Universidade Federal do Paraná
Setor de Tecnologia
Departamento de Engenharia Elétrica - DELT
Simulação de Circuitos usando o QUCS
(Quite Universal Circuit Simulator)
Prof. Marlio Bonfim
SEATEL
19 e 20 de outubro de 2009
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Curso Software Qucs -, Manuais, Projetos, Pesquisas de Medição Eletrônica e Instrumentação
Curso Software Qucs - Curso Software Qucs
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
2020
1 / 15
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Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Departamento de Engenharia Elétrica - DELT
Simulação de Circuitos usando o QUCS
(Quite Universal Circuit Simulator)
Prof. Marlio Bonfim
SEATEL
19 e 20 de outubro de 2009
1 Introdução
Simuladores de circuitos são ferramentas computacionais de fundamental importância para o projeto, desenvolvimento e validação sistemas na Engenharia Elétrica. O primeiro simulador de circuitos conhecido mundialmente foi o Spice (Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis). Foi originalmente desenvolvido em 1975 na Faculdade de Engenharia Elétrica e Ciências da Computação da Universidade de Berkeley, com a finalidade de auxiliar o projeto de circuitos integrados. As primeiras versões foram codificadas na linguagem Fortran e a partir da 3ª versão passou-se a usar a linguagem C. O QUCS é um simulador de circuitos em desenvolvimento desde 2004 por um grupo de pesquisadores liderados por Michael Margraf e Stefan Jahn. Todo seu desenvolvimento é baseado em software livre, tendo como sistema operacional de base o GNU/Linux. O coração do simulador é desenvolvido em linguagem C e a interface gráfica utiliza a ferramenta Qt. Sendo o código fonte aberto, qualquer utilizador pode fazer alterações e melhorias, podendo ainda ser compilado em diversas sistemas operacionais como o Windows , FreeBSD , MacOS , Solaris , etc. Algoritmos de cálculo numérico são usados para resolver os diferentes tipos de circuitos. Por exemplo, para circuitos que possuem elementos não-lineares é utilizado o método de Newton-Raphson. O QUCS possui modelos de diversos componentes eletrônicos, tanto lineares (resistores, capacitores, etc) como não lineares (diodos, transistores, etc). Cada modelo possui uma série de parâmetros que são definidos pelo usuário ou pré-definidos a partir de um arquivo de biblioteca. O QUCS possibilita simulações DC, AC (domínio da frequência), Transiente (domínio do tempo), paramétrica, digital e parâmetros S. Sua concepção foi direcionada para circuitos de altas frequências, possuindo em sua biblioteca nativa de componentes vários elementos de circuitos usados em projetos de RF. Este material didático tem como objetivo explorar aspectos básicos e intermediários da simulação de circuitos usando o QUCS, tais como as análises DC, AC, Transiente e paramétrica, equações, linhas de transmissão, fonte de excitação a partir de arquivo externo, etc.
Corrente:
- colocação de uma ponta de prova de corrente: fornece a corrente da malha
- colocação de uma fonte de tensão: fornece a corrente da fonte No arquivo de dados de saída aparecerá uma lista com todos os nomes de nós e pontas de prova colocadas no esquemático.
2.2 Simulador
O arquivo texto gerado pelo editor de esquemático é usado como entrada de dados para o simulador propriamente dito. Os tipos de análise que podem efetuados são:
- DC: cálculo do(s) ponto de polarização do circuito. Fornece como saída tensões e correntes.
- AC: análise da resposta do circuito em função da freqüência a partir de uma fonte de excitação senoidal, considerando os modelos lineares de pequenos sinais dos componentes. Fornece como saída tensões e correntes (análise linear, rápida).
- Transiente: análise da resposta do circuito em função do tempo a partir de uma fonte de excitação qualquer, considerando os modelos de grandes sinais dos componentes. Fornece como saída tensões e correntes (análise não-linear, lenta e sujeita a problemas de convergência do método numérico).
- Parâmetros Híbridos: semelhante à análise AC. Fornece como saída os parâmetros S11, S12, S21, S22 (análise linear, rápida).
- Digital: análise de circuitos lógicos (combinacionais e sequenciais). Fornece como saída níveis lógicos “0” e “1” em uma tabela verdade ou gráfico temporal (análise rápida).
