методичка. Методичка. Лабораторная работа 1 исследование простых электронных цепей с использованием пакета моделирования microcap

Название	Лабораторная работа 1 исследование простых электронных цепей с использованием пакета моделирования microcap
Анкор	методичка
Дата	24.11.2019
Размер	0.82 Mb.
Формат файла
Имя файла	Методичка.docx
Тип	Лабораторная работа #96702

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ЦЕПЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАКЕТА МОДЕЛИРОВАНИЯ MICROCAP

Цель работы: ознакомиться с интерфейсом и основными возможностями среды моделирования Microcap на примере простейших электронных цепей.

Назначение среды моделирования Microcap

Microcap является мощным инструментом схемотехнического моделирования устройств цифровой и аналоговой электроники. Возможности графического редактора Microcap позволяют создавать как модели отдельных элементов, так и электронные схемы устройств различной сложности. Предусмотрена возможность редактировать параметры имеющихся в библиотеке элементов и создавать пользовательские модели элементов. Основные инструменты анализа позволяют смоделировать переходные процессы в схеме с различными параметрами, построить передаточные и частотные характеристики, передаточные функции и т.п. При этом программа не требует значительных аппаратных ресурсов компьютера.

Подготовка к выполнению работы

Запуск программы

При запуске Microcap откроется окно графического редактора схем, рис. 1.1, который включает в себя основное меню, меню библиотеки элементов, инструменты графического редактора. При этом автоматически будет создан новый файл для схемотехнического моделирования с расширением *.cir.

Рис. 1.1. Окно графического редактора Microcap

Библиотека элементов

Встроенная библиотека элементов Microcap содержит в себе SPICE модели элементов, т.е. их условное графическое обозначение (УГО), схемы замещения элементов и их параметры. Обратиться к элементам библиотеки можно через окно библиотеки слева или через меню библиотеки на панели инструментов, см. рис. 1.1

Иерархия библиотеки имеет следующую структуру:

Analog_primitives'>Analog primitives – простейшие аналоговые элементы, отсортированные по типу. В этом разделе находятся идеализированные, упрощенные модели элементов;
- Passive components – пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, диоды, катушки индуктивности и др.);
- Active components – активные элементы (биполярные, полевые транзисторы, операционные усилители и др.);
- Waveform sources – источники токов и напряжений (батареи, источники напряжения и тока заданной формы, источники синусоидального и импульсного напряжения и др.);
- Connections – элементы связи (заземление, порты ввода/вывода и др.)

Analog library – аналоговые элементы, сортированные по функциональному назначению и маркировке производителя. В этом разделе находятся уточненные модели элементов, учитывающие их реальные параметры;
- BJT – биполярные транзисторы (Пары Дарлингтона, общего назначения, для больших токов, с большим коэффициентом усиления по току, высоковольтные и др.);
- Comparator – компараторы. В раскрывающемся списке предлагается модельный ряд по маркировкам производителя;
- Diode – диоды (выпрямительные, токорегулирующие, Шоттки, стабилитроны, светоизлучающие и др.);
- Passive – пассивные элементы (конденсаторы, дроссели, фильтры индуктивные, резисторы, трансформаторы и др.);

Digital primitives – простейшие цифровые элементы, отсортированные по типу. В этом разделе находятся идеализированные, упрощенные модели элементов;
- Standard gates – стандартные элементы комбинационной логики (И, ИЛИ, НЕ и др.);
- Tri-state gates – трехустойчивые элементы комбинационной логики (И, ИЛИ, НЕ и др.);
- Edge-triggered flip-flops – тактируемые триггеры (D-триггеры, JK-триггеры).

Digital library – цифровые элементы, сортированные по функциональному назначению и маркировке производителя (цифровые микросхемы). В этом разделе находятся уточненные модели элементов, учитывающие их реальные параметры;

Animation – элементы с анимацией (светодиоды, лампы, индикаторы, реле, двигатели).

Процедура сборки схем в графическом редакторе

Чтобы собрать электрическую цепь сначала необходимо включить инструмент «элемент» (component mode) в панели инструментов графического редактора, см. рис. 1.2.

