+Mạch Và Tín Hiệu sv cong nghe thuc pham

+Mạch Và Tín Hiệu sv cong nghe thuc pham tài liệu, giáo án, bài giảng , luận văn, luận án, đồ án, bài tập lớn về tất cả...

Bài giảng

Mạch và tín hiệu

Người soạn: Ngô Lam Trung

Bộ môn Kỹ thuật Máy tính Khoa Công nghệ thông tin, ĐHBK Hà Nội

MỤC ĐÍCH CỦA MÔN HỌC

 Tìm hiểu các vấn đề về tín hiệu và hệ thống xử lý tín hiệu tương tự

 Tìm hiểu tín hiệu điện và các phần tử cơ bản tạo thành mạch điện

 Nghiên cứu các phương pháp giải bài toán phân tích với tín hiệu điện

 Tìm hiểu và khai thác công cụ phân tích mạch trên máy tính PSPICE

 Nghiên cứu lý thuyết mạng hai cửa tuyến tính tương hỗ và ứng dụng

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Phương Xuân Nhàn, Hồ Anh Túy, Lý thuyết mạch, Nhà xuất bản Khoa học

và Kỹ thuật

2 S Madhu, Linear Circuit Analysis, Prentice Hall.

3 Steve Winder, Analog and Digital Filter Design, Elsevier Science.

4 Paul W Tuinenga, A guide to circuit simulation and analysis using

PSPICE, Prentice Hall.

5 John O’Malley, Basic Circuit Analysis, McGraw-Hill.

6 http://www.uct.edu.vn/giaotrinh/kdientu/lythuyetmach/main.htm

NỘI DUNG MÔN HỌC

Chương 1: Những khái niệm cơ bản về mạch điện.

Chương 2: Các phương pháp cơ bản lập hệ phương trình mạch điện.

Chương 3: Các phương pháp cơ bản giải hệ phương trình mạch.

Chương 4: Giải bài toán phân tích mạch điện bằng PSPICE.

Chương 5: Mạng hai cửa tuyến tính tương hỗ.

Chương 6: Đồ thị Bode.

Chương 7: Ứng dụng của mạng hai cửa.

