1. Ingeniería de
Telecomunicación
COMPONENTES ELECTRÓNICOS Y MEDIDAS
ESTUDIO DE CIRCUITOS CON
LA HERRAMIENTA DE DISEÑO
ELECTRÓNICO OrCAD:
Breve Guía de Uso

3. Práctica 0: Breve introducción a OrCAD
1- Objetivos de las prácticas con OrCAD/Pspice
1.1- Objetivo general
Al terminar esta serie de prácticas el alumno deberá saber:
a) Familiarizarse con el conjunto de programas de diseño de circuitos
electrónicos OrCAD.
b) Crear proyectos nuevos mediante el subprograma Capture CIS, dibujar
circuitos y simular aspectos de su comportamiento en el tiempo o en el
dominio de las frecuencias, o dependencias frente a algún parámetro
(valor de alguna fuente, o de algún componente) mediante Pspice AD.
1.2- Objetivos específicos
Al terminar esta serie de prácticas el alumno deberá saber:
a) Simular el comportamiento de alguna magnitud de un circuito en función
de un intervalo de valores de la fuente de alimentación continua.
b) Representar gráficas Vout-Vin, I-V, y funciones específicas, como la
derivada de una curva, o su valor rms.
c) Saber obtener la ganancia y desfase de un circuito dado a partir de su
función de transferencia.
d) Aprovechar estas representaciones para determinar resistencias
dinámicas de los diodos o valores eficaces de la señal procedente de una
fuente de alimentación.
e) Simular el comportamiento de alguna magnitud en el dominio de tiempos,
aplicando fuentes de alimentación senoidales o funciones escalón.
f) Aprovechar esta herramienta para representar y predecir el consumo
instantáneo de potencia en algún dispositivo.
g) Simular la dependencia de alguna magnitud frente a la variación de algún
componente (resistencia, temperatura). Utilizar esta estrategia para
determinar valores óptimos de ciertos componentes y utilizarlos para el
diseño de un regulador Zener.
h) Obtener las características de salida de un transistor.
i) Evaluar el comportamiento de un transistor en un circuito.
2- Importancia de las herramientas de diseño electrónico en
ingeniería: OrCAD
En el diseño electrónico existe el problema del alto coste del ciclo físico
si pensamos en los pasos a seguir hasta la obtención de un circuito que cumpla
las especificaciones buscadas:
1. Diseño
2. Montaje del prototipo
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4. Práctica 0: Breve introducción a OrCAD
3. Testeado
4. Rediseño….
5. y vuelta a empezar.
La solución pasa por incluir CAD en análisis del prototipo antes del
montaje. CAD es diseño asistido por ordenador. Es aplicable no sólo al diseño
gráfico, sino también al análisis y comprobación de los sistemas.
3- Herramientas de OrCAD
El paquete integrado de OrCAD para diseño de circuitos electrónicos contiene
las siguientes herramientas:
1. Capture CIS: dibujo de esquemas.
2. Pspice. Análisis de Circuitos.
3. Layout: diseño de PCB.
4. Express: compilador y simulador de PLD con lenguaje VHDL.
5. Generador de estímulos para PSpice (versión limitada a diodos).
6. Optimizador de circuitos para Pspice.
7. Smart Route: para el diseño de PCB con algoritmos de tipo neuronal en
el trazado de pistas (versión DEMO poco depurada).
4- Principios básicos de OrCAD/Capture
Inicio del programa Capture CIS
Del menú inicio (Inicio Programas Orcad 10.x Demo capture CIS Demo).
Ya estamos en la zona de sesión de Capture. La ventana minimizada Session
Log es la del informe de la sesión de trabajo, donde quedan especificados
todos los detalles de las acciones se efectúan en la actual sesión con OrCAD
Capture: mensajes de error y de precaución, creación de ficheros….
Proyecto Nuevo
File New Project; damos nombre al proyecto (sin extensión) y elegimos el
directorio donde queremos guardar todos los ficheros relacionados con él. Es
conveniente crear un directorio distinto para cada proyecto.
Antes de seguir, hemos de optar por el tipo de proyecto que queremos:
Analog or Mixed Signal Circuito Wizard: para utilizarlo en simulación con
PSpice.
PCBoard Wizard: para obtner el diseños de la PCB.