- Varredura de parâmetro: executa n vezes uma das simulações anteriores com a variação de um determinado parâmetro (tensão, corrente, valor de componente)
2.3 Biblioteca de componentes
Além dos componentes básicos (resistores, capacitores, fontes, etc) contidos no editor de esquemáticos, existe uma biblioteca de componentes comerciais acessível através do menu Ferramentas > Biblioteca de componentes ( Tools > Component Library ). Nessa biblioteca constam transistores, diodos, LED’s, AMPOP’s, dentre outros componentes comerciais comumente usados em projetos eletrônicos. O componente
selecionado é colocado no editor de esquemáticos através do comando copiar+colar ou simplesmente arrastando-o. É possível adicionar novos componentes a essa biblioteca.
2.4 Ferramentas de síntese e análise
Estas ferramentas integradas no QUCS são um grande diferencial em relação a outros simuladores, pois possibilitam ao projetista uma série de cálculos dimesionais automatizados no próprio ambiente de trabalho. As ferramentas são acessíveis através do menu Ferramentas ( Tools) e atualmente estão implementadas as seguintes:
- Síntese de Filtros: calcula os valores de capacitores e indutores para filtros de frequência a partir da frequência de corte, ordem, classificação (passa-altas, passa- baixas, rejeita-faixa e passa-faixa), tipo (Bessel, Butterworth, Chebyshev e Cauer), atenuação e impedância.
- Cálculo de linha de transmissão: analisa ou sintetiza linhas de transmissão a partir de suas características físicas (dimensões e parâmetros físicos do condutor e substrato) ou elétricas (impedância característica, frequência, defasagem). As geometrias disponíveis são: coaxial, coplanar, microstrip, guia de onda. Além das características elétricas principais, são analisadas as perdas no dielétrico e no condutor, profundidade pelicular e modos de propagação da onda.
- Circuito de casamento de impedâncias: esta ferramenta calcula os elementos reativos (capacitores e indutores) para casamento de impedâncias (em regime permanente senoidal) entre um dispositivo (circuito), a fonte de sinal de entrada e uma carga de saída. É muito útil no projeto de amplificadores de RF. Os dados de entrada são a frequência de operação, as impedâncias e os parâmetros S do dispositivo.
- Síntese de atenuadores: esta ferramenta calcula os resistores para atenuação e casamento de impedâncias entre uma fonte de sinal e uma carga, em regime transitório ou permanente senoidal. Os dados de entrada são a atenuação desejada (em dB), a topologia (T ou Pi) e as impedâncias de entrada e saída.
3 Efetuando uma Simulação
O primeiro passo para efetuar uma simulação é a colocação de elementos de circuito na janela principal do QUCS.
aparece uma janela de dados onde seleciona-se os resultados desejados (Figura 2). Os dados selecionados aparecem na coluna da direita nessa janela e são visualizados sob a forma de apresentação escolhida (Figura 3). Dados apresentados sob a forma de gráficos possuem atributos de cores, largura de linha, eixo Y esquerdo ou direito, escala X e Y linear ou logarítmico, etc. A nomenclatura para os tipos de variáveis no QUCS segue a seguinte forma: nome .V Tensão DC no nó nome .I Corrente DC na malha nome .v Tensão AC de pico no nó nome .i Corrente AC de pico na malha nome .Vt Tensão transiente no nó nome .It Corrente transiente na malha nome .X Nível lógico do nó nome .vn Tensão de ruído RMS no nó nome .in Corrente de ruído RMS na malha S[x,y] Valores dos parâmetros S (espalhamento) no domínio da frequência Figura 3 : Tipos de apresentação de dados da simulação.
Os dados apresentados em forma gráfica podem ser lidos com maior exatidão colocando-se marcadores em qualquer posição da curva através do comando ou Ctrl+B (Figura 4).
