Radioavtomatika

Достаточно запустить симуляцию процесса и наблюдать АЧХ на графике. По АЧХ определим экспериментально частоту среза. Как мы знаем частоту среза можно наблюдать на уровне -3дБ, если график построен в логарифмическом масштабе. Пользуясь маркером, можно точно выставить уровень -3 Дб. Необходимо получить АЧХ для четырех САР. В качестве примера, на рис.11.28 показана АЧХ второй САР. При этом частота среза равна

3,634 Гц.

Методика проведения исследования:

1. В основной схеме, построенной для исследования переходных процессов, убираем лишние элементы: осциллограф и кнопку. Добавляем на рабочее поле источник переменного напряжения и измеритель АЧХ, выполняем соединения согласно рис. 11.27.

2.Запускаем моделирование процесса.

3.Настраиваем измеритель АЧХ. Выбираем Magnitude (Величина). Выбираем логарифмический масштаб. Настраиваем параметры измерителя АЧХ. Маркером выставляем уровень -3Дб и фиксируем частоту среза. Повторяем действия для оставшихся САР.

4.Дополнительно можно провести исследование ФЧХ. Необходимо выбрать Phase (Фаза). Настраиваем параметры прибора.

Рис. 11.27. АЧХ второй САР.

81

Замечание. Содержание отчета должно соответствовать методическим указаниям выполняемой работы.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ

ВОЗМОЖНОСТИ СРЕДЫ «DESIGNLAB 8.0» И КРАТКАЯ ИНСТРУКЦИЯ ДЛЯ РАБОТЫ В ЭТОЙ СРЕДЕ

В среде схемотехнического моделирования «DesignLab» возможно исследование устройств, описанных на уровне принципиальной, функциональной и структурной схем, а также решение систем дифференциальных уравнений. Порядок действий при моделировании следующий.

1.В среде «DesignLab» отсутствуют развитые средства диагностики. Поэтому советуем студенческой бригаде (даже состоящей из одного студента) серьезно подойти к решению задачи выбора студента-оператора, манипулирующего клавишами и мышью ЭВМ (ресурсы времени лабораторного занятия и нервных клеток преподавателя ограничены!).

2.Моделирование начинается с запуска редактора «Schematics». Желательно до начала моделирования организовать персональный каталог для записи файлов, создаваемых средой «DesignLab».

3.В редакторе Schematics составить схему моделируемого устройства. Размещение компонентов схемы выполняется последовательностью команд

«Draw/Get New Part/Libraries + Place» (фиксация компонента осуществляется нажатием левой кнопки мыши, а завершение размещения – правой). Если для удобства изображения схемы необходимо развернуть компонент, то используется комбинация клавиш «Сtrl+R» (Rotate).

Соединение компонентов выполняется после команды «Draw/Wire» или нажатия соответствующей дублирующей кнопки на панели управления средой (начало, изломы и конец линий фиксируются при нажатии левой кнопки мыши, а окончание рисования линий – правой).

4.Для редактирования параметров компонентов следует выделить (нажатием левой кнопки мыши) компонент и, либо двойным нажатием левой кнопки мыши, либо командами «Edit/Attributes» вызвать редактор параметров (атрибутов).

82

Числовые данные вводятся либо без размерности с фиксированной или плавающей точкой, либо с размерностью и масштабными суффиксами:

p 1e 12, n 1e 9, u 1e 6, m 1e 3, k 1e3, meg 1e6, g 1e9, t 1e12 .

Например:

pF, kOm, megOm, mS, mSec

и т.д. (строчные и прописные буквы не различаются).

После ввода каждого параметра следует дать команду «Save Attr». Для инерционных компонентов необходимо указать начальные условия (IС).

5. Командой «File/Save As» записать задачу в свой каталог. В дальнейшем можно пользоваться командой «File/Save». Для каждой задачи создавать отдельный каталог.

6. С помощью команды «Analysis/Electrical Rule Check» проверить пра-

вильность ввода схемы устройства.

7. С помощью команды «Analysis/Setup/...» задать директивы моделирования. Например, для выполнения вычислений частотных характеристик в разделе «Analysis/Setup/AC Analysis» установить октавное разбиение оси частот, выбрать желаемое число точек вычислений на октаву, а также начальное и конечное значения частоты. Для выполнения вычислений переходной характеристики в разделе «Analysis/Setup/Transient Analysis» установить шаг дискретизации и время анализа (рекомендуется шаг дискретизации подтвердить в нижнем окне «Step Ceiling»).

8. Создать список соединений с помощью команды «Analysis/Create Netlist». Этот список можно просмотреть по команде «Analysis/Examine Netlist».

9. Командой «Analysis/Simulate» запустить задачу на моделирование (в меню «Analysis/Probe Setup» должна быть включена первая позиция опции

«Auto Run Option»).

