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QSPICE episode 5: the various types of power source (part 3)

da | 21 Giu, 24 | Design |

Nella scorsa puntata abbiamo continuato a illustrare il funzionamento e l’utilizzo dei principali tipi di generatori di tensione e di corrente, che sono strumenti essenziali per i progettisti di circuiti elettronici. In questo articolo concludiamo la rassegna, descrivendo le altre tipologie di generatori, ancora piĆ¹ versatili e potent

PWL File

Se il progettista ha bisogno di una forma dā€™onda particolarmente complessa o di un segnale contenente i campioni registrati da un dispositivo, ĆØ possibile utilizzare i ā€œPWL fileā€. Esso puĆ² descrivere qualsiasi tipo di segnale, poichĆ© i suoi campioni descrittivi sono memorizzati allā€™interno di un file di testo. Per importare i dati dei segnali, in QSPICE, ĆØ necessario allegare un file di testo come funzione PWL. Il file PWL deve contenere un elenco di punti bidimensionali che rappresentano coppie di dati del tempo e del valore, delimitate da virgole, senza informazioni di intestazione. Questo tipo di generatore disegna un segnale basato su segmenti rettilinei tra i punti definiti nel file di testo. In generale, per ottenere una rappresentazione piĆ¹ accurata dei risultati ĆØ opportuno aumentare il numero di punti utilizzati per descriverla. CiĆ² ĆØ dovuto al fatto che un numero maggiore di punti consente di contenere piĆ¹ dettagli, migliorando la definizione e la qualitĆ  della rappresentazione. Un esempio di file di dati ĆØ il seguente:

0.01 , 518.37
0.02 , 510.53
0.03 , 514.40
0.04 , 511.22
0.05 , 506.37
0.06 , 504.43
0.07 , 502.53
0.08 , 505.50
0.09 , 507.89
0.10 , 508.81
0.11 , 502.77
0.12 , 511.68
0.13 , 512.51
0.14 , 514.44
0.15 , 513.56
0.16 , 517.69

La prima colonna rappresenta il tempo, espresso in secondi, mentre la seconda colonna rappresenta il valore della tensione, espresso in volt. Per aggiungere un file di testo come funzione PWL a una sorgente di tensione o di corrente si puĆ² scrivere il seguente attributo SPICE nel componente:

PWL FILE=”samples.txt”

Lā€™esempio che segue, in figura 1, mostra la traccia di un terremoto registrato da un apposito sensore. Il generatore visualizza la reale traccia sismica, della durata di circa 264 secondi. ƈ anche mostrato lo schema elettrico da utilizzare, che comprende il generatore PWL e un resistore di carico fittizio. Il segnale ĆØ prelevato dal nodo ā€œSignalā€. Il file di testo contenente i campioni ĆØ “samples.txt” e ha le seguenti caratteristiche:

  • esso occupa su memoria di massa solo 49 kiloBytes;
  • esso ĆØ composto da piĆ¹ di 3 000 campioni;
  • la sua risoluzione temporale ĆØ di 70 ms

Si tratta un file non molto pesante, composto da un numero medio di records, che il software gestisce molto bene.

Figura 1- Con il generatore di tipo ā€œPWL fileā€ ĆØ possibile generare qualsiasi segnale memorizzato in un file di testo.

 

Con operazioni successive, che vedremo meglio nei prossimi episodi, ĆØ possibile analizzare la FFT del segnale, in modo da esplorare e indagare sulle prestazioni e sulle risposte dei sensori. Per esempio, la figura 2 mostra la FFT del segnale sismico registrato in precedenza, che evidenzia, molto chiaramente, la caratterizzazione del pendolo sismico. In particolare si notano le seguenti caratteristiche del segnale:

    • in questo esempio il sensore sismico ha una frequenza fondamentale naturale di 1 Hz, con ampiezza di 14 dB;
    • il grafico evidenzia una importante terza armonica a 3 Hz, fatto del tutto normale.

La trasformata di Fourier veloce (FFT) appena esaminata ĆØ stata calcolata su un tracciato registrato dal sensore per una durata totale di 264 secondi. Il tracciato include sia gli intervalli di segnale attivo, in cui il segnale varia nel tempo, sia gli intervalli di segnale tranquillo, in cui il segnale ĆØ costante. La possibilitĆ  di esaminare la FFT di un segnale ĆØ una operazione molto importante che, tuttavia, sarĆ  esaminata nei prossimi episodi.

Figura 2 – La FFT del segnale sismico.

 

Uso intensivo del PWL File

ƈ del tutto lecito chiedersi se questo tipo di generatore riesca a gestire anche dati di grosse dimensioni. Il prossimo esempio utilizza un file PWL molto piĆ¹ grosso, che contiene lā€™andamento delle temperature di ambiente nellā€™intervallo di circa 4 giorni. Il file di testo contenente i campioni ĆØ “temperatures.txt” e ha le seguenti caratteristiche:

    • occupazione su memoria di massa di circa 9 megaBytes;
    • esso ĆØ composto da piĆ¹ di 379512 campioni;
    • la sua risoluzione temporale ĆØ di 1 s;
    • la durata della registrazione ĆØ di circa 4 giorni.