Рис. 1.2. Инструменты графического редактора
Для выбора элемента нужно перейти в библиотеку и в раскрывающемся списке выбрать нужный компонент, рис. 1.3. После этого выбранный элемент можно разместить в рабочем поле редактора. Для этого следует навести курсор в нужное место и щелкнуть мышью.

Рис. 1.3. Доступ к элементу библиотеки
Как только элемент размещен на рабочем поле, автоматически открывается окно редактирования его параметров, например, резистора, рис. 1.4.

Рис. 1.4. Окно с параметрами элемента

Например, для ввода значения сопротивления резистора 1кОм необходимо в поле «Value» записать значение «1k» или «1000».

Чтобы разместить на рабочем поле источник напряжения заданной формы «Voltage source», следует выбрать его из библиотеки в разделе Analog primitives/Waveform sources/. После размещения источника напряжения на поле в открывшемся окне параметров можно выбрать тип источника и параметры формы напряжения, см. рис. 1.5. По умолчанию выбран тип источника «Pulse», т.е. «Импульсный».

Рис. 1.5. Окно параметров источника напряжения

Для этого типа источника можно задавать следующие параметры:

V1 – начальное значение напряжения, [В];

V2 – амплитудное значение импульса, [В];

TD – задержка импульса, [с];

TR – время нарастания фронта импульса, [с];

TF – время спада фронта импульса, [с];

PW – длительность импульса, [с];

PER – период повторения импульса, [с].

В общем виде эти параметры наглядно отражены на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Параметры импульсного источника напряжения

Кроме этого, имеются общие параметры, используемые при анализе зависимостей передаточных и амплитудно-частотных характеристик.

DC – амплитуда напряжения, используемая при анализе по постоянному току;

AC – амплитуда сигнала, используемая при частотном анализе;

AC-phase – фаза сигнала, используемого при частотном анализе.

Внизу имеется панель предустановленных наборов параметров для выбора напряжения определенной формы. Над параметрами источника расположено меню с кнопками настройки общих параметров, рис. 1.7.

Рис. 1.7. Меню окна параметров элемента
После того как необходимые параметры элемента (в нашем случае – источника напряжения) заданы, можно нажать кнопку «Plot» («нарисовать») и в соседнем окне отобразится осциллограмма напряжения, рис. 1.8.

Рис. 1.8. Окно с осциллограммой заданного напряжения
Используя настройки источника заданного напряжения, установите параметры такими, чтобы на выходе этого источника формировались прямоугольные импульсы частотой 50кГц, амплитудой 5В, и скважностью 0,5. Начальное напряжение и времена нарастания и спада фронтов импульса можно задать равными нулю.
Для источника напряжения синусоидальной формы доступны следующие параметры:

VO – постоянная составляющая сигнала (сдвиг по вертикали), [В];

VA – амплитуда сигнала, [B];

F0 – частота сигнала, [Гц];

TD – время задержки перед началом генерации сигнала, [c];

DF – коэффициент затухания, [c^-1];

PH – фаза сигнала, [град].

После того как нужные параметры заданы и проверены на осциллограмме, нажимаем в меню окна параметров «ОК» и источник напряжения появляется на рабочем поле.

Разместив нужные элементы на поле их нужно соединить при помощи инструмента «Проводник». Чтобы соединить два узла электрической цепи проводником щелкните левой кнопкой мыши (ЛКМ) и, не отпуская, ведите до нужного узла. Кроме того, в любой электрической цепи обязательно должно присутствовать заземление. Поэтому необходимо добавить на поле элемент «Земля» или «Ground» (см. меню библиотеки на рис. 1) и соединить его с отрицательным полюсом источника напряжения. В результате получится простейшая электрическая цепь, содержащая источника напряжения и нагрузку в виде сопротивления, рис. 9.

Хотя Microcap при сборке схемы автоматически обозначает узлы в ней, им также можно присвоить другие, даже буквенные обозначения, удобные для пользователя. Для этого дважды щелкнуть ЛКМ на нужном узле и в открывшемся окне свойств указать «node name(s)» т.е. «обозначения узла», например «UR» и «Ground», как на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Электрическая цепь с источником и сопротивлением

Моделирование работы схемы.

