Дипломная работа: Моделирование электрических схем при помощи средств программного пакета Micro-Cap 8

Рис. 13

В качестве примера на рис. 13 показано окно схем программы MC8 в режиме Transfer Fuction. Диалоговое окно позволяет задать выходную переменную из списка, открываемого кнопкой  , выбрать имя источника входной переменной (Input Source Name) и, нажав на панель Calculate, произвести расчет схемы. Помимо расчета передаточной функции (Transfer Function) программа MC8 вычисляет и выводит на строках Input (Output) Impedance значения входного и выходного сопротивлений схемы. При выборе опции Place Text результаты расчета помещаются в виде текста непосредственно в окно схем (рис. 13).

8. Расчет чувствительности по постоянному току (Sensitivity)

Расчет чувствительности производится после линеаризации схемы в окрестностях рабочей точки. При этом рассчитывается чувствительность одной или нескольких выходных переменных к изменению выбранного параметра схемы. После выбора команды Analysis>Sensinivity в окне схем появляется диалоговое окно для задания параметров моделирования (рис. 14).

Рис. 14

В графе Output указываются одно или несколько выражений для выходных переменных. В примере (рис. 14) в качестве выходной переменной определен ток, протекающий через нагрузочный резистор R2 – I(R2). Тип входных переменных определяется кнопками Component, Model и Symbolic. При выборе опции Component в окне Input Variable предлагается выбрать один компонент из списка используемых в схеме компонентов, влияющих на результаты расчета. Если выбирается простой компонент (например, резистор), то в окне справа появляется надпись Value (величина). Т.е. в качестве входного параметра будет использована величина выбранного компонента. Если же выбирается компонент, имеющий сложную математическую модель, то в правом окне появляется список параметров модели компонента, которые и могут быть использованы в качестве входного параметра. При анализе схемы усилителя (рис. 14) входным параметром определен коэффициент усиления тока (BF) транзистора Q1.

При выборе переменной типа Model в окне Input Variable появляется список моделей компонентов, используемых в схеме, а справа – список параметров, присущих выбранной модели. Причем, если в схеме использованы однотипные компоненты, имеющие одинаковые модели (например, несколько однотипных транзисторов в схеме дифференциального усилителя, приведенного на рис. 13), то выбранный параметр будет определен как входной для всех этих компонентов. В режиме Model можно выбрать один входной параметр (опция One) или несколько (опция Multiple). Для задания всех параметров модели в качестве входных используется кнопка All On.

Расчет чувствительности производится после нажатия на панель Calculate в соответствии с выражением dVout/dVin, где Vout – выходная переменная, а Vin – входной параметр. Результаты расчета (значения вычисленной чувствительности для каждой выходной переменной) помещаются в графу Sensinivity. В графе Sensinivity %/% размещается отношение приращения выходной переменной в процентах к изменению входного параметра в процентах.

9. Расчет нелинейных искажений (Distortion)

В программе MC8 имеется режим расчета нелинейных искажений. Для проведения моделирования ко входу схемы необходимо подключить источник синусоидального напряжения или тока (например, Sine Source). При выполнении команды Analysis> Distortion открывается диалоговое окно, показанное на рис. 15. Структура окна аналогична рассмотренным ранее окнам задания параметров моделирования и отличается в первую очередь перечнем числовых параметров:

Fundamental Frequency – основная (опорная) частота гармонического колебания, генерируемого входным источником;

Input Source Name – имя входного источника сигнала;

Input Source Amplitude – амплитуда входного гармонического колебания;

Output Expression – выходное выражение, для которого производится расчет нелинейных искажений;

Simulation Cycles – количество периодов гармонического колебания, которое используется при расчете нелинейных искажений;

Maximum Time Step – максимальный шаг времени, определяющий точность расчета.

Назначение остальных параметров и опций диалогового окна были рассмотрены в предыдущих разделах ( см. разд. 1 … 3).

В процессе анализа в режиме Distortion программа MC8 выполняет расчет и построение выходной функции Output Expression, а затем переходит к вычислению и анализу спектра этой функции. На рис. 15 в первом графическом окне задано выражение HARM[V(1)], которое является оператором расчета гармоник сигнала V(1), т.е. спектра S, который для периодического сигнала имеет линейчатую структуру [1].

