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DIGITAL - Instrumentación con Multisim/Workbench
Todo circuito necesita ser medido y ensayado. Al crear un circuito real el paso siguiente es probarlo. Así lo conectaremos a una fuente de alimentación, y conectaremos instrumentos de entrada como ser generadores sinusoidales, de onda cuadrada o triangulares, barredores marcadores, generadores de ruido, generadores de palabras, generadores PWM, generadores de señales de TV, generadores de AM, generadores de FM, etc.
Nuestro circuito responderá a estas excitaciones con una respuesta determinada que debe ser medida con adecuados instrumentos, como por ejemplo: osciloscopio, tester, voltímetros, amperímetros, watímetros, analizadores de espectro, graficadores lógicos, etc.
Todo ese instrumental tiene su equivalente en el mundo virtual del Workbench/Multisim. No pretendemos que Ud. aprenda a generar todas las ecuaciones de un componente y como esas ecuaciones se fusionan para formar una sola ecuación o función transferencia del circuito. Ni consideramos que lo necesite para realizar diseños en la época actual. Basta con que Ud. comprenda cómo se virtualiza un simple circuito con un resistor para que entienda cómo funciona un laboratorio virtual y cómo se realiza el milagro de hacer funcionar nuestros circuitos en la pantalla del monitor.
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No es fácil explicarlo. Mucho más fácil es emplear el programa imaginándose que el circuito funciona realmente. Conectar un generador y obtener la respuesta en forma inmediata sobre un osciloscopio. Sin embargo lo vamos a intentar porque aunque parezca increíble no existe en la literatura técnica, ningún libro o artículo que lo explique intuitivamente, sin emplear grandes dosis de conocimientos matemáticos. Por lo tanto vamos a poner manos a la obra.
El funcionamiento de un simulador de circuitos
Un componente cualquiera se diferencia de otro por su reacción ante un estímulo eléctrico. Por ejemplo si un resistor es recorrido por una corriente genera una tensión sobre él que es proporcional a la corriente y al valor de la resistencia. Si la corriente es continua la tensión también lo será. Si es una alterna sinusoidal, la tensión sobre el capacitor también lo será.
Cuando Ud. pone una resistencia, el simulador pone en su programa la función matemática que le corresponde a la misma, es decir que un resistor de 2,2 K genera la ecuación: v = 2200 . i, en donde “v” se mide en voltios e “i” se mide en amperios lo cual significa que la resistencia se medirá en voltios por amperes o lo que es lo mismo en Ohmios.
Para obtener una respuesta del resistor le debemos aplicar el estímulo de una fuente. Comencemos con una fuente de corriente continua de 100 mA.
Fig.1 Ecuación de una fuente de corriente por un resistor
Multímetro
Ya sabemos construir este circuito. Lo único que todavía no conocemos es el agregado de los instrumentos de medición. En nuestro caso necesitamos medir una tensión continua así que requeriremos un tester digital (multímetro).
Este instrumento es el primero de la barra de instrumentos que se encuentra a la derecha de la mesa de trabajo. Pique sobre él con el botón de la izquierda lleve el cursor al lugar donde desea colocarlo y vuelva a picar con el mismo botón. En nuestro caso necesitamos un voltímetro y un amperímetro así que hacemos la misma operación dos veces.
Los instrumentos se manejan como instrumentos reales. Si pica dos veces sobre un instrumento el mismo se agrandará para que Ud. pueda leer la escala y predisponerlo a voluntad.
Los multímetros son autorango, así que olvídese de ajustar la escala. Sólo presione sobre el botón V para el multímetro de la derecha y el A para el de la izquierda. Con el circuito ya completo podemos comenzar la simulación. Solo basta con encender la mesa de trabajo con la llave basculante que se encuentra arriba a la derecha. (Si no aparece haga View> Show simulate Switch).
Fig.2 Solución de la ecuación
Observe el resultado en el multímetro de la derecha (nota: los números aparecen según la costumbre de EEUU con un punto separador en lugar de una coma) es decir: la tensión sobre el resistor será de 220V.
¿No es cierto que el resultado es muy fácil de obtener? Sí, pero qué hizo el programa para obtenerlo. Simplemente realizó una operación matemática; multiplicó la ecuación de transferencia del resistor por la corriente de la fuente. Es decir que toda la sabiduría del programa fue resolver el circuito con la ley de Ohms dando al valor “i” el de la fuente que dibujamos y usando como parámetro al valor de la resistencia. El resultado fue colocado sobre los dibujos de los multímetros.
