28. Язык pSpice. Частотный анализ.

Откроем окно AC Sweep (частотный анализ), щелкнув мышью по кнопке AC Sweep, и установим параметры как показано на рис. 3.14. Параметры установки (см. рис. 3.14) ,как-то количество точек в декаде, начальная и конечная частота выбираются в зависимости от схемы.Нажать кнопку ОК. Откроем окно Transient (анализ переходных процессов) и установим параметры как показано на рисунке 3.15. Параметры установки выбираются взависимости от принципиальной схем. Закроем окно Analysis Setup. Запуск расчетов осуществляется по команде Analysis>Simulate или по нажатию клавиши . Подготовка к расчетам, расчеты и запуск постпроцессора PROBE осуществляется автоматически. Подготовка к расчетам заключается в проверке схемы, экстракции, созданию файла списка цепей, имен и ссылок, включая индекс и библиотечный файл. Весь процесс осуществления моделирования может осуществляться без участия пользователя и без индикации выполнения. Если нет ошибок, сообщения могут не появляться. В конце, после запуска PROBE появляется меню выбора отображения результатов Analysis Type: • АС (частотный анализ, включая АЧХ); • Transient (расчет переходных процессов, получение формы сигналов). При выборе вывода результатов частотного анализа появляется график АЧХ, как показано на рис. 3.17. В случае выбора опции Transient выводится график, представленный на рис. 3.18.

На рис, 3.8 график в виде прямой показывает характер АЧХ для входного сигнала V(l)для схемы рис 3.12. Значение напряжения в цепи 1 обозначается как V(l). График с характерной частотой среза показывает АЧХ Для выходного сигнала V(5).

Источник сигналов VIN может формировать любые допустимые Для него (задаваемые) частоты сигналов с «единичным коэффициентом усиления», что видно из графика в виде прямой со значением IV по оси Y, в рассматриваемом нами диапазоне частот до 10 МГц.с другой стороны, из-за ограничений в полосе пропускания операционного усилителя ОРА227 при его включении с коэффици¬ентом усиления -5 происходит ослабление выходных сигналов V(5) в области высоких частот. В частности, ослабление сигналов до уровня -ЗдБ происходит при частотах сигналов около 210 кГц. В области низких частот выходной сигнал усиливается в 5 раз.

29. Язык pSpice. Спектральный анализ.

Программа PSPICE может также проводить анализы Фурье (спектральные анализы) и определять с их помощью частотные спектры заданных сигналов. В следующем разделе мы рассмотрим это на примере двух сигналов: сначала с прямоугольным симметричным переменным напряжением частотой f=1 кГц и затем с выходным напряжением транзисторного усилителя.

Шаг 1 Начертите, используя источник напряжения типа VPULSE, схему для выработки прямоугольного напряжения, изображенную на рис. 9.1. Сохраните эту схему в папке Projects под именем FOURIER1.sch и запустите процесс ее моделирования, задав такие же параметры анализа переходных процессов, как показано на рис. 9.2.

Рис. 9.1. Электросхема для выработки прямоугольного переменного напряжения

Рис. 9.2. Окно Transient с предварительными установками для анализа

Шаг 2 По окончании моделирования выведите на экран PROBE диаграмму, изображенную на рис. 9.3.

Рис. 9.3. Пятнадцать периодов прямоугольного переменного напряжения с частотой f=1 кГц

Вы можете прямо из программы PROBE запустить анализ Фурье для любой изображенной на ее экране временной функции. При выполнении анализа Фурье программа PSPICE исходит из того, что рассчитываемая при моделировании функция периодически повторяется независимо от того, какую ее часть вы в данный момент отобразили на экране PROBE. То есть вы обязательно должны следить за тем, чтобы для исследуемой функции был смоделирован или только один период, или целочисленное кратное количество периодов.^[32] В нашем случае с помощью анализа переходных процессов (см. рис. 9.3) было проведено моделирование ровно пятнадцати периодов колебания, следовательно, полученные данные без всяких ограничений подходят для корректного анализа Фурье.

Шаг 3 Запустите анализ Фурье (на низкоскоростных компьютерах его выполнение зачастую занимает много времени) с помощью кнопки .

После того как вы приведете в соответствие оси координат частоты (команда Plot→X Axis Settings), должна получиться диаграмма с результатами проведенного анализа, аналогичная той, которую вы видите на рис. 9.4.

Рис. 9.4. Спектр Фурье прямоугольного переменного напряжения с частотой f=1 кГц

Кнопка FFT позволяет не только производить запуск анализа Фурье, но и переключаться по его завершении от изображения временного диапазона к частотной области и наоборот.

Шаг 4 Щелкните несколько раз по кнопке FFT, чтобы понять, как можно с ее помощью переходить от одной диаграммы к другой.

Порой вычисления, которые проводит PSPICE в ходе анализа Фурье, длятся так долго, что у пользователя появляется достаточно времени, чтобы предаться мечтам о более быстром процессоре. И это несмотря на то, что в настоящее время PSPICE для выполнения таких расчетов использует алгоритм Fast Fourier Transformation (FFT), то есть алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ). А ведь еще десять лет назад, во времена 286-ых процессоров с тактовой частотой 12 МГц, проведение подобных анализов было доступно только тем электронщикам, которые имели доступ к супердорогим ЭВМ.

Для того чтобы ускорить расчеты, можно, конечно, провести анализ Фурье в уменьшенном временном интервале. Теоретически, для выполнения анализа Фурье достаточно и одного единственного периода колебаний. На рис. 9.5 представлен результат анализа уже исследованного вами прямоугольного переменного напряжения (был использован временной интервал всего одного периода — проведено моделирование от 0 до 1 мс). Рассчитанные PSPICE контрольные точки распределены с интервалом в 1/1 мс=1 кГц. На диаграмме, изображенной на рис. 9.4, расстояние между контрольными точками анализа составляет примерно 1/(15×1 мс)=66.6 Гц.

Рис. 9.5. Результат Фурье-анализа схемы, изображенной на рис. 9.1

По вашему желанию программа PSPICE может представить данные анализа Фурье и в табличной форме, записав их в выходной файл. Однако тогда вам необходимо заранее (еще при проведении предварительной установки анализа переходных процессов) выставить флажок рядом с опцией Enable Fourier (Разрешить анализ Фурье). Установки, показанные на рис. 9.6, предполагают, что будет произведен расчет данных двадцати высших гармоник напряжения на резисторе V(R1:2), а результаты станут отображаться в выходном файле в табличной форме.

Рис. 9.6. Окно Transient с установками для отображения результатов анализа в табличной форме

Шаг 5 Проведите предварительную установку анализа переходных процессов по образцу на рис. 9.6 и запустите процесс моделирования схемы. По завершении моделирования откройте выходной файл и найдите в нем результаты спектрального анализа:

Если вы активизируете анализ Фурье в окне Transient, то программа PSPICE автоматически берет за основу для проведения спектрального анализа последний из смоделированных периодов. В этом случае вам уже не приходится самому выбирать для анализа переходных процессов целое число импульсов.

Согласно теории, преобразование Фурье прямоугольного напряжения с амплитудой 1 В вычисляется по формуле:

Сравнив результаты анализа Фурье, представленные выше, с полученными путем теоретических расчетов, вы сможете убедиться, что они практически одинаковы.