Mục lục

Chương 1 Những khái niệm cơ bản về mạch điện 6

1.1 Các thông số tác động 6

1.1.1 Nguồn điện áp 6

1.1.2 Nguồn dòng điện 6

1.2 Các thông số thụ động 6

1.2.1 Điện trở 6

1.2.2 Tụ điện 7

1.2.3 Cuộn cảm 8

1.2.4 Hỗ cảm 8

1.3 Tính toán năng lượng trên các thông số thụ động 9

1.3.1 Phần tử điện trở 9

1.3.2 Phần tử tụ điện 9

1.3.3 Phần tử cuộn cảm 10

1.4 Ghép nối tiếp và song song các phần tử 10

1.4.1 Ghép nối tiếp các phần tử 10

1.4.2 Ghép song song các phần tử 11

1.4.3 Ghép hỗn hợp 12

1.5 Các định nghĩa cơ bản về mạch 13

1.5.1 Nhánh 13

1.5.2 Nút 13 1.5.3 Vòng 13

1.5.4 Vòng cơ bản 14

Chương 2 Các phương pháp cơ bản lập hệ phương trình mạch điện 15

2.1 Các định luật Kirchoff 15

2.1.1 Định luật 1 15

2.1.2 Định luật 2 15

2.2 Hệ phương trình tổng quát 16

2.2.1 Phương pháp 16

2.2.2 Áp dụng 16

2.3 Hệ phương trình dòng điện vòng 18

2.3.1 Phương pháp 18

2.3.2 Áp dụng 18

2.4 Hệ phương trình điện áp nút 19

2.4.1 Phương pháp 19

2.4.2 Áp dụng 19

2.5 Mạch điện tuyến tính, tương hỗ và các tính chất 20

2.5.2 Mạch tương hỗ 20

Chương 3 Các phương pháp cơ bản giải hệ phương trình mạch 21

3.1 Điều kiện đầu của mạch 21

3.2 Phương pháp số phức 21

3.2.1 Tổng quan 21

3.2.2 Phức hóa các thông số 21

3.2.3 Giải hệ phương trình mạch bằng phương pháp số phức 22

3.2.4 Bài tập 23

3.3 Phương pháp toán tử Laplace 23

3.3.1 Phép biến đổi Laplace 23

3.3.2 Chuyển đổi thông số 24

3.3.3 Giải hệ phương trình mạch bằng phương pháp toán tử Laplace 25

3.3.4 Công thức Heaviside 25

3.3.5 Bài tập 27

3.4 Định lý Thevenin-Norton về nguồn tương đương 27

3.4.1 Định lý Thevenin-Norton 27

3.4.2 Áp dụng 28

3.5 Phương pháp xếp chồng 28

3.6 Phương pháp mạch đối ngẫu 28

3.6.1 Tính chất đối ngẫu của mạch điện 28

3.6.2 Nguyên tắc chuyển đổi mạch đối ngẫu 29

Chương 4 Giải bài toán phân tích mạch điện bằng PSPICE 30

4.1 Các khái niệm cơ bản về PSPICE 30

4.1.1 Tổng quan về PSPICE 30

4.1.2 Một số ứng dụng của PSPICE 30

4.1.3 Biểu diễn sơ đồ mạch trong PSPICE 31

4.1.4 Cấu trúc chương trình và các file vào ra 31

4.1.5 Biểu diễn giá trị số 32

4.1.6 Một số quy tắc trong PSPICE 32

4.2 Các dòng thành phần 33

4.2.1 Danh sách các dòng thành phần 33

4.2.2 Điện trở 34

4.2.3 Tụ điện 34

4.2.4 Cuộn cảm 35

4.2.5 Nguồn 35

4.3 Các dòng điều khiển 39

4.3.1 Hàm và tham số 39

4.3.2 Chế độ phân tích 40

4.3.3 Hiển thị kết quả 42

4.4 Chương trình con 43

4.5 Một số ví dụ mẫu 44

4.5.1 Ví dụ 1 44

4.5.2 Ví dụ 2 44

4.5.3 Ví dụ 3 45

4.5.4 Ví dụ 4 45

4.5.5 Ví dụ 5 46

4.5.6 Ví dụ 6 46

4.5.7 Ví dụ 7: 47

4.6 Bài tập 48

Chương 5 Mạng hai cửa tuyến tính tương hỗ 49

5.1 Khái niệm 49

5.1.1 Mạng một cửa 49

5.1.2 Mạng hai cửa 49

5.2 Các hệ tham số đặc trưng của mạng hai cửa 50

5.2.1 Hệ tham số trở kháng hở mạch 50

5.2.2 Hệ tham số dẫn nạp ngắn mạch 51

5.2.3 Hệ tham số hỗn hợp 51

5.2.4 Hệ tham số hỗn hợp ngược 52

5.2.5 Hệ tham số truyền đạt 52

5.2.6 Hệ tham số truyền đạt ngược 53

5.3 Bảng quan hệ giữa các hệ tham số 53

5.3.1 Bảng quan hệ 53

5.3.2 Tính chất 54

5.4 Ghép nối các mạng hai cửa 54

5.4.1 Ghép nối tiếp – nối tiếp (N – N) 54

5.4.2 Ghép song song – song song 55

5.4.3 Ghép nối tiếp – song song 55

5.4.4 Ghép song song – nối tiếp 56

5.4.5 Ghép dây chuyền 57

5.5 Mạng hai cửa đối xứng 58

5.5.1 Mạng hai cửa đối xứng điện và đối xứng hình học 58

5.5.2 Định lý Bartlett – Brune 59

5.5.3 Bài tập 59

5.6 Mạng hai cửa có tải 60

5.6.1 Trở kháng vào 60

5.6.2 Hàm truyền đạt 61

5.6.3 Hệ số truyền đạt 62

5.6.4 Sơ đồ tương đương của mạng hai cửa tuyến tính tương hỗ 63

5.6.5 Bài tập 64

Chương 6 Đồ thị Bode 65

6.1 Khái niệm 65

6.1.1 Đồ thị Bode 65

6.1.2 Biểu diễn hàm truyền đạt 65

6.2 Phép đổi trục tọa độ 66

6.3 Các đồ thị Bode chuẩn 66

6.3.1 Hàm hằng số , K là hằng số 66

6.3.2 Dạng hàm (ω0 : tần số hằng) 67

6.3.3 Dạng hàm 68

6.3.4 Dạng hàm 70

6.4 Bài tập 71

Chương 7 Ứng dụng của mạng hai cửa 73

7.1 Mạng hai cửa suy giảm và phối hợp trở kháng 73

7.1.1 Mạng hai cửa suy giảm 73

7.1.2 Mạng hai cửa phối hợp trở kháng 73

7.2 Mạch lọc tần số 74

7.2.1 Khái niệm 74

7.2.2 Điều kiện dải thông của mạch lọc tần số 75

7.2.3 Mạch lọc loại K 76

7.2.4 Mạch lọc loại M 80

7.2.5 Bài tập 85

Chương 1 Những khái niệm cơ bản về mạch điện

1.1 Các thông số tác động

1.1.1 Nguồn điện áp

- Là phần tử sinh ra tín hiệu điện áp

- Hàm tín hiệu sinh ra là hàm điện áp, đơn vị là V

- Độ lớn tín hiệu sinh ra đặc trưng bởi hàm suất điện động e(t)

- Sơ đồ

Nguồn áp xoay chiều Nguồn áp một chiều

- Chú ý: chiều điện áp trên nguồn

uAB = e(t)

uBA = -e(t)

1.1.2 Nguồn dòng điện

- Là phần tử sinh ra tín hiệu dòng điện

- Hàm tín hiệu sinh ra là hàm dòng điện, đơn vị A

- Độ lớn tín hiệu sinh ra đặc trưng bởi hàm dòng điện nguồn ing(t)

- Còn được gọi là phần tử không quán tính.

