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Alternative Simulation Exercises – Lab 1

Introduction

This document outlines simulation exercise alternatives to the lab tasks shown in Lab 1 – Analogue Electronics” of the Project (EENG18020) Lab Notes (2021/2022). These tasks should only be done if you do not have a Home Lab Kit. This document is to be used in parallel with the Lab notes for this unit. These tasks will require you to use two software programs that you have already been using in your other units:

•   TinkerCAD For creating circuit layouts on the breadboard.

•    AWR Design Environment (DE) – For simulating and measuring your circuits.

Regarding your lab report assessment, any measurements that you take in the simulation should be included in the Experimental Procedure and Results” section of your lab report NOT the Design Procedure” section.

Lab 1 alternative task list

This section covers what tasks are being changed in order to complete the lab. It also gives instructions on how to perform the task if it has been changed.

Task 1.1

No change. Task should be carried out exactly as stated in the lab notes.

Task 1.2

•    Use TinkerCAD to create a breadboard layout for the circuit shown in Figure 1.3b of the lab notes. There is no infra-red LED available in TinkerCAD’s component list, so you are to use a standard LED instead. Take a screenshot of this layout for your lab report.

•    Use AWR to create a simulation model of the transmitter circuit shown in Figure 1.3b in the lab notes. Here are some hints on how to do this:

o Use a DC voltage source (DCVS) for the +9 V battery

o The 1 kΩ potentiometer can be modelled with the closed form resistor model (RES) and using the tune feature to set the lower and upper limits to 0 and 1 kΩ .

o There  is  no  specific  model  for  the  TSHF5210  infra-red  LED  however  we  can approximate its operation with AWR’s simple diode model. To do this add the DIODE1 circuit element to the schematic and set its model parameters as follows:

▪    Nu = 2.1

▪    T = 25 DegC

▪    Io = 4e-13 A

Task 1.3

Use AWR’s tune feature to tune the value of the resistor used to model the potentiometer in the transmitter circuit. Set the lower and upper values of the tuned resistor to 0 and 1 kΩ respectively. For several different resistance values of the potentiometer, run the simulation, record the forward voltage and current of the IR LED and plot the following:

•    Diode forward voltage as a function of the potentiometer resistance

•    Diode forward current as a function of the potentiometer resistance

•    Diode forward current as a function of the diode forward voltage


Task 1.4

•    Use TinkerCAD to add a breadboard layout for the circuit shown in Figure 1.6b in the lab notes, to the existing breadboard layout created in the previous task. To find a photodiode model change the Components list from Basic” to All” . The BC548B will be modelled by the NPN Transistor (BJT)” . Take a screenshot of this layout for your lab report.

•    Use AWR to add a simulation model of the receiver circuit, shown in Figure 1.6b in the lab notes, to your pre-existing simulation of the transmitter circuit. Here are some hints on how to do this:

o The 100 kΩ potentiometer can be modelled with the closed form resistor model (RES) and using the tune feature to set the lower and upper limits to 0 and 100 kΩ .

o The  BJT (BC548B) can be modelled using AWR’s beta controlled bipolar transistor model. To do this add the BIPB circuit element to the schematic and set its model parameters as follows:

▪    B = 200

o The  radiant  intensity of the  IR  LED  (that  is the  intensity of the emitted  infra-red radiation) can be modelled with a current-controlled voltage source. To do this add the CCVS circuit element to the schematic and connect the inputs (R1) so that it is in series with the RES and DIODE1 elements in the transmitter circuit. Connect a ground reference to the negative terminal of the output (connection 4) and leave the positive output terminal (connection 3) unconnected for now. Set its model parameters as follows:

▪    M = 18.279

▪    R1 = 0

▪    R2 = R2 (this value will be set by an equation; see below)

o There is no specific model for the BPV10NF photodiode however we can approximate its operation with a voltage-controlled current course. To do this add the VCCS circuit element to the circuit schematic, connect its input terminals (connections 1 and 2) to the output of the CCVS circuit element and connect its output terminals in the same position in the circuit where the photodiode should be located. The direction of the output current should be such that it flows from the +9V power rail to the base of the BJT. Set its model parameters as follows:

▪    M = 52.734e-6

▪    R1 = R1 (this value will be set by an equation; see below)

▪    R2 = 0

o To model the effect of an object moving in and out of the range of the proximity sensor, as well as the fact that the IR signal spreads out and its flux density decreases as it travels to the photodiode, we will use the R2 value of the CCVS element and the R1 value of the VCCS element to create a voltage divider that weakens the IR signal. To do this add the following equations to the schematic:

▪    Rd = 1

▪    d = 0.01 (tuned variable)

▪    R1 = d*Rd

▪    R2 = (1-d)*Rd

o d will be used as a tuned variable with a lower limit of 0.01 (imitating when there is no object in the range of the sensor) and an upper limit of 0.09 (imitating when there is an object in the range of the sensor).