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Repetimos, solo se realizó una operación matemática. La gran diferencia con otros simuladores es la presentación de los resultados en forma muy real; tanto que nos hace olvidar que solo es una representación virtual.
En circuito más complejos, las funciones de transferencia de los diferentes componentes, se procesan entre sí de acuerdo a la teoría de los cuadripolos. De modo que siempre se obtiene una función de transferencia única entre la entrada y la salida.
Osciloscopio
Cuando la excitación es de alterna la cosa se complica. En ese caso los cálculos no cesan nunca y de acuerdo a la simulación utilizada se realizan punto por punto de la señal de entrada. Es decir que se la divide en valores instantáneos y se analiza una ecuación para cada valor instantáneo hasta completar un ciclo.
Por ejemplo en la figura 3 cambiamos el generador de continua por otro de alterna. En este caso la señal de entrada es a su vez una función matemática del tiempo, dada por
i = ip . sen wt
y la resolución implica poner una cantidad de valores de i obtenidos de esta fórmula y calcular el correspondiente valor de v para cada uno de ellos (en realidad ese procedimiento se realiza si la señal es más compleja, para señales simples se realiza por la ley de Ohm para CA). Luego los valores calculados se representan en una gráfica con un marco que simula a un osciloscopio.
Fig.3 Ecuaciones en CA
Si Ud. sabe utilizar un osciloscopio real no puede tener ninguna duda cuando deba utilizar el virtual, ya que se utiliza de la misma forma (observe que se trata de un osciloscopio con memoria).
La barra de instrumentos
La barra de instrumentos (yo prefiero llamarla “la estantería de instrumentos” para estar más a tono con la virtualización) está completamente renovada en esta versión de WBM, en su forma, en su contenido y en el modo de uso. La misma aparece por defecto cuando se abre la pantalla principal. Si no llegara a aparecer debe picar en “INSTRUMENTS”.
Fig.4 Inclusión de la barra de instrumentos
Para que la barra siga apareciendo por defecto debe predisponer la solapa VIEW/TOOLSBAR/INSTRUMENTS. La barra de instrumentos ahora posee los instrumentos indicados en la figura 5.
Fig.5 Instrumentos disponibles
Vale aclarar algo sobre cada instrumento porque del uso de los mismos obtendremos un funcionamiento óptimo del simulador. Dejamos de lado al multímetro, el osciloscopio, el generador de funciones, el generador de palabras y el conversor lógico porque son instrumentos de uso corriente que se manejan intuitivamente. Los instrumentos que nos quedan son:
El graficador de Bode
En realidad es un nombre de fantasía, para un instrumento que tiene su nombre propio. Es un generador barredor con marcador ajustable que a diferencia de los instrumentos reales tiene su propia pantalla graficadora (los instrumentos reales usan un osciloscopio como graficador x y). Como su función es graficar la respuesta en frecuencia/fase de un cuadripolo posee cuatro terminales, dos de entrada y dos de salida.
El analizador de espectro
Es un instrumento que permite determinar el espectro de frecuencia de las señales no senoidales. Es de gran utilidad en los circuitos de potencia de RF que al provocar distorsiones generan señales espurias. También se lo utiliza cuando se debe verificar el tipo de distorsión de un amplificador de audio (determina en qué frecuencia se encuentran los productos de la distorsión).
El analizador de distorsión
Es un instrumento que calcula la distorsión de amplificadores y otros dispositivos que deben funcionar en forma lineal. Se utiliza mucho en el diseño y la prueba de amplificadores de potencia de audio.
El wattimetro
Es un instrumento útil para evaluar el rendimiento de amplificadores de audio porque permite medir la potencia consumida desde la fuente de alimentación y la potencia de salida del dispositivo. Como ocurre en la vida real este instrumento posee cuatro terminales, dos para la medición de tensión que se conectan en paralelo con la fuente o la salida de señal y los otros dos para la medición de corriente que se conectan en serie con la fuente o la carga.