Programmable Logia Wizard: para emplear en la programación de PLD.
Schematic: para el uso básico de dibujar esquemas.
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5. Práctica 0: Breve introducción a OrCAD
Con la primera optión podemos simular un circuito y obtener la PCB. Si
activamos la opción de análisis en la segunda opción, también podremos
simular. La tercera optción se utiliza en programación de PLD con VHDL, o
bien para crear una PLD con primitivas. La última sólo es para dibujar circuitos.
Una vez dentro del gestor de proyectos, nos podemos mover para:
Crear nuevas páginas de esquemas: desde la carpeta de esquemas:
Design New Schematic Page.
Crear nuevas carpetas de esquemas: desde el diseño: Design New
Schematic.
Cambiar el nombre: Design Rename.
Crear una librería: File New Library.
Crear un fichero VHDL: File New VHDL File.
Borrar páginas de un esquema, carpetas o librerías: tecla Supr.
Abrir un trabajo existente
File Open Project: Seleccionamos el proyecto (*.opj) del directorio
correspondiente y lo “cargamos”.
También podemos abrir directamente:
Un diseño: cargará el proyecto completo.
Una librería: abre un proyecto donde aparece la librería dentro de los
recursos del diseño para poder editarla.
Un fichero VHDL.
Una vez hemos abierto un proyecto o diseño, podemos incorporar una página o
esquema de otro trabajo.
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6. Práctica 0: Breve introducción a OrCAD
Guardar proyectos, diseños y librerías
Si el proyecto es nuevo y tenemos seleccionada una parte del diseño, el mismo
diseño o una librería, al seleccionar File Save, se presenta la caja de diálogo
Save As donde podemos colocar el nombre que deseemos a esta parte del
proyecto.
Cuando optamos por cerrar un proyecto nuevo nos pregunta si queremos
guardarlo. Al contestar afirmativamente, se almacena toda la información del
proyecto.
Cerrar un proyecto
File Close Project: cierra el proyecto actual pero sigue con Capture.
File Exit: sale de Capture.
El entorno de trabajo
En esta ventana se recogen y organizan todos los recursos necesarios para un
proyecto. Las carpetas que incluye el gestor de proyectos son siempre al
menos estas dos:
a) Design Resources (recursos del diseño)-
• Carpeta de diseño: *.DNS:
Carpeta de esquemas con sus páginas de esquemas
Carpeta Desing Caché, donde van todas las partes que aparecen en
las páginas de esquema (todos los componentes que hemos
utilizado)
• Carpeta de librerías (Library). Librerías para nuestro proyecto con todas
las partes que contienen
b) Outputs: aquí están todos los ficheros de salida (simulaciones…).
Desde la barra del menú principal, se crea un nuevo proyecto, (File New;
seleccionar analog or mixed AD → OK; poner nombre al fichero (“ampli1”) y
seleccionar Create a blank proyetc OK ).
A continuación podemos seleccionar opcionalmente alguna librería de
componentes de interés, o dejar las que aparecen por defecto.
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7. Práctica 0: Breve introducción a OrCAD
Pasamos a editar el esquema del circuito a simular, nosotros empezamos con
el circuito del amplificador operacional (figura X). Para ello es necesario sacar
los componentes de la biblioteca y traerlos al esquema (Draw Get New Part)
y después “cablearlos” (Draw Wire). Para colocar los componentes se debe
seleccionar el componente en cuestión, se pica en place y con el botón
izquierdo se pica en la hoja Schematics en el punto donde se desee dejar el
componente, tantas veces como sea necesario. Una vez finalizado se pica el
botón derecho del ratón. Al marcar con el ratón la ventana “Schematic”,
haremos aparecer una columna de iconos a la derecha, que son los que nos
permiten dibujar un circuito.
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8. Práctica 0: Breve introducción a OrCAD
Los más utilizados en circuitos analógicos serán estos cuatro:
“Place part”.
Es la opción que nos permite importar un componente (desde
una resistencia a un circuito integrado) y ubicarlo en la ventana.
Al seleccionar el icono se abre otra pequeña ventana que nos
permite marcar un componente dentro de una lista. Ésta
comprende todos los componentes que hay incluidos en las
librerías seleccionadas.
