2. Пример создания схемы и выполнения анализа в программе lTspice

Запустите программу.

Создайте новый файл. (File/New Schematic).

Создайте схему, изображенную на рис. 3.

Для выбора компонентов и соединения их между собой используйте инструменты:

При размещении элементов используйте комбинации клавиш:

Ctrl+M – зеркальное отражение компонента;

Ctrl+R – поворот компонента

Для перемещения компонента отдельно или вместе со связями используйте соответственно инструменты:

Особенностью интерфейса SwitcherCAD является то, что, как правило, прежде выбирается процедура, которую необходимо выполнить, а затем выбирается объект.

Для задания или изменения параметров текущего элемента необходимо подвести курсор к элементу. При этом курсор принимает форму руки. При нажатии правой клавиши мыши появляется диалоговое окно, в поля которого необходимо ввести соответствующие параметры. Для примера на рис. 4 показано диалоговое окно для ввода параметров модели конденсатора. При вводе номиналов используйте с окращения: meg = Мега, k = кило, m = милли, u = микро, n = нано, p = пико. При вводе номиналов можно использовать следующие формы: 5100, 5.1К, 5.1Е3.

И спользуя клавишу F2 или инструмент Component ( ), выберите из списка источник напряжения (voltage). Поместите в рабочее поле два экземпляра источника. Один из них подключите ко входу схемы, а второй поместите за пределами схемы. Полагая, что этот независимый источник будет моделировать источник питания, соединим его с шиной питания с помощью инструмента Label Net ( ). При выборе этого инструмента появляется диалоговое окно, изображенное на рис. 5. Введите в поле текст "+10" и нажмите ОК. Появившуюся метку прикрепите поочередно к положительному полюсу источника питания и к шине питания, как показано на рис. 3. При анализе схемы цепи с одинаковыми именами будут считаться эквипотенциальными.

Задайте параметры источников. Для источника питания V2 в окно DC value (V) введите значение 10. Для источника входного сигнала V1, войдя в диалоговое окно, нажмите кнопку "Advanced", чтобы попасть в расширенное диалоговое окно. В нем выберите функцию "SINE", и введите параметры источника:

В окно DC offset: 0,

В окно Amplitude:300m,

В окно Freq: 1k,

В поле Small signal AC analysis (.AC) в окно АС amplitude: 1

Сейчас схема готова для проведения моделирования. Выбор видов анализа и задание параметров анализа производится в диалоговом окне, которое появляется при выборе меню Simulate/Edit simulation Cmd или Edit/Spice Analysis (рис. 6).

Для расчета и анализа частотных характеристик выполните следующие действия.

Выберите вкладку AC analysis.

В ведите в соответствующие поля тип шкалы (Type of Sweep), количество точек данных (Number of points…), начальное (Start Frequency) и конечное (Stop Frequency) значения диапазона частот, в пределах которых будет проводиться анализ (например, как изображено на рис. 6).

Нажмите кнопку OК и поместите полученную директиву моделирования на рабочем листе.

Выберите меню Simulate/Run. По этой команде программа произведет расчет частотной зависимости всех переменных схемы (всех токов в ветвях и напряжений в узлах) и откроет дополнительное окно для вывода АЧХ и ФЧХ.

Поместите курсор в окно графиков и при нажатии правой клавиши мыши выберите команду Add Trace. При этом откроется окно со списком всех переменных. Выберите, например, V(out) и в окне графиков появится АЧХ и ФЧХ анализируемой схемы. Можно и по-другому выбрать анализируемую переменную. Для этого после анализа необходимо в окне схемы подвести курсор к интересующему вас узлу или ветви. Около узла курсор принимает форму щупа, а около ветви – форму токовых клещей. При нажатии левой клавиши мыши график выделенной переменной появится в окне графиков.