3.2 Inserindo equações
A partir dos valores de tensão e corrente calculados pelo simulador, várias outras grandezas podem ser calculadas a partir daquelas utilizando-se equações. As funções matemáticas disponíveis podem ser acessadas através do “Help” do QUCS. Existem centenas de funções pré-definidas tais como: aritméticas, lógicas, trigonométricas, vetoriais, matriciais, exponenciais, estatísticas, eletrônicas, etc. As equações podem conter números complexos, representados sob a forma retangular com as letras “j” ou “i” precedendo o valor imaginário. A Figura 5 mostra um exemplo de equação (Eqn1) que calcula a variável “AdB” (valor em dB da relação de tensões vo.v/vi.v), a variável “P” (potência resultante do produto da tensão vi.v pela corrente V2.i) e a variável “fase” (fase da tensão vo.v em graus). Figura 4 : Gráfico de uma simulação AC mostrando valores indicados em alguns pontos das curvas. Figura 5 : Janela de edição de equações e formato resultante no editor de esquemáticos
5 Transferência de dados para outro aplicativo
Os resultados da simulação ficam armazenados no mesmo diretório do projeto em um arquivo do tipo nome .dat. Este arquivo de texto é utilizado para geração de tabelas e gráficos no próprio ambiente do QUCS, mas também pode ser transferido para outro aplicativo. Uma das formas de se transferir os dados é através do própria janela de visualização gráfica do QUCS. Deve-se selecionar com o botão direito do “mouse” a curva que se deseja e exportar para o formato CSV ( Comma Separated Values ). Uma nova janela é aberta onde deve-se colocar o nome do arquivo de pontos nesse formato. O formato CSV pode ser lido com qualquer programa gráfico, como o Excel, Origin, MatLab, etc. Cada curva da simulação deve ser transferida individualmente, gerando arquivos de pontos distintos. Os arquivos contêm os valores da variável independente (tempo, frequência, etc) seguidos da variável dependente (tensão, corrente, etc). O QUCS não tem uma ferramenta própria de transferência direta de um gráfico para um arquivo de figura. Para tal deve-se utilizar um aplicativo de cópia de tela ou região de tela.
6 Análise paramétrica
A análise paramétrica é muito útil quando se deseja estudar o comportamento de um circuito em função do valor de um determinado componente, parâmetro de um modelo ou temperatura. Pode ser associada a qualquer outro tipo de análise (DC, AC, Transiente, etc). Nesta análise, o QUCS gera uma série de simulações cada uma com um valor do parâmetro selecionado. Por exemplo, pode-se analisar a resposta em frequência de um circuito (análise AC) tendo como parâmetro de variação a temperatura ou o valor de um determinado componente do circuito (resistor, capacitor, indutor, etc). Apenas um parâmetro pode ser avaliado de cada vez. Figura 6 : Exemplo de utilização de sub-circuitos
6.1 Definindo os parâmetros da análise
A análise paramétrica está disponível na aba Simulações ( Parameter Sweep ). Algumas variáveis devem ser definidas para que o QUCS interprete corretamente qual parâmetro será analisado. Inicialmente define-se qual tipo de simulação será utilizada (DC, AC, Transiente, etc). Em seguida define-se o nome do parâmetro que vai ser analisado ( Parameter sweep ), podendo ser o valor de qualquer componente presente no circuito. Esse mesmo nome deve ser atribuído ao valor do(s) componente(s) que se deseja analisar na janela principal do esquemático. Em seguida são definidos o tipo de varredura (linear, logarítmica, lista de valores), os valores inicial, final e o passo da varredura ou número de pontos.
6.2 Resultados da análise paramétrica
Os resultados da análise paramétrica são apresentados na janela de visualização gráfica simultaneamente. A Figura 7 mostra o resultado uma análise paramétrica de um circuito RC, tendo sido variado o valor do CL (3 valores), resultando em 3 curvas distintas. O valor do parâmetro correspondente a cada curva pode ser obtido colocando-se um marcador de valores na curva correspondente.
7 Uso de componentes comerciais
O QUCS possui uma pequena biblioteca de componentes comerciais acessível através do menu Ferramentas > Biblioteca de componentes ( Tools > Componet Library ). Nessa biblioteca constam transistores, diodos, LED’s, AMPOP’s, dentre outros Figura 7 : Resultado de uma análise paramétrica mostrando 3 curvas distintas para cada valor do parâmetro CL, variando de 1 nF a 100 nF, de forma logarítmica. O valor do CL correspondente a cada curva pode ser obtido colocando-se um marcador de valores.
das fontes digitais colocadas no circuito. O circuito deve conter apenas elementos digitais.