10. В среде постпроцессора «Probe» построить результаты моделирования в виде графиков. Для этой цели используется команда «Trace/Add», а также командная строка «Trace Expression», в которую следует вывести наблюдаемые переменные или их функции (например: DB(V(5)/V(1)) – модуль в децибелах, P(...) – фаза, R(...) – реальная часть, IMG(...) – коэффициент мнимой части. D(...) – производная по времени и т.п.).

Для замены переменной по оси X используются команды: «Plot/X Axis Setting/Axis Variable».

83

11. Для вывода числовой информации можно использовать следующие способы.

использование двух курсоров, управляемых левой и правой кноп-

ками мыши (команды «Tools/Cursor/Display»);.

к соответствующей точке схемы подсоединить компонент «Print1» из библиотеки «Special.slb», для вывода частотных характеристик установить атрибут «Analysis=AC» (для вывода переходного процесса нужен еще такой компонент с атрибутом «Analysis =Tran»). В случае вывода функциональных преобразований (например, при построении логарифмических характеристик) можно использовать компонент «VPrint1», в атрибутах кото-

рого следует указать: AC=V(out), PHASE= V(out), DB=V(out). Результаты моделирования (таблицы) можно найти в файле *.out (команды

«Analysis/Examine Output»);

выделить желаемый график (идентификатор графика внизу экрана), командой «Edit/Copy» результаты моделирования занести в память, за-

пустить текстовый редактор (например: «Пуск / Программы / Стандартные / Word Pad») и извлечь таблицу из памяти (команды «Правка/Вставить»).

12. Для построения семейства графиков (параметрический анализ) необходимо выполнить следующие манипуляции:

значение параметра (сопротивление, емкость, ...) указать в виде

{Rval}, {Cval} ... .

добавить к схеме компонент «Param» из библиотеки «Special.slb»

ив его атрибутах указать Name1: Rval, Value1: 1k.

в разделе меню «Analysis/Setup/Parametric» отметить разделы

«Global parameter», «Value List» и указать Name: Rval, Values: перечень значений параметра, разделенных пробелом.

выделить раздел «Parametric» в «Setup».

Замечание. В случае фатальной неудачи при выполнении действий по п.11, находчивые студенты создают несколько копий схемы моделирования с разными значениями резистора (и разными идентификаторами элементов!).

13. Для текущего контроля процесса моделирования (в случае длительных вычислений) используется компонент «Watch1», в атрибутах которого указывается вид анализа, а также нижнее и верхнее значения переменной.

84

1. МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ РАДИОАВТОМАТИКИ МЕТОДОМ ЗАМЕЩЕНИЯ LCR-ЦЕПЬЮ

Цель работы:

1)экспериментальное определение показателей качества САУ и установление их связи со структурой и параметрами САУ, определяемыми ее передаточной функцией;

2)приобретение навыков работы со средой моделирования.

1.1. Описание схемы моделирования

При выполнении первого задания необходимо освоить среду моделирования и научиться строить результаты моделирования для переменных схемы и их функциональных преобразований в числовой и графической форме. Поэтому для моделирования предлагается простейшая схема, не требующая трудоемкого ввода и длительного моделирования.

Методом замещения LCR-цепью моделируется САУ с передаточной функцией в разомкнутом состоянии

WP ( p) KV (1 pT1) , p(1 pT2 )

ческой бригады.

Схема замещения имеет вид, показанный на рис.1.1.

В схеме используется источник V1 типа «VPWL» из библиотеки «Source.slb». Этот источник вырабатывает напряжение заданной формы, аппроксимируемое кусочно-линейной функцией (в атрибутах «VPWL» следует задать DC=1, AC=1, с помощью параметров Ti и Vi описать ступенчатое воздействие). В схеме также используются элементы L, C, R из библиотеки «Analog.slb», аналоговая земля «AGND» и выводы «Bubble» из библиотеки «Port.slb». Передаточная функция LCR-цепи совпадает с передаточной функцией замкнутой САУ, а параметры определяются с помощью соотношений:

C 1e 6 (мкФ) L T2 KV C , R1 1 KV C , R2i T1i C .

1.2. Задание по работе

1.2.1 Моделирование LCR-цепи.

Выполнить моделирование 3 вариантов LCR-цепи с построением

85

1)переходных характеристик,

2)частотных характеристик,

Рис.1.1.

3)амплитудно-фазовых характеристик (годографы),

4)фазовых траекторий (зависимость производной DV(out) от V(out)). Замечание. При построении АФХ в графическом постпроцессоре

«Probe» указать «Plot/X Axis Setting/Scale» = Linear, «Plot/X Axis Setting/Axis Variable/Trace Expression» = R(V(Out)), «Trace/Add/ Trace Expression» =

Img(V(Out)).

