Уч_пособие_Multisim

Источник постоянного напряжения DC_POWER и заземление GROUND содержатся в группе Sources в семействе POWER_SOURCES, стабилизатор напряжения LM1084IS-ADJ/NOPB – в группе Power в семействе

VOLTAGE_REGULATOR, резистор – в группе Basic в семействе RESISTOR.

Установить значение напряжения V1 = 10 В, V2 = 1.26 В. Установить индикатор напряжения перед нагрузкой R1.

3.Сохранить файл, присвоив ему подходящее имя с помощью команды

File→Save as.

4.Построить семейство выходных напряжений.

Для этого установить тип анализа – DC Sweep. Во вкладке Analysis parameters поставить галочку в поле Use source 2. Задать линейное изменение источника напряжения V1 в пределах от 0 до 29 В с шагом 0.1 В. Также задать линейное изменение источника постоянного напряжения V2 в пределах от 1.1 до 1.3 В с шагом 0.1 В. Нажать кнопку Run.

5. Исследовать нагрузочную характеристику стабилизатора.

Для этого необходимо использовать тип анализа – Parameter Sweep.

Открыть вкладку Analysis parameters. В разделе Sweep parameters указать в поле Device Type (тип элемента) – Resistor; name – R1; parameter – resistance.

В разделе Point to sweep (закон изменения параметра) выбрать способ изменения параметра – Linear (линейный). Изменение параметра произвести в пределах от 100 Ом до 1 кОм с шагом 180 Ом. В разделе More options (дополнительные возможности) из развертывающегося списка выбрать режим исследования по постоянному току – DC Operating Point. Поставить галочку в поле Group all traces on one plot. Поставить галочку в поле Display results on a graph. Выполнить моделирование.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Операционный усилитель (ОУ) – это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход и обычно один выход.

ОУ обычно имеет пять выводов: инвертирующий вход IN− и неинвертирующий вход IN+, два вывода для напряжения питания V+/V− и выход схе-

мы OUT (рис. 4.1).

Напряжение на выходе ОУ определяется формулой:

30

Uout = (U+ – U−)∙K,

где Uout – напряжение на выходе ОУ; U+ и U− – напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах, а K – коэффициент усиления ОУ.

Значение коэффициента усиления у микросхем операционных усилителей обычно большое – 100000 и выше.

Для того чтобы работа ОУ была предсказуемой, применяется отрицательная обратная связь, которая устанавливается путем подачи части напряжения с выхода усилителя на его инвертирующий вход. Однако в этом случае сильно уменьшается коэффициент усиления, и усилительные свойства схемы больше зависят от характеристик обратной связи, чем от свойств операционного усилителя (рис. 4.2).

В современных САПР аналоговые интегральные схемы представляются подсхемами, которые называются макромоделями. Такие макромодели в зависимости от учитываемых параметров имеют различную степень сложности. Одним из наиболее востребованных в схемотехнике является ОУ, макромодель которого и исследуется в данной лабораторной работе.

Для построения амплитудно- и фазочастотных характеристик в пакете NI Multisim предусмотрен специальный виртуальный прибор Bode Plotter. Данный прибор можно найти по команде Simulate→Instruments→Bode Plotter или на панели с правой стороны рабочего поля. Для правильного подключения данного прибора к цепи необходимо информационный вход In+ подключать к входной цепи, информационный вход OUT+ подключать к выходной цепи, а входы IN и OUT с символом «−» подключать к «земле».

Лицевая панель анализатора частотных характеристик представлена на рис. 4.3.

Существуют два режима представления графиков: в режиме Magnitude на экране прибора будет показана амплитудная характеристика исследуемой схемы, в режиме Phase – фазовая.