- Diagrama de tempos: mostra em um gráfico temporal os valores lógicos “0”, “1” ou “X” de acordo com o estado lógico do nó analisado. Os atrasos das portas ou circuitos lógicos são considerados. O resultado é semelhante ao da análise transiente, porém apenas níveis lógicos são computados (Figura 8). O circuito deve conter apenas elementos digitais.
- Análise transiente (sinais mistos): mostra em um gráfico temporal os valores de tensão nó analisado. Pode conter tanto elementos digitais quanto analógicos (sinais mistos). Os atrasos das portas ou circuitos lógicos são considerados. O resultado é semelhante ao da análise transiente, com valores de tensão e corrente em função do tempo. O QUCS possui vários componentes digitais implementados de forma nativa, sendo também possível a construção de circuitos mais complexos com a utilização de sub- circuitos. A tensão atribuída ao nível lógico “1” assim como os atrasos das portas lógicas podem ser alterados nas suas propriedades, sendo os valores padrão 1V e 0s respectivamente. O ganho de tensão (função de transferência) para simulação transiente e a simbologia também podem ser alterados. Circuitos digitais complexos podem ser descritos através de linguagens específicas, tais como VHDL (VLSI Hardware Description Language) ou Verilog HDL. Essas linguagens de programação utilizam códigos específicos que facilitam a implementação de circuitos lógicos sem a necessidade de definir os componentes a nível de transistores. Isto simplifica os modelos de circuitos digitais e reduz significativamente o tempo de simulação. O QUCS interpreta e simula tanto arquivos VHDL ( nome .vhdl) como Verilog ( nome .v). Para adicionar um componente VHDL ou Verilog é necessário que o arquivo correspondente já esteja gravado em uma pasta no computador local. Em seguida Figura 8 : Formatos de visualização dos dados da simulação digital: tabela verdade e diagrama de tempos.
seleciona-se no QUCS “VHDL file” ou “Verilog file” na aba “digital components”, colocando-se o nome do arquivo que contém o modelo. Na janela do esquemático aparecerá um bloco com todos os terminais de conexão existentes no modelo. O significado de cada nó pode ser encontrado no início do arquivo de modelo, ou no data- sheet do componente. Nas referências ao final deste texto encontram-se uma série de sites Web que contêm bibliotecas gratuitas de circuitos digitais em VHDL e Verilog.
9 Uso das Ferramentas de Síntese e Análise
Como já comentado anteriormente, o QUCS possui um conjunto de aplicativos de síntese e análise incorporados ao editor de esquemáticos. Analisaremos cada um deles separadamente.
9.1 Síntese de Filtros:
Possui modelos de filtros de frequência passivos baseados em capacitores e indutores. Esta ferramenta é acessada no menu “Tools” > “Filter synthesis”. Os os valores de capacitores e indutores são calculados a partir da frequência de corte, ordem, classificação (passa-altas, passa-baixas, rejeita-faixa e passa-faixa), tipo (Bessel, Butterworth, Chebyshev e Cauer), atenuação e impedância. O circuito sintetizado pode ser copiado diretamente para a janela do esquemático e simulado.
9.2 Cálculo de Linhas de Transmissão
Esta ferramenta sintetiza ou analisa linhas de transmissão do tipo coaxial, strip-line , guia de onda, etc, a partir de suas características físicas (dimensões e parâmetros físicos do condutor e substrato) ou elétricas (impedância característica, frequência, defasagem). Esta ferramenta é acessada no menu “Tools” > “Line calculation”. Na opção Análise as características elétricas são calculadas a partir das características físicas do dielétrico e do condutor. Além das características elétricas principais, são analisadas também as perdas no dielétrico e no condutor, profundidade pelicular e modos de propagação da onda. Na opção Síntese as características físicas do dielétrico e do condutor são calculadas a partir da impedância característica e do ângulo de defasagem. A linha sintetizada pode ser copiado diretamente para a janela do esquemático e simulado. Os modelos de linhas de transmissão no QUCS não funcionam para análises transientes no domínio do tempo.