UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CURSO DIDÁTICO SOBRE O SIMULADOR DE CIRCUITOS ELÉTRICOS E ELETRÔNICOS

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - DEE CURSO DIDÁTICO SOBRE O SIMULADOR DE CIRCUITOS ELÉTRICOS E ELETRÔNICOS Prof. Fortaleza, Agosto de 2003

2 ORCAD CAPTURE INTRODUÇÃO A empresa CADENCE proprietária da família de programas ORCAD, oferece aos usuários os seguintes programas: ORCAD CAPTURE, PSPICE e ORCAD LAYOUT. Os primeiros dois programas são usados normalmente para criar esquemáticos, desenhos e realizar simulações de circuitos elétricos e eletrônicos. O último programa é utilizado para realizar placas impressas de circuitos eletrônicos. Neste curso serão abordados tópicos relativos ao ORCAD CAPTURE. No contexto serão tocados aspectos básicos de procedimentos para realizar desde um esquemático a uma simulação. É importante esclarecer aos estudantes que no conteúdo do texto serão mantidos muitos dos termos técnicos do programa no idioma inglês para evitar erros na interpretação e traduções equivocadas. 1.2 TÓPICOS A SEREM ABORDADOS Neste texto serão apresentados os seguintes tópicos: Iniciando o Orcad Capture Criando um novo projeto Barra de ferramentas de desenho do editor SCHEMATIC Barra de ferramentas de medição do editor SCHEMATIC Como desenhar uma página no editor SCHEMATIC Criando um novo perfil de simulação Preenchendo o editor de simulação Como realizar uma simulação Exercícios práticos para desenhar e simular 1.3. INICIANDO O ORCAD CAPTURE O processo automático de instalação da família ORCAD cria dentro do menu Programas do ambiente WINDOWS o diretório denominado Orcad Family Release, e dentro deste diretório por default, encontra-se o Capture. Os passos para iniciar o Capture são: Desde o menu Iniciar, procurar Programas e escolher Orcad Family Release. Desde o menu Orcad Family Release, escolher Capture. Os dois passos estão mostrados na Fig. 1.

3 2 Fig. 1 Para entrar dentro do editor Capture, simplesmente dar um click encima dele na Fig. 1, e logo aparecerá o editor como esta mostrado na Fig. 2. Fig. 2

4 1.4 CRIANDO UM NOVO PROJETO (PROJECT) 3 Os passos para criar um novo projeto são indicados passo a passo a seguir: Desde o menu File, escolha New e dentro da mesma escolha Project. O quadro de diálogo do editor Capture é mostrado na Fig. 3. Fig. 3 Dar um click encima do Project da Fig. 3, e logo aparecerá um quadro de diálogo com a denominação de New Project como mostra a Fig. 4. Fig. 4

5 Posteriormente, o quadro de diálogo do New Project deve ser preenchido. No lugar de Name colocar qualquer nome para criar o arquivo (.OPJ). No lugar de Create a New Project Using, para realizar simulações marcar em Analog or Mixed A/D. Se for simplesmente para fazer um desenho marcar em Schematic. No Location, procurar através do Browse o diretório onde vai ser armazenado o arquivo. Para exemplificar o procedimento, na Fig. 5 no espaço de Name foi colocado como nome de arquivo Circuitos01, por este motivo este nome aparecerá em alguns quadros de diálogo posteriores. 4 Fig. 5. A continuação, dar um click no botão OK da Fig. 5. Logo aparecerá um outro quadro de diálogo com a denominação de Create PSpice Project como mostra a Fig. 6. Na mesma marcar a opção Create based upon an existing project. No espaço em branco, para realizar simulação, escolher a opção simple.opj. Fig. 6.

6 Seguindo os passos, dar um click no botão OK da Fig. 6. Logo surgirá o quadro de pastas (folders) do gerenciador de projetos (project manager) como mostra a Fig. 7. O gerenciador de projetos, mostra de maneira gráfica as principais pastas como, Design Resources, Outputs e Pspice Resources. Dentro do Design Resources estão as pastas de circuitos01.dsn e Library. 5 Fig. 7. Para continuar, dar dois clicks seguidos sobre a pasta circuitos01.dsn da Fig. 7. Logo surgiram as pastas SCHEMATIC1 e Design Cache como mostra a Fig. 8. Fig.8

7 6 A seguir dar dois clicks seguidos sobre a pasta SCHEMATIC1 da Fig. 8. Dentro do SCHEMATIC aparecerá a pasta PAGE1 como mostra a Fig. 9. Fig. 9. Seguindo a seqüência, dar dois clicks seguidos sobre a pasta PAGE1 na Fig.9. Logo surgirá a página do SCHEMATIC1 como mostra a Fig. 10, pronto para realizar o desenho do circuito a ser simulado.

