STI, STL, MPI , SPICE simulation en électronique

SIMULATION EN ELECTRONIQUE
PLAN:
OBJECTIF - PUBLIC - MATERIEL - LOGICIEL DU DOCUMENT
METHODE -
AVANTAGES - DIFFICULTES -
AUTEUR
INTRODUCTION
MANIPULATION 1 : Prise en main
A) Montage inverseur à amplificateur opérationnel
B) Générateur de fonctions
C) Oscilloscope
D) Simulation et résultats
MANIPULATION 2 : Première approche du filtrage
A) filtre RC
B) Traceur de Bode
MANIPULATION 3 : Amplificateur opérationnel réel
A) Montage non-inverseur
B) Traceur de Bode et fréquence de coupure
MANIPULATION 4 : Etude d'un filtre passe bande (Sallen et
Key)
A) Montage théorique
B) Montage réalisé avec le logiciel
C) Courbes de gain
CONCLUSION
OBJECTIF :
Utilisation d'un logiciel de simulation en électronique.
PUBLIC :
Lycées (STI, STL, option IESP), BTS, CPGE.
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MATERIEL :
Ordinateur PC, coprocesseur mathématique recommandé, souris, au moins 4 Mo de RAM.
Windows 3.1 ou plus.
LOGICIEL:
Electronics Workbench - Version 4.1 pour Windows distribué par Langage et Informatique
(Intelys)
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METHODE :
Utiliser un logiciel de simulation au laboratoire d'électricité pour la recherche des valeurs
numériques les mieux adaptées, la reproduction d'expériences répétitives, l'aide à la conception
de montages ...
AVANTAGES :
La simulation permet d'intervenir de manière efficace au cours de l'élaboration d'un montage, par
exemple en recherchant les valeurs optimales des composants.
Les outils disponibles permettent un apprentissage raisonné de l'utilisation d'appareils courants
comme l'oscilloscope et le générateur de fonctions.
La présence du traceur de Bode, très utile pour l'étude du filtrage, n'a pas d'équivalent pratique
simple; il facilite l'étude des fonctions de transfert sans répéter inutilement des expériences
semblables.
En logique, combinatoire ou séquentielle, l'étude expérimentale devient très vite fastidieuse et peu
formatrice, la simulation apporte ici un gain de temps appréciable.
Le logiciel permet dans cette nouvelle version la combinaison de composants analogiques et
numériques. La bibliothèque de composants est très complète avec un bonne description des
modèles utilisés.
L'utilisation de l'environnement Windows améliore considérablement sa convivialité.
DIFFICULTES:
Le choix et la manipulation des modèles ne sont pas toujours simples. Une bonne maîtrise du
logiciel est nécessaire avant de l'utiliser en classe.
Une machine assez performante est souhaitable dans le cas de schémas complexes avec de
nombreux composants et des connexions multiples.
AUTEUR DU DOCUMENT :
André Méraud Lycée d’Arsonval 65 rue du Pont de Créteil 94107 Saint-Maur Cedex
INTRODUCTION
Le logiciel utilise les modèles "SPICE" employés couramment dans l'industrie pour les composants
analogiques non-linéaires. Les composants électroniques utilisés sont idéalisés, les valeurs simulées
seront donc toujours identiques alors que dans la réalité deux composants de même référence ne le
sont pas exactement.
Il est possible d'utiliser les nombreux modèles proposés ou d'en fabriquer de nouveaux en modifiant
les valeurs numériques des différents paramètres.
On trouvera les caractéristiques de chaque modèle et des informations sur le moteur de simulation
dans le manuel de référence livré avec le logiciel.
Les quelques exemples proposés ci-dessous ne traitent que de montages analogiques.
MANIPULATION 1 : Prise en main
A) Montage inverseur à amplificateur opérationnel
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"Schéma de montage réalisé avec Workbench"
Choisir une résistance dans la boîte de composants "Passif" en la faisant glisser avec la souris
dans le plan de travail puis fixer sa valeur (double clic)
Réaliser la même opération pour la seconde résistance.