Рис. 15

Далее следуют операторы:

IHD(HARM[V(1)],10000) – коэффициент нелинейных искажений отдельных составляющих спектра S в процентах относительно уровня составляющей на частоте F. Задается по формату IHD(S,F), где S – спектр сигнала, а F – частота, указанная в графе Fundamental Frequency диалогового окна;

THD(HARM[V(1)],10000) – коэффициент нелинейных искажений спектра S, в процентах относительно уровня составляющей на   частоте F. Формат задания оператора – THD(S,F).

В последней строке выражений, задаваемых по оси Y (Y Expression), указана анализируемая функция, определенная в графе Output Expression. Приведенные выше выражения являются предопределенными и недоступными для редактирования в режиме Distortion и пользователю предлагается лишь указать номер графического окна (в графе P) для вывода указанных графиков.

На рис. 16 показан пример расчета нелинейных искажений сигнала на выходе транзисторного усилителя. В качестве входного сигнала (генератор V1) задано гармоническое колебание с частотой 10 кГц и амплидудой 1 мВ. На первом графике окна моделирования представлен спектр выходного периодического сигнала, снимаемого с коллектора транзистора Q1. Второй график показывает распределение амплитуд гармоник выходного сигнала, возникающих из-за нелинейных искажений, присущих данному усилителю. На третьем графике изображен один период выходного сигнала усилителя V(1), снимаемого с коллектора транзистора Q1.

Рис. 16

Следует помнить, что программа MC8 позволяет вычислить коэффициент нелинейных искажений, а анализ этих искажений (так же, как и анализ других результатов моделирования, полученных с помощью MC8) пользователю необходимо провести самостоятельно с использованием имеющихся в MC8 инструментов.

10. Вывод графиков характеристик в режиме Probe

Программа МС8 производит построение графиков в режимах Transient, AC и DC непосредственно в процессе моделирования. При решении простых задач построение и отображение на экране дисплея графиков происходит практически мгновенно. При анализе достаточно сложных схем процесс построения графиков может занимать продолжительное время. В случае изменения задания на моделирование, т.е. для построения графиков других переменных, необходимо до начала расчетов перечислить имена этих переменных и задать их масштабы. Далее программа MC8 по команде Run повторит моделирование, затрачивая на это определенное время.

Режим Probe позволяет не только упростить процесс моделирования, но и придать ему определенную динамику. В режиме Probe программа МС8 создает файл данных, в который заносятся потенциалы всех узлов схемы, что и позволяет по завершению моделирования оперативно построить график любой переменной. Схемотехническое моделирование в режиме Probe производится в следующем порядке.

После построения (или вызова в рабочее окно) схемы в меню Analysis выбирается один из видов анализа (Transient, AC или DC) и заполняются все графы окна Analysis Limits. Далее в меню Analysis выбирается режим Probe с тем же видом анализа: Probe Transient, Probe AC или Probe DC. При этом экран делится на две части – окно схемы и окно графиков (рис. 17). Меняется и содержание меню команд, появляются новые разделы меню: Probe, Vertical и Horizontal.

Для выполнения моделирования в меню команды Probe выбирается строка New run (или пиктограмма  в строке инструментов). Затем в разделах Vertical и Horizontal необходимо выбрать тип переменных (напряжение, ток, заряд, время и т.д.), откладываемых по осям Y и X, а на схеме щелчком курсора указать узел схемы, вывод компонента или сам компонент. В результате в графическом окне немедленно вычерчивается график соответствующей характеристики. Для очистки окна графиков и выполнения нового моделирования достаточно щелкнуть курсором по пиктограмме .

Рис. 17

На рис. 17 показаны полученные в режиме Probe Transient графики изменения падения напряжения на резисторе V(R1), индуктивности V(L1) и конденсаторе V(C1), а также график входного воздействия, вырабатываемого генератором импульсного сигнала V1. При построении этих графиков (в одном графическом окне) в исследуемой схеме (рис. 17) с помощью курсора последовательно были выбраны следующие компоненты: R1, L1, C1 и V1.

