeiro lugar, inserem-se os marcadores de tensão e corrente no circuito, que podem ser de diferentes tipos,e acessadas no menu Markers

Mark Voltage/Level tensão no ponto aplicado

Mark Voltage Differential diferença de potencial Mark Current Into Pin corrente no componente

Também pode-se acessar os marcadores de tensão e corrente pelos atalhos:

Os marcadores funcionam como voltímetros entre o terminal do componente e o terra. Ou então, comoamperímetros medindo a corrente através do componente.

Na realidade, como os marcadores permitem observar as tensões e corrente variando no tempo, funcionamcomo se fossem ponteiras de osciloscópios.

b) Inserir os marcadores de corrente em cada ramo do circuito, conforme mostrado na figura 27.

c) É necessário alocar a ponteira de corrente exatamente sobre a extremidade do componente, caso contrário, umamensagem de erro é emitida.

Figura 27


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d) Salvar a configuração

e) Clicar no botão Setup Analysis , e se abre a janela Analysys Setup.

Nesta janela, selecionar Transient e clicar no botão correspondente.

Abre-se então a janela Transient, com as seguintes opções:

Print Step: é utilizado imprimir o texto no arquivo de saída. A cada “ print step” segundos os valores sãogravados no arquivo de saída. Se este for muito pequeno pode-se afetar o tempo de simulação, tornando-omuito longo;

Final Time: define o tempo total de simulação. A simulação é executada entre 0 e “ final time” segundos;

No-Print Delay: permite se definir após qual intervalo se deseja que os resultados sejam gravados noarquivo de saída. Ele é usado para diminuir o tempo de simulação em análises longas. Por exemplo, se a

simulação for selecionada ocorrer até 1 seg, mas o interesse na análise concentra-se apenas no intervalo990 ms e 1 s, basta designar o “no-print delay” em 990 ms. Por outro lado, se o interesse for todo ointervalo entre 0 e 1 s, basta deixar este campo em branco.

Step Ceiling: define o tempo máximo entre os pontos que serão simulados. Se o “ step ceiling ” for muitolongo, o desenho do gráfico perde em resolução (não ficam suaves). Contudo, não se deve exagerar notamanho do “ step ceiling ” pois, se este valor for muito pequeno, pode-se tornar o tempo de simulaçãoexageradamente longo, ou até, causar o aborto da operação (uma mensagem de erro é emitida). Sedeixado em branco, o PSpice calculará um tempo de modo que a simulação ocorra no menor tempo possível, porém, as vezes, esta resolução pode não ser suficiente.

f) Segundo o roteiro de aula, pede-se para ajustar Print step = 100uFinal time = 100m

No print step =Step ceiling = 100u

Figura 28


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g) Clicar em Simulate, botão . Na tela PSPICE/AD aparece os gráficos de todas as correntes especificadas pelos marcadores, conforme a figura 29:

Figura 29

Observar, na legenda da figura, como o PSpice especifica os gráficos das correntes em cada resistor: I(R1), I(R2),I(R3), etc. Este formato de designação será importante nos próximos parágrafos.

h) Pode medir o valor da curva em determinado ponto basta acessar o menu Trace Cursor Display, comomostra a figura 30.

Figura 30


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Outra opção, mais rápida, é clicar no botão Toggle Cursor na palheta superior do PSPICE A/D.

Aparecem dois cursores, ortogonais entre si, que deslizam sobre a curva; Cada cursor é selecionado com um botão do mouse. O botão esquerdo do mouse seleciona o cursor 1, e, o botão direito, seleciona o cursor 2;

Se os cursores estão em pontos diferentes é mostrada uma caixa com informações sobre o valor em cada ponto, bem como, a diferença entre estes pontos.

Caso se deseje medir outras curvas, basta clicar com o botão direito e depois com o botão esquerdo domouse sobre o símbolo de legenda da curva desejada. Ou seja, sobre o quadrado, losango, triangulo, etc.

Atenção: não é para clicar no nome, mas sim, sobre o símbolo.

Figura 31

i) A partir daí, podem ser medidas as correntes nos resistores, conforme é pedido no roteiro de aula. Obviamente,estes valores poderiam ser obtidos pela análise DC vista na seção anterior (figura 24), mas o objetivo nesta seção éoutro, qual seja, aprender a desenhar gráficos no tempo.


