boon / ระบบควบคุม , โปรแกรม PLC , Automation , Robot / การทดสอบวงจร ทางด้านอิเล็กทรอนิกส์

การทดสอบวงจร ทางด้านอิเล็กทรอนิกส์

การทดสอบวงจร ทางด้านอิเล็กทรอนิกส์

การทดสอบวงจร ทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ (4)

All Articles >> Circuit Designed >> - การทดสอบวงจร ทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ (4)

บทความโดย อ.ธนันต์ ศรีสกุล

 

มาศึกษาและทำความเข้าใจการออกแบบ การทดสอบวงจร ทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ (4)



กลับมาพบกันอีกครั้งแล้วนะครับกับบทความที่เกี่ยวกับการทดสอบวงจรโดยการใช้งานโปรแกรมพีสไปซ์ ซึ่งจะเห็นว่าประโยชน์การใช้งานของโปรแกรมนี้ สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้อย่างหลากหลายมากเลยใช่ไหมครับ ซึ่งก็ได้นำเสนอเกี่ยวการใช้งานโปรแกรมพีสไปซ์ มาแล้วนะครับ ซึ่งในบทความนี้ก็จะขอกล่าวถึงวิธีการใช้โปรแกรมพีสไปซ์ ในอีกรูปแบบหนึ่งนะครับ นั้นก็คือการใช้โปรแกรมเพื่อศึกษาการทำงานและเพื่อใช้ในการทดสอบวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบครึ่งคลื่นและวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบเต็มคลื่นนั้นเองครับ ว่าเราจะออกแบบวงจรนี้ได้อย่างไรและจะทดสอบวงจรที่ได้ออกแบบนี้ได้อย่างไร มาดูกันเลยนะครับ…???


- พื้นฐานการออกแบบวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงที่ใช้อุปกรณ์ไดโอด
ในส่วนนี้ก็จะขอกล่าวถึงพื้นฐานการออกแบบวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงที่ใช้อุปกรณ์ไดโอดนะครับ โดยจะได้นำเอาหลักการทำงานและคุณสมบัติของอุปกรณ์ไดโอดมาใช้ในการสร้างวงจรนะครับ เพื่อให้เห็นถึงประโยชน์ของอุปกรณ์ไดโอดนะครับ มาดูกันเลยนะครับกับวงจรที่จะนำเสนอ มาเริ่มกันเลยนะครับ..??
ถ้าจะกล่าวถึงวงจรเรียงกระแส หรือที่เรียกว่า (Rectifier Circuit) นั้นส่วนใหญ่ก็จะต้องเป็นที่รู้จักกันนะครับ ซึ่งวงจรนี้จะทำหน้าที่ในการเปลี่ยนไฟกระแสสลับให้เป็นไฟกระแสตรง โดยวงจรนี้จำเป็นที่จะใช้อุปกรณ์ไดโอดมาประกอบด้วยครับ ซึ่งจะสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ชนิดนะครับ คือ วงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น (Half-Wave Rectifier) และวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น (Full-Wave Rectifier) ซึ่งจากวงจรทั้ง 2 ชนิดนี้นะครับเราจะนำมาใช้ในการออกแบบวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงกันดูนะครับนั้นก็คือ วงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบครึ่งคลื่น และวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบเต็มคลื่น มาดูกันเลยนะครับ

- วงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบครึ่งคลื่น
ในส่วนของวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบครึ่งคลื่นนี้จะมีลักษณะของวงจรดังแสดงในรูปที่ 1


รูปที่ 1 แสดงลักษณะของวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบครึ่งคลื่น

โดยจากวงจรที่ได้แสดงในรูปที่ 1 นั้นเราสามารถที่จะเขียนผลตอบสนองของสัญญาณทางด้านเอาต์พุท โดยเปรียบเทียบกับสัญญาณทางด้านอินพุท ได้ดังรูปที่ 2


รูปที่ 2 แสดงผลตอบสนองของสัญญาณทางด้านเอาต์พุท โดยเปรียบเทียบกับสัญญาณทางด้านอินพุท ของวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบครึ่งคลื่น

และจากรูปที่ 2 ที่ได้แสดงถึงผลตอบสนองของสัญญาณทางด้านเอาต์พุท โดยเปรียบเทียบกับสัญญาณทางด้านอินพุท ของวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบครึ่งคลื่นนั้น ก็ทำให้เราสามารถที่เขียนสมการที่แสดงถึงค่าความสัมพันธ์ของค่าสัญญาณทางด้านอินพุท และสัญญาณทางด้านเอาต์พุท ได้ดังสมการที่ 1 สมการที่ 2 และสมการที่ 3

ดาวน์โหลดบทความเพื่อดูสมการ………(1)

ดาวน์โหลดบทความเพื่อดูสมการ………(2)

ดาวน์โหลดบทความเพื่อดูสมการ………(3)

เมื่อกำหนดให้
คือค่าของขนาดสัญญาณแรงดันที่เกิดการกระเพื่อม
คือค่าของขนาดสัญญาณแรงดันค่าสูงสุดของสัญญาณอินพุท
คือค่าความถี่ในวงจรที่จะออกแบบ
คือค่าตัวเก็บประจุของวงจรที่จะออกแบบ
คือค่าตัวเต้านทานของวงจรที่จะออกแบบ
คือค่าของขนาดสัญญาณแรงดันทางด้านอินพุท
คือค่าของขนาดสัญญาณแรงดันทางด้านเอาต์พุท

