Практична робота

Схемотехнічна реалізація моделі системи в середовищі програми MicroCap. Методичні вказівки до виконання практичної роботи з дисципліни “Моделювання систем” для студентів базового напряму 6.050101 “Комп‘ютерні науки” для денної та заочної форм навчання/Укл. П.В.Тимощук. - Львів: Видавництво Національного університету ”Львівська політехніка”, 2013. – 20 с.

Відповідальний за випуск: Лобур М. В., д-р техн. наук, професор

Рецензенти: Кособуцький П. С., д-р фіз.-мат. наук, професор Каркульовський В. І., канд. техн. наук, доцент

2

МЕТА РОБОТИ

Вивчити і закріпити знання та основні аспекти роботи, а також отримати практичні навички роботи в середовищі програми Micro-Cap. Реалізувати в середовищі програми Micro-Cap аналогову схему помножувача частоти та дослідити її чутливість.

РЕАЛІЗАЦІЯ В СЕРЕДОВИЩІ ПРОГРАМИ MICRO-CAP АНАЛОГОВОЇ СХЕМИ ПОМНОЖУВАЧА ЧАСТОТИ

1. Основи роботи в середовищі програми Micro-Cap. Побудова та дослідження моделей систем ефективно здійснюються за допомогою сучасних схемотехнічних САПР таких, як Micro-Cap. Програма Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program) виробництва фірми Spectrum Software призначена для схемотехнічного моделювання аналогових та цифрових електронних пристроїв. Програма орієнтована на ПК, сумісні з IBM PC. Остання VII версія програми Micro-Cap випускається для платформ

IBM, NEC та Macintosh. Версії для IBM PC вимагають:

-процесора не гірше Pentium II;

-ОЗУ об’ємом не менше 64 Мб;

-Microsoft або сумісну з нею двохкнопкову мишу;

-оераційну систему Windows 95/98/ME або Windows 2000/NT 4/XP. Micro-Cap VII складається з двох програм: Micro-Cap VII – основна програма та MODEL – програма розрахунку параметрів математичних моделей компонентів за паспортними даними.

Усередовищі Micro-Cap версій V-VII можна досліджувати як аналогові,

так і цифрові моделі систем, розв’язувати задачі аналізу і статистичних досліджень аналогових та цифрових радіоелектронних пристроїв у режимі постійного струму, в частотній області в режимі малого сигналу, у часовій області при дії вхідних сигналів будь-якої форми та амплітуди, в режимі спектрального аналізу (Фур'є-аналізу), а також статистичного аналізу методом Монте-Карло. Програма дозволяє на основі моделей будувати відповідні структурні схеми з конкретними значеннями параметрів елементів та заносити їх до бібліотеки моделей Micro-Cap. У програмі реалізовано графічний ввід схем лінійних та нелінійних аналогових пристроїв, їх моделювання та динамічне відображення графіків різних характеристик. Програма є сумісною з PSPICE як за моделями компонентів, так і за текстовим описом схем. Оскільки програма реалізована на платформі Windows, вона має зручний інтерфейс.

Бібліотека моделей компонентів Micro-Cap містить більше 10 тис. аналогових та цифрових електрорадіоелементів ведучих фірм, включаючи найбільш популярні цифрові інтегральні схеми дискретної логіки та аналогові компоненти типу діодів, біполярних, польових та МОПтранзисторів, магнітних сердечників, ліній передачі з втратами, макромоделі

3

операційних підсилювачів, кварцевих резонаторів, давачів Холла та ін. Всі моделі написані у стандартному форматі SPICE і можуть використовуватись з програмами моделювання фірм Altium, Cadence, IntoSoft та ін. Макромоделі компонентів представляються у вигляді принципових електричних схем або у текстовій формі. Micro-Cap містить спеціальну програму MODEL, призначену для розрахунку параметрів математичних моделей аналогових компонентів за довідковими або експериментальними даними.