Si no encontramos el componente deseado, podemos intentar
añadir una librería (“Add library”) más apropiada, que lo
contenga. La lista de librerías de componentes que aparece por
defecto se halla en el subdirectorio:
ORCAD CAPTURE LIBRARY PSPICE. (En algunos de los
casos el nombre de la librería permite adivinar el tipo de
dispositivo que contiene).
Nota: para poder hacer la simulación, la librería ha de ser del directorio
PSPICE, ya que todas las que aquí encontremos tienen modelizados
sus componentes con las características eléctricas correspondientes.
Si el objetivo es únicamente obtener un esquema, y a lo sumo, la PDB,
cualquier librería es útil.
Ventana de diálogo de “place part”
“Place wire”.
Una vez seleccionado este icono, si pinchamos con el ratón en
un punto del circuito se iniciará un cable, que terminará en el
punto donde volvamos a pinchar con el ratón. Utilidad obvia:
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9. Práctica 0: Breve introducción a OrCAD
conectar componentes y hacer mallas. Si un hilo termina en un
punto de otro hilo, se genera un nodo (visible como un circulito).
Si arrastramos un hilo cruzando por encima de otro hasta un
punto más allá, no se generará un nodo.
La conexión entre dos partes se puede obtener sin más que
hacer concidir en el mismo punto los dos pins a conectar, pero
esto NO DEBE HACERSE, ya que:
Ese punto ya no podría ser empleado para punto de
prueba de medida de corriente.
No permitiría etiquetarlo como línea.
En cualquier desplazamiento de uno de los componentes
dejaría de estar conectado.
“Place ground”.
El icono nos permite seleccionar varios tipos de masas. Para
hacer el análisis de circuitos con Pspice, el programa ha de tener
un nivel 0 de tensión de referencia, el terminal 0/SOURCE está a
tensión cero. Es decir, este Terminal de referencia 0 de tensión
SIEMPRE ha de ponerse en el circuito a simular, aunque se trate
de una malla cerrada. En caso de no hacerlo, aparecerán
mensajes de error diciendo que los terminales son flotantes.
“Place power”.
No responde al concepto de alimentación, sino más bien de
terminal, son los terminales de alimentación a los que se le puede
poner un nombre. Utilidad: si un terminal está conectado a una
fuente de tensión, todos los terminales con ese mismo nombre
quedarán al mismo potencial. El icono nos permite seleccionar
varios tipos de terminales, y para nuestros propósitos
seleccionaremos “VCC_CIRCLE/CAPSYM” (recuerda: ¡el
penúltimo de la lista!). Además, el PSPICE llamará a ese nodo de
la misma manera al simular, lo que resultará de utilidad para
reconocerlo.
Propiedades de los componentes: PART VALUE
En estas prácticas manejaremos varios tipos de dispositivos, que serán
especificados al comienzo de las mismas. Una vez ubicados, el “editor de
propiedades” de cada uno se activará haciendo doble clik sobre el componente
o dispositivo.
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10. Práctica 0: Breve introducción a OrCAD
Editor de propiedades de un condensado
Fuente de tensión continua (VDC/SOURCE)
Su valor se establece en la casilla “DC” de su editor de propiedades.
Fuente de tensión pulsada (VPULSE/SOURCE)
Permite generar un único pulso de tensión periódica, con todos los
elementos que lo pueden caracterizar (no se usa en esta práctica).
Fuente de tensión senoidal (VSIN/SOURCE).
Permite generar una onda senoidal pura con los siguientes parámetros:
amplitud (VAMPL), frecuencia (FREQ) y componente en continua (offset
o desnivel, VOFF).
Resistencias (R/ANALOG)
Su valor se establece mediante doble click, casilla “Value” del editor de
propiedades.
Condensadores (C/ANALOG)
Su valor se establece mediante doble click, casilla “Value” del editor de
propiedades.
Potenciómetro (POT)
El potenciómetro con sus tres terminales se encuentra en la librería
BREAKOUT. Su valor no es visible por defecto, por lo que tras poner su
valor en VALUE, accedemos al botón DISPALY y activaremos VALUE
ONLY.
Amplificadores (µA741/EVAL)
Este amplificador se encuentra en la librería EVAL.
Diodos (D1N4148/DIODE, D1N750/DIODE)
Siempre podemos buscar un componente utilizando la opción “part
search”. Es conveniente trabajar con el menor número de librerías
posibles. La librería que siempre ha estar es Desing Caché, que es la que
contiene todos los componentes que estamos utilizando en el diseño.