Как только цепь собрана, можно приступать к её моделирования с помощью инструмента «Анализ» или «Analysis» в основном меню программы (рис. 1.1).

В рамках нашего курса нам понадобятся первые три инструмента для анализа электронных схем:

Transient – анализ переходных процессов в цепи;

AC – анализ частотных зависимостей или анализ по переменному току;

DC – анализ по постоянному току.

Выполним анализ переходного процесса в схеме на рис. 1.9. Для этого выберем соответствующий пункт в выпадающем меню «Анализ». Откроется окно настройки параметров анализа переходных процессов, рис. 1.10.

Задайте следующие параметры анализа:

Time Range – время моделирования: 20мкс (20u);

Maximum Time Step – шаг счета: 1нс (1n);

Внизу окна имеется таблица с переменными, которые будут выведены на экран в результате моделирования. Поскольку переходные процессы описываются осциллограммами токов и напряжений, то в колонке «X Expression» т.е. «Абсцисса» по умолчанию указано время (Т).

Рис. 1.10. Окно параметров анализа переходных процессов

В колонке «Y Expression» укажем напряжение на сопротивлении R1, которое равно потенциалу узла «UR» относительно земли (см. рис. 1.9) и ток в этом сопротивлении. Чтобы выбрать эти переменные в поле Y Expression» щелкните правой кнопкой мыши (ПКМ) и в меню «Variables/Node Voltages» (напряжения узлов) и «Variables/Device Current» выберите соответственно напряжение узла UR и ток сопротивления R1. В полях установки масштабов также с помощью контекстного меню укажите значение «auto».

В колонке «P» можно указать какие осциллограммы на какой оси будут отображаться. Например, напряжение – на первой оси, ток – на второй. Соответствующие значения стоят в колонке. Если в строке тока и напряжения указать «1», то обе осциллограммы будут выведены на одной оси в одинаковом масштабе.

После установки всех параметров запускаем моделирование кнопкой «Run» и на экране отображается результат, рис. 1.11.

Рис. 1.11. Результаты моделирования

Работа с результатами моделирования

При анализе переходных процессов наиболее востребованными у нас будут два инструмента – масштабирование и курсоры (см. рис. 1.11). Инструмент масштабирования включен по умолчанию сразу после моделирования. По умолчанию же масштабирование осуществляется по обеим осям, однако, когда нужно увеличение только вертикали или только по горизонтали, соответствующие возможности можно включать/отключать кнопками

для горизонтального и вертикального масштабирования соответственно.

Для вызова курсоров на экран выберете соответствующий инструмент на панели работы с осциллограммами. Доступны два курсора, положение которых на экране задается для правого – ПКМ, для левого – ЛКМ, рис. 1.12.

Рядом с каждым курсором в желтом прямоугольнике отображается его координаты по горизонтальной оси и значение переменной, изображенной на осциллограмме.

Рис. 1.12. Работа с курсорами
Под осциллограммой появляется таблица с данными курсоров. В строке «T (Secs)» приведены координаты курсоров по горизонтали (оси времени), разница между координатами (колонка «Delta»).

Используя курсоры, измерьте длительность импульса и период повторения сигнала, а также амплитуду импульса тока. Сравните измеренные значения длительности импульса и периода со значениями, заданными в параметрах источника напряжения.

Анализ частотных зависимостей (AC-analysis)

Анализ частотных зависимостей предполагает снятие АЧХ и ФЧХ исследуемой цепи. Опишем процедуру снятия этих характеристик на примере цепи, изображенной на рис. 1.13.

Рис. 1.13
Элементом, определяющим частотные свойства цепи, здесь является индуктивность . Амплитудно-частотная характеристика в Microcap определяется следующим образом:

, (1)
где

– входное и выходное напряжения соответственно (см. рис. 1.13).

В электронике часто используют представление частотных зависимостей в логарифмическом масштабе, выраженных в децибелах.

Выбрав инструмент анализа «AC», откроется окно параметров частотного анализа, которое во многом схоже с окном настройки анализа переходных процессов.