31

Рис. 4.3. Лицевая панель виртуального прибора Bode Plotter

Для удобного представления графиков можно устанавливать по оси Х (Horisontal) начальное значение частоты I (Initial), конечное значение частоты F (Final); по оси Y (Vertical) – начальное значение I (Initial) и конечное значение F (Final) амплитуды (dB) или фазы (deg). Обе шкалы могут измерять как в логарифмическом, так и в линейном масштабе. Bode Plotter снабжен маркером, необходимым для проведения измерений. Его положение оцифровывается – под экраном виртуального прибора для визира отображаются значения частоты и амплитуды (фазы).

Моделирование характеристик ОУ

1.Запустить программу NI Multisim.

2.Используя набор библиотек программы NI Multisim, построить схему, представленную на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Схема моделирования амплитудных характеристик ОУ

32

Источник постоянного напряжения DC_POWER и заземление GROUND содержатся в группе Sources в семействе POWER_SOURCES, ОУ LM324AD – в группе Analog в семействе OPAMP, резистор – в группе Basic в семействе RESISTOR. Установить значение входного напряжения V1 = 5 В, V2 = 5 В, напряжения питания V3 = 12 В, V4 = 12 В.

3.Сохранить файл, присвоив ему подходящее имя с помощью команды

File→Save as.

4.Установить индикатор напряжения на нагрузке R1.

Для этого необходимо зайти в строку меню Place→Probe→Voltage. 5. Смоделировать схему по постоянному току в рабочей точке.

Для этого в окне Analyses and Simulation выбрать моделирование типа DC Operating Point. На вкладке Output автоматически установится зависимость напряжения на выходе. Запустить моделирование.

6.Построить амплитудные характеристики ОУ – зависимости напряжения на выходе от напряжения на одном из входов при фиксированном напряжении на втором входе.

Для этого в режиме DC Sweep для источника, который подключен к положительному входу ОУ (V1), задать диапазон изменения напряжения 0…10 В и шаг 1 В. На вкладке Output уже автоматически выставлено напряжение на индикаторе. Запустить моделирование. Построить аналогичную зависимость для источника V2.

7.Построить семейство амплитудных характеристик ОУ.

Для этого в режиме DC Sweep поставить галочку напротив функции Use source 2. В качестве второго источника выбрать источник V3, в качестве первого источника (Use source 1) – V1. Для источника V3 задать диапазон изменения напряжения 0…20 В с шагом 3 В. Запустить моделирование. Построить аналогичную зависимость для источника V4.

8. Построить частотные характеристики ОУ.

Для того чтобы смоделировать частотные характеристики операционного усилителя, следует добавить цепь обратной связи (рис. 4.5).

Источник синусоидального напряжения AC_VOLTAGE находится в группе Sources в семействе SIGNAL_VOLTAGE_SOURCES.

Для источника синусоидального напряжения поставьте значения в соответствии с рис. 4.6. Также необходимо поставить на вход индикатор напряжения.

33

Рис. 4.5. Схема моделирования частотных характеристик ОУ

Рис. 4.6. Окно задания параметров для источника синусоидального напряжения

Для построения частотных характеристик ОУ необходимо выбрать режим AC Sweep. Диапазон изменения частот от 1 Гц до 5 МГц. Тип свиппирования и вертикальная шкала изменяются линейно, число точек задать 1000. На вкладке Output автоматически задана зависимость от датчиков напряжения. Запустить моделирование. В появившемся окне Grapher Viewer верхний график представляет собой амплитудно-частотную характеристику, нижний – фазочастотную характеристику.

34

Помимо входного и выходного напряжений необходимо построить отношение выходного напряжения к входному (т. е. частотную зависимость коэффициента усиления по напряжению). На вкладке Output уберите зависимость от датчиков напряжения, для этого нажмите кнопку Remove. Добавьте зависимость напряжения на выходе, деленного на напряжение на входе. Для этого нажмите кнопку Add expression и в появившемся окне задайте необходимую зависимость (V(PR1)/V(PR2)). Запустить моделирование.

Определите тип фильтра и его полосу пропускания. Для этого в окне Grapher View используйте курсоры. Полоса пропускания фильтра определяется по уровню 0,707 от максимума.