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j) Outra forma de se desenhar os gráficos das correntes nos resistores na tela do PSPICE A/D seria usar os comandosdo menu: Trace Add Trace. Será aberta a janela Add Traces, com duas listas: na direita, estão todas as curvas

disponíveis, e, na esquerda, um conjunto de funções ou macros.

Na lista Simulation Output Variables, na esquerda, cada nome começa por V, I ou W, correspondentesa tensão, corrente e potência, respectivamente, enquanto o valor entre parênteses representa

(nome_do_componente: terminal);

Na lista Simulation Output Variables, na esquerda, basta clicar nas curvas que se deseja obter; Pode selecionar quantas curvas se desejar; Cada nome clicado aparecerá no campo Trace Expression; A qualquer momento um desses nomes pode ser deletado, clicando-se no nome de usando Del do teclado; Se for desejado deletar todas as curvas, pode-se ir ao menu Trace Delete All; No caso deste exemplo, selecionar: I(R1) I(R2) I(R3) I(R4) I(R5) Selecionados os gráficos desejados, clicar em OK .

Figura 32

Os gráficos obtidos serão exatamente os mesmos mostrados na figura 31.

Antes de prosseguir, usar: Trace Delete All Traces para apagar todas as curvas.


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k) Na sequência, desejam-se os valores das tensões sobre cada resistor da rede. Contudo, antes de seguir adiante, pede-se para deletar todos os marcadores de corrente no PSpice Schematics.

l) Inserir os marcadores de tensão, conforme descrito na figura 33:

Figura 33

m) Automaticamente, são geradas as curvas de tensões nos nós indicados na figura 33. Estes gráficos nada mais são

do que as tensões DC em cada um dos nós, indicadas na figura 33.

Figura 34

n) Entretanto, não é isto que se está sendo pedido no roteiro da aula. Não se desejam as curvas das tensões nos nós,mas sim, as curvas das tensões entre nós, ou seja, sobre cada resistor (R1, ..., R5).

Antes de prosseguir, usar: Trace Delete All Traces para apagar todas as curvas.


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Para isto, utiliza-se o marcador diferencial acessado pelo menu Markers Marker Voltage Differential:

Na verdade, trata-se de um par de marcadores, uma para polaridade positiva e outro para a negativa;

O cursor passa a ter o formato para polaridade positiva e para a negativa. É importante se ter uma idéia preliminar sobre a polaridade da tensão sobre o componente. Assim, pode-

se contar com o auxílio da resultado da análise DC mostrado na Figura 33. A inserção de polaridadestrocadas implica em tensões negativas.

Dar um clique sobre o terminal positivo do dispositivo, e depois, outro clique sobre o terminal negativo. Se o local do clique não for exatamente o terminal do componente, será emitida uma mensagem de erro; Salvar o esquemático: Save.

Figura 35

Ao se inserir os marcadores, automaticamente será desenhado o gráfico da diferença de tensão entre estesmarcadores;

Os valores das magnitudes de cada curva (tensões entre nós) podem ser obtidos usando-se o botão ,como nos itens anteriores.

Figura 36

Observar, na legenda, como o PSpice especifica cada curva: V(R1:1,R1:2) V(R2:1,R2:2) V(R4:1,R4:2)V(R5:1,R5:2).


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p) Operações matemáticas sobre as tensões sobre os resistores também podem ser executadas. Por exemplo,somando-se as tensões sobre R1, R2 e R4.

Trace Delete All Traces. Trace Add Trace: V(R1:1,R1:2)+ V(R2:1,R2:2) V(R4:1,R4:2). Atenção para esta

última parcela, na qual se respeitou a polaridade das tensões.

Ou então, fazer (V1(R1)-V2(R1))+ (V1(R2)-V2(R2))−(V1(R4)-V2(R4)).

Figura 39

Note-se que esta soma resultou no valor da tensão da fonte V1, ou seja, V(V1:+).

Figura 40


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q) Entretanto, esta operação pode ser realizada mais rapidamente usando-se os marcadores diferenciais, comomostrado na figura 41.

