Giáo trình thực hành CircuitMaker - Phần 1: Giới thiệu chương trình Circuit maker

Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành CircuitMaker 1 PHẦN 1 : GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH CIRCUIT MAKER -----
-----  Circuit Maker là gì? Circuit Maker là một chương trình điện toán ứng dụng với những tính năng rất mạnh mẽ và dể sử dụng các công cụ mô phỏng mạch thông qua các mạch điện được vẽ trên máy tính. Chương trình do công ty Micro Code Engineering soạn thảo và được cải tiến. Ngoài ra Circuit Maker còn có thể thực hiện mô phỏng rất sống động phần mạch số của mạch điện. Nó cũng có thể thực hiện mô phỏng tương tự dựa trên chương trình SPICE3 được cải tiến liên tục bởi khoa Điện toán và Cơ điện trường Đại học California, Berkeley.  Sự thận trọng: Hầu hết các trường hợp kết quả đưa ra giống như các mạch điện trong thực tế. Tuy nhiên đó cũng chỉ là một chương trình mô phỏng duy nhất và chúng ta không quá ảo tưởng trông chờ vào nó cũng như các chương trình có tính năng tương tự cung cấp những kết quả giống nhau chính xác như là mạch điện trong đời sống thực tế. Cũng như các chương trình khác như Orcad, Eagle, Protel Circuit Maker sẽ giúp giảm tối thiểu thời gian để tạo ra một mạch điện với các chức năng theo yêu cầu, nhưng nó không thể sử dụng như là một cứu cánh thay thế hoàn toàn cho việc thiết kế hợp lý, tối ưu. Do đó người dùng đừng quá kỳ vọng quá nhiều về nó. Ngoài ra một điểm yếu của Circuit Maker mà chúng ta cần quan tâm đến đó là thư viện còn thiếu nhiều, người dùng cần phải bổ sung thêm linh kiện vào thư viện thông qua công cụ Macro của nó. Nếu quyết tâm đi vào lĩnh vực thiết kế nên quan tâm chương trình Orcad. Dù gì đi nữa thì Orcad vẫn là hãng dẫn đầu trong việc cung cấp các chương trình thiết kế mạch điện tử tự động (EDA Software _ Electronic Design Automation) cũng như cung cấp các công cụ rất mạnh cho việc mô phỏng các chip có thể lập trình (FPGA _ Programmable Gate Array) hay CPLD (Complex Programmable Logic Device) cùng nhiều tính năng mà Circuit Maker không có. Tuy nhiên là không dể dàng tiếp thu trong thời gian ngắn như Circuit Maker. Trong phạm vi chương trình, người soạn không thể trình bày đầy đủ mà ở đây chỉ là những nội dung tóm tắt. Mong rằng nó sẽ hữu ích và để cùng nhau chia sẽ các tri thức mới.  Các công cụ sửa đổi (Editing Tools): Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành CircuitMaker 2 Thanh công cụ (Toolbar) bao gồm một vài nút đặc biệt xử lý bản vẽ mạch điện trong mô phỏng tương tự (Analog) và số (Digital). Những nút này được mô tả dưới đây:  Công cụ mũi tên (Arrow Tool): Có thể được chọn từ tùy chọn < Cursor Tools > trong trình đơn Options hoặc bằng cách chọn Alt+A. Công cụ mũi tên để chọn các thành phần, các thành phần di dời, các công tắc chuyển, chọn các công cụ từ Toolbar. Ngoài ra có thể nhấp đôi công cụ mũi tên để thực hiện nhiều chức năng, như là sửa đổi đặc trưng kỹ thuật. Nếu tùy chọn công cụ mũi tên có thể được sử dụng để khởi đầu một dây nối khi nhấp vào đầu thiết bị.  