В поле «Frequency Range» (частотный диапазон) вводим пределы изменения частоты генератора в формате:

. При этом если масштаб выбран логарифмический (log), то значение минимальной частоты не должно быть нулевым. Зададим значения от 100Гц до 10МГц. В поле «X Expression» записана переменная «F», т.е. частота. В поле «Y Expression» в первой строке по умолчанию записано значение выходного напряжения, выраженное в децибелах: dB(v(Vout)). Во второй строке записано значение фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного сигнала, выраженное в градусах: ph(v(Vout)). Запускаем моделирование кнопкой «Run» и на экране отображается результат, рис. 1.14.

Рис. 1.14. Результаты частотного анализа.

На рис. 1.14 верхний график соответствует АЧХ, нижний – ФЧХ. На графике АЧХ можно выделить два прямолинейных участка – горизонтальный, на уровне 0дБ и наклонный. Если эти участки продолжить прямыми линиями, как показано пунктиром на рис. 1.14, то точка пересечения этих прямых будет соответствовать верхней граничной частоте схемы, которую численно можно определить из соотношения:

,

что соответствует графику на рис. 1.14. Наклон, который наблюдается на АЧХ выше верхней граничной частоты равен 20дБ/дек. Это означает, что при увеличении частоты входного сигнала в 10 раз амплитуда выходного сигнала уменьшается на 20дБ, т.е. в 10 раз.

На фазо-частотной характеристике при достижении верхней граничной частоты, как видно на рис. 1.14, фаза выходного сигнала на 45 градусов отстает от фазы входного сигнала.

Порядок выполнения работы

Исследуемые в лабораторной работе схемы изображены на рис. 1.15.


а)	б)

в)
Рис. 1.15. Схемы для самостоятельного исследования

Все полученные в ходе лабораторной работы графики и зависимости зарисовать в отчет или сохранить с помощью «Print Screen».

Проведение экспериментов

Собрать схему фильтра нижних частот, изображенную на рис. 1.15, а, со следующими параметрами: . В параметрах генератора задать прямоугольный сигнал с частотой 250Гц, амплитудой импульсов 5В и скважностью 0,5. Рассчитать значение верхней граничной частоты.
Снять частотные характеристики для схемы и определить значение верхней граничной частоты графически (см. рис. 1.14). Сравнить полученное значение с расчетным.
Выполнить анализ переходных процессов и вывести на экран напряжение генератора и напряжение на конденсаторе. В настройках анализа переходных процессов время моделирования установить, равное двум-трем периодам напряжения генератора, а шаг счета, равный одной тысячной от периода повторения импульсов.
С помощью инструмента «Cursor mode» в п. 3 определить приблизительное время переходных процессов.
Повторить п. 3 при сигнале генератора с частотой 10кГц. Время моделирования установить равное, десяти периодам повторения импульсов, шаг счета, равный одной тысячной от периода повторения импульсов.
Собрать схему фильтра высших частот, изображенную на рис. 1.15, б, с параметрами: . Рассчитать значение нижней граничной частоты.
Снять частотные характеристики для схемы и определить значение нижней граничной частоты графически. Сравнить полученное значение с расчетным.
Выполнить п. 3-5 для схемы фильтра высших частот.
Собрать схему однополупериодного выпрямителя, изображенную на рис. 1.15, в. Параметры схемы выбрать следующие: диод VD: BAV70TT1_ON – выбрать из базы «Analog Library/Diode/rectifier/». В генераторе установить напряжение синусоидальной формы, описываемое функцией: . Вывести на экран осциллограммы входного и выходного напряжения, а также тока генератора с помощью инструмента анализа переходных процессов.

Содержание отчета

Цель работы, схемы исследуемых цепей и исходные данные;
Осциллограммы работы схем с указанием их параметров и краткий анализ полученных результатов.

Контрольные вопросы

Назовите основные параметры и характеристики электрических цепей.
Как определяется длительность переходного процесса в цепях на рис. 1.15 а и б?
Дать определение граничных частот АЧХ.
Как связаны значения граничных частот с параметрами элементов в схемах фильтров на рис. 1.15?
Почему на интервале проводимости диода на рис. 1.15, в, напряжение на нагрузке меньше чем напряжение на генераторе?

Список литературы

Подьяков Е.А., Орлик В.В., Брованов С.В. Электронные цепи и микросхемотехника: учеб. пособие. Ч. 2. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003.