Com o auxílio dos resultados obtidos com o botão , pode-se conhecer as polaridades das tensões nosnós.

Posionar um marcador simples na entrada V1; Posicionar um marcador diferencial entre a entrada de R1 e a saída de R4. Automaticamente, são gerados os gráficos de V1 e de VR!+VR2+VR4.

Figura 41

O resultado é idêntico àquele obtido na figura 40, conforme mostra a figura 42. Na figura 42, compara-seeste resultado com o valor da tensão da fonte V1, ou seja, V(V1:+).

Figura 42


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r) A seguir, usando-se Trace Add Trace e a coluna do lado direito da janela Add Traces, desenham-se as curvasda soma das correntes sobre R2 e R3, e compara-se com a corrente sobre R1.

Figura 43

O resultado encontra-se desenhado na figura 44.

Figura 44

Pergunta-se ao leitor: estas curvas não deveriam ser idênticas ?


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s) Abaixo, se compara a corrente circulando sobre R5, IR5 = I(R5), com a corrente que saí da fonte de corrente I1,igual a I(I1).

Figura 45

t) A seguir, determinam-se as potências das fontes V1 (fonte de tensão) e I1 (fonte de corrente).

A fim de se evitar sinais negativos, aconselha-se a fazer: ABS(V(V1:+) * I(V1)) e ABS(V(I1:+)*I(I1)). O primeiro valor resulta: 62.26 W O segundo valor resulta: 13.77 W

Figura 46


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u) Finalmente, se calcula a curva da potência total dissipada sobre os resistores: PT = R1*(IR1)2+ R2*(IR2)

2+..., e secompara com o valor teórico.

Usando-se Trace Add Trace, digitar na caixa de diálogos Add Trace:

100 * I(R1)* I(R1)+100* I(R2)* I(R2)+200* I(R3)* I(R3)+10* I(R4)* I(R4)+10.

Automaticamente será desenhada a curva na figura 47.

Usando se o botão se obtém 76.038 W. O valor teórico é 76.0374 W. Usando o resultado do item anterior, tem-se 62.26+13.77=76.03 W.

Figura 47

v) Ao final dos testes, o PSpice terá criado os arquivos mostrados na figura 48:

Figura 48


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II – CIRCUITO COM FUNÇÃO PERIÓDICA RETANGULAR (VPULSE)

No exemplo a seguir, analisa-se o caso de um circuito alimentado por uma fonte de tensão periódicaretangular, VPULSE, desenhada na figura 49.

Figura 49

Nesta fonte, pode-se ajustar os seguintes parâmetros:

V1 = tensão mínima V2 = tensão máxima TD = Time Delay = tempo antes de começar o pulso TR = Time Rise = tempo de subida TF = Time Fall = tempo de descida PW = Pulse Width = largura do pulso PER = Período.

II . 1 - Inserindo-se os parâmetros do pulso retangular

a) Basicamente, repete-se os procedimentos aplicados na seção I, para o circuito da figura 49. Desta forma:

clica-se em Get New Part; na janela Part Bowser Advanced digita-se VPULSE no campo Part Name;

Figura 50


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b) Desenha-se o circuito da figura 51, inserindo-se o resistor e o terra, e efetuando-se as conexões.

Figura 51

c) Uma vez pronto o circuito, alteram-se os nomes dos componentes para V_Triangular e R_Carga;

d) Clicar duas vezes na fonte retangular e inserir os atributos da fonte retangular. A cada inserção, clicar em SaveAttr.

V1 = 0V V2 = 15V TD = 1ns TR = 1ns TF = 1ns PW = 5us PER = 10us

Figura 52

É importante lembrar que os tempos de subida e de descida não devem ser totalmente zerados, pois podemvir a ocasionar erros de convergência em circuitos mais complexos.


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b) Segundo o roteiro de aula, na frequência de 100 kHz, deseja-se simular 50 períodos e armazenar apenas 40. Comisso, deve-se clicar no botão Transient, e ajustar os seguintes parâmetros:

Print Step = 1us Final Time = 0.5ms No Time Delay = 0.1ms

Step Ceiling = 1us

Figura 55

c) A seguir, proceder à simulação clicando no botão Simulate. Se tudo transcorrer favoravelmente, abre-se a janelaPSPICE A/D, sem nenhuma mensagem de erro. Contudo, a tela principal está vazia, aguardando-se os comandos para desenhar as curvas desejadas.