ซึ่งจากสมการที่ 1 สมการที่ 2 และสมการที่ 3 นั้นถ้ากำหนดให้ค่าต่างๆ มีค่าดังต่อไปนี้ คือ , , และใช้อุปกรณ์ไดโอดเบอร์ D1N4148 และต้องการให้ค่าของขนาดสัญญาณแรงดันที่เกิดการกระเพื่อม มีค่าเท่ากับ ของค่าของขนาดสัญญาณแรงดันค่าสูงสุดของสัญญาณอินพุท ซึ่งจากค่าต่างๆ ที่กำหนดมานี้สามารถที่จะเขียนผลตอบสนองของสัญญาณทางด้านเอาต์พุท โดยเปรียบเทียบกับสัญญาณทางด้านอินพุท ของวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบครึ่งคลื่น ได้แสดงดังในรูปที่ 3


รูปที่ 3 แสดงผลตอบสนองของสัญญาณทางด้านเอาต์พุท โดยเปรียบเทียบกับสัญญาณทางด้านอินพุท ของวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบครึ่งคลื่นที่จะออกแบบ

และสามารถแสดงวิธีการคำนวณเพื่อหาค่าของตัวเก็บประจุ ของวงจรที่จะออกแบบได้ดังต่อไปนี้นะครับ

- คำนวณหาค่าของขนาดสัญญาณแรงดันที่เกิดการกระเพื่อม
ดาวน์โหลดบทความเพื่อดูสมการ

- คำนวณหาค่าของตัวเก็บประจุ
ดาวน์โหลดบทความเพื่อดูสมการ

จากการคำนวณก็จะเห็นได้ว่าเราสามารถที่จะทำการออกแบบวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบครึ่งคลื่นได้ไม่ยากเลยนะครับ ดังแสดงในรูปที่ 4 ทั้งนี้ก็ขึ้นอยู่กับว่าเราต้องการจะออกแบบวงจรให้ทำงานเป็นอย่างไรนั้นเองครับ ซึ่งก็ต้องทดลองออกแบบและทดลองคำนวณดูนะครับ


รูปที่ 4 ตัวอย่างวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบครึ่งคลื่นที่ได้ทำการออกแบบ

ทีนี้มาดูกันต่อนะครับในส่วนของการทดสอบการทำงานของวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบครึ่งคลื่นที่ได้ทำการออกแบบโดยการใช้โปรแกรมพีสไปซ์ เพื่อจะได้เป็นการตรวจเช็คว่าวงจรที่เราได้ออกแบบนั้นทำงานได้ตรงตามที่ได้ออกแบบหรือไม่ ก่อนที่จะนำไปสร้างเพื่อใช้งานต่อไป โดยมีขั้นตอนการใช้งาน ดังตัวอย่างต่อไปนี้ครับ มาดูกันเลยนะครับ..??


รูปที่ 5 วงจรตัวอย่างของวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบครึ่งคลื่นที่ได้ทำการออกแบบ

ให้ทำการเปิดโปรแกรมพีสไปซ์ ขึ้นมาแล้ว ให้ทำการวาดวงจรให้เหมือนกับในรูปที่ 5 โดยมีชื่ออุปกรณ์ที่เรียกใช้งานในโปรแกรมพีสไปซ์ ดังแสดงในตารางที่ 1

ตารางที่ 1 แสดงชื่ออุปกรณ์ในวงจรและชื่ออุปกรณ์ในโปรแกรมพีสไปซ์


และใช้ Voltage / Level Marker มาจับสัญญาณตามตัวอย่าง ดังรูปที่ 5 และเมื่อได้เรียกอุปกรณ์ในการใช้งานมาจนครบแล้วก็ทำการกำหนดค่าตามที่คำนวณได้จากการออกแบบ และลากเส้นเพื่อเชื่อมต่อวงจรตามที่ได้แสดงดังในรูปที่ 5 ส่วนในขั้นตอนถัดไปก็คงจะมาทำการทดสอบการทำงานของวงจรนะครับ ซึ่งเราจะทำการวิเคราะห์วงจรแบบ Time Domain (Transient) มาดูกันเลยนะครับว่ามีวิธีการเซตค่าต่างๆ อะไรกันบ้าง ??
ให้ไปทำการเลือกรูปแบบการวิเคราะห์วงจร ดังแสดงในรูปที่ 6 เป็นการเลือกแบบ Transient ซึ่งการเลือกในลักษณะนี้จะเป็นการวิเคราะห์ทางโดเมนทางเวลา เพื่อที่จะดูรูปลักษณะของสัญญาณของวงจร จากนั้นให้ทำการคลิกเข้าไปเพื่อเซตค่าก่อนที่จะทำการวิเคราะห์วงจร ดังแสดงในรูปที่ 7