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11. Práctica 0: Breve introducción a OrCAD
5 Tipos de simulación a realizar. Visualización con el programa
de representación PSpice AD
La simulación se realiza con la herramienta PSpice. Es una evolución de la
creada en Berklely a mediados de los años 70, Spice (“Simulation Program with
Integrated Circuit”). Se trataba de un programa capaz de resolver las
ecuaciones que describen un circuito, a través de una breve descripción del
mismo. Esta representación del circuito dio lugar a un lenguaje propio de
representación que se ha convertido en un estándar en la actualidad.
La unidad fundamental de programación Spice es el Netlist. Es un archivo
ASCII que contiene la descripción del circuito en el lenguaje Spice, así como
los diferentes tipos de análisis (temporal, frecuencial…). Una vez realizado el
Netlist se lanza el compilador “run” Spice que nos dice si hay errores o nuestro
circuito funciona correctamente. Los resultados se visualizan con el Probe
(“osciloscopio”).
El entorno del Pspice se ha convertido en un entorno gráfico: Sxhematics. Esta
herramienta nos permite realizar el circuito sin necesidad de conocer la
terminología de Pspice, simplemente dibujando el circuito.
El análisis y posterior representación gráfica de una señal puede hacerse
según diversas modalidades: en función del tiempo, de la frecuencia, de otra
señal o de un parámetro (valor de un componente, temperatura…). En caso de
querer hacer diversas modalidades de simulación de un mismo circuito, sin
perder ninguna, a cada modalidad se le deberá asociar un “perfil de
simulación”. Desde el menú principal,
Pspice New Simulation Profile e identificamos con un nombre el perfil
de simulación.
A continuación se abrirá una ventana de diálogo donde podremos seleccionar
la modalidad de análisis (en la pestaña Analysis Analysis type).
La precisión del estudio realizado se controla desde la pestaña “Options”.
Estos son los tipos de análisis que podremos realizar.
Time domain (transient)
Para simular la evolución de señales en el dominio de tiempos.
DC Sweep
Para simular la evolución de señales en circuitos alimentados con
fuentes continuas cuando éstas u otros componentes varían entre dos
valores
AC Sweep/Noise.
Para simular la evolución de señales en el dominio de frecuencias.
O para analizar el comportamiento del ruido.
Bias point
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12. Práctica 0: Breve introducción a OrCAD
Para el análisis de tensiones y corrientes del punto de trabajo con
componentes no lineales
En los tres primeros casos, el estudio incluye la posibilidad de realizar un
barrido paramétrico (“Parametric sweep”), es decir, simular la respuesta del
circuito para una serie de valores de un componente, por ejemplo, una
resistencia, condensador o un parámetro de un dispositivo no lineal.
Para ello, seguir los siguientes pasos:
i) Editar las propiedades del componente y, en la casilla “Value”, en
lugar de un valor concreto escribir un nombre entre llaves, por
ejemplo {var}.
ii) Importar el componente PARAM/SPECIAL.
iii) Editar sus propiedades. En la ventana de diálogo, añadir una nueva
propiedad mediante la opción “New”. El sistema responde con otra
ventana en que nos pide el nombre de dicha propiedad. Esta
propiedad se deberá llamar var (es decir, el valor consignado para el
componente variable, sin las llaves), y se le asignará un valor
arbitrario. Estos cambios sólo se guardarán si pulsamos la opción
“Apply”.
iv) Es conveniente visualizar en la pantalla el parámetro indicado. Para
ello, antes de cerrar el editor de propiedades del componente
PARAM/SPECIAL, seleccionaremos la casilla de la propiedad recién
creada, var, y pulsaremos “Display” . En su cuadro de diálogo ,
“Display format” marcaremos la opción “Name and value”. En la
pantalla aparecerá el nombre debajo del componente
“PARAMETERS”.
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13. Práctica 0: Breve introducción a OrCAD
v) Por último, podemos representar cualquier magnitud en función de
esta variable si recurrimos a un DC sweep, y seleccionamos “Global
parameter”. A continuación indicaremos el nombre var en la casilla
adecuada, y dispondremos los valores inicial, final, etc.
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