Программа МС в режиме Probe позволяет построить графики и других зависимостей, нехарактерных для выбранного режима анализа. Тип переменных, откладываемых при моделировании по оси Y и X, можно предварительно указать в разделах меню Vertical и Horizontal. Если, например, при исследовании схемы (рис. 17) в режиме Probe Transient по оси Y будем откладывать напряжение, а по оси X – ток, то при выборе на схеме компонента L1 можно получить диаграмму (годограф), показывающую взаимосвязь между током I(L1) и напряжением.

Рис. 18

V(L1) во время переходного процесса. Годограф (рис. 18) построен на интервале времени 0…1 мкс, заданном для анализа переходных процессов в режиме Transient.

Если в режиме Probe нужная часть схемы не видна, то окно схемы можно открыть полностью. После выбора нужного компонента или узла окно схемы минимизируется и вновь появляется окно графиков с нанесенной новой характеристикой.

11. Просмотр и обработка результатов моделирования

После завершения моделирования полученные графики характеристик схемы могут быть подвергнуты дальнейшей обработке. Дополнительная обработка заключается в изменении характера оформления графиков и нанесении необходимой текстовой информации, в измерении параметров полученных сигналов и определении координат особых точек графиков и т.д. Средства отображения, просмотра, обработки сигналов и нанесения надписей на графики сгруппированы в виде команд в отдельные разделы меню. Большинство команд доступны для пользователя в виде пиктограмм, которые можно ввести в окно результатов моделирования, воспользовавшись закладкой Tool Bar в диалоговом окне Properties. Ниже рассматриваются некоторые режимы обработки графиков.

Графики функций строятся в графических окнах, и активным является то окно, в котором щелчком курсора выбрано имя одного из графиков (помечается подчеркиванием). Масштаб выделенных графиков можно менять с помощью команд Windows>Zoom-In (Zoom-Out) (пиктограммы  ) или произвести автоматическое масштабирование графиков так, чтобы они заняли все окно (команда Scope>Auto Scale или клавиша F6). Выделенные графики можно панорамировать, т.е. перемещать окно графика без изменения масштаба изображения с помощью клавиатуры (Ctrl+<клавиша стрелок>) или с помощью мыши (щелчок и буксировка правой кнопкой мыши). Восстановление всех графиков в масштабе, указанном в окне Analysis Limits, осуществляется выбором команды Scope>Restore Limit Scales или комбинацией клавиш Ctrl+Home.

Окно Properties вызывается двойным щелчком курсора в поле графиков, а также с помощью пиктограммы  или клавиши F10. Окно содержит разделы (закладки) редактирования и оформления графиков (цвет и толщина линий, размер и стиль шрифта и др.).

Команды, сгруппированные в разделе Options>Mode, позволяют реализовать следующие операции:

 Scale (F7) – вывод в графическое окно части графика, заключенного курсором мыши в рамку;

 Cursor (F8) – режим электронного курсора для считывания координат одной или двух точек на графике, имя переменной которого подчеркнуто;

 Point Tag – нанесение на график значений координат X, Y выбранной точки;

 Horizontal Tag – нанесение расстояния по горизонтали между двумя выбранными точками графика;

 Vertical Tag - нанесение расстояния по вертикали между двумя выбранными точками графика;

 Text – ввод текста с привязкой к графикам в абсолютных и относительных координатах.

В режиме электронного курсора () в окне графиков появляются изображения двух вертикальных пунктирных линий, перемещаемых в определенные точки графиков буксировкой правой и левой кнопками мыши. Курсоры привязываются к графикам, имена которых выбраны щелчком курсора. Ниже каждого графического окна размещается таблица значений переменных (включая независимую переменную, откладываемую по оси X). В колонках таблицы располагается информация:

-  имя переменной;

-  Left – значение переменной, помеченной левым курсором;

-  Right – значение переменной, помеченной правым курсором;

-  Delta – разность значений координат курсора;

-  Slope – тангенс угла наклона прямой, соединяющей два курсора.

Перемещение левого курсора между несколькими графиками в режиме Stepping выполняется нажатием клавиш ↑‚ ↓, а правого курсора – комбинацией клавиш Shift +↑‚ (↓).