รูปที่ 6 การเลือกรูปแบบในการวิเคราะห์วงจร


รูปที่ 7 การใส่ค่าต่างๆ เพื่อทำการวิเคราะห์วงจร

จากรูปที่ 7 จะเป็นการกำหนดค่าต่างๆ ก่อนที่จะทำการวิเคราะห์วงจร โดยมีทั้งหมด 3 จุดคือ
จุดที่ 1 Print Step เป็นการกำหนดช่วงการเพิ่มขึ้นของเวลาในการวาดรูปสัญญาณ โดยทั่วไปจะมีการคำนวณหาค่านี้คือ (Final Time/50) แต่ในที่นี้ต้องการความละเอียดของสัญญาณที่จะได้จึงกำหนดให้มีค่าเท่ากับ 1ms )
จุดที่ 2 Final Time เป็นการกำหนดจุดสุดท้ายของเวลาที่จะทำการวิเคราะห์สัญญาณ (600ms)
จุดที่ 3 Step Ceiling เป็นการกำหนดความละเอียดของรูปสัญญาณที่จะได้ โดยส่วนใหญ่แล้วถ้ากำหนดให้น้อยกว่า Final Time มากเท่าไร รูปสัญญาณที่ได้จะมีความละเอียดมากขึ้นเท่านั้น หรือจะไม่ใส่ก็ได้ แต่ในที่นี้จะใช้ (1ms)

และเมื่อทำการกำหนดค่าต่างๆ แล้ว ก็สามารถที่จะทำการวิเคราะห์วงจรได้ หรือทำการ Simulate ก็จะได้ปรากฏดังรูปที่ 8

รูปที่ 8 ผลการทดสอบวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบครึ่งคลื่นที่ได้ทำการออกแบบ

จากรูปที่ 8 จะเห็นได้ว่าผลการทดสอบวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบครึ่งคลื่นนั้นให้ค่าของขนาดสัญญาณแรงดันที่เกิดการกระเพื่อม เท่ากับ หรือประมาณ ซึ่งจะเห็นได้ว่าค่าที่ได้นั้นใกล้เคียงกับค่าที่ได้จากการคำนวณมากเลยครับ ซึ่งค่าของขนาดสัญญาณแรงดันที่เกิดการกระเพื่อม ที่ได้จากการคำนวณนั้นมีเท่ากับ ครับ เป็นอย่างไรบ้างครับพอที่จะเข้าใจถึงการออกแบบวงจรและการใช้งานโปรแกรมพีสไปซ์มาทดสอบการทำงานของวงจรมากขึ้นแล้วนะครับ… ถ้าอย่างนั้นมาดูกันต่อเลยนะครับ

- วงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบเต็มคลื่น
ในส่วนของวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบเต็มคลื่นนี้จะมีลักษณะของวงจรดังแสดงในรูปที่ 9


รูปที่ 9 แสดงลักษณะของวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบเต็มคลื่น

โดยจากวงจรที่ได้แสดงในรูปที่ 9 นั้นเราสามารถที่จะเขียนผลตอบสนองของสัญญาณทางด้านเอาต์พุท โดยเปรียบเทียบกับสัญญาณทางด้านอินพุท ได้ดังรูปที่ 10


รูปที่ 10 แสดงผลตอบสนองของสัญญาณทางด้านเอาต์พุท โดยเปรียบเทียบกับสัญญาณทางด้านอินพุท ของวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบเต็มคลื่น

และจากรูปที่ 10 ที่ได้แสดงถึงผลตอบสนองของสัญญาณทางด้านเอาต์พุท โดยเปรียบเทียบกับสัญญาณทางด้านอินพุท ของวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบเต็มคลื่นนั้น ก็ทำให้เราสามารถที่เขียนสมการที่แสดงถึงค่าความสัมพันธ์ของค่าสัญญาณทางด้านอินพุท และสัญญาณทางด้านเอาต์พุท ได้ดังสมการที่ 4 สมการที่ 5 และสมการที่ 6

ดาวน์โหลดบทความเพื่อดูสมการ………(4)

ดาวน์โหลดบทความเพื่อดูสมการ………(5)

ดาวน์โหลดบทความเพื่อดูสมการ………(6)

เมื่อกำหนดให้
คือค่าของขนาดสัญญาณแรงดันที่เกิดการกระเพื่อม
คือค่าของขนาดสัญญาณแรงดันค่าสูงสุดของสัญญาณอินพุท
คือค่าความถี่ในวงจรที่จะออกแบบ
คือค่าตัวเก็บประจุของวงจรที่จะออกแบบ
คือค่าตัวเต้านทานของวงจรที่จะออกแบบ
คือค่าของขนาดสัญญาณแรงดันทางด้านอินพุท
คือค่าของขนาดสัญญาณแรงดันทางด้านเอาต์พุท

ซึ่งจากสมการที่ 4 สมการที่ 5 และสมการที่ 6 นั้นถ้ากำหนดให้ค่าต่างๆ มีค่าดังต่อไปนี้ คือ , , และใช้อุปกรณ์ไดโอดเบอร์ D1N4148 และต้องการให้ค่าของขนาดสัญญาณแรงดันที่เกิดการกระเพื่อม มีค่าเท่ากับ ของค่าของขนาดสัญญาณแรงดันค่าสูงสุดของสัญญาณอินพุท ซึ่งจากค่าต่างๆ ที่กำหนดมานี้สามารถที่จะเขียนผลตอบสนองของสัญญาณทางด้านเอาต์พุท โดยเปรียบเทียบกับสัญญาณทางด้านอินพุท ของวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบเต็มคลื่น ได้แสดงไว้ในรูปที่ 11


รูปที่ 11 แสดงผลตอบสนองของสัญญาณทางด้านเอาต์พุท โดยเปรียบเทียบกับสัญญาณทางด้านอินพุท ของวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบเต็มคลื่นที่จะออกแบบ

และสามารถแสดงวิธีการคำนวณเพื่อหาค่าของตัวเก็บประจุ ของวงจรที่จะออกแบบได้ดังต่อไปนี้นะครับ