Figura 56


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d) Para se desenhar a forma de onda de tensão na carga, pode-se acessar o menu Trace Add Trace, ou então,utilizar um marcador de tensão.

Figura 57

e) Com isto, automaticamente será gerado o gráfico de tensão na carga, mostrando 40 ciclos da forma de onda

retangular.

Figura 58


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f) Contudo, o roteiro de aula pede para ajustar a escala horizontal para mostrar apenas os últimos 10 ciclos. Isto podeser realizado usando Plot Axis Settings..., e, na palheta X Axis, selecionar User Defined. Para se mostrar apenas10 ciclos, ajusta-se intervalo entre 400us e 500us.

Figura 59

g) O roteiro pede também, para que a escala vertical mostre o intervalo de -5V a + 20V. Isto pode ser feito realizado

usando-se Plot Axis Settings..., e, na palheta Y Axis, selecionar User Defined e digitar a faixa de entrada −5V e+20V.

Figura 60


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h) Como resultado destas intervenções, se obtém o desenho mostrado na figura 61.

Figura 61

i) Além disso, o roteiro pede para mudar a cor e a largura do traço da curva. Clicando-se no botão do lado direito domouse em cima de uma forma de onda, e depois em Properties, abre-se uma janela que permite acessar a:

Color: para alterar a cor, Pattern: para mudar o padrão (linha contínua, tracejada, pontilhada, etc.), Width: para alterar a largura do traço Symbol: para alterar o símbolo (quadrado, círculo, triângulo, etc.)

Figura 62


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j) Procedendo-se aos ajustes pedidos, obteve-se a figura 63.

Figura 63

II.3 – Executando-se cálculos com os sinais

a) O roteiro de aula pede para se encontrar graficamente os valores médio e eficaz (rms) da tensão sobre o resistor.Isto pode ser realizado usando-se Trace Add Trace, e acessando-se a lista Functions or Macros, do lado direitoda janela Add traces. A função que calcula o valor médio de uma grandeza é AVG( ), do inglês average. A funçãoque calcula o valor RMS é RMS( ), do inglês root mean squared . Desta forma, no campo Trace Expression pede-se para desenhar os seguintes gráficos:

V(Rcarga:2)

AVG(V(Rcarga:2)) RMS(V(Rcarga:2))

Figura 64

b) A partir do botão Toggle Cursor , pode-se medir ambos os valores procurados: valor médio 7.50 V evalor eficaz 10.69 V.


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c) Na sequência, pede-se para alterar a largura do pulso para 20% do período, implicando em PW=2us. Clicar duasvezes no símbolo da fonte de sinal retangular e alterar o atributo PW. No final, salvar a mudança através de SaveAttr.

Figura 65

d) Simular novamente o circuito. A resposta obtida é mostrada abaixo, mostrando um pulso com PW igual a 20% do período.

Figura 66


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e) Calcular novamente as grandezas: AVG(V(Rcarga:2)) e RMS(V(Rcarga:2)), Como se desenhou muitos ciclos próximos a origem dos tempos, evidenciou-se o comportamento transitório da resposta do PSPICE à medida queexecuta os cálculos.

Figura 67

f) A partir do botão Toggle Cursor , pode-se medir ambos os valores procurados: Valor médio 3.07V e

Valor RMS 6.79. Aconselha-se executar as medições no extremo direito dso gráficos, quando as respostas já seencontram estabilizadas.

g) O roteiro pede para ajustar a largura do pulso novamente em 50% e modificar a tensão inicial V1 de 0 para -15 V. Na figura abaixo mostra-se esta alteração. Ao final, clicar em Save Atrr.

Figura 68


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h) O resultado da nova simulação está desenhado na figura 69.

Figura 69

i) Os novos valores médio e eficaz são calculados por AVG(V(Rcarga:2)) e RMS(V(Rcarga:2)), cujos gráficosestão mostrados na figura 70.

Figura 70

j) Os novos resultados, medidos no extremo direito dos gráficos, foram: valor médio 0.045 V e valor RMS 14.999 V.