Choisir un amplificateur opérationnel ( idéal) dans la boîte de composants "Actif". Modifier
éventuellement le symbole et/ou le sens avec la commande "Edition - Faire pivoter"
Placer les masses (boîte de composants "Passif"). Il s'agit du même point, toutes les bornes
reliées à une masse sont donc reliées entre elles
Positionner les connecteurs afin de réaliser les noeuds du circuit. Chaque connecteur comporte 4
bornes, une par côté, et permet donc 4 connexions (boîte de composants "Passif").
Faire glisser le générateur de fonctions et l'oscilloscope dans le plan de travail (un double clic sur
chaque appareil permet d'en avoir une vue élargie).
Relier les différents éléments du circuit.
N.B. L'utilisation de la grille facilite l'alignement des composants
B) Générateur de fonctions
Connecter le générateur de fonctions et fixer les paramètres :
signal sinusoïdal de fréquence f = 100 Hz;
symétrie (duty) 50%;
amplitude 1 V; décalage (offset) 0 V.
C) Oscilloscope
Connecter l'oscilloscope en choisissant des fils de couleurs différentes pour les deux voies.
Effectuer le réglage de l'oscilloscope (base de temps, calibre).
D) Simulation et résultats
Lancer le calcul avec l'interrupteur et observer l'allure des tensions sur l'écran de l'oscilloscope (la
fonction "Zoom" de l'oscilloscope permet d'agrandir l'image et d'effectuer des mesures précises).
Modifier le niveau de la tension d'entrée (ou le rapport des résistances) afin d'observer les limites
du fonctionnement linéaire.
Placer l'oscilloscope en mode XY (B/A) pour obtenir la caractéristique de transfert.
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N.B. La valeur des tensions de saturation dépend du choix du modèle utilisé. Pour connaître les
paramètres de ce modèle, il suffit de sélectionner l'amplificateur puis de choisir "Editer".
MANIPULATION 2 : Première approche du filtrage
A) filtre RC
Modifier les réglages du générateur :
niveau 100 mV;
composante continue 1 V.
Ajouter un condensateur aux bornes de la résistance de contre-réaction (C = 1 µF).
Lancer la simulation et observer le signal de sortie sur l'écran de l'oscilloscope.
Mesurer la valeur moyenne du signal de sortie et l'amplitude de sa composante alternative.
N.B. Observer l'incidence des boutons AC/DC de l'oscilloscope sur l'aspect des courbes observées sur
l'écran.
B) Traceur de Bode
Connecter le traceur de Bode à la place de l'oscilloscope (attention
au sens des connexions)
Configurer le traceur (fréquence et gain) et lancer la simulation
N.B. valeur finale (F); valeur initiale (I).
Rechercher, sur la courbe de gain, la fréquence pour laquelle l'amplitude du signal de sortie est
réduite de moitié.
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MANIPULATION 3 : Amplificateur opérationnel réel
L'amplificateur opérationnel réel n'est pas idéal, il a un comportement de filtre passe-bas. Selon les
références il peut être compensé (µA741), sur compensé (TL081) ou non (LM101).
Le circuit µA741 a un comportement de filtre RC passe-bas dont la fonction de transfert peut se
mettre sous la forme :
.
L'amplification en boucle ouverte A o est de l'ordre de 106 et fo vaut environ 10 Hz.
A) Montage non-inverseur
Si l'on tient compte de l'existence d'une tension différentielle ud non nulle et d'une amplification A o
très grande on peut montrer, dans le cas du montage non-inverseur, que la fréquence de coupure fc
vérifie la relation
.
Pour déterminer la fréquence de coupure et calculer fo on utilise le traceur de Bode et un modèle
d'amplificateur non idéal (ex. LM741).
On peut vérifier alors que l'amplification en tension vaut bien
en basse fréquence.
