Mô phỏng hoạt động của mạch điện tử dùng circuitmaker

MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN TỬ CỤ THỂ .... Nhưng trong đề tài này, chúng tôi sử dụng phiên bản CircuitMaker 2000 để mô phỏng hoạt động của mạch điện tử bởi tính phổ biến và d

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th.S Phùng Công Phi Khanh đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài khóa luận này Qua đây, tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Vật Lý đã dạy dỗ chỉ bảo, giúp

đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện đề tài khóa luận

Qua đó, tôi cảm ơn gia đình, bạn bè và người thân đã luôn giúp đỡ, cổ

vũ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đề tài khóa luận

Hà Nội, tháng 05 năm 2011

Sinh viên thực hiện

Đặng Thị Phương

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài khóa luận do tôi tự nghiên cứu, tự tìm hiểu dưới sự giúp đỡ, góp ý, chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng dẫn Th.S Phùng Công Phi Khanh Kết quả đề tài không trùng với kết quả của bất kì đề tài nào Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, tháng 05 năm 2011

Sinh viên thực hiện

Đặng Thị Phương

Mục lục

MỞ ĐẦU 5

NỘI DUNG 7

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CIRCUITMAKER 7

1.1 Tổng quan về CircuitMaker 7

1.2 Cửa sổ làm việc của CircuitMaker 7

1.3 Các công cụ dùng để vẽ và mô phỏng của CircuitMaker 8

1.4 Thiết lập vùng làm việc 9

1.4.1 Làm ẩn, hiện một lưới vẽ 9

1.4.2 Hiển thị - Ẩn đi các công cụ làm việc 10

1.5 Khái niệm về mạch nguyên lý 10

1.6 Quy trình sử dụng CircuitMaker 11

1.6.1 Quy trình vẽ mạch nguyên lý 11

1.6.2 Quy trình mô phỏng mạch điện tử 11

Chương 2 KHÁI QUÁT VỀ MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN TỬ DÙNG CIRCUITMAKER 12

2.1 Mô phỏng mạch tương tự 12

2.1.1 Giới thiệu 12

2.1.2 Các công cụ mô phỏng mạch tượng tự 12

2.1.3 Một số thiết bị mô phỏng 13

2.1.4 Quy trình mô phỏng mạch điện tử tương tự 15

2.2 Mô phỏng mạch số 17

2.2.1 Giới thiệu 17

2.2.2 Các công cụ mô phỏng mạch số 17

2.2.3 Các thiết bị mô phỏng số 22

2.2.4 Quy trình mô phỏng mạch số 24

2.3 Một số lỗi hay gặp trong quá trình mô phỏng 26

Chương 3 MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN TỬ CỤ THỂ 28

3.1 Mô phỏng hoạt động của một số mạch điện tử tương tự 28

3.2 Mô phỏng hoạt động của một số mạch số 35

KẾT LUẬN 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong thực tế, khi thử nghiệm các mạch điện tử và điều chỉnh các trị số của linh kiện điện tử Nếu ta tiến hành bằng linh kiện thật thì đôi khi không tiện lợi, tốn kém, việc điều chỉnh thông số của một số linh kiện sẽ rất khó khăn, phức tạp Để khắc phục nhược điểm này ta có thể sử dụng phần mềm vẽ

và mô phỏng mạch điện tử

Ngày nay, với sự phát triển mạnh của công nghệ thông tin, nhiều phần mềm vẽ và mô phỏng mạch điện được ra đời như: Orcad, CircuitMaker, Proteus, Electronics Workbench…Mỗi một phần mềm thì có ưu, nhược điểm riêng biệt Nhưng trong đề tài khóa luận tốt nghiệp này, chúng tôi chọn phần mềm CircuitMaker với nội dung: “Mô phỏng hoạt động của mạch điện tử dùng CircuitMaker”

- Phần mềm CircuitMaker là một phần mềm có giao diện dễ sử dụng, nhẹ nhàng, linh hoạt được tích hợp tương đối đầy đủ các linh kiện điện tử ngày nay

- CircuitMaker là phần mềm rất phổ biến trong các trường đại học kỹ thuật, trung cấp nghề…Do tính đơn giản, chức năng không phức tạp

Hiện nay, CircuitMaker có nhiều phiên bản như: CircuitMaker Version 4.0, CircuitMaker Protessional, CircuitMaker 2000, CircuitMaker 6 Pro, CircuitMaker Mediafire Nhưng trong đề tài này, chúng tôi sử dụng phiên bản CircuitMaker 2000 để mô phỏng hoạt động của mạch điện tử bởi tính phổ biến và dễ dàng sử dụng của phiên bản