Si tratta un file molto pesante e lo scopo del test ĆØ quello di osservare le prestazioni del software. La rappresentazione delle prime dieci righe del file, che contiene i numeri di secondi (nella prima colonna) e la temperatura (nella seconda colonna) ĆØ la seguente:

1.000000 , 34.358040
2.000000 , 34.338650
3.000000 , 34.365350
4.000000 , 34.380930
5.000000 , 34.366310
6.000000 , 34.409220
7.000000 , 34.400480
8.000000 , 34.298600
9.000000 , 34.386330
10.000000 , 34.364720

Lo schema elettrico ĆØ il medesimo del precedente test. Lā€™esecuzione della simulazione e la visualizzazione della tensione sul nodo ā€œsignalā€ produce il grafico della figura 3. Anche se il generatore visualizza i risultati come tensione elettrica, il dato registrato nell’archivio ĆØ in realtĆ  una misura della temperatura. Il progettista tenga sempre conto di tale fatto. Come si ĆØ potuto comprendere, i files PWL sono uno strumento molto potente che puĆ² essere utilizzato per simulare una varietĆ  di forme d’onda. Essi offrono diversi vantaggi rispetto alle forme d’onda predefinite, che li rendono utili per una vasta varietĆ  di applicazioni. Essi consentono di definire forme d’onda con una precisione arbitraria, che consente la simulazione di forme d’onda reali che, altrimenti, non possono essere rappresentate da forme d’onda predefinite o descritte da equazioni matematiche. Essi sono anche utili per simulare e analizzare un segnale audio o, in generale, qualsiasi tipologia di segnale esistente, nel dominio del tempo.

Figura 3 – Il grafico delle temperature registrate in quattro giorni.

 

QSPICE ha eseguito la simulazione in modo rapido e senza problemi, in soli 3-4 secondi. I risultati e i grafici sono apparsi immediatamente sul monitor del PC, senza alcun ritardo. Questo risultato ĆØ sorprendente, considerando che la simulazione ha coinvolto piĆ¹ di 380 000 record. Gestire un numero cosƬ elevato di dati non ĆØ una operazione banale, e richiede l’utilizzo di algoritmi sofisticati per rispondere rapidamente alle richieste dell’utente.

Funzioni matematiche

Nei generatori di tensione e di corrente ĆØ possibile implementare alcune funzioni matematiche automatiche per ottenere utili forme dā€™onda in uscite (vedi i relativi grafici in figura 4). Alcune di queste funzionalitĆ  sono elencate di seguito:

    • Single Frequency FM Voltage Source;
    • Gaussian Pulse Voltage Source;
    • Piece-wise Linear Chirp Source.

La sintassi della prima funzionalitĆ  ĆØ la seguente:

SFFM(Voff Vamp Fcar MDI Fsig)

dove:

Voff is the DC offset expressed in volt;
Vampis the Amplitude expressed in volt;
Fcar is the Carrier frequency expressed in Hz;
MDI is the Modulation index;
Fsig is the Signal frequency expressed in Hz.

La sintassi della seconda funzionalitĆ  ĆØ la seguente:

GAUSS(Td Amp Sigma [Period])

dove:

Td is the Time delay expressed in seconds;
Amp is the Amplitude expressed in Volt;
Sigma is the Standard deviation expressed in seconds;
Period is the Optional Period of Repetition expressed in seconds.

La sintassi della terza funzionalitĆ  ĆØ la seguente:

CHIRP(AMP T1 FREQ1 T2 FREQ2 […]) [LOG] [XTRAP]

For times before T1, the voltage is a sine wave of amplitude AMP and frequency FREQ1, For times between T1 and T2, the frequency varies linearly between FREQ1 and FREQ2. There can be any number of time, frequency points given. For times after the last time, the frequency is the last frequency.

Figura 4 – Alcune funzioni matematiche permettono la generazione di speciali forme dā€™onda.

 

Conclusioni

In questa puntata del corso su QSPICE abbiamo concluso la rassegna dei generatori di tensione e di corrente, alcuni dei quali sono estremamente utili e sofisticati per il progettista. Egli, dunque, ha a disposizione potenti strumenti per generare qualsiasi segnale elettrico ed ĆØ realmente improbabile che egli non trovi la sua giusta soluzione. Questi metodi di generazione del segnale contribuiscono alla realizzazione di circuiti elettronici avanzati e all’ottimizzazione delle prestazioni dei sistemi. I generatori di tensione e di corrente sono strumenti essenziali per i progettisti e consentono di generare qualsiasi segnale elettrico, dalle forme d’onda semplici alle forme d’onda complesse. I generatori di tensione e di corrente possono essere classificati in base a diversi criteri come, ad esempio, il tipo di segnale generato, la sua forma d’onda e la precisione del risultato finale. Molti circuiti spesso richiedono segnali di ingresso specifici, che possono essere generati solo utilizzando opportuni generatori di tensione e di corrente.

Autore: Giovanni Di Maria

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