- คำนวณหาค่าของขนาดสัญญาณแรงดันที่เกิดการกระเพื่อม
ดาวน์โหลดบทความเพื่อดูสมการ

- คำนวณหาค่าของตัวเก็บประจุ

ดาวน์โหลดบทความเพื่อดูสมการ
จากการคำนวณก็จะเห็นได้ว่าเราสามารถที่จะทำการออกแบบวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบเต็มคลื่นได้ไม่ยากเช่นกันนะครับ ดังแสดงในรูปที่ 12 โดยทั้งนี้ก็ขึ้นอยู่กับว่าเราต้องการจะออกแบบวงจรให้ทำงานเป็นอย่างไรนั้นเองครับ ซึ่งก็ต้องทดลองออกแบบและทดลองคำนวณดูอีกเช่นกันนะครับ


รูปที่ 12 ตัวอย่างวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบเต็มคลื่นที่ได้ทำการออกแบบ

ทีนี้ก็มาดูกันต่อเลยนะครับในส่วนของการทดสอบการทำงานของวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบเต็มคลื่นที่ได้ทำการออกแบบโดยการใช้โปรแกรมพีสไปซ์ เพื่อจะได้เป็นการตรวจเช็คว่าวงจรที่เราได้ออกแบบนั้นทำงานได้ตรงตามที่ได้ออกแบบหรือไม่ ก่อนที่จะนำไปสร้างเพื่อใช้งานต่อไป โดยมีขั้นตอนการใช้งาน ดังตัวอย่างต่อไปนี้ครับ มาดูกันเลยนะครับ..??


รูปที่ 13 วงจรตัวอย่างของวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบเต็มคลื่นที่ได้ทำการออกแบบ

ให้ทำการเปิดโปรแกรมพีสไปซ์ ขึ้นมาแล้ว ให้ทำการวาดวงจรให้เหมือนกับในรูปที่ 13 โดยมีชื่ออุปกรณ์ที่เรียกใช้งานในโปรแกรมพีสไปซ์ ดังแสดงในตารางที่ 2

ตารางที่ 2 แสดงชื่ออุปกรณ์ในวงจรและชื่ออุปกรณ์ในโปรแกรมพีสไปซ์


และใช้ Voltage / Level Marker มาจับสัญญาณตามตัวอย่าง ดังรูปที่ 13 และเมื่อได้เรียกอุปกรณ์ในการใช้งานมาจนครบแล้วก็ทำการกำหนดค่าตามที่คำนวณได้จากการออกแบบ และลากเส้นเพื่อเชื่อมต่อวงจรตามที่ได้แสดงดังในรูปที่ 13 ส่วนในขั้นตอนถัดไปก็คงจะมาทำการทดสอบการทำงานของวงจรนะครับ ซึ่งเราจะทำการวิเคราะห์วงจรแบบ Time Domain (Transient) มาดูกันเลยนะครับว่ามีวิธีการเซตค่าต่างๆ อะไรกันบ้าง ??
ให้ไปทำการเลือกรูปแบบการวิเคราะห์วงจร ดังแสดงในรูปที่ 14 เป็นการเลือกแบบ Transient ซึ่งการเลือกในลักษณะนี้จะเป็นการวิเคราะห์ทางโดเมนทางเวลา เพื่อที่จะดูรูปลักษณะของสัญญาณของวงจร จากนั้นให้ทำการคลิกเข้าไปเพื่อเซตค่าก่อนที่จะทำการวิเคราะห์วงจร ดังแสดงในรูปที่ 15


รูปที่ 14 การเลือกรูปแบบในการวิเคราะห์วงจร


รูปที่ 15 การใส่ค่าต่างๆ เพื่อทำการวิเคราะห์วงจร

จากรูปที่ 15 จะเป็นการกำหนดค่าต่างๆ ก่อนที่จะทำการวิเคราะห์วงจร โดยมีทั้งหมด 3 จุดคือ
จุดที่ 1 Print Step เป็นการกำหนดช่วงการเพิ่มขึ้นของเวลาในการวาดรูปสัญญาณ โดยทั่วไปจะมีการคำนวณหาค่านี้คือ (Final Time/50) แต่ในที่นี้ต้องการความละเอียดของสัญญาณที่จะได้จึงกำหนดให้มีค่าเท่ากับ 1ms )
จุดที่ 2 Final Time เป็นการกำหนดจุดสุดท้ายของเวลาที่จะทำการวิเคราะห์สัญญาณ (600ms)
จุดที่ 3 Step Ceiling เป็นการกำหนดความละเอียดของรูปสัญญาณที่จะได้ โดยส่วนใหญ่แล้วถ้ากำหนดให้น้อยกว่า Final Time มากเท่าไร รูปสัญญาณที่ได้จะมีความละเอียดมากขึ้นเท่านั้น หรือจะไม่ใส่ก็ได้ แต่ในที่นี้จะใช้ (1ms)

และเมื่อทำการกำหนดค่าต่างๆ แล้ว ก็สามารถที่จะทำการวิเคราะห์วงจรได้ หรือทำการ Simulate ก็จะได้ปรากฏดังรูปที่ 16

รูปที่ 16 ผลการทดสอบวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบเต็มคลื่นที่ได้ทำการออกแบบ