B) Traceur de Bode et fréquence de coupure
Rechercher la fréquence de coupure (-3 dB) en déplaçant le curseur du traceur et calculer fo.
N.B. Pour le modèle utilisé A o vaut 2× 105 et fc voisin de 500 kHz.
MANIPULATION 4 : Etude d'un filtre passe bande (Sallen et
Key)
A) Montage théorique
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Fonction de transfert:
La simulation permet l'étude de l'influence du facteur de
qualité Q sur le comportement du circuit. et la sélectivité
du filtre.
Il suffit de choisir une résistance R' variable et de modifier
sa valeur pour observer l'allure de la courbe de gain.
B) Montage réalisé avec le logiciel
C) Courbes de gain
Q<1Q>1
filtre peu sélectif (50 kΩ /20%) filtre sélectif (50
kΩ /80%)
CONCLUSION
Ce logiciel offre une multitude de possibilités, le moteur de simulation de type industriel est très
performant et permet d'adapter les montages aux circuits électroniques réels. Le choix des modèles
permet de comprendre et d'étudier les principaux défauts des montages.
Comme tout logiciel de simulation il ne peut remplacer l'expérience, il convient donc de l'utiliser en
complément de l'étude expérimentale.
La prise en main du logiciel n'est pas immédiate mais on retrouve les principales fonctionnalités de
l'environnement Windows de manière assez intuitive. C'est le choix des composants qui peut, dans
certains cas poser le plus de problèmes.
L'utilisation directe du logiciel par des élèves de l'enseignement "classique" peut être difficile. Il vaut
mieux utiliser dans ce cas des fichiers préparés en se limitant à l'aspect simulation ou au réglage des
appareils de mesures.
La réalisation du schéma de montage peut se révéler intéressante pour préparer les élèves à la
réalisation pratique d'un montage électrique.
Quelques remarques pratiques
Il arrive que l'insertion d'un noeud de connexion ne soit pas effective. Cela ne se voit pas toujours nettement. Cette "erreur" très
fréquente peut être évitée en "tirant" sur le point, les fils liés doivent suivre sinon il n'y a pas de connexion.
Certains éléments (connecteur et masse) sont pratiquement indispensables à tous les montages mais n'apparaissent pas dans toutes les
boîtes de composants. Il peut être souhaitable, avant de commencer un circuit, de se fabriquer une boîte personnelle avec les
composants que l'on souhaite utiliser.
La masse représente le potentiel 0 V, elle fournit un point de référence pour le calcul des valeurs électriques. Ce point est indispensable
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pour la plupart des montages.
Le choix des composants par défaut est souvent le meilleur pour les montages les plus courants ( par exemple pour l'amplificateur
opérationnel prendre le modèle 3 fils plutôt que le modèle 5 fils).
Avec l'amplificateur opérationnel la commande "Editer-Pivoter" utilisée plusieurs fois permet de choisir la représentation du circuit
(norme et sens).
Le logiciel réserve pour les calculs 10 Mo (options d'analyse) ce qui est peut-être nécessaire pour les circuits complexes, mais peut
provoquer quelques problèmes avec certaines machines. Dans ce cas choisir 1 Mo, cela doit suffire pour la plupart des applications
simples.
Dans le menu préférences le choix de l'option "permanent" est habituel mais si l'on souhaite observer les phénomènes transitoires (en
particulier pour l'observation de l'établissement des oscillations) le choix de l'option "transitoire" est nécessaire.
Eviter les modifications trop nombreuses de la géométrie du circuit. Le routage doit être le plus simple possible sinon les calculs peuvent
devenir aberrants. Dans certains cas, il vaut mieux reprendre le circuit à partir des éléments de base, ceci est particulièrement vrai avec
le traceur de Bode.
Les schémas des montages et des appareils de mesures peuvent être insérés dans un traitement de texte en utilisant la commande
"copybits" puis en sélectionnant la partie de figure souhaitée. Celle-ci est alors placée dans le presse-papiers de Windows dont le
contenu peut être observé à partir du logiciel.
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