Conectando el instrumental al circuito
Para tener un ejemplo de conexión de instrumental vamos a analizar el circuito de un amplificador inversor de video con un transistor para demostrar las utilidades de los instrumentos del Multisim. Este circuito es de suma utilidad para codi/decos económicos que no utilizan amplificadores integrados de entrada. En la figura 6 se puede observar el sencillo circuito y los instrumentos que lo rodean y que nos permiten obtener los parámetros de funcionamiento del mismo.
Fig.6 Circuito del flash con los instrumentos conectados
Picando sobre el osciloscopio lo agrandamos para tener una idea del funcionamiento general del circuito y el centrado de la tensión de colector. En primera instancia lo probamos a una frecuencia central de video de 1kHz y con una amplitud pico a pico de 1V de una señal sinusoidal. Estas condiciones las ajustamos picando sobre el generador de funciones y modificando las indicaciones por default que allí existen.
Luego pulsamos la tecla basculante para encender la mesa y observamos cómo se genera un oscilograma a partir de la izquierda de la pantalla. El osciloscopio está ajustado por default a una frecuencia de barrido muy baja de 1 S/div así que la cambiamos directamente mientras se está generando el oscilograma, ajustándola para que se vean aproximadamente dos ciclos sobre la pantalla. En la figura 7 se puede observar el oscilograma correspondiente.
Fig.7 Oscilograma del amplificador inversor
Observe que seguramente los colores de su oscilograma serán diferentes a los mostrados. Esto es porque debe elegirlos Ud. entre una paleta de colores. Con el cursor en forma de flecha diagonal debe ir a la conexión del osciloscopio que desea cambiar de color. Pique y aparecerá un cuadro de diálogo en donde una de las variantes indica “color”.
Pulse allí y aparecerá una paleta de colores de donde puede elegir el color deseado. El oscilograma en general se está moviendo por la pantalla (oscilograma desincronizado). Para detenerlo se pueden emplear dos métodos igualmente realísticos.
- El primero es operar el sector de disparo del osciloscopio (trigger) como en un osciloscopio común (nota: luego de modificar el nivel de disparo puede ser necesario detener la simulación y volverla a arrancar para que opere el cambio).
- El segundo método es mucho más práctico y se basa en el hecho de que el osciloscopio del WBM es con memoria. Deje que el programa simule por un tiempo. Observe que la barra de desplazamiento que está debajo de la pantalla del osciloscopio se va achicando como indicando que se esta cargando la memoria. Detenga la simulación con la llave basculante. Pique sobre la barra de desplazamiento y llévela hacia la izquierda. Observará que comienzan a aparecer los oscilogramas sobre la pantalla comenzando por los últimos. Y se puede estudiar toda la historia de los mismos comenzando desde el arranque del circuito.
Hágalo si desea observar la transición de apagado a encendido. Luego de aplicar alguno de los dos métodos para fijar la imagen, pique sobre el cursor rojo de la pantalla y llévelo a un pico de la señal de colector.
Tome el azul y llévelo a un valle de la misma señal. En las ventanillas inferiores a la pantalla aparecen una serie de números que nos evitan realizar una lectura minuciosa de la pantalla. En la primer ventana se observan las tensiones de ambos haces para el tiempo de muestra de 29,2mS a partir del encendido. En la segunda ventana se observa lo que ocurre a los 29,8mS. En la tercera ventana se observan las diferencias entre las dos ventanas anteriores. Por ejemplo podemos leer la diferencia entre los dos tiempos anteriores que es de 500μs (semiperíodo de una señal de 1kHz). Lo primero que necesitamos saber de nuestro circuito es si el video de salida está centrado. En efecto la señal de salida llega hasta 10,5V como se puede observar en la primera ventana.
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Y como la fuente es de 12V significa que faltan 1,5V para el recorte. En la segunda ventana se observa que el valor mínimo llega hasta 4,1V en tanto que la señal de emisor llega hasta 3,1V. Esto significa que quedan disponibles 1V antes de la saturación. Por lo tanto podemos decir que la salida está prácticamente centrada.
Otra cosa importante es la respuesta a alta frecuencia del dispositivo. Como se puede observar en el circuito existe un capacitor de refuerzo de alta frecuencia en el emisor (en serie con un resistor) y un capacitor de realimentación entre el colector y la base. Ambas redes operan en forma inversa, pero lo hacen en diferentes puntos de corte. La red de emisor debe acentuar las altas frecuencias a partir de 1MHz aproximadamente y la realimentación debe operar arriba de los 3MHz para producir un refuerzo en la zona de la subportadora de color. Diseñar estas redes de corte no es fácil, pero con el Multisim se puede ajustar el circuito por tanteo en muy poco tiempo. Todo el trabajo se realiza con el medidor de Bode.