2 Mục đích nghiên cứu

Mô phỏng hoạt động của mạch điện tử dùng máy vi tính

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Phần mềm mô phỏng CircuitMaker

- Cách mô phỏng hoạt động của mạch điện tử nói chung

- Mô phỏng hoạt động của một số mạch điện tử cụ thể

4 Đối tượng nghiên cứu

Phần mềm vẽ và mô phỏng mạch điện tử CircuitMaker

5 Phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết và thực nghiệm

6 Cấu trúc luận văn

Chúng tôi cấu trúc luận văn gồm:

Chương 1: Giới thiệu chung về CircuitMaker

Trong chương này chúng tôi giới thiệu một cách tổng quan về phần mềm này như: Cửa sổ làm việc, các công cụ dùng để vẽ và mô phỏng mạch điện, thiết lập vùng làm việc, quy trình sử dụng CircuitMaker

Chương 2: Khái quát về mô phỏng mạch điện tử dùng CircuitMaker

Chương này chúng tôi giới thiệu về các công cụ, thiết bị mô phỏng, cũng như quy trình mô phỏng mạch điện tử bao gồm cả mạch số và mạch tương tự thông qua các ví dụ cụ thể

Chương 3: Mô phỏng hoạt động của một số mạch điện tử cụ thể

Chương này chúng tôi mô phỏng hoạt động của một số mạch như: Mạch chỉnh lưu cầu (dùng 4 Diode), tầng khuếch đại dùng Tranzito lưỡng cực, mạch giải mã dùng IC 74138 (74LS138)…

NỘI DUNG Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CIRCUITMAKER

1.1 Tổng quan về CircuitMaker

CircuitMaker là một phần mềm ứng dụng máy vi tính phục vụ cho công tác vẽ và mô phỏng mạch điện tử ở dạng mạch số hoặc mạch tương tự Đồng thời, cũng hỗ trợ việc xuất ra file netlist để vẽ mạch in

Chương trình CircuitMaker là một sở hữu của công ty Micro Engineering

1.2 Cửa sổ làm việc của CircuitMaker

Cửa sổ làm việc của CircuitMaker bao gồm:

- Các menu căn bản: Title Bar, Menu Bar, Toolbar, Status Bar

- Các thành phần khác: Panel, Schematic Window và Analysis Window như hình 1.1

Hình 1.1 Cửa sổ làm việc của CircuitMaker

- Panel: Gồm ba tab là Browse, Search, Digital dùng để tìm kiếm các thiết bị phục vụ cho việc vẽ và mô phỏng mạch điện, thiết lập các thông số cho mô phỏng số

- Schematic Window: Cửa sổ soạn thảo, trên đó ta sẽ thực hiện vẽ mạch

- Analysis Window: Cửa sổ hiển thị các kết quả đo đạc như áp, dòng, dạng sóng… Hai cửa sổ Schematic và Analysis có thể có hoặc không tùy theo

ta thay đổi (thuộc phần mô phỏng mạch số)

Sau khi đã đặt các linh kiện đúng vị trí, tiếp theo nối chúng lại bằng dây dẫn (dây nối) Mạch sau khi đã nối dây cho phép mô phỏng, kiểm tra bằng các công cụ mô phỏng của CircuitMaker

1.3 Các công cụ dùng để vẽ và mô phỏng của CircuitMaker

Panel Bật tắt cửa sổ Panel

Zoom tool Phóng to, thu nhỏ vùng làm việc F3 /F4 Fit to window Hiện toàn bộ bản vẽ trên cửa sổ

Rotate Xoay thiết bị một góc 90o Alt + R Mirror Lập thiết bị đối xứng qua trục đứng Alt + M Traxmaker Tạo netlist và chạy Traxmaker

Analyses setup Thiết lập thông số phân tích F8 Run/Stop

Analog

Chạy, dừng mô phỏng tương tự

View Schematic Xem sơ đồ nguyên lý

View wave

forms

Xem toàn bộ dạng sóng

Split schematic/Wave

forms horizontally

Chia sơ đồ/Tách sóng theo chiều

ngang

Split schematic/Wave

form vertically

Chia sơ đồ/Tách sóng theo chiều dọc

Trace Hiển thị giá trị số của dây dẫn Step Chạy một bước mô phỏng số

Snap To: Nếu đánh dấu vào chex box này thì các thiết bị khi lấy ra sẽ được đặt ngay trên lưới