Большинство команд управления электронным курсором и оформления графиков располагаются в меню Scope. Команды группы View меняют характер отображения информации в графических окнах:

 Data Point – отображение на графиках расчетных точек;

 Tokens – нанесение на графики специальных знаков для облегчения их распознавания;

Ruler – нанесение разметки координатных осей вместо изображения сетки;

 Plus Mark – замена изображения сетки знаками «+»;

 Horizontal Axis Grids – нанесение сетки по горизонтальной оси;

 Vertical Axis Grids – нанесение сетки по вертикальной оси;

 Minor Log Grids – нанесение мелкой логарифмической сетки на всех осях координат, размеченных в логарифмическом масштабе;

 Baseline – нанесение нулевой сетки на выбранный график;

 Horizontal Cursor – проведение горизонтальной линии через точку пересечения электронного курсора с графиком.

Команды группы Trackers управляют изображением координат на графиках в режиме электронного курсора (Cursor Mode):

Cursor (Ctrl+Shift+C) – включение/выключение координат точки пересечения вертикальных курсоров с графиком;

Cursor: Branch Info – к координатам точки пересечения курсора с графиком добавляется значение параметров, при которых этот график получен (в режимеStepping);

Intercept (Ctrl+I) – включение/выключение индикации координат точек пересечения вертикальных курсоров с графиком на осях координат;

Mouse (Ctrl+M) – включение/выключение координат курсора мыши.

Команды из раздела Cursor Functions перемещают курсор к характерным точкам выбранного графика в режиме Cursor Mode:

 Next Simulation Data Point – перемещение курсора к следующей расчетной точке графика (при нажатии на пиктограмму);

 Next Interpolation Data Point – перемещение курсора к следующей интерполированной точке графика;

 Peak – перемещение курсора к следующему пику, расположенному слева или справа от текущего положения курсора;

 Valley – перемещение курсора к следующей впадине, расположенной слева или справа от текущего положения курсора;

 High – перемещение курсора к наиболее высокой точке графика;

 Low – перемещение курсора к наиболее низкой точке графика;

 Inflection – перемещение курсора к следующей точке перегиба;

 Global High – перемещение курсора к наиболее высокой точке семейства графиков (например, в режиме Stepping);

 Global Low – перемещение курсора к наиболее низкой точке семейства графиков;

 Top (Alt+Home) – активизация графика, расположенного сверху;

 Bottom (Alt+End) – активизация графика, расположенного снизу.

Перемещение курсоров влево или вправо при выполнении перечисленных выше команд выполняется нажатием клавиш ←‚ → (для левого курсора) или комбинацией клавиш Shift+←‚ (→) для правого курсора.

Остальные команды меню Scope не имеют четкого деления на разделы, но не менее полезны при анализе графиков:

Label Branches – вывод параметров графиков в графическое окно при многовариантном анализе;

Label Time (Frequency) Point – вывод на график функции метки с заданным временем (частотой) в режиме Transient (AC);

 Animate Options – открытие диалогового окна для задания параметров анимации;

Normalize at Cursor (Minimum or Maximum) – нормирование выбранного графика путем деления всех его ординат Y на значение ординаты Y точки графика, отмеченного курсором или деление ординат Y на минимальное (максимальное) значение функции;

 Go to X (Shift+Ctrl+X) – перемещение выбранного электронного курсора в точку с заданной координатой по оси X;

 Go to Y (Shift+Ctrl+Y) – перемещение выбранного электронного курсора в ближайшую точку с заданной координатой по оси Y;

 Go to Performance – открытие диалогового окна для выбора специальных функций, которые используются для указания и измерения некоторых характеристик построенных графиков;

 Go to Branch – переход к указанной реализации многовариантного анализа;

Tag Left Cursor – нанесение на график координат левого курсора;

Tag Right Cursor – нанесение на график координат правого курсора;

Tag Horizontal – нанесение на график размерных линий между точками графика, отмеченными левым и правым курсорами и указания расстояния между ними по горизонтали;

Tag Vertical - нанесение на график размерных линий между точками графика, отмеченными левым и правым курсорами и указания расстояния между ними по вертикали;

Align Cursors – синхронное перемещение курсора и считывание координат всех графиков, расположенных во всех графических окнах;

Keep Cursors on Same Branch – перемещение левого и правого курсоров по одному и тому же графику результатов многовариантного анализа;

Same Y Scales – построение всех графиков в одном графическом окне с общей осью Y для этих графиков;

 Thumb Nail Plot – вывод изображения выбранных графиков в отдельном окне в мелком масштабе.

