Introducción
El objetivo de este documento es introducir al alumno en el manejo del simulador de circuitos electrónicos Pspice de la empresa MicroSim , que en su versión de evaluación, de libre distribución , permite realizar montajes de complejidad suficiente , como para cubrir todas las necesidades de la asignatura.
Por este motivo, y debido a las peculiaridades en cuanto a docencia y experimentación en la UNED, pensamos que esta herramienta puede ser de gran ayuda para nuestros alumnos, tanto para la comprensión de la materia, como para la preparación y asimilación de las prácticas de laboratorio.
Ejemplo. Contador síncrono
En este ejemplo vamos a trabajar con un flip-flop JK de propósito general. Se trata del chip 7473. También necesitaremos puertas AND , por lo que usaremos el chip 7400.
Para ello nos apoyaremos en el libro "Electrónica Digital" de J.Mira y A.E. Delgado, S.Dormido y M.A. Canto, publicado por la Sanz y Torres. El apartado 9.6 describe este tipo de contadores. Conviene leer previamente este teme para comprender mejor el diseño, aunque en nuestro caso lo usaremos como excusa para aprender el manejo del simulador.
Vamos a realizarlo sobre Pspice. En primer lugar, vamos a ejecutar el programa que nos va a permitir dibujar el circuito. La instalación crea una carpeta llamada Msimeval7.1 (depende de la versión que instaléis) en la cual se encuentran los programas principales. Cada programa se puede ejecutar por separado, pero se pueden usar todos desde el programa Schematics. Haremos doble click sobre este icono. La pantalla presenta un espacio de trabajo y varios iconos.
En esta pantalla vemos los comandos que nos hacen falta para realizar nuestra simulación. En primer lugar, vemos que hereda bastantes de los iconos de cualquier aplicación Microsoft, como abrir archivo, archivo nuevo, guardar, imprimir, etc… pero tiene otros distintos. Para empezar identificamos los iconos (también están disponibles por menú) de colocar componentes (Draw + Place Part), conexión con cable (Draw + wire) , opciones de análisis (Analysis + setup) , ejecutar simulador (Analysis + simulate) y diversos tipos de zoom.
Vamos a colocar los JK. Para ello pulsamos el icono de componentes. Aparece un cuadro de diálogo con todos los componentes contenidos en las librerías. Si instaláis una de las últimas versiones , existe un botón llamado "Advanced" que permite visualizar el símbolo correspondiente. Seleccionamos 7473 de la librería y pulsamos el botón place . Esto permite colocar el componente cuantas veces queramos y no cerrar la librería, para elegir otro distinto. Si sabemos que es el último componente pulsaremos place&close. Una vez pulsado place , si nos desplazamos fuera de la ventana de la librería, el puntero del ratón se convierte en el símbolo del componente. Para colocarlo, hacemos click sobre el espacio de trabajo. Cuando colocamos un componente, siempre podemos desplazarlo, salvo cuando lo hemos conectado. Es recomendable situar primero todos los componentes y después empezar con el cableado. Si queremos mover un componente hacemos click sobre el y cambiará a color rojo. En esta situación manteniendo el botón pulsado podemos arrastrarlo hasta la posición deseada.
Una vez colocado el filp-flop, necesitamos colocar otros tres, dos puertas AND una fuente independiente de tensión , un estímulo digital (reloj), y una conexión a tierra. Pspice siempre necesita tener un nodo de referencia para las tensiones y lo trata como un componente más que denomina GND_EARTH.
Situaremos los componentes de manera que haya suficiente espacio como para etiquetar después los nodos y elementos , con el fin de que nuestro diseño sea claro. El área de trabajo está dividido en un mallado (gris) que permite colocar con precisión los componentes. Este gris facilita mucho el trabajo y se puede personalizar en cuanto a dimensiones de celda. También es posible desactivarlo.
Hay que procurar salvar el trabajo frecuentemente para no tener sorpresas desagradables. Los archivos de esquemas tienen extensión .sch . Conviene que el nombre contenga alguna descripción cualitativa del circuito. En nuestro caso lo llamaremos npn_iv.sch .
Vamos a estudiar ahora las funciones de edición de componentes. Disponemos de componentes pasivos, semiconductores, fuentes de alimentación etc… Cuando colocamos un componente pasivo en el espacio de trabajo, tiene asignado un valor por defecto , que en resistencias es 1k( . Para los transistores y circuitos integrados no es necesario introducir valores, ya que tienen una serie de parámetros introducidos a priori en un modelo. En este apartado, la ayuda del programa nos dice la correspondencia física entre los parámetros de Pspice y los parámetros reales. Para consultar los modelos, basta con editar el archivo nom.lib o eval.lib, depende de la versión. Es recomendable hacer una copia de estos archivos en otro directorio y editarla allí , ya que cualquier cambio o deterioro de estos ficheros , haría que el simulador dejara de funcionar.