Print: Đánh dấu vào chex box này thì các ô lưới sẽ được in ra khi goi lệnh in sơ đồ

1.4.2 Hiển thị - Ẩn đi các công cụ làm việc

Hình 1.3 Hiển thị - Ẩn đi các thanh công cụ

- Mở trình đơn View/Toolbar Ẩn đi nếu thanh Toolbar đã hiển thị

- Mở trình đơn View/Toolbar Hiển thị nếu thanh Toolbar đã ẩn đi

1.5 Khái niệm về mạch nguyên lý

Lược đồ nguyên lý (schematic) cho thấy các thành phần mạch và các đường nối giữa chúng Các lược đồ sử dụng các đường thẳng để biểu thị các đường nối (dây) và các ký hiệu tiêu chuẩn để biểu thị các thành phần mạch như các điện trở, transistor và các mạch tích hợp

Người ta thường biểu diễn sơ đồ nguyên lý (schematic) một mạch điện

kế mạch điện tử đó, khi đọc dễ dàng nắm bắt nguyên tắc vận hành của mạch, giúp cho công tác bao trì bảo dưỡng mạch nhanh chóng, chính xác

Lược đồ nguyên lý (schematic) trong CircuitMaker bao gồm các ký hiệu thiết bị được dùng trong thư viện thiết bị, các dây nối và khung bản vẽ Các kí hiệu thiết bị có ý nghĩa rất quan trọng, nó có kích thước thật của một thiết bị trong thực tế và nó còn chứa những dữ liệu để chạy mô phỏng khi ta chạy chương trình mạch điện

- Bước 1: Tìm và đặt các thiết bị lên bản vẽ

Các thiết bị trình bày trong sơ đồ được biểu diễn bởi những kí hiệu đặc biệt mà chúng ta phải lấy từ một thư viện có trong chương trình

- Bước 2: Sắp xếp các thiết bị

Để cho việc sắp xếp các thiết bị trên bản vẽ được dễ dàng ta có thể hiển thị lưới vẽ

Chú ý: Việc sắp xếp các thiết bị cần lưu ý tới tính thẩm mỹ, khoa học

- Bước 3: Thiết lập các thông số của thiết bị

- Bước 4: Xóa hoặc thêm thiết bị

- Bước 5: Nối dây và kiểm tra các dây dẫn, nút của mạch

1.6.2 Quy trình mô phỏng mạch điện tử

Quy trình này sẽ giới thiệu các bước để thực hiện mô phỏng một mạch điện (tương tự hoặc số) Sau khi cho chạy mô phỏng, nếu có sự không phù hợp của các thông số ta có thể dừng chế độ mô phỏng và quay lại sửa Chi tiết

về quy trình này sẽ được giới thiệu rõ ở chương 2

Chương 2 KHÁI QUÁT VỀ MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN TỬ DÙNG

việc thiết kế của bạn

2.1.2 Các công cụ mô phỏng mạch tượng tự

Đây là các công cụ phục vụ cho việc mô phỏng tương tự:

 Nút Reset:

Trong chế độ Analog việc nhấn nút Reset sẽ tạo ra những con số, nút trong mạch mà không chạy chế độ mô phỏng Điều này quan trọng nếu muốn lưu một danh sách Spice vào một File hoặc xem những con số, nút trên hệ thống khác nhưng không chạy chế độ mô phỏng Reset Analog Simulation cũng có thể được chọn từ trình đơn <Simulation> hoặc bằng cách nhấn Ctrl +

 Nút Analyses Setup:

Dùng để thiết lập các chế độ mô phỏng khác nhau về AC, DC…Analyses Setup cũng có thể được chọn từ trình đơn <Simulation> hoặc phím F8

 Nút Run Analog Simulation:

Cũng có thể được chọn từ trình đơn <Simulation> hoặc phím F10 Nhấn Run để khởi động chế độ mô phỏng Biểu tượng Run được thay thế bởi một dấu hiệu Stop, việc nhấn nút Stop sẽ ngưng đi sự mô phỏng, đóng tất cả cửa sổ phân tích và trở về chế độ chỉnh sửa

- Khi đo điện áp nối máy đo song song với mạch

- Khi đo dòng điện nối máy đo nối tiếp với mạch

- Khi đo trở kháng, phải đảm bảo tháo rời bất kỳ nguồn điện từ mạch điện và hãy nhận ra những thiết bị dao động nào có thể gây ra những lỗi Spice

Signal Generator (Bộ phát tín hiệu đa chức năng)