Task 1.5

Use AWR’s tune feature to tune the values of the resistors used to model the potentiometers in both the transmitter and receiver circuits. Set the lower and upper tuned values to the following:

•   Transmitter circuit potentiometer: Lower = 0, Upper = 1 kΩ

•    Receiver circuit potentiometer: Lower = 0, Upper = 100 kΩ

Run  the  simulation  for  several  different  resistance  values  of  the  potentiometers  on  both  the transmitter and  receiver circuits  and  record the output voltage of the  receiver  circuit when the simulation is imitating an object in the range of the proximity sensor (d = 0.09) and when there is no object in the range of the sensor (d = 0.01). For each measurement calculate the change in voltage when there is an object in the range of the sensor and when there is not. For a fixed transmitter circuit’s  potentiometer  resistance,  plot the voltage change as a function of the  receiver circuit’s potentiometer  resistance.  Repeat  this  for  each  transmitter  circuit’s  potentiometer  resistance measurement. You should  have  produced a single graph with  multiple curves where each  curve corresponds to a separate fixed value of the transmitter circuit’s potentiometer resistance. Describe how this graph can help you select component values that will make the proximity sensor work as desired i.e., produce a distinct change in the sensor’s output when an object is detected. NOTE: You must make sure that the output does not go above +9 V as this will cause the comparator to malfunction when it is added to the circuit.

Task 1.6

•    Based on the curves plotted in the previous task, select fixed resistor values to replace the 100 Ω resistor and 1 kΩ potentiometer in the transmitter circuit, and the 100 kΩ potentiometer in the receiver circuit. You must choose resistor values that are available in the home lab kit (check the Home Lab Kit part list” on Blackboard for details on what is in the kit).

•    Alter the breadboard layout in TinkerCAD so that it shows the fixed resistor values that you choose. Take a screenshot of this layout for your lab report.

Task 1.7

Use AWR’s tune feature to tune the d” value used to model how close an object is to the proximity sensor. Run the simulation for several different values of d” between the lower and upper limits of 0.01 and 0.09 and measure the output voltage of the receiver circuit. Plot the output voltage as a function of “d” .

Task 1.8

•    Use TinkerCAD to add a breadboard layout for the circuit shown in Figure 1.10 in the lab notes, to the existing breadboard layout created in the previous tasks. As no component model exists for the LM358 in TinkerCAD, you are to use the LM393 – dual comparator” component model from the component list (found by changing Components to show All”) as this has the same pinout as the LM358. Take a screenshot of this layout for your lab report.

•    Use AWR to add a simulation model of the threshold comparator, shown in Figure 1.10 in the lab notes, to your pre-existing simulation. Here are some hints on how to do this:

o The 10 kΩ potentiometer can be created by connecting 2 resistors in series and using the following set of equations:

▪    RT = 10k

▪    k = 0 (tuned variable)

▪    Ra = k*RT

▪    Rb = (1-k)*RT


o Unfortunately, there is no model in AWR for the LM358 operational amplifier, so instead we will use the model of a similar op-amp, the AD8614, whose model file can be downloaded for the Blackboard page in the “Key Documents” section. Instructions on how to add the model to your schematic are shown in this videohere.

o Place a 10 kΩ resistor on the output of the op-amp to ensure correct operation.

Task 1.9

Use AWR’s tune feature to tune the “k” value used to model the potentiometer that sets the threshold voltage for the threshold comparator circuit. Tune the k” value so that the output of comparator is low when the simulation imitates no object in the range of the sensor (d = 0.01) and high when the simulation imitates an object in the range of the sensor (d = 0.09) . Measure and record the threshold voltage. NOTE: The simulation will stop working as intended if the output of the receiver circuit goes 1.5 V above the power supply (+9 V) as the op-amp will have saturated.

Task 1.10

No change. Task should be carried out exactly as stated in the lab notes.

Task 1.11

•    Select an appropriate resistor value that will give a relative luminous intensity of 0.5 for each of the LEDs used in the LED lamp-post circuit shown in Figure 1.12 in the lab notes . You must choose resistor values that are available in the home lab kit (check the “Home Lab Kit part list” on Blackboard for details on what is in the kit).

•    Use TinkerCAD to add a breadboard layout for the circuit shown in Figure 1.12 in the lab notes, to the existing breadboard layout created in the previous tasks. Use TinkerCAD’s standard LED model for the C503D LEDs. Take a screenshot of this layout for your lab report.

•    Use AWR to add a simulation model of the lamp-post LEDs, shown in figure 1.12 in the lab notes, to your pre-existing simulation and show that the circuit is working as intended. Here are some hints on how to do this:

o Remove the 10 kΩ resistor from the output of the threshold comparator circuit.

o There  is  no  specific  model  for the  C503D  LED  however  we  can  approximate  its operation  with  AWR’s  physical  diode  model.  To  do  this  add  the  DIODE2  circuit element to the schematic and set its model parameters as follows:

▪    Nu = 4.6

▪    T = 25 DegC

▪    Io = 2.4e-13 A

▪    R = 12 Ohm

▪    C = 1pF