2 Моделирование схем

2.1 Классификация элементов электрических цепей

Электрическая цепь может содержать следующие элементы:

- генерирующие энергию (источники питания, генераторы сигналов);

- преобразующие электромагнитную энергию в другие формы энергии (активные элементы);

- запасающие и отдающие энергию (реактивные элементы).

Свойства активных элементов можно описать зависимостями прохождения тока от падения напряжения на них (вольт – амперными характеристиками). Свойства реактивных элементов описываются интегро - дифференциальными уравнениями, поэтому для их исследования требуются сложные сигналы, зависящие от времени. К основным элементам электрической цепи относятся:

- управляемые и неуправляемые источники постоянного и переменного тока и напряжения;

- резисторы с регулируемым и нерегулируемым сопротивлением; - конденсаторы, катушки индуктивности.

2.2 Операции при моделировании схем

2.2.1 Классификация операций. При построении и редактировании схем выполняются следующие операции:

- выбор компонентов из библиотеки компонентов;

- выбор прибора;

- выделение объекта;

- перемещение объекта;

- определение цвета компонентов;

- установка значений компонентов;

- соединение компонентов проводниками.

2.2.2 Выбор компонентов из библиотеки. Простейшие виртуальные компоненты вызываются на рабочее поле щелчком мыши на пиктограмме. Сложные виртуальные и реальные компоненты вызываются через обозреватель компонентов Component Browser, посредством двойного щелчка мыши на позиции поля выбранного компонента в каталоге компонентов.

На рабочее поле выводится изображение компонента с текстовыми вкладками:

- идентификатор компонента – обозначение поID (например R1);

- ярлык (Label) – отражает функциональное назначение компонента;

- атрибуты (Attributes) – условия функционирования компонента (например, максимальная температура);

- на вкладке Display определяется какие текстовые фрагменты должны быть на схеме;

- на вкладкеValue устанавливаются основные параметры компонентов.

2.2.3 Установка значений параметров компонента. При двойном щелчке мыши на изображении компонента открывается диалоговое окно, в которое нужно ввести параметры компонента и нажать ОК.

Можно редактировать модель – надо щелкнуть на поле Edit Model. После редактирования можно выбрать поле:

- Change Part Model – изменяется модель только конкретного компонента

- Change All Model- изменяются модели всех компонентов данного типа;

- Restore – восстанавливается исходная модель.

2.2.4 Выбор прибора и вывод его на рабочее поле. Для выбора прибора необходимо щелкнуть мышью на его пиктограмме. В правой части рабочего окна появится уменьшенное изображение прибора. Курсор перемещает изображение, щелчок мыши и положение изображения фиксируется. Прибор включается в схему как обычный компонент. Расширенное изображение прибора появляется после двойного щелчка мышью на его уменьшенном изображении.

Выделение объектов, перемещение, копирование удаление, вставка выполняются аналогично операциям в операционной системе Windows.

2.2.5 Соединение объектов проводниками, удаление проводников. Курсор подводится к выводу данного компонента. Он приобретает вид перекрестия с точкой в центре. При нажатой левой кнопке перемещение курсора к выводу второго компонента образует между ними пунктирную линию, которая после щелчка мыши превращается в проводник. Однако если еще щелкнуть, то проводник снова превратится в пунктирную линию и если отвести курсор от компонента и щелкнуть еще, то проводник исчезнет.

Проводник можно удалить, используя контекстное меню. Для этого курсор должен быть на проводнике и в меню выбрано Delete.

2.2.6 Вставка компонента в цепь. Данная операция осуществляется перемещением компонента на провод, после чего отпускается кнопка мыши.

ВНИМАНИЕ. Нельзя перемещать компоненты по проведенным проводам.

2.2.7 Работа с субблоками. После выделения части схемы выбирается один из пунктов меню: Place as Subcircuit или Replace by Subcircuit.В обоих случаях появляется диалоговое поле Subcircuit Name. После введения имени по команде Replace by Subcircuit, выделенная часть схемы заменяется соответствующим субблоком. Двойной щелчок открывает блок для редактирования.