Hình 2.1 Hộp thoại thay đổi dạng sóng

Nodeset Statement

CMD1 0V

- Thiết bị được lấy ra vùng làm việc bằng cách vào tab Browse, và làm theo đường dẫn: Spice Controls/Nodeset/NODESET Hoặc vào tab Search gõ Nodeset

- Giúp tìm ra giải pháp quá độ hoặc DC bằng cách tạo ra điểm chuyển đầu tiên với những nút nhất định được giữ đối với điện áp cung cấp, cần thiết cho việc hội tụ những mạch điện đa hài

IC Statement

.IC

CMD1 0V

- Thiết bị IC Statement được lấy ra theo tab Browse với đường dẫn Spice Controls/Initial Condition/IC hoặc vào tab Search gõ IC

- Để xác lập những điều kiện quá độ ban đầu thì có 2 phép nội suy khác nhau, tùy thuộc vào tham số UIC được chọn trong chế độ phân tích quá độ (Transient Analysis)

+ Khi tham số UIC được chọn trong Transient And Fourier Analysis Setup, điện áp nút được xác định IC sử dụng để tính tụ điện, Diode, Transistor, JFET và các điều kiện khởi đầu MOSFET

+ Khi tham số UIC không được chọn trong Transient And Fourier Analysis Setup, giải pháp phân cực được tính trước khi phân tích quá độ Trong trường hợp này điện áp nút được xách định Trong quá trình quá độ sự duy trì điện áp trên những nút này bị hủy bỏ Đây là giải pháp mong muốn cho phép Spice tính toán các giải pháp DC một cách tương thích

2.1.4 Quy trình mô phỏng mạch điện tử tương tự

Tùy theo mục đích từng bài mà ta có thể chia ra gồm các bước khác nhau Nhưng tổng quát nhất thì quy trình mô phỏng mạch tương tự gồm:

Ví dụ:

 Mục đích:

Kiểm tra khả năng mô phỏng của CircuitMaker

 Các bước tiến hành:

- Bước 1: Hãy vẽ mạch điện như hình sau trong CircuitMaker:

- Bước 2: Vào <Simulation> chọn <Analog Mode>, sau đó lần lượt vào

<Check Pin Connections> và <Check Wire Connections> để kiểm tra các chân nối và dây nối

- Bước 3: Nhấn nút Run Analog Simulation trên thanh công cụ hoặc phím F10 để khởi động chế độ mô phỏng

- Bước 4: Lần lượt đưa đầu dò nhấp vào các điểm A, B để đo điện áp

+ Điện áp ra tải là 6 V

+ Điện áp trên Diode là 659 mV

- Bước 5: Nhận xét kết quả thu được:

+ Điện áp ra tải là 6 V, đây là nguồn lý tưởng

+ Điện áp trên Diode là 659 mV = 0,659 V phù hợp với lý thuyết

2.2 Mô phỏng mạch số

2.2.1 Giới thiệu

Thế giới của mạch số là các con số nhị phân 1 và 0, tương ứng với sự đóng, ngắt mạch điện qua các công tắc cơ khí Sự dẫn ngưng của các linh kiện bán dẫn như: Diode, Tranzito, Scr Thật ra, đó là những mức điện áp cao và thấp của những linh kiện điện tử rời rạc cho đến những mạch tổ hợp (vi phân) ngày càng nhiều chức năng Chương trình mô phỏng số mang tính tương tác nhanh và hoàn chỉnh Điều đó có nghĩa là người dùng có thể chỉ cần bật nhẹ công tắc, thay đổi mạch để chạy hay không chạy chế độ mô phỏng số và tức khắc thấy được phản ứng của mạch Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của CircuitMaker là khả năng có thể phát hiện, hiệu chỉnh kịp thời những lỗi thiết kế này trước khi đầu tư thời gian và tiền bạc vào quá trình tạo ra các mẫu thử phần cứng có thể

2.2.2 Các công cụ mô phỏng mạch số

Đây là các công cụ phục vụ cho việc mô phỏng mạch số Những công

cụ này sẽ khác nếu chọn chế độ mô phỏng là tương tự

Hình 2.2 Công cụ mô phỏng số

 Công cụ Prope

Sử dụng công cụ Prope để xem giá trị logic của một dây dẫn hoặc một nút trong mạch Ngoài ra, còn có thể sử dụng công cụ Prope để thay đổi trạng thái của dây nối Để xem trạng thái, rê công cụ này lên dây dẫn hoặc chân của thiết bị muốn xem Khi đó, công cụ sẽ hiển thị một trong bốn chữ H, L, P, hoặc không có chữ Chúng tương ứng với: Mức 0, mức 1, xung, không xác định hoặc ba trạng thái