- Thí nghiệm: cho dòng điện i chạy qua điện trở, thấy xuất hiện điện áp ucùng chiều với i

- Quan hệ u – i:

u = R.i

R: thông số đặc trưng, gọi là điện trở có đơn vị là Ohm

- Từ CT trên: i = u/R = u.G

G: thông số đặc trưng, gọi là điện dẫn có đơn vị là Siemen

o Dòng điện qua tụ tỷ lệ thuận với biến thiên điện áp trên tụ Nếu điện

áp không đổi thì dòng điện bằng 0

o Điện áp trên tụ điện biến thiên liên tục theo thời gian

o Để giải phương trình vi phân trên tụ cần có điều kiện đầu uC(0)

o Dòng điện qua cuộn cảm là hàm liên tục theo thời gian.

o Để giải phương trình vi phân cho cuộn cảm cần biết điều kiện đầu

iL(0)

1.2.4 Hỗ cảm

- Hỗ cảm là hiện tượng tương tác từ giữa các dòng điện đặt đủ gần nhau

- Ta chỉ xét hiện tượng hỗ cảm giữa các cuộn cảm

- Xét 2 cuộn cảm có các dòng điện i1, i2 như hình vẽ:

- Do hiện tượng hỗ cảm:

o Dòng điện i1 gây ra điện áp hỗ cảm uH2 trên cuộn L2

 Cần tìm chiều và độ lớn của các điện áp hỗ cảm.

- Quy tắc xác định chiều điện áp hỗ cảm:

o Mỗi cuộn cảm có một đầu cùng tên được đánh dấu * (Xem hình vẽ)

o Nếu dòng điện đi vào cuộn cảm ở đầu có dấu * sẽ được gọi là dòngđiện vào Nếu dòng điện đi vào ở đầu không có dấu * sẽ được gọi làdòng điện ra

o Nếu 2 dòng điện đi qua 2 cuộn cảm là cùng tên thì điện áp hỗ cảmtrên mỗi cuộn sẽ cùng chiều với dòng điện đi qua nó

o Nếu 2 dòng điện đi qua 2 cuộn cảm là khác tên thì điện áp hỗ cảmtrên mỗi cuộn sẽ ngược chiều với dòng điện đi qua nó

- Điện trở không có khả năng tích tụ năng lượng

- Năng lượng cung cấp cho điện trở được giải phóng dưới dạng nhiệt và cácdạng năng lượng khác

- Định luật Jule-Lenx tính công suất tiêu tán trên điện trở:

2

( ) ( ) ( )

( )1( ) ( )

p t u t i t

Ri t

u t Gu t R

=

=

1.3.2 Phần tử tụ điện

- Có khả năng tích tụ năng lượng

- Năng lượng cung cấp cho tụ điện được tích tụ lại dưới dạng năng lượngđiện trường nằm giữa hai bản cực

- Gọi E(t) là năng lượng do dòng điện tích tụ trên tụ tại thời điểm t

- Nếu tại thời điểm ban đầu tụ không tích điện u(0) = 0, thì năng lượng trên

tụ tại thời điểm bất kỳ là:

2

1( ) ( )2

E t = Cu t

1.3.3 Phần tử cuộn cảm

- Có khả năng tích tụ năng lượng

- Năng lượng cung cấp cho tụ điện được tích tụ lại dưới dạng năng lượng từtrường

- Gọi năng lượng do dòng điện tích tụ trên cuộn cảm là E(t)

Xét 2 điện trở mắc nối tiếp:

( ) ( )( )( )

o R là thông số biểu diễn mạch điện

o Cho phép biểu diễn mạch như một phần tử duy nhất

o n điện trở mắc nối tiếp

1

n i i

=

=∑

1.4.2 Ghép song song các phần tử

- Các phần tử được gọi là mắc song song khi chúng có chung một điện áp

và dòng điện tổng cộng bằng tổng dòng điện đi qua từng phần tử

- Ví dụ:

- Tính toán thông số song song:

= +

= +

=

- Nhận xét:

o R là thông số biểu diễn mạch điện

o Mạch điện được biểu diễn như một phần tử

o Sử dụng nhiều phần tử khác loại trong cùng một mạch

o Các phần tử được mắc theo cấu hình bất kỳ

- Nhận xét:

o Mạch vẫn được biểu diễn bằng một thông số đặc trưng

o Không có công thức tổng quát để tính thông số đặc trưng từ cácthông số thành phần mà phải tính tùy theo từng trường hợp cụ thể

- Thông số đặc trưng có thể có 2 loại

=

Chương 2 Các phương pháp cơ bản lập hệ phương

- Coi dòng điện là dòng điện đại số, theo quy ước dấu:

o Dòng điện đi vào nút mang dấu (-)

o Dòng điện đi ra khỏi nút mang dấu (+)

- Phát biểu 2: “Tổng dòng điện đại số tại một nút bằng 0”

Chọn chiều (+) như hình vẽ, áp dụng định luật ta có phương trình

R i +R i −R i −R i =E −E +E −E

- Coi điện áp là đại lượng đại số, theo quy ước dấu: chọn một chiều (+) tùy ýtrong vòng

o Các điện áp cùng chiều (+) mang dấu (+)

o Các điện áp ngược chiều (+) mang dấu (-)

- Phát biểu 2: “Trong một vòng kín, tổng các điện áp đại số bằng 0”

- Áp dụng định luật Kirchoff để tạo ra hệ gồm B phương trình Đây chính là

hệ phương trình tổng quát của mạch Trong đó:

o Định luật 1: tạo ra N-1 phương trình

o Định luật 2: tạo ra B-(N-1) phương trình

2.2.2 Áp dụng

- Xét mạch

- Chọn chiều dương quy ước cho các dòng điện nhánh Coi i1 – i7 là ẩn.

