3.3. Построить переходную характеристику

Построение переходной характеристики (ПХ) проводится согласно методике, изложенной в пункте 1.2.3. настоящего пособия (стр.22 – 26). При построении ПХ необходимо задать параметры источника входного сигнала V1, V2, TD, TR, TF, PW, PER. После этого проводится временной анализ.

Необходимо построить ПХ на выходе схемы. По переходной характеристике определить постоянную времени цепи  . Для ее нахождения необходимо найти по графику временной отрезок от начала переходного процесса до времени, за которое сигнал достигнет уровня 0,63 от Umax (Umax - максимальное значение напряжения по модулю) для ПХ вида 20b (см. рис 20) или 0,37 от Umax для ПХ вида 20d (учтите ,что Ваша ПХ может быть инвертирована). Для ПХ вида 20f постоянная времени  определяется по огибающей на уровне 0,37 от ее максимального значения.

В отчете необходимо привести расчет параметров входного сигнала, график ПХ и определенную по графику постоянную времени  . Сделать вывод как изменилась форма сигнала на выходе усилителя по отношению к входному сигналу.

4. Варианты схем усилителей

Вариант 1

Вариант 2

Вариант 3

Вариант 4

Рис. 35. Варианты схем усилителей

Контрольные вопросы

1. Каковы требования к схеме при запуске анализа частотных характеристик?

2. Что такое параметр АС у источников сигнала? Какой величины следует задавать этот параметр?

3. Как установить задание на моделирование при анализе частотных характеристик?

4. Каким типы частотной шкалы можно выбрать и в каких случаях какой тип шкалы применяется?

5. Насколько правильны результаты анализа частотных характеристик нелинейных схем?

6. Что такое переходная характеристика?

7. Как связаны ПХ и АЧХ?

8. Как получить ПХ в PSpice?

9. Как найти постоянную времени цепи по графику ПХ?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

МОДЕЛИРОВАНИЕ АВТОГЕНЕРАТОРОВ

ПРИ ПОМОЩИ ПРОГРАММЫ PSPICE

Цель работы: изучение возможности моделирования автогенераторов при помощи программы PSpice, изучение параметрического анализа с использованием глобального параметра программы PSpice.

 

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Для выполнения настоящей работы необходимо изучить временной, параметрический анализ и использование глобального параметра программы PSpice, в настоящем пособии это следующие параграфы: 

1.2.2. Временной анализ (стр.17 – 22).

1.2.6. Параметрический анализ (стр.35 – 39).

1.2.7. Использование глобального параметра (стр.39 – 40).

2. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

Провести моделирование автогенератора. Исследовать влияние одного из радиоэлементов схемы на спектр сигнала генерации.

Варианты схем автогенераторов для исследования указывает преподаватель. Схемы автогенераторов показаны на рис.37.

 

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

3.1. Получить график сигнала генерации и его спектр

При моделировании автогенераторов используется временной анализ (transient). При этом необходимо указать начальные условия на реактивных элементах автогенератора: конденсаторах и индуктивностях. Начальные условия на конденсаторе – напряжение, на индуктивности – ток. Для того чтобы найти начальные условия на реактивных элементах необходимо рассчитать постоянные напряжения в узлах схемы и постоянный ток через индуктивность. Начальными условиями на конденсаторах будут равны разности значений постоянных узловых потенциалов на обкладках конденсатора, на индуктивности – ток через нее.

Основные этапы моделирования генераторов покажем на примере автогенератора, показанного на рис.36.

Рис.36. Схема автогенератора

Моделирование автогенератора можно разделить на несколько этапов.