จากรูปที่ 16 จะเห็นได้ว่าผลการทดสอบวงจรแหล่งจ่ายไฟตรงแบบเต็มคลื่นนั้นให้ค่าของขนาดสัญญาณแรงดันที่เกิดการกระเพื่อม เท่ากับ หรือประมาณ ซึ่งจะเห็นได้ว่าค่าที่ได้นั้นใกล้เคียงกับค่าที่ได้จากการคำนวณมากเลยครับ ซึ่งค่าของขนาดสัญญาณแรงดันที่เกิดการกระเพื่อม ที่ได้จากการคำนวณนั้นมีเท่ากับ ครับ เป็นอย่างไรบ้างครับพอที่จะเข้าใจถึงการออกแบบวงจรและการใช้งานโปรแกรมพีสไปซ์มาทดสอบการทำงานของวงจรมากขึ้นแล้วนะครับ…



All Articles >> Circuit Designed >> - การทดสอบวงจร ทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ (5)

บทความโดย อ.ธนันต์ ศรีสกุล

 

มาศึกษาและทำความเข้าใจการออกแบบ การทดสอบวงจร ทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ (5)




ถ้าจะพูดถึงอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำนั้น มีอุปกรณ์อีกชนิดหนึ่งที่ได้ถูกพัฒนาอย่างต่อเนื่อง และได้ถูกนำไปใช้งานได้อย่างกว้างขวาง ซึ่งมีคุณภาพรวมไปถึงประสิทธิภาพในการทำงานเป็นที่ยอมรับสำหรับผู้ที่นำไปใช้งานในการออกแบบวงจรต่างๆ เช่น วงจรขยาย วงจรเปรียบเทียบสัญญาณ วงจรผลิตความถี่ วงจรกรองความถี่ เป็นต้น ซึ่งอุปกรณ์ที่จะกล่าวถึงนี้ก็คืออุปกรณ์ที่มีชื่อว่า ออปแอมป์(Op-Amp) นั้นเองครับ แต่ถ้าจะกล่าวถึงการที่จะทำการทดสอบการทำงานหรือดูลักษณะการทำงาน ที่มีการวิเคราะห์ออกมาเป็นกราฟ การดูผลการตอบสนองทางความถี่ (Frequency response) และรวมไปถึงการดูลักษณะของสัญญาณว่าวงจรที่ออกแบบนั้นมีอัตราขยายแรงดันเท่าใดนั้นก็คงจะเป็นการยากและคงจะเสียเวลาที่จะมาทำการนั่งคำนวณแล้วนำค่าที่ได้นั้นไปวาดกราฟ หรือเพื่อที่จะดูผลการตอบสนองทางความถี่ และอัตราขยายแรงดันของวงจรที่เราจะนำมาใช้งานก็คงจะเป็นการยากและเสียเวลาเช่นกันครับ
ดังนั้นในบทความนี้ก็จะเป็นการนำโปรแกรมพีสไปซ์ มาช่วยในการวิเคาระห์เพื่อให้เห็นถึงกราฟคุณลักษณะของออปแอมป์ที่เป็นเชิงเส้น , เพื่อดูผลการตอบสนองทางความถี่ (Frequency response) ของวงจรออปแอมป์ , เพื่อดูลักษณะของสัญญาณว่าวงจรที่ออกแบบนั้นมีอัตราขยายแรงดันเท่าใด และที่สำคัญอีกประการหนึ่งในการเขียนบทความนี้ก็คือเพื่อที่จะทำให้ผู้ที่ยังไม่เข้าใจถึงการทำงานของออปแอมป์ (Op-Amp) ได้เกิดความเข้าใจมากยิ่งขึ้นและสามารถมองเห็นภาพการทำงานได้มากขึ้น และสามารถที่จะนำออปแอมป์ (Op-Amp) ไปประยุกต์ใช้งานหรือออกแบบวงจรต่าง ๆ ได้ต่อไปครับ….
ก่อนอื่นทางผู้เขียนจะขอกล่าวถึงวิธีการใช้โปรแกรมพีสไปซ์ เพื่อที่จะนำมาศึกษาการทำงานของออปแอมป์ (Op-Amp) โดยจะขอกล่าวถึงพารามิเตอร์พื้นฐานที่สำคัญในการกำหนดคุณสมบัติของออปแอมป์ (Op-Amp) ดังแสดงไว้ในตารางที่ 1 (ซึ่งในบทความนี้จะขอยกตัวอย่างออปแอมป์เบอร์ UA741 เพียงอย่างเดียวนะครับ ) จากนั้นก็จะแนะนำวิธีการใช้โปรแกรมอย่างเป็นขั้นตอน เพื่อที่จะได้สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้ต่อไปครับ….