Công cụ nối dây (Wire Tool): Có thể được chọn từ tùy chọn < Cursor Tools >trong trình đơn Options hoặc bằng cách chọn Alt+W. Sử dụng Wire Tool để đặt các dây nối vào vùng làm việc. Các đường dây Bus được vẽ bằng cách giữ phím Shift khi bắt đầu vẽ dây nối.  Công cụ văn bản (Text Tool): Có thể được chọn từ tùy chọn trong trình đơn Options hoặc bằng cách chọn Alt+T. Sử dụng công cụ văn bản để đưa văn bản vào trong mạch điện. Ngay khi vừa chọn xong công cụ này, một hộp chữ nhật hiện ra, nhập văn bản vào trong hộp này. Ngoài ra có thể thay đổi số hàng chữ trên văn bản này bằng cách dùng chuột thay đổi lại kích thước khung hình chữ nhật.  Công cụ xóa (Delete Tool): Có thể được chọn từ tùy chọn trong trình đơn Options hoặc bằng cách chọn Alt+D. Sử dụng công cụ để xóa các thành phần khi được chọn.  Công cụ Proble Tool : Có thể được chọn từ tùy chọn trong trình đơn Options hoặc bằng cách chọn Alt+P. Sử dụng để đặt các vị trí cần đo hoặc xem dạng sóng.  Công cụ phóng to (Zoom Tool): Có thể được chọn từ tùy chọn < Cursor Tools > trong trình đơn Options hoặc bằng cách chọn Alt+Z. Cho phép phóng to (Zoom In) và thu nhỏ (Zoom Out) mạch đang được hiển thị. Ngoài ra có thể sử dụng phím Page Up và Page Down để phóng to thu nhỏ. Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành CircuitMaker 3  Công cụ Zoom schematic to fit: Xem lại vị trí và kích cở nguyên thủy (Normal Size / Position) trong trình đơn View và đưa mạch điện vừa với cửa sổ màn hình.  Nút xoay 900 (Rotate): Từ trình đơn Edit hoặc bằng cách chọn Ctrl+R. Sử dụng nút Rotate 900 để xoay thiết bị được chọn theo các gia số 900. Một thiết bị cũng có thể được xoay khi nó được chọn từ thư viện chương trình ( nút Rotate) hay bằng cách nhấn phím R trên bàn phím hoặc bằng cách nhấp nút phải chuột trước khi đặt nó vào trong mạch.  Nút đối xứng (Mirror): Từ trình đơn Edit hoặc bằng cách chọn Ctrl+M. Sử dụng nút đối xứng để lật thiết bị theo chiều ngang. Một thiết bị cũng có thể được đối xứng khi nó được chọn từ thư viện chương trình bằng cách nhấn phím M trên bàn phím trước khi đặt nó vào trong mạch. PHẦN 2 : CÁC BÀI TẬP CIRCUITMAKER  Mục đích - Yêu cầu: - Giúp học sinh làm quen bước đầu với việc lấy linh kiện và kết nối chúng lại với nhau thành một mạch điện hoàn chỉnh. - Xem lại các kiến thức về linh kiện điện tử và linh kiện số. Bài 1: .01uF +15V A B 6kHz 2N2222A .01uF .01uF 67518k 10K 2003.3k Bài 2: Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành CircuitMaker 4 dischargecharge Charging/Discharing capacitor example. The initial condition devices are required in order to make the capacitors start at the inital value of 0v or 10v respectively. .IC 10v 1uF .IC 0V 1uF + 10V 200200 Bài 3: B A 1kHz V1 + V2 5V Q1 2N3904 + V3 12V + C1 1uF + C2 1uF R1 4.7K R2 4.7K R3 10K Bài 4: Collector Coupled Astable Multivibrator The initial condition (.IC) devices are placed in this circuit to give the SPICE simulator a starting point for the outputs. This allows the simulation to begin more quickly. Since the circuit is not exactly symetrical (the capacitors are not the same), SPICE could begin the oscillation, but it would take a few moments to get it started. Remove the .IC devices and try it! .IC 5V .IC 0V D C B A +8V 2N39042N3904 618pF 1.55nF 1N914 1N914 1k 47k 1k47k Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành CircuitMaker 5 Bài 5: voutvin Voltage Regulator Output (+6V regulated) Input (+12V unregulated) External Input Signal--A 200mV sine wave on a +12VDC signal produces our unregulated input voltage for simulation purposes only. This device is excluded from the PCB. External Load--This is placed here for simulation purposes only. It is not part of the PCB. If you double-click on this device, you will notice that the "Exclude From PCB" checkbox is checked. PC Board 60 Hz 11.8/12.2V Q1 2N2222A + C1 100uF D1 1N4736 1 2 J2 Output 1 2 J1 Input R1 680 100 Bài 6: Since this is a symetrical bistable circuit, the nodeset (.NS) devices are used to help the simulation converge into two distinct states. Bistable Multivibrator B A .NS 10V .NS 0V 10kHz 0/10V -10V +10V 2N39042N3904 200pF 200pF 1N914 1N914 200pF 200pF 1k 39k 1k 39k 390k 390k 10k10k Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành CircuitMaker 6 Bài 7: BA 1kHz Vin Vee -12V Vcc 12v Q1 2N2222A Q2 2N2222A Q3 2N2222A D1 1N914 D2 1N914 RC1 7.75k RC2 7.75k RB2 50 RB1 50 RE 2.5k R2 1.5k R1 3.2k Bài 8: R2 and C1 control the delay. Negative Edge Triggered 555 Mono-stable Circuit 20 Hz V2 12/0V A B .IC CMD1 0V V1 12V UA555 Gnd Trg Out Rst Ctl Thr Dis Vcc U1 C1 1uF C2 0.1uF R1 10k R2 27k Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành CircuitMaker 7 Bài 9: Mixed-mode Binary Ripple Counter Circuit Clk Q0 Q1 Q2 Q3 0V 0V S J CP K R Q _ Q S J CP K R Q _ Q S J CP K R Q _ Q S J CP K R Q _ Q +15V+5V NPN NPN NPN NPN .IC 0V +5V 1Gnd 2Trg 3Out 4Rst 5Ctl 6Thr 7Dis 8Vcc 555 +C1 .01uF + C2 .01uF 1k 1k 1k 1k R5 500 R6 100 Bài 10: AM Modulator 1kHz -800m/-200mV 100kHz -500m/500mV -8V +12V .1uF .1uF 50k 80% MC1496 G Vc Vc Vs Vs Vee Bias Out Out G 1k 51 1k 1k 3.9k 3.9k 6.8k5151750750 Bài 11: Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành CircuitMaker 8 D C B A DC V 5.000uV V1 5V 1MHz V2 IcSw1DC V 5.000uV 1MHz V3 V4 5V + - VcIs1 R1 1k Bài 12: Bandpass Amplifier B A 160kHz V1 -10m/10mV Vcc -10V 2N3906 LT 96uH CT .01uF CE 15uF Ci .03uF Co .03uF R1 18k R2 33k RE 1k Rs 6.3 RL 10k Bài 13: The rail voltage (15V) is multiplied by each set of 2 diodes and 2 capacitors. Two sets have been used in this circuit resulting in a -30VDC (approx.) output. Voltage Multiplier B A 1MHz 0/15V 1uF 1uF 1uF 1uF 