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III – CIRCUITO COM FUNÇÃO PERIÓDICA TRIANGULAR

O circuito mostrado na figura 50 será agora simulado diante de entradas triangulares, ou em forma de ondaem dente-se serra ou triangular simétrica. Em princípio, pode-se empregar a própria função VPULSE para gerar otriangulo, bastando ajustar adequadamente os tempos de subida e descida.

III . 1 - Inserindo os parâmetros para gerar sinal triangular

a) Repete-se os procedimentos aplicados na seção II, para o circuito da figura 50, Clicar duas vezes na fonteretangular e inserir os atributos da fonte VPULSE:

V1 = 0V V2 = 15V TD = 1ns TR = 49.9us TF = 1ns PW = 1ns PER = 50us

À cada inserção, clicar em Save Attr.

Figura 71

b) Antes de partir para as simulações, salvar o esquemático.


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c) Clicar em Analysis Setup, selecionar Bias Point Detail e Transient. Segundo o roteiro de aula, na frequência de20 kHz, deseja-se simular 100 períodos e armazenar apenas 80. Com isso, deve-se Clicar no botão Transient, eajustar os seguintes parâmetros:

Print Step = 5us Final Time = 5ms

No Time Delay = 1ms Step Ceiling = 5us

Figura 72

d) A seguir, proceder à simulação clicando no botão Simulate. Com isto, automaticamente será gerado o gráfico detensão na carga, mostrando 80 ciclos da forma de onda retangular.

Figura 73

e) Contudo, o roteiro de aula pede para ajustar a escala horizontal para mostrar apenas os últimos 5 ciclos. Isto pode

ser realizado usando Plot Axis Settings..., e, na palheta X Axis, selecionar User Defined.


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Para se mostrar apenas 5 ciclos, ajusta-se intervalo entre 4750us e 500us.

Figura 74

f) O roteiro pede também, para que a escala vertical mostre o intervalo de -5V a + 20V. Isto pode ser feito realizadousando-se Plot Axis Settings..., e, na palheta Y Axis, selecionar User Defined e digitar a faixa de entrada −5V e+20V.

Figura 75


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g) Como resultado destas intervenções, se obtém o desenho mostrado na figura 76.

Figura 76

h) Além disso, o roteiro pede para mudar a cor e a largura do traço da curva. Clicando-se no botão do lado direito domouse em cima de uma forma de onda, e depois em Properties, alterar a cor e a largura do traço.

Figura 77


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III.3 – Executando-se cálculos com os sinais

a) O roteiro de aula pede para se encontrar graficamente os valores médio e eficaz (rms) da tensão sobre o resistor.Isto pode ser realizado usando-se Trace Add Trace, e acessando-se a lista Functions or Macros, do lado direitoda janela Add traces. A função que calcula o valor médio de uma grandeza é AVG( ) e a função que calcula o valorRMS é RMS( ). Desta forma, no campo Trace Expression pede-se para desenhar esses gráficos.

Figura 78

b) A partir do botão Toggle Cursor , pode-se medir ambos os valores procurados: valor médio 7.47 V evalor eficaz 8.66 V.

c) Na sequência, pede-se para alterar os parâmetros TR e TF da função VPULSE para se obter uma curva triangularsimétrica na subida e na descida. Clicar duas vezes na fonte retangular e inserir os atributos da fonte VPULSE:

V1 = 0V V2 = 15V TD = 1ns TR = 24.95us TF = 24.95ns PW = 1ns PER = 50us

A cada inserção, clicar em Save Attr.

Figura 79


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d) Como resultado destas intervenções, se obtém o desenho mostrado na figura 80 (já alterando-se as escalas).

Figura 80

e) O roteiro pede para ajustar a tensão inicial V1 de 0 para -15 V, se forma que a função triangular também fiquesimétrica em relação ao eixo horizontal. Na figura 81 mostra-se esta alteração.

Figura 81


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IV – CIRCUITO COM FUNÇÃO SENOIDAL

O próximo circuito a ser simulado é um retificador de meia-onda excitado por fonte senoidal, mostrado nafigura 82.

Figura 82


Vo = Tensão de offset (Offset Value) Va = Amplitude inicial (Amplitude) Df = Fator de amortecimento (Damping Factor, 1/s) Td = Tempo de atraso (Time Delay, s) FREQ = Frequencia, Hz.