** ลองมาดูกันเลยนะครับว่าเราจะใช้โปรแกรมพีสไปซ์ มาช่วยวิเคราะห์หาอะไรได้บ้าง ซึ่งในบทความนี้ได้แบ่งออกเป็น 3 รูปแบบด้วยกัน คือ…



ตารางที่ 1 ค่าพารามิเตอร์ที่สำคัญของออปแอมป์ เพื่อนำมาใช้ศึกษาการทำงานของออปแอมป์ด้วยโปรแกรมพีสไปซ์

การใช้งานโปรแกรมพีสไปซ์
1.) การใช้โปรแกรมพีสไปซ์ เพื่อดูกราฟคุณลักษณะของออปแอมป์ที่เป็นเชิงเส้นสามารถทำได้ดังนี้
- จากรูปวงจรตัวอย่างดังแสดงในรูปที่ 1 ให้ทำการวาดวงจรให้เหมือนกับที่ให้มา โดยมีชื่ออุปกรณ์ที่เรียกใช้งานในโปรแกรมพีสไปซ์ดังแสดงในตารางที่ 2

ตารางที่ 2 แสดงชื่ออุปกรณ์ในวงจรและชื่ออุปกรณ์ในโปรแกรมพีสไปซ์



รูปที่ 1 วงจรออปแอมป์ตัวอย่าง


รูปที่ 2 การเลือกรูปแบบในการวิเคราะห์วงจร

เมื่อทำการวาดรูปวงจรเสร็จแล้ว ก็ทำการกำหนดค่าของอุปกรณ์ต่างๆ ให้ถูกต้อง จากนั้นให้ไปทำการเลือกรูปแบบการวิเคราะห์วงจร ดังแสดงในรูปที่ 2 เป็นการเลือกแบบ DC Sweep ซึ่งการเลือกในลักษณะนี้จะเป็นการวิเคราะห์ทางไฟตรง โดยจะแสดงค่ากระแสและค่าของแรงดันในจุดที่เราต้องการได้ จากนั้นให้ทำการคลิกเข้าไปเพื่อเซตค่าก่อนที่จะทำการวิเคราะห์วงจร ดังแสดงในรูปที่ 3


รูปที่ 3 การใส่ค่าต่างๆ เพื่อทำการวิเคราะห์วงจร
Download บทความ
จากรูปที่ 3 จะเป็นการกำหนดค่าต่างๆ ก่อนที่จะทำการวิเคราะห์วงจร โดยมีทั้งหมด 6 จุดคือ
จุดที่ 1 เป็นการกำหนดชนิดของแหล่งจ่าย (โดยในที่นี้วงจรของเราได้ใช้เป็นแหล่งจ่ายแรงดัน) ดังนั้นจึงเลือกเป็นแบบ Voltage Source
จุดที่ 2 เป็นชื่อของแหล่งจ่ายที่ใช้ในการทดสอบ (โดยในที่นี้วงจรของเราได้ตั้งชื่อแหล่งจ่ายแรงดันเป็น Vin) ดังนั้นเราจึงใส่ชื่อเป็น Vin
จุดที่ 3 เป็นการกำหนดลักษณะของกราฟ โดยเลือกแบบกราฟเชิงเส้น (Linear)
จุดที่ 4 เป็นการกำหนดค่าเริ่มต้นของแหล่งจ่าย (โดยเราได้กำหนดให้เริ่มต้นที่ -500 )
จุดที่ 5 เป็นการกำหนดค่าสุดท้ายของแหล่งจ่าย (โดยเราได้กำหนดให้สิ้นสุดที่ 500 )
จุดที่ 6 เป็นการกำหนดค่าหรือการเพิ่มขึ้นของแรงดัน (โดยเราได้กำหนดให้แรงดันเพิ่มขึ้นทีละ 1 )
เมื่อทำการกำหนดค่าต่างๆ แล้ว ก็สามารถที่จะทำการวิเคราะห์วงจรได้ หรือทำการ Simulate ก็จะได้ปรากฏดังรูปที่ 4 ซึ่งจะแสดงถึงกราฟคุณลักษณะที่เป็นเชิงเส้นของออปแอมป์ที่เราได้ทดสอบนั่นเอง


รูปที่ 4 แสดงผลการทดสอบวงจรที่ได้จากโปรแกรมพีสไปซ์

โดยจากรูปที่ 4 ที่ได้แสดงผลการทดสอบวงจรที่ได้จากโปรแกรมพีสไปซ์นั้น จะทำให้เห็นค่าของแรงดันอินพุทที่มีความสัมพันธ์กับแรงดันเอาท์พุตหรือแรงดันที่ตกคร่อม นั้นเอง ซึ่งเราสามารถที่จะหาค่าความสัมพันธ์นี้ได้ โดยการใช้โปรแกรมพีสไปซ์ ดังแสดงในรูปที่ 5 จะเห็นได้ว่าโปรแกรมนั้นจะแสดงค่าของแรงดันอินพุท และค่าของแรงดันเอาท์พุต ซึ่งจากรูปที่ 5 ก็เป็นตัวอย่างการวัดซึ่งได้แสดงแรงดันอินพุท และค่าของแรงดันเอาท์พุต ที่วัดได้คือ และ นั้นเอง


รูปที่ 5 การวัดหาค่าความสัมพันธ์ของแรงดัน และแรงดัน จากกราฟที่ได้

จากการใช้โปรแกรมพีสไปซ์ จะทำให้สามารถที่จะหาค่าแรงดันอินพุทที่ต้องการได้ เพื่อที่จะทำให้ได้ผลของแรงดันเอาท์พุตออกมาตามที่ต้องการได้ โดยการใช้คุณสมบัติของกราฟที่มีความสัมพันธ์ของแรงดัน และแรงดัน นั้นเอง


2.) การใช้โปรแกรมพีสไปซ์ เพื่อดูผลการตอบสนองทางความถี่ (Frequency response) ของวงจรออปแอมป์ สามารถทำได้ดังนี้
- จากรูปวงจรตัวอย่างดังแสดงในรูปที่ 6 ให้ทำการวาดวงจรให้เหมือนกับที่ให้มา โดยมีชื่ออุปกรณ์ที่เรียกใช้งานในโปรแกรมพีสไปซ์ดังแสดงในตารางที่ 3