Для большей наглядности отредактируйте графики. Для этого можно использовать меню Plot Settings, которое появляется при нажатии правой клавиши мыши в любом месте окна графиков. Оси координат можно отредактировать непосредственно, помещая курсор мыши вблизи редактируемой оси (при этом курсор принимает вид линейки). При нажатии левой клавиши мыши появляется диалоговое окно, в котором можно изменить границы диапазона, тип шкалы, шаг шкалы и др. Курсор, помещенный около названия переменной, приобретает форму руки и при нажатии правой клавиши мыши появляется диалоговое окно, форма которого и зображена на рис. 18.7. В этом окне можно записать выражение с участием анализируемой переменной, изменить цвет графика, поместить на график курсоры для проведения детальных измерений, удалить график или вызвать новый.

П опробуйте получить вид графиков, показанный на рис. 8. Здесь на рис. 8, а показаны графики АЧХ и ФЧХ усилителя по схеме, изображенной на рис. 3. На рис. 8, б изображена панель курсоров, которая появляется при выборе двух курсоров (см. рис. 7). Первый курсор установлен на нижнюю граничную частоту полосы пропускания усилителя, а второй – на максимум АЧХ в рабочем диапазоне частот.

Используя инструмент моделирования легко исследовать влияние элементов схемы на параметры частотных характеристик. В качестве примера воспользуемся директивами .PARAM и .STEP для исследования влияния емкости разделительных конденсаторов на нижнюю граничную частоту полосы пропускания усилителя. Зададим номиналы разделительных конденсаторов в виде глобальных переменных {cp} и, используя команду Edit/Spice Directive, вставим в схему следующие директивы управления

.param cp=1u

.step param cp list 0.1u 1u 10u

П роведем моделирование, результат которого показан на рис. 9. Видно, что малая величина разделительного конденсатора (0,1 мкФ) существенно ограничивает низкие частоты в спектре входного сигнала. В то же время, увеличение емкости конденсатора до 10 мкФ не дает выигрыша по сравнению с использование емкости 1 мкФ.

Р асчет переходных процессов рассмотрим на примере RLC-цепи, схема которой приведена на рис. 10. Соберите схему с теми же номиналами, как и на рис. 10. Используя команду Edit/Spice Directive, задайте начальный ток в контуре директивой .ic I(L1) = 1u. Время моделирования переходного процесса задайте, выбрав меню Simulate/Edit simulation Cmd и вкладку Transient (см. рис. 11). Запустите программу на моделирование.

Выведите график напряжения на конденсаторе С1 (рис. 12).

Рис. 12. Временная диаграмма напряжения на конденсаторе RLC-контура

Видим, что в контуре происходят периодические колебания с падающей амплитудой, характеризующие потери запасенной энергии на резисторе R1. С помощью двух курсоров можно найти период колебаний (рис. 13) и определить частоту собственных колебаний контура (в нашем примере соответственно 200 мкс и 5 кГц).

Д обавьте к графику напряжения график тока в контуре. Один курсор назначьте для графика напряжения, а другой – для графика ток. Установите курсоры так, чтобы они показывали значения двух соседних максимумов амплитуд соответственно на графиках напряжения и тока, как показано на рис. 14. Видим, что ток в контуре на 50 мкс опережает напряжение на конденсаторе, что соответствует фазовому сдвигу 90.

Добавьте в схему директиву step param rs list 0.5 2 5, а в качестве параметра резистора R1 задайте глобальную переменную {rs}. С помощью этой директивы можно провести исследование влияния сопротивления потерь в контуре на скорость затухания колебаний. Запустите программу на моделирование. Полученные результаты изображены на рис. 15. Наглядно видно, что с ростом сопротивления скорость затухания колебаний возрастает.

Рис. 15. Изменение скорости затухания колебаний с увеличением потерь в RLC-контуре

Практическое задание 2

1. Получите номер задания у преподавателя и выполните необходимые расчеты.

2. С помощью изученной программы промоделируйте поведение электрической цепи и убедитесь, что все расчеты выполнены правильно.