1Meg Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành CircuitMaker 9 Bài 14: BA .IC +12V 1Gnd 2Trg 3Out 4Rst 5Ctl 6Thr 7Dis 8Vcc 555 + CT .1uF + C1 .01uF RL 10k RA 1k RB 1k R1 2k Bài 15: out Wien-Bridge Oscillator The series and parallel RC networks (R2+C1 and R3+C2)in this circuit determine its oscillating frequency. The value of R1 sets the circuits gain. If the gain is close to 3 (R1=2*R4) a sine wave will be produced. If the gain is greater than 3, the output will begin to clip. If the gain is less than 3, oscillation die out. Try using the script STEP VALUE function to vary R1 and view the output results. .IC 2V .IC 0V V1 -12V V2 +12V C1 0.01uF + U1 UA741 C2 0.01uf R1 50k 60% D1 1N914 D2 1N914 R2 12K R3 12k R4 12k R5 12k Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành CircuitMaker 10 Bài 16: Vacuum-tube Power Amplifier B A NFB NFB 1kHz -1.5/1.5V +420V +300V -22.5V 7199P 6L6GC 6L6GC 7199T 6SN7 6SN7 + 0.22uF 0.2uF + 0.5uF + 0.5uF + 0.2uF 10k100k 220k 820k 15k 47k 100k 3.9k 8 820 22 390 15k 1Meg 1k 3.8k 1k 3.8k 1Meg 75k 47k 100k 3.9k 75k 10 Bài 17: Vee -12V Vcc +12V 10kHz Vin + - VE 2.6V DC DLP DP DE DLN Q1 Q2 + - VLN 25V + - VLP 25V + - VC 2.6V + - VB 0V + -HLIM 1K IEE 10.16E-6 + - GCM 2.574E-9 + - GA 137.7E-6 BB + - BGND + C1 4.664pF + C2 20pF RP 18.11K RO2 150 RO1 150REE 19.69Meg RE2 2.74K RE1 2.74K RC2 7.957K R2 100k RC1 7.957K RI 10k RF 100k RL 25k Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành CircuitMaker 11 Bài 18: G F E D C B A V1 -12 1MHz V2 0/5V 97.0 Hz V3 0/2.56V 25kHz V4 0/5V V5 2.56V V6 5 D4 D5 D6 D7 Vref- SC OE Vgg EOC Vss Clk Vin D0 D1 Vref+ D2 D3 Vdd U1 ADC0800 Bài 19: Signal LED2 LED1 Probe Tip Logic Probe C BA Q1 2N3904 D2 D1 +5V .IC 0V 1 Hz 0/4.5V R4 1k R3 470 R2 470 R1 150 Bài 20: Stepper Motor Opto- Isolators PROMCounter & Latches 8 7 6 5 4 3 2 1 CP1 CP2 Data Seq 74LS75 D3 D2 E23 D1 D0 E01 Q3 Q3 __ Q2 Q2 __ Q1 Q1 __ Q0 Q0 __ 74LS93 MR1 MR2 CP0 CP1 Q3 Q2 Q1 Q0 PROM32 CS A4 A3 A2 A1 A0 O7 O6 O5 O4 O3 O2 O1 O0 1 A 2 3 B 4 +V Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành CircuitMaker 12 Bài 21: This is a simple state machine with state sequence 0,3,4,5,2,7,6,1. 8 7 6 5 4 3 2 1 CP1 CP2 Data Seq Sig1 Sig1 Sig2 Sig1 Sig2 Sig2 D0 D1 D2 D3 Q0 Q1 Q2 Q3 CP TP3TP2TP1 1234 Bài 22: Data Bus 1 ASCII Key Data Bus 2 STB D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 43214321 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 S T B Key 1234 4321 4321 Seq 7 6 5 4 3 2 1 CP Click on the ASCII key at the left, then type on the keyboard. 74LS85 A3 A2 A1 A0 B3 B2 B1 B0 IA<B IA=B IA>B A<B A=B A>B 74LS85 1234 8 7 6 5 4 3 2 1 CP1 CP2 Data Seq TP1 TP2 TP3 TP4 1234567S . Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành CircuitMaker 13 Bài 23: OpenCombination Lock Circuit First Digit Second Digit Third Digit Fourth Digit Click on the key symbol below to select it then press the correct digits on the keyboard to open the lock. 1 6 1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 1 0 9 8765 4321 1 6 1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 1 098 7654 3 21 1 1234567S 0 +V 74LS164 Dsa Dsb CP MR Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 74LS164 Dsa Dsb CP MR Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 74LS164 Dsa Dsb CP MR Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 74LS164 Dsa Dsb CP MR Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 74LS85 A3 A2 A1 A0 B3 B2 B1 B0 IA<B IA=B IA>B A<B A=B A>B 74LS85 A3 A2 A1 A0 B3 B2 B1 B0 IA<B IA=B IA>B A<B A=B A>B 74LS85 A3 A2 A1 A0 B3 B2 B1 B0 IA<B IA=B IA>B A<B A=B A>B 74LS85 A3 A2 A1 A0 B3 B2 B1 B0 IA<B IA=B IA>B A<B A=B A>B 1234 0 1234 0 1234 0 1234 0 Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành CircuitMaker 14 Bài 24: Arm/Safety Count down to launchLaunch Warning Count 4 3 2 1 1 2 3 4 1 2 3 4 2 74LS74 CP1 D1 S1 R1 CP2 D2 S2 R2 Q1 Q1 __ Q2 Q2 __ CP1 CP2 Q1 Q2 +V + - Reset + - 1234 3 74LS85 A3 A2 A1 A0 B3 B2 B1 B0 IA<B IA=B IA>B A<B A=B A>B 74LS168 CEP CET CP D3 D2 D1 D0 PE U/D TC Q3 Q2 Q1 Q0 +V abcdefg. V+ 74LS47 A3 A2 A1 A0 test RBI g f e d c b a RBO Bài 25: Q1 Q2 Q3C B A 74LS173 MR E1 E2 CP D3 D2 D1 D0 OE1 OE2 Q3 Q2 Q1 Q0 +V 5V 1MHz 0/5V 74LS04 74LS04 74LS04 10k 1k Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành CircuitMaker 15 Bài 26: 74LS139 A1a A0a Ea A1b A0b Eb Q3a Q2a Q1a Q0a Q3b Q2b Q1b Q0b 74LS75 D3 D2 E23 D1 D0 E01 Q3 Q3 __ Q2 Q2 __ Q1 Q1 __ Q0 Q0 __ 74LS93 MR1 MR2 CP0 CP1 Q3 Q2 Q1 Q0 1234 D0 D1 D2 D3 Q0 Q1 Q2 Q3 CP +V CP1 CP2 Q1 Q2 y4 y3 y2 y1 x4x1x2x3 C D E F 8 9 A B 4 5 6 7 0 1 2 3 Với những bài tập ở trên, mong rằng các em đã làm quen thật sự với chương trình Circuit Maker. Lúc này không cần quan tâm đến việc đưa các linh kiện qua lại nhiều lần hoặc nối dây không đúng như ý mình muốn. Mà các em sẽ làm chủ được Circuit Maker, con trỏ trên tay như múa cùng người học, qua đó sẽ thiết kế nhiều mạch điện chạy tốt hơn và điều tốt hơn hết là có thể tạo và thi công nhanh những mạch điện mà không tốn nhiều thời gian. 
 Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành CircuitMaker 16 PHẦN 3 : MÔ PHỎNG TƯƠNG TỰ  GIỚI THIỆU: Mạch tương tự hay còn gọi là mạch Analog - một thế giới điện tử cổ điển, không có những hạn chế logic nào như trong điện tử số, mức điện áp của bất kỳ các nút nào trong mạch cho sẵn sẽ bị giới hạn mức độ cao thấp. Do đó mô phỏng tương tự (Analog ) của Circuit Maker được thực hiện theo Berkeley SPICE3. SPICE là từ viết tắc của (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) < Chương trình mô phỏng với cải tiến trên mạch tích hợp >. Cho ta mô hình mô phỏng với sự khác nhau đa dạng của các thiết bị tương tự, bao gồm cả 2 linh kiện thụ động và tích cực, các thiết bị tương tự và các dụng cụ có trong thư viện chương trình như điện trở, tụ điện, transistor, máy phátCó lẽ đây là phần trọng tâm của người học chương trình này và là phần khó nhất trong các phần. Tham khảo thêm các tài liệu về SPICE hay PSPICE để hiểu sâu hơn về lĩnh vực < Thiết kế và mô phỏng mạch điện với sự trợ giúp của máy tính > qua đó nhiều đề tài cũng như dự án lớn sẽ được triển khai.  