ตารางที่ 3 แสดงชื่ออุปกรณ์ในวงจรและชื่ออุปกรณ์ในโปรแกรมพีสไปซ์



รูปที่ 6 วงจรออปแอมป์ตัวอย่าง



รูปที่ 7 การเลือกรูปแบบในการวิเคราะห์วงจร

เมื่อทำการวาดรูปวงจรเสร็จแล้ว ก็ทำการกำหนดค่าของอุปกรณ์ต่างๆ ให้ถูกต้อง จากนั้นให้ไปทำการเลือกรูปแบบการวิเคราะห์วงจร ดังแสดงในรูปที่ 7 เป็นการเลือกแบบ AC Sweep ซึ่งการเลือกในลักษณะนี้จะเป็นการวิเคราะห์ทางไฟสลับ โดยจะแสดงถึงผลตอบสนองทางความถี่ของวงจรที่ทดสอบ จากนั้นให้ทำการคลิกเข้าไปเพื่อเซตค่าก่อนที่จะทำการวิเคราะห์วงจร ดังแสดงในรูปที่ 8


รูปที่ 8 การใส่ค่าต่างๆ เพื่อทำการวิเคราะห์วงจร
Download บทความ
จากรูปที่ 8 จะเป็นการกำหนดค่าต่างๆ ก่อนที่จะทำการวิเคราะห์วงจร โดยมีทั้งหมด 4 จุดคือ
จุดที่ 1 เป็นการกำหนดรูปแบบของกราฟผลตอบสนองความถี่ ว่าจะให้เป็นรูปแบบใด โดยจะสามารถแบ่งออกได้คือ
(Linear เป็นการกำหนดรูปแบบของกราฟแบบเชิงเส้น คือ เพิ่มความถี่ ขึ้นทีละเท่าๆ กัน คือ 1-2-3-4…10…) , (Octave เป็นการกำหนดรูปแบบของกราฟที่มีการเพิ่มความถี่ทีละ 2 เท่า คือ 1-2-4-8-16…) , (Decade เป็นการกำหนดรูปแบบของกราฟที่มีการเพิ่มความถี่ทีละ 10 เท่า คือ 1-10-100-1k-10k…) ซึ่งในจุดนี้ได้ทำการกำหนดรูปแบบให้เป็นแบบ Decade
จุดที่ 2 เป็นค่า Total Pts ซึ่งเป็นการกำหนดจุดที่จะทำการคำนวณในหนึ่งช่วง โดยได้ใช้ค่าเท่ากับ 101 ซึ่งเป็นค่ามาตรฐานที่ส่วนใหญ่จะใช้กัน
จุดที่ 3 เป็นการกำหนด Start Freq ก็คือการกำหนดความถี่เริ่มต้นของการวิเคราะห์วงจร (โดยได้กำหนดให้เริ่มต้นที่ความถี่ 0.001 Hz)
จุดที่ 4 เป็นการกำหนด End Freq ก็คือการกำหนดความถี่สุดท้ายของการวิเคราะห์วงจร (โดยได้กำหนดไว้ที่ความถี่ 1 MHz)

เมื่อทำการกำหนดค่าต่างๆ แล้ว ก็สามารถที่จะทำการวิเคราะห์วงจรได้ หรือทำการ Simulate ก็จะได้ปรากฏดังรูปที่ 9 ซึ่งจะแสดงถึงกราฟผลตอบสนองความถี่ของวงจรที่เราได้ทดสอบนั่นเอง


รูปที่ 9 แสดงผลการทดสอบวงจรที่ได้จากโปรแกรมพีสไปซ์
โดยจากรูปที่ 9 ที่ได้แสดงผลการทดสอบวงจรที่ได้จากโปรแกรมพีสไปซ์นั้น จะทำให้เห็นถึงผลตอบสนองทางความถี่ของวงจรที่ได้ทดสอบ ซึ่งจะเห็นได้ว่าที่ความถี่ต่ำนั้นแรงดันทางด้านเอาท์พุตจะมีค่าสูง แต่เมื่อค่าของความถี่สูงขึ้นก็จะทำให้ค่าของแรงดันทางด้านเอาท์พุตนั้นมีค่าลดต่ำลง นั้นเอง
ซึ่งจากรูปที่ 10 ก็เป็นตัวอย่างการวัดซึ่งได้แสดงค่าของแรงดันเอาท์พุตและความถี่ที่วัดได้คือ จะมีค่าแรงดันเอาท์พุต


รูปที่ 10 การวัดหาค่าความสัมพันธ์ของผลตอบสนองทางความถี่ของวงจร

3.) การใช้โปรแกรมพีสไปซ์ เพื่อดูลักษณะของสัญญาณว่าวงจรที่ออกแบบนั้นมีอัตราขยายแรงดันเท่าใด โดยสามารถทำได้ดังนี้
- จากรูปวงจรตัวอย่างดังแสดงในรูปที่ 11 ให้ทำการวาดวงจรให้เหมือนกับที่ให้มา โดยมีชื่ออุปกรณ์ที่เรียกใช้งานในโปรแกรมพีสไปซ์ดังแสดงในตารางที่ 4