8 7 Fig. 10 Antes de realizar o desenho, apagar marcando com o cursor o conteúdo que aparece por default dentro da página da Fig BARRA DE FERRAMENTAS DE DESENHO DO EDITOR SCHEMATIC A principal barra de ferramentas na página do editor SCHEMATIC, para realizar desenhos de figuras geométricas ou de circuitos elétricos e eletrônicos, é mostrada na Fig. 11. As ferramentas de desenho também podem ser encontradas usando o menu Place na página do editor SCHEMATIC mostrada na Fig. 10. Fig. 11 A seguir serão descritos alguns dos botões mais utilizados da barra de ferramentas para realizar desenhos de circuitos elétricos e eletrônicos. Cursor que serve para selecionar objetos.

9 8 Este botão é utilizado para selecionar componentes desde uma livraria. Para entrar na livraria é necessário dar um click encima dele ou simplesmente apertar o botão do teclado com a letra P. Logo surgirá o quadro com o titulo de Place Part como mostra a Fig. 12. Para procurar um componente entrar em Libraries, e uma vez encontrado o componente dentro a livraria, apertar o botão OK para colocar o mesmo no editor SCHEMATIC. Para sair de Place Part apertar o botão Cancel. Fig. 12 Este botão é usado para traçar linhas e conectar os componentes do circuito. Para ativar dar um click encima dele ou simplesmente apertar o botão do teclado com a letra W. Para desativar a linha, apertar o botão direito do Mouse e na tela do computador aparecerá End Wire, como mostra a Fig. 13, logo dar um click encima dele. Fig. 13

10 9 Este botão serve para colocar potencial de terra (ground) ao circuito. Para ativar simplesmente dar um click encima dele ou apertar o botão do teclado com a letra G. Logo aparecerá na tela o quadro de diálogo Place Ground mostrado na Fig. 14. Neste quadro escolher 0/Design Cache e logo apertar o botão OK para colocar ao circuito. Para sair deste quadro, é só apertar o botão Cancel. Fig BARRA DE FERRAMENTAS DE MEDIÇÃO DO EDITOR SCHEMATIC A barra de ferramentas de medição de grandezas (corrente, tensão e potência) nos componentes do circuito é mostrada na Fig. 15. Estas ponteiras de medição podem ser colocadas antes ou depois da simulação conforme as condições colocadas no Edit Simulation Profile. Ponteiras de Tensão Ponteira de Corrente Ponteira de Potência Fig. 15

11 1.6 COMO DESENHAR NA PÁGINA DO EDITOR SCHEMATIC 10 Na página do editor SCHEMATIC mostrada na Fig. 16, encontra-se desenhado um retificador de onda completa. Os componentes estão com seus respectivos valores. Fig. 16 Para colocar os valores aos componentes do circuito existem dois modos: Primeiro Modo Dar dois clicks seguidos encima do componente onde se quer colocar os parâmetros. Logo aparecerá a opção em colunas e filas indicando a descrição de cada parâmetro para o preenchimento, como mostra a Fig. 17. Para o exemplo da Fig. 17, encima da fonte de tensão da Fig. 16 foi dado dois clicks. Fig. 17

12 Segundo Modo 11 Uma outra maneira de colocar valores aos parâmetros dos componentes, é dando dois clicks encima dos valores dos parâmetros que aparecem por default. Logo aparece um quadro de diálogo como mostra a Fig. 18. Neste quadro, colocar em Value o valor do parâmetro e em Display Format indicar Value Only ou Name and Value. Para retornar ao SCHEMATIC, dar um click no botão OK. Fig CRIANDO UM NOVO PERFÍL DE SIMULAÇÃO ( New Simulation Profile) O comando New Simulation Profile pode ser encontrado na barra de ferramentas com o símbolo ou no menu PSpice do editor do SCHEMATIC como mostra a Fig. 19.

13 12 Fig. 19. Dando seqüência, dar um click com o cursor encima de New Simulation Profile na Fig. 19. Logo aparecerá um quadro de diálogo com o nome de New Simulation como mostra a Fig. 20. Se for feito por primeira vez o circuito, no quadro em Name colocar o mesmo nome usado em New Project, e em Inherit From colocar none. Agora se for feita algumas modificações no arquivo Circuitos01 e deseja-se criar um outro arquivo, trocar de nome (neste exemplo foi colocado Circuitos02), e em Inherit From colocar como referência o SCHEMATIC do Circuito01 como é ilustrado na Fig. 21. Posteriormente dar um click no botão Create para criar o arquivo. Fig. 20.

