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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 più versatili e potent

PWL File

Se il progettista ha bisogno di una forma d’onda particolarmente complessa o di un segnale contenente i campioni registrati da un dispositivo, è possibile utilizzare i “PWL file”. Esso può descrivere qualsiasi tipo di segnale, poiché i suoi campioni descrittivi sono memorizzati all’interno di un file di testo. Per importare i dati dei segnali, in QSPICE, è 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 più accurata dei risultati è opportuno aumentare il numero di punti utilizzati per descriverla. Ciò è dovuto al fatto che un numero maggiore di punti consente di contenere più dettagli, migliorando la definizione e la qualità della rappresentazione. Un esempio di file di dati è 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 può scrivere il seguente attributo SPICE nel componente:

PWL FILE=”samples.txt”

L’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. È anche mostrato lo schema elettrico da utilizzare, che comprende il generatore PWL e un resistore di carico fittizio. Il segnale è prelevato dal nodo “Signal”. Il file di testo contenente i campioni è “samples.txt” e ha le seguenti caratteristiche:

  • esso occupa su memoria di massa solo 49 kiloBytes;
  • esso è composto da più di 3 000 campioni;
  • la sua risoluzione temporale è 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 “PWL file” è possibile generare qualsiasi segnale memorizzato in un file di testo.

 

Con operazioni successive, che vedremo meglio nei prossimi episodi, è 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 è 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 è costante. La possibilità di esaminare la FFT di un segnale è una operazione molto importante che, tuttavia, sarà esaminata nei prossimi episodi.

Figura 2 – La FFT del segnale sismico.

 

Uso intensivo del PWL File

È 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 più grosso, che contiene l’andamento delle temperature di ambiente nell’intervallo di circa 4 giorni. Il file di testo contenente i campioni è “temperatures.txt” e ha le seguenti caratteristiche:

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

Si tratta un file molto pesante e lo scopo del test è 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) è 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 è il medesimo del precedente test. L’esecuzione della simulazione e la visualizzazione della tensione sul nodo “signal” produce il grafico della figura 3. Anche se il generatore visualizza i risultati come tensione elettrica, il dato registrato nell’archivio è in realtà una misura della temperatura. Il progettista tenga sempre conto di tale fatto. Come si è potuto comprendere, i files PWL sono uno strumento molto potente che può essere utilizzato per simulare una varietà di forme d’onda. Essi offrono diversi vantaggi rispetto alle forme d’onda predefinite, che li rendono utili per una vasta varietà 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 è sorprendente, considerando che la simulazione ha coinvolto più di 380 000 record. Gestire un numero così elevato di dati non è 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 è possibile implementare alcune funzioni matematiche automatiche per ottenere utili forme d’onda in uscite (vedi i relativi grafici in figura 4). Alcune di queste funzionalità sono elencate di seguito:

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

La sintassi della prima funzionalità è 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 funzionalità è 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 funzionalità è 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 d’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 è 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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