ตารางที่ 4 แสดงชื่ออุปกรณ์ในวงจรและชื่ออุปกรณ์ในโปรแกรมพีสไปซ์



รูปที่ 11 วงจรออปแอมป์ตัวอย่าง


รูปที่ 12 การเลือกรูปแบบในการวิเคราะห์วงจร

เมื่อทำการวาดรูปวงจรเสร็จแล้ว ก็ทำการกำหนดค่าของอุปกรณ์ต่างๆ ให้ถูกต้อง จากนั้นให้ไปทำการเลือกรูปแบบการวิเคราะห์วงจร ดังแสดงในรูปที่ 12 เป็นการเลือกแบบ Transient ซึ่งการเลือกในลักษณะนี้จะเป็นการวิเคราะห์ทางโดเมนทางเวลา เพื่อที่จะดูรูปลักษณะของสัญญาณ ของวงจรที่ทดสอบ จากนั้นให้ทำการคลิกเข้าไปเพื่อเซตค่าก่อนที่จะทำการวิเคราะห์วงจร ดังแสดงในรูปที่ 13


รูปที่ 13 การใส่ค่าต่างๆ เพื่อทำการวิเคราะห์วงจร
Download บทความ
จากรูปที่ 13 จะเป็นการกำหนดค่าต่างๆ ก่อนที่จะทำการวิเคราะห์วงจร โดยมีทั้งหมด 3 จุดคือ
จุดที่ 1 Print Step เป็นการกำหนดช่วงการเพิ่มขึ้นของเวลาในการวาดรูปสัญญาณ โดยทั่วไปจะมีการคำนวณหาค่านี้คือ (Final Time/50) แต่ในที่นี้ต้องการความละเอียดของสัญญาณที่จะได้จึงกำหนดให้มีค่าเท่ากับ 0.01 ms )
จุดที่ 2 Final Time เป็นการกำหนดจุดสุดท้ายของเวลาที่จะทำการวิเคราะห์สัญญาณ (5ms)
จุดที่ 3 Step Ceiling เป็นการกำหนดความละเอียดของรูปสัญญาณที่จะได้ โดยส่วนใหญ่แล้วถ้ากำหนดให้น้อยกว่า Final Time มากเท่าไร รูปสัญญาณที่ได้จะมีความละเอียดมากขึ้นเท่านั้น หรือจะไม่ใส่ก็ได้ แต่ในที่นี้จะใช้ (0.01ms)

เมื่อทำการกำหนดค่าต่างๆ แล้ว ก็สามารถที่จะทำการวิเคราะห์วงจรได้ หรือทำการ Simulate ก็จะได้ปรากฏดังรูปที่ 14 ซึ่งจะแสดงถึงรูปสัญญาณทางด้านอินพุตกับสัญญาณทางด้านเอาท์พุต ของวงจรที่ได้ทดสอบ


รูปที่ 14 แสดงผลการทดสอบวงจรที่ได้จากโปรแกรมพีสไปซ์
โดยจากรูปที่ 14 ที่ได้แสดงผลการทดสอบวงจรที่ได้จากโปรแกรมพีสไปซ์นั้น จะทำให้เห็นถึงรูปลักษณะของสัญญาณ โดยจะแสดงทั้งสัญญาณทางด้านอินพุตและสัญญาณทางด้านเอาท์พุตของวงจรที่ได้ทดสอบ ซึ่งจะเห็นได้ว่าสัญญาณทางด้านเอาท์พุตนั้นมีขนาดของแรงดันที่สูงกว่าขนาดของแรงดันทางด้านอินพุต ซึ่งจากรูปที่ 15 ก็เป็นตัวอย่างการวัดค่าแรงดันสูงสุดของสัญญาณทางด้านอินพุตและทางด้านเอาท์พุตของวงจรซึ่งได้แสดงค่าของแรงดันที่วัดได้คือ และ โดยลักษณะของสัญญาณทางด้านเอาท์พุตที่ได้จะกลับสัญญาณ องศา ซึ่งจากค่าที่วัดได้ดังกล่าวทำให้ทราบว่าวงจรที่ทดสอบนี้มีอัตราขยายแรงดันคือ

อัตราขยายแรงดัน = เท่า
Download บทความ

รูปที่ 15 การวัดหาค่าแรงดันสูงสุดของสัญญาณ
ทางด้านอินพุตและทางด้านเอาท์พุตของวงจร

เป็นอย่างไรกันบ้างครับ พอที่จะรู้จักการใช้งานโปรแกรมพีสไปซ์เพื่อนำมาใช้ทดสอบคุณลักษณะการทำงานของออปแอมป์ (Op-Amp) มากขึ้นกว่าเดิมแล้วใช่ไหมครับ ทางผู้เขียนหวังว่าคงจะสามารถนำไปใช้เป็นแนวทางในการนำไปใช้งานในการออกแบบวงจรและทดสอบวงจรได้ นะครับ แต่ก็อย่างที่บอกนะครับ…. เพราะว่าโปรแกรมพีสไปซ์ นั้นสามารถที่จะนำไปใช้งานและนำไปประยุกต์ใช้งานได้อีกหลายอย่างเลยครับ แม้แต่จะทำการสร้างโมเดลหรืออุปกรณ์ต่างๆ ที่เราสนใจในการนำมาใช้ในการออกแบบวงจรต่างๆ ก็ทำได้ครับ ซึ่งจะขอกล่าวในครั้งต่อไปนะครับ

chobSun Jun 20 2010 09:52:41 GMT+0700 (ICT)