B Áp dụng định luật 2 để lập B-(N-1) phương trình độc lập tuyến tính Đây là

hệ phương trình dòng điện vòng của mạch

2.3.2 Áp dụng

- Xét mạch

- Biến đổi nguồn dòng thành nguồn áp

- Gọi dòng điện qua các vòng cơ bản làm ẩn số, chọn chiều (+) quy ước chocác vòng này

- Áp dụng định luật 2 tạo hệ B-(N-1) phương trình

1 1

5 2

3

8 4

;

E i

E i

i

E i

Ei = tổng các nguồn áp trong vòng, theo quy tắc dấu:

Nguồn ngược chiều + : mang dấu (-)Nguồn cùng chiều + : mang dấu (+)

zij = - trở kháng nhánh chung giữa vòng i và vòng j

2.4 Hệ phương trình điện áp nút

2.4.1 Phương pháp

- Trong N nút của mạch, chọn một nút làm nút gốc có điện áp bằng 0

- Tại mỗi nút còn lại của mạch coi như xác định một điện áp cố định Gọi cácgiá trị điện áp này là ẩn số Khi đó có tổng cộng N-1 ẩn số

- Áp dụng định luật 1 tại N-1 nút để xây dựng hệ phương trình N-1 ẩn số.Đây là hệ phương trình điện áp nút của mạch

2.4.2 Áp dụng

-2.5 Mạch điện tuyến tính, tương hỗ và các tính chất

o Là mạch được tạo thành từ các phần tử tuyến tính

o Chỉ cần 1 phần tử không tuyến tính thì mạch là không tuyến tính

2.5.2 Mạch tương hỗ

- Khái niệm: nếu nguồn tác dụng đặt ở nhánh i gây ra một dòng điện ởnhánh j cũng tương đương với nguồn đó đặt ở nhánh j gây ra một dòng ởnhánh i

Chương 3 Các phương pháp cơ bản giải hệ phương

- Phương pháp số phức thực hiện chuyển hệ phương trình mạch sang miền

số phức có dạng hệ phương trình đại số bậc nhất

- Điều kiện áp dụng: các nguồn tác động phải là tín hiệu điều hòa (dạng sinhoặc cos)

- Cách giải bài toán theo phương pháp số phức:

o Chuyển các thông số trong mạng sang miền phức

o Xây dựng hệ phương trình mạch dạng phức

o Giải hệ phương trình thu được

o Chuyển kết quả cần tìm về miền thời gian

o Dạng module và argument: s = |s|.ejφ

b a

=

=

Chú ý: nếu a < 0 thì cần hiệu chỉnh φ = φ ± π

 Chuyển đổi tín hiệu

- Chỉ áp dụng cho các tín hiệu điều hòa

- Xét tín hiệu s t( )=S0cos(ω0t+ϕ0)

Trong đó

S0: biên độ

ω0: tần số góc

φ0: pha ban đầu

- Chuyển sang miền phức thu được ( )S tr

là tín hiệu trên miền phức phụthuộc thời gian Khi đó:

 Chuyển đổi thông số

- Mục đích: chuyển đổi các thông số R, C, L thành trở kháng, dẫn nạp trongmiền phức

o Phức hóa các tín hiệu và thông số

o Coi các thông số như các trở kháng, dẫn nạp có giá trị phức, lậpphương trình đại số trong miền phức

o Giải phương trình thu được kết quả dạng phức

o Chuyển kết quả cần tìm về miền thời gian

o Trường hợp các nguồn tác động khác tần số sẽ tìm hiểu ở phần sau.

3.2.4 Bài tập

3.3 Phương pháp toán tử Laplace

3.3.1 Phép biến đổi Laplace

- Xét tín hiệu trên miền thời gian f(t)

- Phép biến đổi Laplace thực hiện biến đổi tín hiệu f(t) sang miền toán tử

Laplace

( )LT ( )

f t →F s

(LT: Laplace Transform)Khi đó:

f(t) được gọi là hàm gốc F(s) gọi là ảnh Laplace của f(t)

- Nhận xét: công thức biến đổi Laplace khá phức tạp, thường không áp dụngtrực tiếp công thức mà sử dụng bảng tra Laplace thông qua một số hàm cơbản

- Chuyển sang miền Laplace U s( )=L sI s[ ( )−i L(0)]

- Trong đó iL(0) là điều kiện ban đầu trong miền thời gian tại t = 0 Đặt

0

(0)( ) i L

- Nhận xét:

o Z s L( )=sL

o

1( )

i t dt u

C−∞∫ = ta có(0)