Среди приведенных выше команд особый интерес представляет команда Go to Performance ( ), при вызове которой открывается диалоговое окно, показанное на рис. 19.

Рис. 19

На закладке Performance имеется группа специальных функций (Function), перечень которых (более двадцати наименований) открывается левой кнопкой  . Правая кнопка  открывает список выражений (Expression), заданных при моделировании схемы в одном из режимов анализа. На рис. 19 в качестве такого выражения выбрано напряжение на конденсаторе V(C1), заданное при анализе переходных процессов в схеме рис. 2. Анализирующей функцией в рассматриваемом примере является функция Rise_Time, позволяющая измерить длительность (DX) положительного фронта импульса по уровням Low и High. Уровни можно задать вручную или выбрать стандартные (при подобных измерениях), воспользовавшись клавишей Default Parameters. После нажатия на кнопку Go To результат измерений появляется в окне (см. рис. 19). Функции раздела Performance позволяют достаточно просто осуществить и другие измерения (определить точки максимума или минимума, вычислить разности координат по осям X и Y между двумя точками графика и т.д.). Причем каждая функция измерения характеристик графиков снабжена диаграммой, поясняющей процесс измерения, и поэтому не требует дополнительных коментариев.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Программа Micro-Cap 8 поставляется с большим количеством примеров, размещенных в меню Help и в каталоге MC8\DATA. Эти примеры, доступные и в демонстрационной версии MC8 DEMO, полезно просмотреть в процессе освоения программы и использовать в качестве справочного материала при составлении собственных схем.

Рассмотренные выше методы схемотехнического проектирования и моделирования в основном касаются вопросов анализа аналоговых электронных схем. Программа MC8 (как и предыдущие версии) позволяет моделировать не только аналоговые, но и цифровые устройства (включая смешенные аналого-цифровые схемы). Некоторые рассмотренные выше режимы анализа (например, расчет переходных процессов или передаточных функций по постоянному току) вполне применимы к цифровым устройствам. Однако схемотехническое моделирование цифровых устройств имеет определенную специфику и требует специального рассмотрения.

Перечисленные достоинства делают пакет программ MicroCAP-7 весьма привлекательным для моделирования электронных устройств средней степени сложности. Удобство в работе, нетребовательность к ресурсам компьютера и способность анализировать электронные устройства с достаточно большим количеством компонентов позволяют успешно использовать этот пакет в учебном процессе. В данной работе рассмотрены лишь основные сведения, необходимые для начала работы с пакетом и анализа большинства электронных схем, изучаемых в специальных дисциплинах и используемых при курсовом и дипломном проектировании. В случае необходимости дополнительные (и более подробные) сведения могут быть получены из встроенной подсказки системы (вызывается клавишей <F1> или через меню HELP/Contens).

Другие возможности программы MC8 (построение трехмерных графиков, анимация, подготовка файлов для переноса схемы на печатную плату) так же полезны не только для инженерной практики, но и при использовании пакета в учебном процессе.

Библиографический  список

1.  Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-Cap 7. - М.: Горячая линия-Телеком, 2003. 368 с.

2.  Кардашев Г.А. Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых устройств. – М.: Горячая линия-Телеком, 2002. 260 с.

3.  Кардашев Г.А. Цифровая электроника на персональном компьютере. - М.: Горячая линия-Телеком, 2003. 311 с.

4.  Разевиг В.Д. Система моделирования Micro-Cap 6. – М.: Горячая линия-Телеком, 2001. — 344 с., ил.

5.  Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств Design Lab 8.0. – Москва, «Солон», 1999. 004 Р-17 /2003 – 1 аб/ 2000 – 11 аб, 5 чз

6.  Micro-Cap 7.0 Electronic Circuit Analysis Program Reference Manual Copyright 1982-2001 by Spectrum Software 1021 South Wolfe Road Sunnyvale, CA 94086