9.Построить семейство частотных характеристик для различных сопротивлений в цепи обратной связи R3.

Для этого необходимо использовать тип анализа – Parameter Sweep.

Открыть вкладку Analysis parameters. В разделе Sweep parameters указать в поле Device Type (тип элемента) – Resistor; name – R3; parameter – resistance.

Вразделе Point to sweep (закон изменения параметра) выбрать способ изменения параметра – Linear (линейный). Изменение параметра произвести в пределах от 5 до 20 кОм с шагом 5 кОм.

В разделе More options из развертывающегося списка выбрать режим исследования AC Sweep. Зайти в Edit analysis и применить ранее использованные настройки AC Sweep, нажав на кнопку Reset to main AC values. Поставить галочку в поле Group all traces on one plot. Поставить галочку в поле Display results on a graph. В закладке Output задать зависимость (V(PR1)/V(PR2)). Выполнить моделирование.

10.Построить временные характеристики ОУ.

Для этого в окне Analyses and Simulation выбрать тип моделирования Transient. Установите диапазон времени 6e-4 с. На вкладке Output автоматически будут заданы напряжения от двух датчиков напряжения. Запустить моделирование.

Далее определите частоту входного и выходного сигналов. Для этого в окне Grapher View воспользуйтесь командой Cursor→Show cursor. Установите курсоры на два соседних максимума входного сигнала и в окне Cursor посмотрите на значение 1/dx. Таким же способом установите частоту выходного сигнала.

35

Убедитесь, что частота входного и выходного сигналов составляет 10 кГц, небольшая погрешность обусловлена вычислительной способностью программного пакета.

11. Построить спектр входного и выходного сигналов.

Для этого в окне Analyses and Simulation выберите моделирование типа Fourier. В разделе Frequency resolution (разрешение по частоте, равное основной частоте источника) установите значение 10 кГц, в разделе Number of harmonics (число гармоник) установите значение 5, все остальное оставьте по умолчанию. Нажмите кнопку Run. Обратите внимание, что результаты быстрого преобразования Фурье для разных зависимостей выводятся на разные вкладки. Кроме графика, на вкладке также представлена таблица с численными расчетами.

12. Построить АЧХ и ФЧХ, используя виртуальный прибор Bode Plotter. Для этого необходимо подключить виртуальный прибор к схеме. Вход IN+ к входной цепи, вход OUT+ подключается к выходной цепи, входы IN− и

OUT− необходимо подключить к «земле».

Установите тип симуляции Interactive simulation и запустите моделирование нажатием Run. Затем дважды щелкните левой кнопкой мыши по прибору Bode Plotter.

Задайте необходимые настройки. Установите по оси Х (Horisontal) начальное значение частоты I (Initial) – 1 Гц, конечное значение частоты F (Final) – 5 МГц. Для режима Magnitude по оси Y (Vertical) начальное значение I (Initial) – 0, конечное значение F (Final) – 1, для режима Phase по оси Y (Vertical) начальное значение I (Initial) −180 °, конечное значение F (Final) 180 °. Обе шкалы измеряются в линейном масштабе.

Сравните полученные результаты при моделировании схемы с использованием типа анализа AC Sweep и виртуального прибора Bode Plotter.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Транзисторный усилитель – усилитель, основанный на применении транзисторов в качестве усилительных элементов. Транзисторные усилители классифицируют по форме электрических сигналов так:

–усилители постоянного тока – усилители непрерывных сигналов;

–усилители переменного тока – усилители сигналов с несущим

гармоническим процессом. Среди них выделяют узкополосные или

36

избирательные, усиливающие только одну гармоническую составляющую из ряда гармоник периодического тока;

–импульсные усилители – широкополосные усилители импульсных сигналов;

–усилители среднего значения тока – усилители, преобразующие изменение амплитуды или фазы гармонического сигнала в зависимости от изменения значения и знака постоянного тока.