1( ) ( ) u C

o Chuyển kết quả cần tìm về miền thời gian

- Ví dụ:

- Nhận xét: cần có phương pháp tổng quát để chuyển tín hiệu từ miềnLaplace về miền thời gian Đó là phương pháp sử dụng công thứcHeaviside

- Nhận xét: H 2 (s) là đa thức bậc m nên có m nghiệm Xét 3 trường hợp:

i Trường hợp 1: H 2 (s) có đúng m nghiệm thực phân biệt

Gọi m nghiệm của H 2 (s) là s 1 , s 2 , …, s m Khi đó phân tích được F(s)thành tổng của m phân thức đơn giản có dạng:

( )( )

i i

i

H s A

H s

=

′

ii Trường hợp 2: H 2 (s)có m nghiệm đơn, trong đó có nghiệm phức

Xét trường hợp có một cặp nghiệm phức liên hợp s1 và s2, là nghiệmcủa tam thức bậc 2: as2+ + =bs c 0 với ∆ <0 Khi đó

1,2

| |2

A A e

ϕ ϕ

iii Trường hợp 3: H 2 (s) có nghiệm bội

Giả sử H2(s) có 1 nghiệm bội bậc r là sL, còn lại là k nghiệm đơn phân biệt s1, s2, …, sk (r+k=m) Khi đó

r j

A A

1 2

( )( )

i i

i

H s A

- Định lý: “Một phần của mạch có chứa nguồn nối với phần còn lại bởi 2 điểm

và giữa 2 phần không có hỗ cảm sẽ tương đương với một nguồn”

- Thông số nguồn tương đương: xét phần mạch M thỏa mãn điều kiện củađịnh lý

(a): phần mạch ban đầu M(b): nguồn áp tương đương(c): nguồn dòng tương đương

o Chuyển sang nguồn áp tương đương:

 EAB = UAB khi hở mạch AB

 Z = ZAB khi ngắn mạch tất cả các nguồn áp và hở mạch cácnguồn dòng có trong phần mạch M

o Chuyển sang nguồn dòng tương đương:

 IAB = IAB khi ngắn mạch AB

 Y = YAB khi hở mạch các nguồn áp và ngắn mạch các nguồndòng có trong phần mạch M

3.4.2 Áp dụng

- Định lý Thevenin-Norton cho phép biến đổi các đoạn mạch phức tạp cóchứa nguồn thành các đoạn mạch đơn giản hơn Từ đó có thể giảm bớtkhối lượng tính toán và tìm các tín hiệu ra một cách đơn giản hơn

- Điều kiện áp dụng: không cần quan tâm đến tất cả các nhánh của mạch,

mà chỉ cần tìm tín hiệu tại một vài vị trí nào đó

- Phương pháp xếp chồng:

o Đánh số các nguồn tác động trong mạch

o Cho lần lượt mỗi nguồn tác động làm việc riêng rẽ Các nguồn kháckhông làm việc theo nguyên tắc: ngắn mạch nguồn điện áp và hởmạch nguồn dòng điện

o Tổng cộng các đáp ứng của mạch do tất cả các nguồn làm việcriêng rẽ gây ra

- Ví dụ:

3.6 Phương pháp mạch đối ngẫu

3.6.1 Tính chất đối ngẫu của mạch điện

- Nhận xét: các phần tử, tín hiệu trong mạch có sự tương tự nhau Ví dụ:

L L

du

i C dt di

C đối ngẫu với L

o Vòng đối ngẫu với nút

o Dòng điện đối ngẫu với điện áp…

Tính chất này gọi là tính chất đối ngẫu của mạch điện.

- Sử dụng tính chất đối ngẫu cho phép chuyển các kết quả đã phân tích trênmột mạch sang cho mạch đối ngẫu của nó mà không cần lặp lại quá trìnhphân tích

3.6.2 Nguyên tắc chuyển đổi mạch đối ngẫu

- Chuyển đổi các yếu tố hình học:

o Nút  vòng, vòng  nút

o Ghép nối tiếp  song song, ghép song song  nối tiếp

- Chuyển đổi các thông số

o e(t)  i(t), i(t)  e(t) Quy ước dấu:

 Điện áp cùng chiều vòng chuyển thành dòng điện đi vào nút

Chương 4 Giải bài toán phân tích mạch điện bằng

o Chế tạo mạch thực sự theo thiết kế và kiểm tra hoạt động của mạchtrên thực tế Cách này cho kết quả chính xác vì làm việc trực tiếp vớimạch trong điều kiện thực Tuy nhiên việc chế tạo mạch như vậythường tốn rất nhiều thời gian và chi phí vì nhiều nguyên nhân như:

số lượng ít, lựa chọn linh kiện…

o Cách thứ 2 là thực hiện biểu diễn, phân tích và mô phỏng hoạt độngcủa mạch trên máy tính thông qua các phần mềm mô phỏng mạch

- PSPICE là một chương trình mô phỏng mạch kế thừa từ chương trìnhSPICE2, một chương trình mô phỏng khác phát triển vào giữa thập kỷ 70tại trường đại học California ở Berkeley SPICE là tên viết tắt của thuật ngữ