Максимальний об’єм схеми у професійній версії Micro-Cap 7 досягає 10 тис. вузлів. Є можливість параметричної оптимізації при здійсненні аналізу перехідних процесів. Існує режим аналізу нелінійних схем за постійним струмом та візуалізації безпосередньо на схемі вузлових потенціалів, струмів віток та розсіюваної потужності. В режимі багатоваріантного аналізу Micro-Cap допускає одночасну зміну до 10 параметрів і дозволяє будувати графіки залежностей характеристик схеми від зміни параметрів. Передбачена можливість оперативного налагоджування параметрів у режимі за постійним струмом за допомогою повзункових регуляторів без проведення повторного моделювання. Програма має засоби синтезу пасивних та активних аналогових фільтрів.

До Micro-Cap включено інтерфейс з програмами розробки друкованих плат OrCAD, PCAD, Protel та ін. Програма містить режим аналізу чутливості та передавальних функцій за постійним струмом, режим z-перетворення, давач випадкових чисел, режим анімації при виконанні аналізу цифрових пристроїв, режим параметричної оптимізації всіх основних видів аналізу.

Меню програми Micro-Cap. Програма Micro-Cap 7 (МС7) запускається шляхом подвійного натискання на її піктограму (рис. 1), після чого з’являється головне меню програми, наведене на рис. 2.

Рис. 1. Піктограма програми Micro-Cap 7.

Завантаження схеми. Курсором вибирається режим File. За піктограмою New робиться вибір Schematic – створення нової схеми у форматі MC7 (встановлюється за замовчуванням), яка заноситься у файл з розширенням

*.CIR (рис. 3).

Виберемо ім’я файлу COLPITTS.CIR. В результаті завантажується схема, показана на на рис. 4.

Аналіз перехідних процесів. Вид аналізу характеристик схеми вказується в меню Analysis (рис. 2, рис. 5):

4

Transient – аналіз перехідних процесів;

Рис. 2. Головне меню програми Micro-Cap 7.

Рис. 3. Створення нової схеми, текстового файлу або бібліотеки моделей.

AC – аналіз частотних характеристик;

DC – аналіз передавальних функцій за постійним струмом;

Dynamic DC – розрахунок режиму за постійним струмом та відображення на схемі вузлових потенціалів, струмів віток та розсіюваної потужності;

Transfer Function – розрахунок малосигнальних передавальних функцій за постійним струмом;

5

Sensitivity – розрахунок чутливості за постійним струмом вихідних змінних до зміни параметрів схеми;

Рис. 4. Вибір імені файлу та завантажена схема генератора Колпиця.

Probe Transient, AC, DC – оперативна побудова графіків результатів розрахунків.

Transient Analysis - аналіз перехідних процесів (рис. 6).

У стрічці Time range вказується тривалість інтервалу часу, у графі Operating Point вказується на необхідність перед розрахунком перехідних процесів виконувати розрахунок режиму за постійним струмом, у нижній частині вікна вказуються імена змінних, графіки яких необхідно побудувати.

Імена аналогових та цифрових змінних, які відкладаються по осі Y графіків, вказуються у графі Y Expression, при цьому допускається застосування математичних виразів та функцій.

Запуск моделювання. Моделювання починається після натискання на піктограму Run або на клавішу F2. Моделювання може бути зупинено у будьякий момент шляхом натискання на клавішу Esc. Приклад відображення результатів моделювання наведено на рис. 7. Графіки відрізняються кольором, який призначається в меню. Номери графіків відмічаються для кожної змінної у графі P. Масштаб графіків по осях X та Y вказується у явному вигляді у графах X Range, Y Range або вибирається автоматично,якщо

6

курсором помітити панель Auto Scale Ranges.

Рис. 5. Вибір виду аналізу характеристик схеми.

Рис. 6. Меню аналізу перехідних процесів (Transient Analysis).

7

Рис. 7. Графіки перехідних процесів.

Завершення моделювання. Завершення моделювання та повернення у вікно схеми здійснюється за командами Exit Analysis або шляхом натискання функціональної клавіші F3, завершення роботи з МС7 здійснюється за командою File>Exit (Alt+F4).

Меню редактора схем. Основні піктограми меню редактора схем:

Select mode (Ctrl+E) – вибір об’єктів для виконання редагування, очистки, видалення, переміщення, обертання, мультиплікування, дзеркального відображення.

Component mode (Ctrl+D) - додавання компонентів до схеми.

Text mode (Ctrl+T) – нанесення на схему текстових підписів: імен схем, описів моделей компонентів, коментарів.