Схемотехнику усилителей на транзисторах можно разделить на три основные схемы, именно они лежат в основе более сложных схем транзисторного усилителя:

–усилитель с общим эмиттером (ОЭ);

–усилитель с общей базой (ОБ);

–усилитель с общим коллектором (ОК).

Основной усилительный элемент – транзистор – содержит три вывода, поэтому один из его выводов необходимо использовать одновременно для подключения источника сигнала и подключения нагрузки. Тогда получается, что схема с общим эмиттером является усилителем, где эмиттер транзистора используется как для подключения входного сигнала, так и для подключения нагрузки.

Рассмотрим схему транзисторного усилителя с общим эмиттером, представленную на рис. 5.1.

Главным элементом схемы является транзистор. В данной работе используется биполярный транзистор марки 2N2222A – кремниевый n-p-n транзистор с металлическим корпусом. Он рассчитан на высокую скорость переключения при токе коллектора до 500 мА. Делитель напряжения, образованный за счет резисторов R1 и R2, используется для смещения транзистора, т. е. напряжение, проходящее через R2, будет напряжением на базе транзистора. Конденсатор С1 выбирают таким образом, чтобы фильтр высоких частот, образованный последовательным соединением этого конденсатора с резисторами смещения базы, пропускал все нужные частоты. В схеме транзисторного усилителя присутствует также колебательный контур.

Еще одним виртуальным прибором, который можно использовать в программе NI Multisim, является анализатор спектра сигналов Spectrum analyzer. Спектроанализатор – прибор, предназначенный для измерения и

37

отображения спектра исследуемого сигнала – зависимости амплитуд гармонических составляющих от частоты.

Рис. 5.1. Схема транзисторного усилителя

Для проведения исследований необходимо подключить информационный вход прибора (IN) к источнику сигнала и задать настройки, удобные для его исследования. Внешний вид прибора показан на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Лицевая панель прибора Spectrum analyzer

Для получения спектрограммы исследуемого сигнала необходимо выполнить настройки в поле Frequency:

– указать контрольную частоту Span;

38

–задать начальное (Run) и конечное (End) значения частот, после этого становится активной кнопка Enter, при нажатии которой автоматически устанавливается среднее значение частоты (Center).

Для удобного восприятия результатов исследования в поле Amplitude подбирают:

–масштаб полученного изображения по амплитуде (Range);

–способ представления амплитуд гармоник: линейный в вольтах (Lin) или логарифмический в децибелах (dB). При выборе логарифмического способа представления есть возможность задать линию отсчета (Ref);

–разрешение прибора по частоте (Resolution Freq). Минимальное значение разрешения по умолчанию составляет конечную частоту, деленную на 1024 – FFT Points.

Можно изменить число точек, нажав кнопку Set, выбрав одно из значений раскрывающегося списка. В этом же диалоговом окне определяют:

–источник синхронизирующих сигналов – внешний (External) или внутренний (Internal);

–способ синхронизации – Trigger mode – непрерывным или одиночным сигналом (Continuous – Single);

–порог синхронизирующего сигнала (Threshold).

В поле управления диапазоном исследуемых частот (Span control) предоставляется выбор настроек:

–Zero Span (центральная частота) – пользователь может установить только среднюю частоту (Center);

–Full Span (полный диапазон частот) – гармоники определяются в диапазоне от 0 Гц до 4 МГц;

–Set Span – все необходимые настройки задаются выбором пользователя.

Анализатор запускается кнопкой Start на лицевой панели прибора. С помощью визира, расположенного в левом верхнем углу, можно оцифровать значения амплитуды и частоты.

5.1. Моделирование транзисторного усилителя в частотной области

1.Запустить программу NI Multisim.

2.Построить схему, показанную на рис. 5.1.

Для размещения на рабочем поле источников напряжения необходимо в группе Sources семейства POWER_SOURCES выбрать компонент

39