Simulation Program with Intergrated Circuit Emphasis

- SPICE là phần mềm miễn phí được phát triển trong trường Đại học nênkhông có sự hỗ trợ cho người sử dụng Do đó một số hãng phần mềm đãphát triển phiên bản thương mại của SPICE và phát hành rộng rãi, baogồm:

o Phần mềm cho máy tính lớn: HSPICE của Meta Software và SPICE của NCSS

I-o IS-SPICE của Intusoft, kế thừa trực tiếp từ SPICE2

o AccuSim của MentorGraphics, PSpice của MicroSim (sau này thuộcCadence) ViewSpice của ViewLogicSystem… đây là các phiên bản

mở rộng do các hãng sản xuất phần mềm thiết kế điện tử chuyênnghiệp, vẫn được sử dụng rộng rãi đến ngày nay

4.1.2 Một số ứng dụng của PSPICE

- Với chức năng chính là mô phỏng hoạt động của mạch điện trên máy tính,PSPICE có thể được sử dụng cho các ứng dụng sau:

o Kiểm tra hoạt động của một thiết kế mạch trước khi sản xuất

o Xác định kết quả hoạt động của mạch ở trạng thái lý tưởng, khôngchịu ảnh hưởng của phẩm chất linh kiện hay chất lượng mạch in

o Thực hiện các phép đo lường khó thao tác trên thực tế vì các lý donhư: nhiễu, tín hiệu quá nhỏ, cần các thiết bị đặc biệt hay phép đoquá nguy hiểm, có thể gây cháy nổ…

o Mô phỏng hoạt động với nhiều giá trị linh kiện khác nhau nhằm xácđịnh phẩm chất của mạch và dải thông số cho phép của mạch.

4.1.3 Biểu diễn sơ đồ mạch trong PSPICE

- Để có thể mô phỏng hoạt động của mạch điện, PSPICE cần nhận đầy đủcác thông tin mô tả sơ đồ mạch điện và các thông số tương ứng

- Mạch điện trong PSPICE được biểu diễn thông qua 2 thành phần cơ bản:

o Các nút: là điểm chung của ít nhất 2 phần tử mạch Mỗi nút đượcxác định bởi một tên duy nhất Nút là cơ sở để xác định vị trí cácphần tử Trong các nút phải có 1 nút gốc, được đặt tên là nút 0 và cóđiện áp bằng 0

o Các phần tử mạch, gồm các phần tử tích cực và thụ động Vị trí củamỗi phần tử được xác định bởi tên của các nút gắn với nó Mỗi phần

tử cũng được xác định bởi một tên duy nhất được đặt theo quy tắc

và nhận giá trị xác định

- Ví dụ: xét mạch sau

Mạch được xác định bởi 2 nút gồm nút 0 và nút 1, cùng với 3 phần tử:

o Nguồn e(t) nằm giữa nút 1 và nút 0

o Điện trở R1 nằm giữa nút 1 và nút 0

o Điện trở R2 nằm giữa nút 1 và nút 0

4.1.4 Cấu trúc chương trình và các file vào ra

- Trong quá trình hoạt động, PSPICE làm việc với một số định dạng file gồm

có các file vào (Input file) và file ra (output files)

- File vào (Input file) là file lưu các thông tin về sơ đồ mạch và chế độ phân

tích để làm đầu vào cho quá trình mô phỏng File vào chính là các file textđược lưu dưới định dạng *.CIR Nội dung file có thể được coi như mộtchương trình PSPICE có cấu trúc như sau:

o Dòng đầu tiên là tiêu đề chương trình

o Các dòng mô tả sơ đồ mạch, còn được gọi là dòng thành phần

o Các dòng thiết lập tham số và chế độ phân tích, còn gọi là dòng điềukhiển

o Dòng cuối cùng là mã lệnh kết thúc chương trình: END

Cấu trúc file *.CIR:

<Dòng tiêu đề>

<Dòng thành phần>

o File *.INC: chứa các mạch con (chương trình con).

o File *.LIB: chứa thư viện phần tử

o File *.PRB: chứa các thông tin khởi tạo cho chương trình PROBE

- File ra *.OUT: là file text chứa kết quả phân tích mạch, cho biết kết quảphân tích có thành công hay không, gặp lỗi ở vị trí nào và nếu thành công

sẽ chứa giá trị các tín hiệu cần phân tích dưới dạng bảng dữ liệu hoặc đồthị

- Ngoài ra các dữ liệu đầu ra có thể được lưu trong file nhị phân dạng *.DAT

để phục vụ việc vẽ đồ thị nhanh hơn

4.1.5 Biểu diễn giá trị số

- Giá trị số trong PSPICE được biểu diễn dưới dạng số nguyên hoặc số thựcdấu phẩy động

- Với các giá trị rất lớn hoặc rất nhỏ có thể sử dụng các đơn vị dẫn xuất nhưsau:

4.1.6 Một số quy tắc trong PSPICE

- PSPICE không phân biệt chữ hoa và chữ thường

- Mỗi phần tử được đặt 1 tên duy nhất, không được trùng nhau

- Dòng đầu tiên phải là dòng tiêu đề hoặc để trống, không được khai báophần tử trong dòng này vì PSPICE sẽ bỏ qua khi phân tích.

