Оглавление

Краткие теоретические сведения 2

1 Средства моделирования 2

1.1 Режимы моделирования 2

1.1.1 Transient 2

1.1.2 AC Frequency 5

1.1.3 Fourier 5

1.1.4 Noise 7

1.1.5 Distortion 8

1.1.6 Parameter sweep 8

1.1.7 Другие режимы моделирования 9

2 Моделирование аналоговых схем 10

2.1 Модели компонентов 10

2.2 Независимые источники 10

2.2.1 AC Voltage Source 10

2.2.2 Источник постоянного напряжения 12

2.2.3 Источник сигналов прямоугольной формы Clock 12

2.2.4 Источник сигналов произвольной формы PWL Source 13

2.2.5 Модели пассивных компонентов RLC 14

3 Моделирование цифровых схем 14

3.1 Модели компонентов 14

Домашнее задание 17

Задание на ЛАБОРАТОРНУЮ РАБОТУ №1 17

Контрольные вопросы 22

Список источников, рекомендуемых для изучения 23

Краткие теоретические сведения

1Средства моделирования

Существует достаточно много схемотехнических САПР, которые могут использоваться для моделирования радиоэлектронных узлов. Наиболее известные среди них Electronics Workbench (EWB), MultiSim, MicroCAP, OrCAD, Altium Designer. EWB является наиболее простым инструментом. Данный САПР легко осваивается, содержит виртуальные измерительные приборы и, таким образом, методически правильно начинать с него. Другие САПР в первом приближении дополняют EWB. Так MultiSim, OrCAD или MicroCAP могут использоваться для построения новых моделей элементов, построения дополнительных характеристик, которые в EWB строить невозможно или не удобно. При правильном изучении EWB другие схемотехнические САПР осваиваются быстро и эффективно. Данный лабораторный практикум использует, главным образом, EWB, но при решении некоторых задач используются OrCAD.

Важно отметить, что во всех САПР на принципиальной схеме обязательно должна присутствовать «земля». В EWB земля имеет имя «0» и извлекается с панели инструментов «Sources» – источников энергии и сигналов.

Составление принципиальной схемы в EWB максимально упрощено и может быть сделано даже интуитивно. В связи с этим, главным предметом изучения являются режимы моделирования и свойства моделей компонентов.

1.1Режимы моделирования

1.1.1Transient

Хотя режимов моделирования несколько, один из них является основным. Он напоминает работу инженера с макетом радиоэлектронного узла и поэтому его следует выделить из всех. Это режим Transient – расчет переходных характеристик (временных диаграмм сигналов в заданном узле схемы). Особенность EWB состоит в многоальтернативности реализации этого режима. Прежде всего, временную диаграмму сигнала можно получить с помощью виртуального осциллографа (Рис. 1).

Рис. 1 Простейшее подключение виртуального прибора «Осциллограф»

Осциллограф извлекается с панели «Instruments» – виртуальных приборов. Как показано на рисунке 1, к осциллографу достаточно подвести одну линию на вход A или B. Общий провод осциллографа, по умолчанию, подключен к «земле». Если необходимо изменить подключение общего провода (самый верхний боковой контакт), то нужно подвести к нему цепь, относительно которой анализируется напряжение на входах. У осциллографа есть также вход синхронизации (второй сверху боковой контакт).

В качестве органов управления отклонением луча в виртуальном осциллографе используются поля «Х position» и «Y position».

Для удобства пользования индикатором применяется «расширенный» режим. В него можно перейти нажатием на кнопку «Expand» (возврат назад – кнопка «Reduce»).

Второй способ получить временную диаграмму сигнала – использовать один из режимов анализа. Он так и называется «Transient» и извлекается из меню «Analysis». Появляется окно диалога, которое настраивается в соответствии с рис. 2. После настройки нажимается кнопка «Simulate» и появляется окно результата анализа. Обратите внимание, что это окно содержит результаты всех видов анализа, в том числе с помощью осциллографа. Открыть окно можно в любой момент работы, даже без предварительного моделирования, кнопкой «Display Graphs» на главной панели инструментов.

Рис. 2 Окно параметров режима моделирования «Transient»

Моделирование производится численным решением системы ДУ, поэтому шаг моделирования (шаг расчета временной диаграммы по оси времени) задается автоматически. На индикаторе происходит кусочно-линейная интерполяция сигнала, которая не учитывает графического качества. Для повышения качества индикации шаг устанавливается в поле «Maximum time step». Для осциллографа шаг моделирования устанавливается отдельно, через меню Analysis/Analysis Options/Instruments.