IV . 1 - Inserindo os parâmetros para gerar sinal senoidal

a) Para inserir a fonte senoidal mostrada na figura 82, clicar em e selecionar VSIN;

Figura 83 b) Desenhar os demais componentes da figura 82: usar C para capacitor e L para indutor no Part Name.


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c) Clicar duas vezes sobre a fonte VSIN e ajustar os atributos na janela mostrada na figura 84. A cada ajuste, clicarem Save Attr:

VOFF = 0 VAMPL = 7.07 FREQ = 60

TD = DF = PHASE =

A amplitude igual a 7,07 volts, corresponde a 5 volts RMS.

Figura 84

e) A fim de se registrar, como um lembrete, que a fonte senoidal tem 5 V RMS, utiliza-se a caixa de texto

correspondente ao botão Draw Text na palheta do lado direito da tela do PSpice Schematics. Abre-se a caixade diálogo mostrada na figura 85.

Figura 85

f) Digitar 5V na caixa de diálogo. O cursor do mouse assume a forma do texto digitado. Posicionar o texto no localdesejado e dar um clique no mouse.

g) Inserir os marcadores de tensão e corrente como mostrados na figura 86.

Figura 86


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h) Antes de passar a fase de simulação, é importante salvar o esquemático: Menu Save.

Figura 87

V.2 – Executando a simulação

a) Clicar no botão para abrir a caixa de diálogo Analysis Setup.

Figura 88 b) Selecionar Transient e clicar no respectivo botão. A caixa de diálogo Transient se abre. Ajustar:

Print Step = 100us Final Time = 400ms No-Print Delay = Step Ceiling = 100us

Figura 89


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e) Os gráficos correspondentes serão desenhados como na figura 92.

Figura 92

f) Por exemplo, a fim de se determinar os valores médio e RMS do sinal de saída, seleciona-se Trace AddTrace, e digitar/selecionar AVG(V(C1:2)) RMS(V(C1:2)) no campo Trace Expression.

Figura 93

Obviamente, o valor médio tende a zero para grandes valores de tempo. O valor RMS pode ser medido usando-se o Toggle Cursor, como mostrado em seções anteriores.


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V – ANÁLISE TRANSITÓRIA DO CIRCUITO RC

A seguir, simula-se o circuito mostrado na figura 94, diante da excitação de uma forma de onda retangular,usando-se a função VPULSE. A constante de tempo do circuito é = RC = 10310-6 = 1 ms.

Figura 94

V.1 – Inserindo o circuito e executando a simulação

a) O período da onda retangular será de 10 constantes de tempo, igual a 10 ms, sendo os primeiros 5 ms com tensão

igual a −5V, e os outros 5ms, com tensão igual a +5V. Os tempos de delay, de subida e de descida são ajustados em1 ns. Assim, tem-se:

V1 = -5V V2 = +5V TD = 1ns TR = 1ns TF = 1ns PW = 5ms PER = 10ms.

b) Desenhar o circuito da figura 94 no PSpice Schematics.

c) Dar um duplo clique na fonte PULSE (V1) e ajustar (V1= −5, V2=+5, TD = TR = TF = 1us, PW = 5ms e PER =10ms). A cada ajuste, clicar em Save Attr.

Figura 95


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d) Após inserir e conectar todos os componentes, salvar o esquemático: Menu Save.

Figura 96

e) Clicar no em , selecionar Transient e clicar no botão correspondente. Na caixa de diálogo Transient, ajustaros parâmetros:

Print Step = 10us Final Time = 50ms No-Print Delay = Step Ceiling =

Com Print Step = 10 us, será impresso um ponto no gráfico a cada 10 us. Com Final Time = 50 ms, serãodesenhados 5 períodos de sinal. Como se sabe, o PSpice define o seu próprio Step Ceiling de acordo com o PrintStep, e assim, para um Print Step = 10us, ter-se-á um Step Ceiling suficientemente pequeno, diante do Final Time de50ms, para que o gráfico resultante seja suave.

Figura 97


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f) Inserir os marcadores de tensão e corrente no circuito, conforme mostrado na figura 98.