2.2.8 Размещение текста на рабочем поле. В схемы конструкторской документации вводят комментарии. Для вставки текста выбирается поле Place Text в меню Place.После появления курсора в виде вертикальной стрелки в меню выбирается поле Option/Preferences/Font и в открывшемся окне установить шрифт Baltic.

В редактор можно войти иначе: Place/Place Text Description Box. Запуск, пауза, остановки процесса моделирования проще осуществляются кнопками управления внутри модели.

2.3 Математическая обработка результатов исследования модели

2.3.1 Сигналы и помехи. Целью любого моделирования, в том числе и схемотехнического, является получение новой информации об объекте моделирования. Однако, в любом измерении, помимо сигналов несущих информацию о свойствах, характеристиках объекта моделирования содержатся сигналы помехи. Помехи могут быть как присущими элементам схемы (шумы резисторов, диодов, транзисторов), так и привнесенными измерительным устройством. В любом случае, для получения достоверной информации, необходимо знать уровень превышения сигнала над помехами. Для этого вводится коэффициент отношения мощности сигнала (P) к мощности помехи ( ).При практическом применении этого отношения используется его логарифмическое представление:

=10 lg (2.1)

где - коэффициент помехоустойчивости.

Чем сложнее сигнал, тем больше должен быть этот коэффициент – если для телефонного сигнала достаточно иметь превышение сигнала над помехами в 3дб, то для телевизионного он должен быть не менее 30 дб.

Поэтому, исходя из назначения схемы и возможного ее использования, методы обработки экспериментальных данных могут быть разные:

1 Визуальная оценка по двоичному принципу (больше – меньше, лучше - хуже). Такую оценку правомерно применять при сравнении двух моделей, выполняющих одну и ту же функцию в одинаковых условиях, при малых помехах. Визуальная оценка производится по сравнению табличных данных или графиков;

2 Оценка по среднему квадратическому отклонению абсолютной ошибки. Для случайных величин двоичная оценка невозможна т.к. величина в процессе испытаний принимает разные значения. Поэтому после достаточного числа измерений (для нормального закона распределения их должно быть не менее 7-8) определяется среднее значение ( ) случайной величины (y) и среднее квадратическое отклонение ( ). Результат измерений представляется в виде:

y= , (2.2)

где y_i – отдельные измерения, = - среднее значение величины y,

= y_i - - отклонение измеренных значений от среднего значения,

= - мощность помехи (квадрат среднего квадратического отклонения);

3 Оценка по коэффициенту вариации. Оценка сигнала и помех по формуле (2.2) дает достаточную информацию о стационарных сигналах и помехах. Однако пользоваться этим соотношением не всегда удобно, особенно при сравнении нескольких сигналов и помех, поэтому используется коэффициент вариации (V).

V= / (2.3)

Квадрат коэффициента вариации – это отношение мощностей помехи и сигнала;

4 Оценка по среднему квадратическому отклонению относительной ошибки.

Предыдущие оценки относятся только к стационарным сигналам и помехам. Для нестационарных сигналов и помех их использовать нельзя т.к. средние значения сигналов и помех зависят от времени, или от какого – либо иного параметра, взятого в качестве переменной величины. Поскольку, в данном случае, мы не можем использовать понятие среднего значения исследуемой величины (y₁), то сравнение можно производить только с данными другого объекта (y₂), принятого в качестве эталона, или любой заданной последовательности. В первом случае примером может служить градуировка прибора по образцовому прибору (эталону), а во втором - сравнение с заранее известной функцией. В этом случае, относительная ошибка определяется по формуле:

=1 - , (2.4)

а коэффициент вариации по соотношению

V_OT = , (2.5)

где y_1i ,y_2i – последовательности сигналов – исследуемая и образцовая.