CÁC CÔNG CỤ MÔ PHỎNG: Một vài nút trong thanh công cụ được sử dụng đặc biệt cho việc mô phỏng: * Nút Reset: Trong chế độ Analog việc nhấn nút Reset sẽ tạo ra những con số nút trong mạch mà không chạy chế độ mô phỏng. Điều này quan trọng nếu muốn lưu một danh sách SPICE vào một file hoặc xem những con số nút trên hệ thống, nhưng không chạy chế độ mô phỏng. Reset Analog Simulation cũng có thể được chọn từ trình đơn hoặc bằng cách nhấn Ctrl+Q. * Nút Analyses Setup: Dùng để thiết lập các chế độ mô phỏng khác nhau về AC, DC Analyses Setup cũng có thể được chọn từ trình đơn hoặc phím F8. * Nút Run Analog Simulation: Cũng có thể được chọn từ trình đơn hoặc phím . Nhấp Run để khởi động chế độ mô phỏng. Biểu tượng Run được thay thế bởi một dấu Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành CircuitMaker 17 hiệu Stop, việc nhấn nút Stop sẽ ngưng đi sự mô phỏng, đóng tất cả cửa sổ phân tích và trở về chế độ chỉnh sửa. CÁC THIẾT BỊ MÔ PHỎNG: 1. MULTIMETER (Đồng hồ nhiều chức năng): Đo lường trở kháng hoặc điện áp DC, DC trung bình (AVG), đo áp hoặc dòng điện AC hiệu dụng (RMS). - Khi đo điện áp nối máy đo song song với mạch. - Khi đo dòng điện nối máy đo nối tiếp với mạch. - Khi đo trở kháng, hãy bảo đảm tháo rời bất kỳ nguồn điện từ mạch điện và hãy nhận ra những thiết bị dao động nào có thể gây ra những lỗi SPICE. Ghi chú: - SPICE thấy dòng điện chạy vào đầu mút dương của nguồn điện một chiều, Multimeter hoặc Signal Generator như dòng điện dương. - Để đo lường những giá trị DC AVG hoặc AC RMS, Transient Analysis phải được chọn và mô phỏng đủ những chu kỳ về dữ liệu nhất thời cho việc đo lường có ý nghĩa. Tương tự Operating Point Analysis phải được chọn để đạt những giá trị trở kháng và DC. 2. 1kHz V1 -1/1V SIGNAL GENERATOR (Bộ phát tín hiệu đa chức năng). Có thể xếp đặt nhiều bộ phát tín hiệu trong mạch thiết kế. Những chức năng dạng sóng bao gồm Sine Wave (Sóng sin), Pulse (Sóng vuông), AM Signal (Sóng AM), FM Signal (Sóng FM), Exponential (Sóng mũ), Piece-Wise (Sóng tuyến tính). 3. .NS CMD2 0V .NODESET Statement. Giúp tìm ra giải pháp quá độ hoặc DC bằng cách tạo ra điểm chuyển đầu tiên với những nút nhất định được giữ đối với điện áp cung cấp. Cần thiết cho việc hội tụ những mạch điện đa hài. 4. .IC CMD1 0V .IC Statement. Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành CircuitMaker 18 Để xác lập những điều kiện quá độ ban đầu. Nó có hai phép nội suy khác nhau tùy thuộc vào tham số UIC được chọn trong chế độ phân tích quá độ (Transient Analysis). - Khi tham số UIC được chọn trong Transient and Fourier Analysis