3.1.1. Необходимо найти постоянные потенциалы в узлах схемы и постоянный ток через индуктивность. Для этого нужно нарисовать схему в Schematics и указать номиналы элементов схемы. Запустить анализ (Analysis → Simulate) без указания каких-либо видов анализа. Поскольку в PSpice всегда по умолчанию задан расчет узловых потенциалов (Bias Point Detail), то будут рассчитаны узловые потенциалы схемы и токи. Значения узловых потенциалов могут быть показаны в окне схемы, если нажата кнопка  в окне Schematics, значения токов будут выведены на схему, если нажата кнопка . Найденные узловые потенциалы указаны относительно "земли" (т.е. между узлом и "землей"). Полученные значения необходимо сразу же записать в отчет, поскольку в дальнейшем они изменятся.

3.1.2. Расставить значения начальных условий на реактивных элементах схемы. Начальные условия на конденсаторе будут равны разности напряжений на обкладках конденсатора.

Если конденсатор подсоединен одним выводом к "земле ", (например C1 на рис.36) начальные условия на нем будут равны потенциалу на выводе, не соединенном с землей.

Если конденсатор не соединен ни одним выводом с землей (например C2 на рис.36), начальные условия на нем будут равны разности потенциалов на его выводах.

Если для конденсатора разность потенциалов равна 0 (например, на рис. 36 C3 – конденсатор в колебательном контуре генератора), то 0 задавать нельзя. Для возбуждения колебаний следует задавать начальные условия отличные от 0, например 0.1 В.

Особенностью PSpice 8.0 является то, что начальные условия на конденсаторах необходимо задавать с отрицательным знаком, причем для конденсатора в колебательной системе автогенератора иногда нужно поэкспериментировать со знаком.

На индуктивности в качестве начальных условий задается ток. В данном случае через индуктивность течет ток коллектора, поэтому начальным условием для индуктивности будет значение этого тока. Часто на схеме ток выводится в миллиамперах, не забывайте задавать ток в начальных условиях так же в миллиамперах.

Для задания начальных условий необходимо вызвать окно параметров элемента, дважды щелкнув мышью на изображении элемента. В появившемся окне начальные условия записываются в поле IC (initial conditions).

3.1.3. Задать временной анализ схемы. При этом необходимо задать время анализа (Final time) таким, чтобы на графике отображалось 30 – 100 периодов сигнала генерации.

3.1.4. Запусить анализ (Analysis – Simulate).

3.1.5. Получить график сигнала генерации в программе Probe (снимается с коллектора транзистора). Найти амплитуду установившихся колебаний. Нарисовать в отчете график сигнала генерации.

3.1.6. Получить спектр сигнала генерации, для чего в окне программы Probe нажать кнопку . В результате будет выполнено быстрое преобразование Фурье временного сигнала.

Нарисовать спектр сигнала генерации.

По спектру определить частоту генерации автогенератора (по частоте первой гармоники) и коэффициент гармоник согласно формуле:

,

где U₁, U₂, U₃, U₄ - амплитуды 1-й, 2-й, 3-й, 4-й гармоник (см рис.37.). При вычислении этого коэффициента следует учитывать только достаточно большие по амплитуде гармоники.

Спектральная составляющая на частоте 0 Гц не является первой гармоникой. Это постоянная составляющая сигнала.

 

Рис. 37. Спектр сигнала автогенератора

3.2. Исследовать влияние индуктивности или емкости колебательного контура автогенератора на спектр сигнала генерации.

 

3.2.1. Необходимо получить семейство кривых на одном графике, каждая кривая соответствует спектру сигнала при определенной емкости или индуктивности. Для этого необходимо в дополнение к временному анализу, уже заданному ранее, установить параметрический анализ (см. параграф 1.2.6, стр.35 – 39). Перед этим величину емкости или индуктивности необходимо задать как глобальный параметр (см. параграф 1.2.7, стр.39 – 42). Изменение емкости или индуктивности предпочтительно задавать в пределах  30 ÷ 50%, шаг изменения задать таким, чтобы от начального до конечного значения получилось 3-5 значений. При этом в семействе характеристик будет соответственно 3-5 графиков.

3.2.2 В отчете нарисовать спектры сигналов автогенератора при различных емкостях или индуктивностях. Сделать вывод, на какие параметры сигнала и как влияет изменение исследуемого элемента.