Figura 98

g) Simular o circuito: Simulate . O resultado está mostrado na figura 99.

Figura 99

h) Como se percebe, a corrente parece ser nula, mesmo havendo tensões nos componentes. Isto ocorre porque, nesteexemplo, a corrente está na casa dos miliampéres. Uma alternativa para resolver este problema consiste em semultiplicar esta corrente por 1000.


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Para isto, dar dois cliques na legenda da corrente I(R1), na janela Pspice A/D. Será aberta a janela ModifyTrace mostrada na figura 100. Selecionar I(R1) na lista do lado direito. Na caixa de texto Trace Expression,multiplicar I(R1) por 1000.

Figura 100

i) Será desenhado o gráfico da figura 101, no qual a corrente agora aparece bem definida. Não se deve esquecer queos valores de corrente estão multiplicados por 1000 se for necessário executar medições.

Figura 101


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V.2 – Gerando-se figuras para relatórios

A seguir. Apresentam-se algumas sugestões para se extrair figuras de boa qualidade, a partir das telasPSpice Schematics ou PSpice A/D, para serem coladas em relatórios.

a) Para que a grade de fundo não apareça na figura, basta ir ao menu Options Display Options...

Figura 102

b) Será aberta a janela Display Options mostrada na figura 103. Daí, basta desmarcar o campo Grid On. A grade poderá ser habilitada novamente a qualquer momento.

Figura 103


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c) Com a grade desabilitada, o próximo passo é extrair a figura do circuito para ser colada em relatórios. Para isto,selecionar a parte do circuito que se deseja copiar (ver figura 104) e ir ao menu Edit Copy to Clipboard.

O clipboard é uma área de transferência onde ficam armazenados textos ou figuras para se fazer atransferência de informação entre diferentes programas como, por exemplo, entre o PSpice e o Microsoft Word.

Figura 104

d) Com o desenho armazenado no clipboard, pode-se colá-la no Word através de CTRL+V, como no caso da figura105 desta apostila.

Figura 105


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e) Entretanto, a figura colada apresenta uma borda preta, as vezes, indesejável. Para se retirar a borda, pode-se editara figura no Paint, por exemplo. Para isto, deve-se abrir o Paint, dar CTL+V para colar a figura na tela e editar a borda, como mostrado na figura 106.

Figura 106

f) Usando-se a Seleção Retangular, marca-se a figura e aplica-se CTRL+C. Em seguida, no texto do Word, dá-seCTRL+V. O resultado tem a qualidade mostrada na figura 107.

Figura 107

Inclusive, selecionando-se a figura de interesse, primeiro no Paint e, em seguida, no editor de texto Word, afigura apresentará uma qualidade melhor do que teria se a transferência não passasse por esta etapa intermediária.

Na sequência, extraem-se figuras da tela Pspice A/D. Porém, para que o fundo não fique preto tem-se detomar algumas providências.


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g) Na janela Pspice A/D, ir ao menu Window Copy to Clipboard, como na figura 108.

Figura 108

h) Será aberta a caixa de diálogos Copy to Clipboard – Color Filter, com as seguintes opções:

Use Screen Colors: mantém as cores do gráfico, com fundo branco; Change White to Black :muda a cor de fundo para branco e mantém a figura colorida; Change All Colors to Black : transforma o gráfico em linhas pretas com fundo branco.

Figura 109

i) Selecionando-se a opção Use Screen Colors, deixa-se a escala tênue, sendo aconselhável quando a forma de onda

coincidir com alguma linha da escala. Com a figura no clipboard, basta dar CTRL+V no local do texto no Wordonde se deseja colar a figura.

Time

0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms 45ms 50ms

V(C1:2) V(V1:+) I(R1) *1000

-10

0

10

Figura 110


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j) A opção Change White to Black é aconselhável quando se deseja enfatizar a escala relativamente à forma deonda. Novamente, aplicando-se CTRL+V no texto do Word, obtém-se a figura 111.