- Nút gốc số 0 được dùng làm nút tham chiếu khi tính toán điện áp các phần

tử khác trong mạch

- Mỗi nút phải có ít nhất 2 phần tử nối với nó

- Tất cả các dòng không phải dòng trống (ngoại trừ dòng tiêu đề) phải bắtđầu bởi 1 ký tự nằm tại cột số 0 Một số ký tự bắt đầu dòng:

o Ký tự ‘*’: báo hiệu một dòng chú thích, được bỏ qua khi phân tích

o Ký tự ‘+’: báo hiệu dòng tiếp nối của dòng kế trước, sử dụng đểtránh trường hợp dòng quá dài

o Ký tự ‘.’: báo hiệu đây là dòng điều khiển

o Ký tự báo hiệu loại phần tử: R cho điện trở, C cho tụ điện, L chocuộn cảm…

- Các trường dữ liệu trên một dòng được ngăn cách bởi dấu cách

- Để kết thúc một dòng khai báo và bắt đầu phần chú thích sử dụng ký tự ‘;’

4.2 Các dòng thành phần

4.2.1 Danh sách các dòng thành phần

PSPICE hỗ trợ rất nhiều loại phần tử trong mạch điện, mỗi loại được khaibáo bởi một dòng thành phần tương ứng Danh sách các dòng thành phầnđược liệt kê trong bảng sau

C Capacitor

E Voltage Controlled Voltage Source

F Current Controlled Current Source

G Voltage Controlled Current Source

H Current Controlled Current Source

I Independent Current Source

V Independent Voltage Source

W Current Controlled Switch

Trong giới hạn của môn học chỉ quan tâm tới các thành phần cơ bản:nguồn độc lập, R, L, C.

4.2.2 Điện trở

- Cú pháp:

R<Tên điện trở> <Nút (+)> <Nút (-)> [<Mô hình>] <Giá trị>

Trong đó

• Tên điện trở bắt đầu bằng chữ R

• Chiều dòng điện trên điện trở quy ước chạy từ nút (+) sang nút (-)

• Điện áp trên điện trở quy ước lấy theo chiều từ nút (+) sang nút (-)

• Giá trị được lấy theo đơn vị Ohm

Ví dụ

Rabc 31 0 14kRabc 0 31 14krshnt 12 15 99mRbig 19 41 10MEG

- Chú ý:

o Nếu giá trị điện trở là số âm thì điện trở được coi là nguồn nănglượng Tuy nhiên trường hợp này ít dùng

o Nếu giá trị = 0 sẽ gây lỗi

o Các lệnh PRINT hoặc PROBE sẽ đưa ra giá trị dòng điện/điện áptrên điện trở là số âm nếu chiều dòng điện thực sự đi từ nút (-) sangnút (+)

• Cực tính các cực của tụ được quy định bởi nút + và nút -

• Chiều dòng điện đại số trên tụ quy ước chạy từ nút (+) sang nút (-)

• Nếu không có tham số [<Mô hình>] thì giá trị của tụ được tính theođơn vị Fara

• Điều kiện đầu là điện áp trên tụ tại thời điểm bắt đầu phân tích

o Các tụ điện trong PSPICE là lý tưởng, có điện trở trong bằng vôcùng Do đó có thể tạo ra các nút bị cách ly là nút chỉ được gắn vớicác phần tử tụ điện Trong quá trình phân tích DC điện áp của cácnút loại này sẽ không thể tính được nên bị gọi là nút trôi nổi(floating) Để tránh hiện tượng này cần mắc song song với 1 trongcác tụ điện nối với nút bởi một điện trở có giá trị rất lớn.

4.2.4 Cuộn cảm

- Cú pháp:

L<Tên> <Nút+> <Nút-> [Mô hình] <Giá trị> [<Điều kiện đầu>]

Trong đó

• Tên cuộn cảm bắt đầu bằng chữ L

• Chiều dòng điện và điện áp trên cuộn cảm được quy ước chạy từ nút + tới nút -

• [Mô hình] là tham số mô hình của cuộn cảm Nếu không có giá trị tham số mô hình thì giá trị của cuộn cảm được đo bằng Henry

• Điều kiện đầu là giá trị dòng điện chạy trong cuộn cảm tại thời điểm bắt đầu phân tích

Ví dụ:

L1 1 2 40mH L2 3 4 10mH

- Chú ý:

o Các cuộn cảm là lý tưởng, không có điện trở trong Do đó khôngđược ghép nối song song trực tiếp cuộn cảm với nguồn dòng điệnhoặc hai cuộn cảm với nhau Trong trường hợp mạch cho như vậycần thêm một điện trở có giá trị rất nhỏ vào mắc nối tiếp với cuộncảm

4.2.5 Nguồn

- Phần này chỉ trình bày về các nguồn dòng điện và nguồn điện áp độc lập,còn lại các nguồn bị điều khiển sinh viên tự tìm hiểu trong tài liệu