14 13 Fig PREENCHENDO O EDITOR DE SIMULAÇÃO (Edit Simulation Profile) O comando Edit Simulation Profile encontra-se na barra de ferramentas com o símbolo ou no menu PSpice do editor SCHEMATIC como mostra a Fig. 19. Após um click no botão Create das Figs. 20 ou 21, o comando indicado aparece com o nome de Simulation Settings como mostra a Fig. 22. A seguir serão preenchidos todos os menus deste quadro. Menu General Os espaços Simulation Profile e Output do menu General são preenchidos automaticamente com o nome do arquivo que se encontra no editor SCHEMATIC, como mostra a Fig. 22. O espaço em Notes pode permanecer em branco ou pode ser preenchido com uma mensagem.

15 14 Fig. 22 Menu Analysis Neste menu devem ser preenchidos os espaços mostrados na Fig. 23. No espaço Run to time colocar o tempo necessário que se quer simular, em Start saving data after indicar a partir de que instante se quer gravar a simulação, em Maximum step size colocar o passo de cálculo de simulação, quando menor o valor mais precisa será a simulação, porém em contrapartida, a mesma torna-se mais demorada. Para pular as condições iniciais marcar em Skip the inicial transient bias point calculation.

16 15 Menu Include Files Fig. 23. Este menu pode ser deixado em branco como mostra a Fig. 24. Fig. 24

17 Menu Libraries 16 Na Fig. 25, preencher o espaço de Filename dando um click encima de nom.lib* de Library files que já existe por default. No caso de no existir a livraria por default, dar outro caminho alternativo de outra livraria usando o botão Browse. Fig. 25 Menu Stimulus Os espaços do quadro correspondente ao menu Stimulus podem ser deixados em branco como mostra a Fig. 26.

18 17 Menu Options Fig. 26. Inicialmente deixar os valores estipulados por default no menu Options. No caso de existir problemas de convergência na simulação, mexer um pouco em RELTOL, em ABASTOL ou em ITL4. O RELTOL esta diretamente relacionada com a precisão da simulação. Fig. 27

19 Menu Data Collection 18 No menu Data Collection permite a opção de escolher se os dados de simulação de tensão, corrente ou potência vão ser armazenados na memória do computador de todos os componentes do circuito ou somente daqueles componentes marcados com as ponteiras de tensão, corrente e potência. Portanto, antes da simulação preencher o quadro da Fig. 28. Menu Probe Window Fig. 28. Finalmente no menu Probe Window mostrado na Fig. 29, marcar em Display Probe window when profile is opened. Na opção Display Probe window, marcar em during simulation, pois isto permitirá observar, na tela do computador, todas as formas de onda durante a simulação do circuito.

20 19 Fig COMO REALIZAR UMA SIMULAÇÃO Depois de realizar todos os passos indicados anteriormente, finalmente dar um click encima do botão ou no comando Run do menu PSpice (ver Fig. 19). Os resultados da simulação, dados por formas de onda do circuito retificador da Fig. 16, são apresentados na Fig. 30. As formas de onda são tensões e correntes medidas com as ponteiras (probes) colocadas no circuito.

21 20 Fig. 30 As formas de onda mostradas na Fig. 30 podem ser exportadas do PSpise ao processador de texto Word utilizando o comando Copy to Clipboard do menu Window que aparece na Fig. 31. Fig. 31. Dando um click no comando Copy to Clipboard aparecerá o quadro mostrado na Fig. 32. Só marcar em uma das opções de Foreground e dar um click no botão OK. Logo, indo para o processador de texto Word acionar o comando colar (Paste) para recuperar as formas de onda de simulação copiadas com o comando Copy to Clipboard.

22 21 Fig. 32. Outro recurso bastante utilizado é Add Trace do menu Trace que é mostrado na Fig. 33. Fig. 33

23 Para utilizar dar um click encima de Add Trace da Fig. 33. Logo surgirá o quadro de Add Traces como mostra a Fig. 34. Utilizando os operadores Functions or Macros da coluna da direita do quadro, é possível realizar operações matemáticas com as formas de onda. 22 Fig. 33. Também um outro recurso bastante usado é o comando Add Plot to window do menu Plot. Pois ele permite colocar dois ou mais formas de onda separadamente num mesmo gráfico como mostra a Fig. 34.

24 23 Fig. 34. Par identificar as formas de onda é possível colocar legendas a cada uma delas utilizando o comando Label do menu Plot mostrado na Fig. 35. Fig. 35.

25 1.10. EXERCICIOS PRÁTICOS PARA DESENHAR E SIMULAR 24 Desenhar, simular e mostrar as formas de onda das ponteiras dos circuitos apresentados a seguir. Fig. 36. Circuito resistivo. Fig. 37. Oscilador.

26 25 Fig. 38. Comparador.