Wire mode (Ctrl+W) – ввід ортогональних провідників. Diagonal wire Mode - ввід провідників під довільним кутом.

Graphics Mode – нанесення графічних об’єктів: ліній, еліпсів, прямокутників, ромбів, дуг, секторів кіл, малюнків.

Info Mode - вивід інформації про параметри вибраного мишею компонента з можливістю редагування.

Help Mode (Ctrl+H) – виклик текстової інформації про модель компонента, вибраного курсором. Натискання Alt+F1 виводить опис синтаксису моделі

8

компонента, вказаного курсором (без клацання) формату Spice або за допомогою схемного вводу.

Grid Text – висвічування всіх текстових підписів. Node numbers – вивід номерів вузлів схеми.

Pin Connections – позначення виводів всіх компонентів. Grid – висвічування сітки.

Основні команди меню File. Меню File містить команди для роботи з файлами схем, текстовими завданнями у форматі Spice, файлами бібліотек математичних моделей та текстовими документами, зокрема:

New (Ctrl+N) – створення нового файлу схеми, текстового файлу у форматі Spice або бібліотеки.

Open (Ctrl+O) - відкривання існуючого файлу (за замовчуванням відкривається каталог, з якого останній раз виконувалось завантаження).

Save (Ctrl+S) – збереження схеми з активного вікна у новому файлі, ім’я якого вказується за додатковим запитом.

Delete – видалення з диску вибраного файлу схеми. Close (Ctrl+F4) – закриття біжучого вікна схеми.

Print Preview – попередній перегляд зображення схеми перед друком на папір вибраного формату.

Print (Ctrl+P) – вивід на друк схеми, переглянутої в режимі Print Preview у відповідності з параметрами, заданими у вікні Print Setup.

Print Setup - вибір принтера, розміру та орієнтації паперу. Exit (Alt+F4) – завершення роботи з програмою.

Основні команди меню Edit.

Cut (Ctrl+X) – видалення вибраного об’єкту та розміщення його у буфері обміну Windows.

Copy (Ctrl+C) - копіювання вибраного об’єкту у буфер обміну.

Paste (Ctrl+V) – копіювання вмісту буфера обміну в активне вікно, точка прив’язки вказується курсором та відмічається натисканням на мишу.

Clear (Del, Ctrl+X) – видалення вибраного об’єкту без копіювання у буфер обміну.

Select All (Ctrl+A) – вибір всіх об’єктів біжучого вікна.

Copy to Clipboard – копіювання вмісту активного вікна у буфер обміну. Add Page – додавання до схеми нової сторінки.

Delete Page – видалення одної або кількох сторінок схеми.

Основні команди меню Component. Меню Component містить каталог бібліотек аналогових та цифрових компонентів (рис. 8). Бібліотеки Analog Primitives та Digital Primitives мають моделі типових компонентів. Бібліотеки

Analog Library та Digital Library містять моделі приблизно 7700

комерційних аналогових та цифрових компонентів. Параметри моделей компонентів знаходяться у текстових файлах з розширенням імені .LIB.

9

Рис. 8. Структура меню Component.

Після вибору компонента програма переходить у режим Component. Розміщення вибраного компонента на схемі здійснюється натисканням на

мишу у вікні схем.

Переміщення миші при натиснутій лівій кнопці призводить до переміщення компонента на схемі.

Одночасне натискання правої кнопки миші повертає компонент на 90 градусів проти годинникової стрілки.

Відпускання лівої кнопки миші фіксує компонент на схемі. Після цього відкривається вікно для введення позиційного позначення, параметрів компонента або імені його моделі (рис. 9).

Створення принципової схеми.

Підготовчі операції. Виконується команда File>New. Для спрощення побудови схеми на екран наноситься координатна сітка.

Додавання компонента до схеми. Компоненти вводяться з бібліотек

Analog Primitives та Digital Primitives (компоненти бібліотек Analog Library та

Digital Library містять набір відповідних атрибутів). Атрибути можна редагувати, відкриваючи вікна атрибутів шляхом подвійного натискання курсора на символі компонента. Приклад діалогового вікна атрибутів наведений на рис. 9. Найпростіші компоненти такі, як резистор, конденсатор та ін. мають мінімальний набір атрибутів, до яких відноситься позиційне поз-

10