- Nguồn được chia làm 2 loại là nguồn điện áp và nguồn dòng điện Tuy hàmtín hiệu phát ra là khác nhau nhưng cú pháp khai báo hoàn toàn tương tự.

o Nguồn một chiều:

V|name| |+ node| |- node| {DC} |value|

o Nguồn xoay chiều:

V|name| |+ node| |- node| AC |magnitude| {phase}

o Nguồn đặc biệt:

V|name| |+ node| |- node| [transient specification]

o Nguồn một chiều:

I|name| |+ node| |- node| {DC} |value|

o Nguồn xoay chiều:

I|name| |+ node| |- node| AC |magnitude| {phase}

o Tham số value là giá trị nguồn một chiều.

o Tham số magnitude là biên độ nguồn xoay chiều.

o Tham số phase là pha ban đầu của nguồn xoay chiều, mặc định

bằng 0

o Tham số [transient specification] chỉ ra kiểu và giá trị

nguồn đặc biệt tương ứng Có 4 kiểu nguồn đặc biệt thông dụng:

 Nguồn xung: PULSENguồn mũ: EXP

 Nguồn điều hòa hình sin: SIN

 Khai báo tham số nguồn:

PULSE(V1 V2 Td Tr Tf Tw Period)

 Ví dụ: xét mạch

Tham số nguồn xác định trên đồ thị:

 Hình dạng: hình sin có biên độ suy giảm dần theo hàm mũ

 Khai báo tham số nguồn

SIN(Vo Va Fr Td Df θ)

Trong đó:

Vo: điện áp offset DC

Va: biên độ hình sin khi chưa bị suy giảm

fr: tần số dao động

Td: thời gian trễ trước khi dao động

Df: hệ số suy giảm theo thời gian

θ: pha ban đầu

 Ví dụ: xét mạch

- Để khai báo và sử dụng tham số trên cần tuân theo cú pháp sau:

sau đó trong các dòng thành phần kế tiếp có thể sử dụng <Tên tham số>như một hằng số đã được định nghĩa sẵn

- Giả sử cần thiết kế một mạch phân áp sử dụng điện trở với hệ số tỷ lệ 0.2,

và tải đầu vào 50KOhm

Trong trường hợp này sẽ cần tới 2 tham số là hệ số tỷ lệ và tải đầu vào Mãnguồn được thực hiện như sau:

.param load = 50K param ratio = 0.2

Ra 1 2 {load*(1-ratio)}

Rb 2 0 {load*ratio}

- Rõ ràng nếu không sử dụng tham số thì người thiết kế cần tính toán cụ thểgiá trị các điện trở cần sử dụng và đưa vào file *.CIR trước khi mô phỏng.Điều đó sẽ làm mất thêm thời gian khi thiết kế mạch Một vấn đề nữa sẽnảy sinh khi cần thay đổi hệ số tỷ lệ hoặc thông số tải, người dùng sẽ cầntính lại toàn bộ thông số

- Như đã thấy ở ví dụ trên, trong quá trình khai báo các thông số có thể sửdụng các hàm số học thông thường như +, -, *, / Ngoài ra PSPICE chophép sử dụng một số hàm phức tạp hơn cùng với khả năng tự định nghĩacác hàm mới của người dùng.

LOG(x) ln(x) (log base e)

LOG10(x) log(x) (log base 10)

M(x) magnitude of x

P(x) phase of x (result of degrees)

R(x) real part of x

IMG(x) imaginary part of x

G(x) group delay of x (result in seconds)

PWR(x,y) x y

SIN(x) sin(x) (x in radians)

COS(x) cos(x) (x in radians)

TAN(x) tan(x) (x in radians)

ATAN(x) tan-1(x) (result in radians)

ARCTAN(x) tan-1(x) (result in radians)

d(x) derivative of x with respect to the X axis variable.

s(x) integral of x over the range of the X axis variable.

AVG(x) running average of x over the range of the X axis variable.

AVGX(x,d) running average of X (from x-d to x) over the range of the X axis variable RMS(x) running RMS average of x over the range of the X axis variable.

DB(x) magnitude in decibels of x.

MIN(x) minimum of the real part of x.

MAX(x) maximum of the real part of x.

4.3.2 Chế độ phân tích

- PSPICE hỗ trợ nhiều chế độ phân tích như phân tích một chiều, xoaychiều, phân tích quá độ, Laplace, Monte-Carlo, Fourier… Trong chươngtrình của môn học chỉ quan tâm tới 3 chế độ cơ bản là phân tích một chiều(DC), phân tích xoay chiều (AC) và phân tích quá độ (TRANS)

(a) Phân tích một chiều

- Thực hiện tính toán giá trị điện áp và dòng điện một chiều trong mạch khi

có một thông số nào đó thay đổi

- Cú pháp

Cách 1: tuyến tính

.DC [LIN] <Thông số quét> <Giá trị đầu> <Giá trị cuối>

+ <Bước nhảy> [Vòng phân tích con]

Cách 2: thang decade hoặc octave

.DC [OCT,DEC] <Thông số quét> <Giá trị đầu> <Giá trị cuối>