Time


V(C1:2) V(V1:+) I(R1) *1000

-10

0

10

Figura 111

k) A opção Change All Colors to Black converte a figura em preto e branco. Aplicando-se CTRL+V no texto doWord, obtém-se a figura 112

Time


V(C1:2) V(V1:+) I(R1) *1000

-10

0

10

Figura 112

l) Entretanto, se for desejada uma melhor qualidade gráfica, pode-se colar a figura primeiramente no Paint, dar

CTRL+C e, em seguida, colar no local de texto desejado, aplicando-se CTRL+V.

Figura 113


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VI – DIAGRAMAS DE BODE No exemplo a seguir, analisa-se o caso de um circuito passa-banda alimentado por uma fonte de tensão

senoidal, VAC, desenhada na figura 114. O objetivo é estudar a sua resposta em freqüência e desenhar o diagramade Bode correspondente.

Figura 114


DC = componente DC superposta à senóide; AVMAG = amplitude da senóide; ACPHASE = fase da senóide.

a) Desenhar o circuito da figura 114 e ajustar os valores dos componentes passivos. Dar dois cliques na fonte VAC eajustar VACMAG para 1V. Manter os demais atributos inalterados. Neste momento não existe opção de ajuste dafreqüência, pois esta será varrida posteriormente ao longo da faixa desejada.

Figura 115


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b) Salvar o esquemático: Menu Save.

Figura 116

c) Inserir um marcador de tensão a partir da opção , como mostrado na figura 117.

d) Teclar na opção para abria a caixa Analysis Setup. Selecionar o campo AC Sweep.

Figura 117


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e) Clicar o botão AC Sweep. Será aberta a caixa de diálogos AC Sweep and Noise Anlysis como na figura 118. EmAC Sweep Type selecionar a opção Decade para configura a escala de freqüências em escala logarítmica dividida por décadas. Ajustar:

Pts/Decade = 101 (valor padrão, com 101 pontos por década) Start Freq = 1 (iniciar o gráfico em 1Hz)

End Freq = 100K (finalizar o gráfico em 100 kHz)

Figura 118

f) Simular o circuito . O resultado está mostrado na figura 119 revelando a natureza passa-banda do circuito.Somente o gráfico de magnitudes da tensão de saída está mostrado. Este ainda não corresponde a um diagrama deBode.

Figura 119


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g) A fim de obter o diagrama de Bode, os marcadores devem medir a tensão em dB (decibéis),e, marcadores de fase precisam estar disponíveis. Para isto, pode-se seguir para o menu Markers Mark Advanced... .

Figura 120

h) Selecionar um marcador de tensão vbd e um marcador de fase vphase, e inseri-los no circuito nas posiçõesmostradas na figura 121, ou seja, no acesso de saída do circuito.

Figura 121

i) Os gráficos de magnitude, em dB, e de fase, em graus, correspondentes estão mostrados na figura 122.

Figura 122


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j) Pode ser intreressante se empregar duas escalas, uma para magnitude e outra para a fase. Para isto, na janelaPSpice A/D clicar no nome VP( ) para selecionar o traço. A partir do menu Edit Cut, ou, aplicar CTRL+X.

Figura 123

k) Ir ao menu Plot Add Y Axis para se gerar um novo eixo vertical. No menu Edit Paste, ou, aplicarCTRL+V. Aparece o diagrama de Body mostrado na Fig 124.

Figura 124


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l) Por fim, antes de se concluir esta apostila, cita-se que a impressão da figura da tela PSpice A/D direto para aimpressora gera um gráfico de excelente qualidade, com fundo branco e resolução muito superior à da figuramostrada na tela do computador. Na figura 125 ilustra-se a imagem mostrada pelo menu File Print Preview.

Figura 125

V - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Seixas, Falcondes José Mendes, Roteiro de atividades: ORCAD – O Uso do PSpice em Circuitos Elétricos I, Ilha

Solteira, 2009.

[2] Costa, Thiago Faria, Apostila de PSpice, Universidade Federal de Minas Gerais, 2007

[3] Netto, J. C., Apostila Simulação de circuitos elétricos utilizando o computador, Faculdade de Ciência eTecnologia – FACIT, 2009.

[4] Firmo, D. L., Apostila Análise de circuitos eletrônicos auxiliada por computador: o simulador PSpice,Universidade Federal de São João Del Rei – UFSJ, 2010.

[5] Citri, R., Apostila PSpice – Smulação de circuitos analógicos e digitais, 2003.

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