Una vez colocados los componentes, obtenemos algo que se ha de parecer a la siguiente imagen:
Vemos como hemos colocado los flip-flop JK, las puertas AND , una fuente de tensión VSRC, y el estímulo digital DigClock . Cogemos el componente GND_EARTH de la librería, la cerramos y colocamos los componentes. Para girarlos, simplemente hacemos click para ponerlo en rojo, y después ctrl+R
El aspecto del circuito ha de ser aproximadamente el siguiente :
Ahora vamos a conectarlos para ello pulsamos ctrl+W o bien pulsamos el icono, o
elegimos del menú draw+wire (recordar rotar las fuentes con el positivo hacia los componentes). El icono se convierte en un lápiz. Debemos hacer click en el origen y en el final de la conexión. Los nodos donde hay más de dos conexiones se generan automáticamente.
Una vez conectado todo , el aspecto sería aproximadamente como el de la siguiente figura. Como final, podemos colocar un texto que haga referencia al objetivo del circuito. Para ello pulsamos el icono ABC, o bien draw+text.
Es importante en este momento caracterizar los puntos importantes del circuito, ya que esto nos permite identificar corrientes y tensiones a la hora del análisis. Como se ve en la anterior figura, las fuentes tienen un nombre que tiene que ver con la función que realizan. Asimismo, aparecen los nombres QA, QB, QC, QD, asociados a los nodos correspondientes. Para dar estos nombres se hace doble click sobre el trozo de línea de circuito y aparece un cuadro de diálogo donde poner el nombre. Más tarde , si queremos ver el bit QA , Pspice le asociará el nombre QA, en vez de $_N0001 o similar, cuyo significado para nosotros es , a priori ,desconocido.
Una vez puestos todos los nombres, es el momento de asignar valores a las fuentes. En primer lugar, la fuente de continua. Debemos asignar un valor DC fijo distinto de cero. En nuestro caso será 5V que es el uno lógico. Para ello hacemos doble click sobre la fuente y aparece :
. En cuanto al resto de parámetros, por ahora no los vamos a rellenar. Una vez introducido el valor DC=5 , pulsaremos el botón Save Attribute y luego OK. Ahora damos valores a la fuente digital (reloj).
Los parámetros importantes son el tiempo en "on" (+5V), y el tiempo el "off" (0V). Podemos dejar los valores por defecto.
En este ejemplo vamos a utilizar el análisis Transient .. Para ello , nos iremos al icono de opciones de análisis, o bien Analysis+setup. Aparece una ventana con todos los tipos posibles de análisis que puede realizar el programa. Elegiremos transient . El tiempo ha de calcularse para que veamos todos los estados por los que pasa el contador.; la pantalla muestra lo siguiente :
escribimos un print step (tiempo mínimo de muestreo) de .1(s (us para Pspice) y un tiempo de análisis (final time) de 20(s. (cuanto menor sea el incremento y mayor el intervalo, mayor es el tiempo de análisis, y esto es función del tipo de procesador del PC).
Ya estamos en disposición de realizar el análisis. Para ello, basta con cerrar la ventana de tipos de análisis y pulsar el botón de ejecutar simulador o Analysis+Simulate. Entonces, arrancará la ventana de Pspice.
Normalmente se generan warnings, que no suelen tener importancia. Si tenemos algún error, la simulación para y aparece el mensaje see output file for details. Nos iremos entonces a Analysis+Examine output. Pero esto esperemos que no pase con frecuencia. Si todo ha ido bien, se arrancará automáticamente el programa Probe, que sirve para visualizar gráficas.
Aparece una aplicación nueva con nuevos iconos y nuevo espacio de trabajo. En la pantalla, hay un gráfica vacía que por defecto muestra en el eje de las x el tiempo. Veamos como elegir QA,QB,QC,QD, y el reloj para el eje de las y , que es lo que nos interesa. (Trace + Add).
Estas curvas se pueden consultar vía los cursores. Para ello, una vez seleccionada la curva activamos los cursores con tools+cursor+display o el icono correspondiente. Después pulsando sobre las curvas obtenemos la lectura de los estados del contador.. Este gráfico está sacado con las opciones de impresión del programa Probe. (Gráfica1).
Con el ratón pulsado, y moviéndonos por el eje de tiempos , aparece en el eje y los distintos estados (0001,0010……) de la cuenta.
A partir de aquí, disponemos ya de un instrumento para comprobar cualquier diseño lógico, tanto combinacional como secuencial. Es muy recomendable que el alumno pruebe a repetir los diseños que aparecen en el libro de teoría, y que compruebe en la simulación los resultados de los problemas. Sin embargo, el equipo docente de la asignatura quiere recordar que el simulador es un mero instrumento, una herramienta de apoyo y que no es el objetivo central de la asignatura. No es necesario que el alumno estudie con el entorno Pspice más allá de lo mencionado en este ejemplo.
Autor:
Pablo Turmero