1.1.2AC Frequency

Второй часто используемый режим моделирования называется «AC Frequency» – частотный анализ электрической цепи. Он применяется для построения АЧХ и ФЧХ. Обязательно на входе цепи должен быть установлен источник переменного напряжения. По его положению определяется вход анализируемой цепи и действующее значение сигнала. Для получения АЧХ действующее значение следует установить равным 1 или не учитывать индицируемую размерность по оси Y. Моделирование осуществляется через меню Analysis/AC Frequency. Окно настройки параметров (Рис. 3) аналогично соответствующему окну режима «Transient», но, естественно, имеет особые настройки параметров режима.

Рис. 3 Окно параметров режима моделирования «AC Frequency»

1.1.3Fourier

Близкий к «AC Frequency» режим называется «Fourier»– спектральный анализ сигналов. Существенное отличие данного режима состоит в том, что осуществляется анализ сигнала, а не схемы. Если на вход электрической цепи подать широкополосное воздействие (например, достаточно короткий импульс), то на выходе получим импульсную характеристику. Ее преобразование Фурье есть комплексный коэффициент передачи, модуль которого равен АЧХ, а фаза – ФЧХ. Отсюда вытекает родственность двух указанных режимов.

Спектральный анализ позволяет оценить не только амплитудный и фазовый спектры сигнала, но и вычислить коэффициент нелинейных искажений гармонического колебания. Естественно, в этом случае на вход цепи следует подать переменное напряжение синусоидальной формы. При отсутствии нелинейных искажений спектр будет содержать только одну гармонику на частоте входного сигнала. При нелинейных искажениях появляются дополнительные гармоники. Их можно оценить через коэффициент нелинейных искажений:

где – амплитуда n-ой гармоники напряжения.

Коэффициент рассчитывается данным режимом, как total garmonic distortion (%).

Основные настройки выполняются в окне параметров, изображенном на рис. 4. Важно отметить, что частота напряжения источника на входе цепи и частота первой гармоники Fundamental Frequency должны совпадать.

Рис. 4 Окно параметров режима моделирования «Fourier»

1.1.4Noise

Следующий режим называется «Noise»– анализ спектра внутренних шумов. В математических моделях компонентов учитываются тепловые, дробовые и низкочастотные фликкер-шумы. Спектральные плотности шума (СПШ) от отдельных источников суммиру­ются. В качестве спектральной плотности выходного шума (раз­мерность В²/Гц) рассчитывается спектральная плотность напряже­ния между узлами схемы, указанными в окне параметров (Рис. 5), поля – Output node, Reference node. Если в качестве источника входного сигнала включается источник напряжения, то на вход пересчитывается спектральная плотность напряжения, а если источник тока, то спектральная плотность тока. Кроме выходного шума между узлами Output node и Reference node строится график шума пересчитанного ко входу, к месту подключения источника сигнала. График показывает, какой должен быть шум на входе без внутренних шумов, чтобы на выходе получить рассчитанный шум.

Рис. 5 Окно параметров режима моделирования «Noise»

1.1.5Distortion

«Distortion» – анализ нелинейных и интермодуляционных искажений. Режим предназначен для анализа 2-ой и 3-й гармоник сигнала во всем указанном диапазоне частот. Обычно первые гармоники вносят наибольший вклад в нелинейные искажения, поэтому выбраны только они. Интермодуляционные искажения анализируются при включенной опции F2/F1 (F1 – основная частота, F2 – дополнительная частота) и выбирается отношение этих частот (Рис. 6). Результат анализа – уровень сигнала на суммарной и разностной частоте, т. е. тестируется факт наличия амплитудной модуляции одного сигнала другим. Дополнительно рассчитывается график для частоты 2F1-F2 (второй гармоники первой частоты минус первой гармоники второй частоты).

Данный режим дополняет расчет коэффициента нелинейных искажений в режиме «Fourier». Он позволяет проанализировать весь диапазон частот, а не отдельную частоту, однако, только для 2-ой и 3-й гармоник.

Рис. 6 Окно параметров режима моделирования «Distortion»

1.1.6Parameter sweep

Следующий режим называется «Parameter sweep» – вариация параметров. В нижней части окна параметров (Рис. 7) перечислены режимы моделирования, для которых может быть проведен многовариантный анализ данного режима.

В правом нижнем углу находятся кнопки для установки параметров этих режимов, диалоговые окна кото­рых практически не отличаются от рассмотренных выше.

Например, можно исследовать изменения АЧХ и ФЧХ при вариации емкости конденсатора цепи. При определении значения емкости конденсатора, для которого получена та или иная кривая, необходимо курсор мыши подвести к соответствующей кривой, при этом значение емкости будет показано в левом нижнем углу окна.

Рис. 7 Окно параметров режима моделирования «Parameter sweep»