Fig.8 Diagrama de amplitud
Si aparece una curva es fácil centrarla con el seteo de valor mínimo y máximo vertical, porque se la ve variar en la pantalla. Pero es posible que la respuesta del circuito esté fuera de los límites. Por lo tanto le convienen empezar con un valor mínimo I (de inicial) muy pequeño y un valor máximo F (de final) muy grande y luego ajustar los ejes (por ejemplo se puede empezar con toda la gama que va desde -200 hasta +200dB). En nuestro caso un ajuste de 0 a 15dB es el óptimo. Para analizar la respuesta en frecuencia se pica sobre el cursor y se lo arrastra sobra la gráfica mientras se toma la lectura en la ventana inferior de amplitud versus frecuencia.
Como se trata de un amplificador de video es sumamente importante la fase de todos los componentes armónicos cuando se trabaja con verdaderas señales de video. El graficador de bode nos permite observar tanto la respuesta de amplitud como la respuesta de fase con solo operar el botón correspondiente (phase).
Fig.9. Diagrama de fase
Un amplificador de video se debe probar con una señal de video. El Multisim no tiene un generador de video especifico, pero se puede realizar uno utilizando instrumentos digitales como por ejemplo un generador de palabras y un analizador lógico para controlar la generación de palabras. En la figura 10 se puede observar el dispositivo generador de video y nuestro circuito amplificador. La señal de prueba es en realidad una señal de video simplificada porque solo tiene pulsos horizontales pero es suficiente para este amplificador de demostración.
Fig.10 Generador de video
Cada línea horizontal tiene un tono de prueba que varía en frecuencia a medida que nos acercamos a la derecha de la pantalla. Comienza con una frecuencia de 500kHz y continúa con una secuencia de 1MHz, 2MHz, 3MHz y 3,5MHz. Luego de los tonos se encuentra un valor medio de gris y por último una señal de blanco.
El generador de video funciona del siguiente modo. El generador de palabras es un instrumento que posee un puerto de salida paralelo programable de 32 bits. También posee un clock interno que puede setearse a voluntad; nosotros los predisponemos en 1MHz para generar pasos de 1μs.
Esto significa que el puerto paralelo cambia los estados de sus hilos (refresco) cada 1μs por lo menos. Este cambio puede alcanzar a los 32 bits de la palabra de salida, a solo uno o a un valor intermedio. Estas palabras de salida pueden observarse en el analizador lógico que es como una especie de osciloscopio de 16 canales pero que sólo puede representar estados bajos o altos y no valores intermedios o analógicos.
Con la salida paralela del generador de palabras, se controlan llaves controladas por tensión, que a su vez encienden señales de tono o tensiones continuas. Estas tensiones continuas y los generadores de tonos permiten generar el pulso de sincronismo horizontal con su burst y barras de frecuencia verticales descendentes.
El corazón del sistema es la programación del generador de pantalla. Elegido el clock de 1MHz solo basta con generar tantas palabras como sean necesarias para explorar una línea horizontal que como sabemos en la norma PALN tiene 64μs. Si cada muestra tiene 1μs significa que debemos generar 64 muestras o líneas de programa. Estas 64 muestras son en realidad números hexadecimales que se suelen repetir ya que no existen detalles en cada línea que duren menos de 3μs (3 muestras).
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El mismo generador de palabras puede ser utilizado para crear estos números ya que tiene la posibilidad de trabajar con diferentes códigos de salida a saber: binario (ventana sobre el puerto de salida), hexadecimal (ventana principal y ventana abajo a la derecha) y ASCII pequeña ventana debajo de la hexadecimal. En cualquiera de esas ventanas se puede poner un número que de inmediato se transforma es su equivalente. En nuestro caso se ponen números binarios de acuerdo a la llave que se desea encender para generar los correspondientes hexadecimales.
Conclusiones
El EWB Multisim es un programa intuitivo y fácil de usar pero que tiene sus secretos que debe ser analizados con tranquilidad para poder utilizarlo a pleno. En este artículos explicamos qué es una simulación y en lo práctico aprendimos a usar los instrumentos virtuales.
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