При построении фазовой траектории рекомендуется к выходу схемы через буферный элемент (управляемый напряжением источник напряжения «E» из библиотеки «Analog.slb») подключить дифференцирующее звено

«DIFFER» из библиотеки «Abm.slb».

1.2.2. Моделирование RС-цепи (апериодического звена).

Исключить из схемы L и R2 , построить логарифмические характеристики апериодического звена (см. п.9 раздела 1).

1.3. Содержание отчета

1. Задание, структурная схема САУ, ее передаточные функции, расчет элементов схемы.

86

2.Схема моделирования, списки соединений и директив моделирования

(разделы «Netlist» и «Analysis setup» файла *.out).

3.Результаты моделирования LCR-цепи (4 семейства кривых).

4. Экспериментальные и асимптотические ЛАЧХ и ФЧХ апериодического звена.

5. Заключение, содержащее постановку задач исследования, методику их проведения и основные выводы.

1.4. Контрольные вопросы

1.Как изменятся переходные процессы и АЧХ САУ при увеличении (уменьшении) резистора R2?

2.Какая связь существует между переходным процессом и АЧХ САУ?

3.Какая связь существует между переходным процессом и АФХ САУ?

4.Какая связь существует между переходным процессом и фазовой траекторией САУ?

5.В каком направлении следует изменять АЧХ (АФХ) для снижения колебательности системы?

6.Указать установившееся значение выходного напряжения САУ при g(t) 1(t) (ответ обосновать с помощью передаточной функции САУ).

7.Найти отличия экспериментальных и асимптотических ЛАЧХ и ФЧХ апериодического звена.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ САУ С ЭЛЕКТРОННЫМ ИНТЕГРАТОРОМ

Цель работы:

1)определение показателей качества САУ путем моделирования на

ЭВМ;

2)приобретение навыков работы с ЛХ.

2.1. Описание схемы моделирования

При выполнении второго задания предполагается, что среда моделирования освоена и основное внимание уделяется исследованию САУ.

В состав САУ входит пропорционально-интегрирующее звено и электронный интегратор, построенный на операционном усилителе (ОУ). Передаточная функция такого «интегратора» при большом коэффициенте усиления ОУ имеет вид:

87

В области частоты среза САУ эту передаточную функцию можно упростить:

1 / RC WЭС ( p) p .

Поэтому динамические свойства (переходные процессы) САУ с электронным и идеальным интегратором одинаковы. При моделировании САУ с электронным интегратором считать, что структура и параметры САУ соответствуют Заданию 1.

Схема моделирования приведена на рис. 2.1. В схеме используются источники V1 типа «VPWL» и V2, V3 типа «VSRC» из библиотеки«Source.slb», сумматор «ESUM» из библиотеки «Abm.slb», управляемый напряжением источник напряжения «E» (буферный каскад) из библиотеки «Analog.slb», операционный усилитель «LF411» из библиотеки «Eval.slb». В САУ используется инвертирующий электронный интегратор, поэтому к выходу системы подключен инвертор E3.

Рис. 2.1

Схема громоздкая, поэтому, с целью экономии времени, допускается использование готовой модели. Для этого следует выполнить копирование файлов готовой модели из указанного преподавателем каталога в свой ката-

88

лог, запустить файл *.sch и дать команды «Analysis/Electrical Rule Check» и «Analysis/Create Netlist».

2.2. Задание по работе

Выполнить исследование САУ (3 варианта) с построением:

1)переходных процессов (для замкнутой системы),

2)логарифмических и амплитудно-фазовых характеристик (для разомкнутой системы). При построении АФХ на панели «X Axis Settings» включить режим линейного масштаба оси абсцисс.

2.3. Содержание отчета

1.Задание, структурная схема САУ, ее передаточная функция, расчет элементов схемы.

2.Теоретическая часть отчета, включающая в себя:

семейство асимптотических ЛХ,

семейство переходных процессов САУ, построенных по ЛХ,

семейство АФХ, приближенно построенных по ЛХ с указанием точки пересечения единичной окружности,

распределение полюсов передаточной функции замкнутых САУ на плоскости комплексной переменной.

3.Экспериментальная часть отчета, включающая в себя:

схему моделирования, списки соединений и директивы модели-

рования (разделы «Netlist» и «Analysis setup» файла *.out),

результаты исследований (три семейства кривых).

4.Сопоставление теоретических и экспериментальных результатов,

проверка соотношений для tН и %.

5. Заключение, содержащее постановку задач исследования, методику их проведения и основные выводы.

Указание. Комплект асимптотических ЛХ должен быть в наличии у каждого студента бригады, чтобы иметь возможность продемонстрировать свои персональные способности к работе с ЛХ.

2.4. Контрольные вопросы

1. Как изменятся переходные процессы и АЧХ САУ при увеличении (уменьшении) коэффициента усиления?

89