Để thay đổi trạng thái dây nối, ta kéo đến dây nối và nhấn chuột trái, 1

sẽ chuyển thành 0 và 0 sẽ chuyển thành 1 Để gán giá trị ba trạng thái, nhấn giữ shift và nhấn chuột trái

Nếu dây nối với một ngõ xuất của thiết bị nào đó thì sau khi đổi nó sẽ chuyển ngay lại giá trị của ngõ xuất đó

Chú ý: Việc chọn quá nhiều màu biểu thị hoạt động của mạch điện

sẽ làm chậm tốc độ mô phỏng

 Công cụ Run / Pause

Bắt đầu hoặc dừng quá trình mô phỏng

 Công cụ Step

Quá trình mô phỏng sẽ thực hiện từng bước Khi nhấn vào công cụ này,

mô phỏng sẽ thực hiện một bước và dừng lại Nhấn lần nữa sẽ thực hiện tiếp một bước nữa

 Công cụ Tile Windows

Chọn một trong bốn cách xem các cửa sổ

Chỉ cửa sổ vẽ mạch (Schematic)

Chỉ cửa sổ dạng sóng (Waveforms)

Cửa sổ vẽ mạch bên trên, cửa sổ dáng sóng bên dưới

Cửa sổ vẽ mạch bên trái, cửa sổ dáng sóng bên phải

Sử dụng thiết bị Instruments /Digital/ SCOPE nối với một nút của mạch thì Circuit Maker sẽ vẽ dạng sóng cho nút đó trong cửa sổ dạng sóng

 Bộ tạo xung

Bộ tạo xung, thiết bị trong Instruments/Digital, dùng để tạo ra xung cho các thiết bị mô phỏng cần Clock Để chỉnh các thông số của bộ tạo xung có thể nhấp kép vào thiết bị này hoặc nhấp phải chuột rồi chọn Edit Pulser

Hình 2.3 Bộ tạo xung

Pulse High, Pulse Low tương ứng chỉnh thời gian mức một (tính bằng Tick), mức không của bộ tạo xung, giá trị hợp lệ là 1 đến 100 External Trigger là chỉnh bộ tạo xung sẽ đóng vai trò như Trigger, chỉ phát ra xung khi

có kích vào chân CP1 hoặc CP2

 Các thông số mô phỏng

Hình 2.4 Thông số mô phỏng

- Step Size: Chỉnh số bước mỗi khi nhấn Step Tool Có thể chọn Cycles hoặc Ticks Một Cycle bằng 10 Ticks Ticks là đơn vị nhỏ nhất, một Ticks sẽ thực hiện một bước trong mô phỏng

- X Magnification: Chỉnh độ rộng của đồ thị hiển thị dạng sóng

- Speed: Chỉnh tốc độ mô phỏng Ví dụ như khi cần xem các giá trị xuất ra led 7 đoạn thì chỉnh tốc độ mô phỏng nhỏ lại

- Breakpoint: Thiết lập điểm dừng Mô phỏng sẽ dừng lại khi điều kiện Breakpoint thỏa mãn Có thể có nhiều điều kiện Breakpoint và các điều kiện này kết hợp với nhau bởi phép logic And hoặc Or tùy theo ta thiết lập

Để thiết lập Breakpoint ta làm như sau: Sử dụng Instruments/Digital/ SCOPE để nối với dây hoặc chân thiết bị, mở cửa sổ vẽ dạng sóng Nhấn chuột vào ô nhỏ trước tên của tín hiệu như hình sau:

có thể thay đổi giá trị này từ 1 đến 14 Để thay đổi thời gian trễ làm như sau:

1 Chọn thiết bị cần thay đổi

2 Chọn Edit/Set Prop Delays

3 Gán giá trị mới và bấm OK

Hình 2.6 Thay đổi thời gian trễ

 Xem dạng sóng

Bằng cách nối với thiết bị Scope có thể xem được dạng sóng khi đang

mô phỏng cũng như kết quả của mô phỏng Sau khi kết nối, có thể xem dạng sóng trong cửa sổ phân tích

Hình 2.7 Xem dạng sóng 2.2.3 Các thiết bị mô phỏng số

Bộ dữ liệu tuần tự (Data Sequencer)

- Ta chọn tab Browse và làm theo trình đơn Analog/Instrument/Data Seq hoặc ta chọn tab Search, gõ Data Seq để đưa thiết bị ra vùng làm việc