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

Размещено на /

Содержание

Введение

1. Анализ переходных процессов (Transient Analysis)

1.1 Задание параметров моделирования (Transient Analysis Limits)

1.2 Меню режимов расчета переходных процессов

2. Расчет частотных характеристик (AC Analysis)

2.1 Задание параметров моделирования (AC Analysis Limits)

3. Расчет передаточных функций по постоянному току (DC Analysis)

3.1 Задание параметров моделирования (DC Analysis Limits)

4. Многовариантный анализ (Stepping)

5. Расчет режима по постоянному току (Dynamic DC)

6. Расчет режима по переменному току (Dynamic AC)

7. Расчет малосигнальных передаточных функций (Transfer Fuction)

8. Расчет чувствительности по постоянному току (Sensitivity)

9. Расчет нелинейных искажений (Distortion)

10. Вывод графиков характеристик в режиме Probe

11. Просмотр и обработка результатов моделирования

Заключение

Библиографический список

ВВЕДЕНИЕ

Согласно заданию на проект необходимо исследовать моделирование электрических схем при помощи программного пакета Micro-Cap 8.

MicroCAP-8 — это универсальный пакет программ схемотехнического анализа, предназначенный для решения широкого круга задач. Характерной особенностью этого пакета, впрочем, как и всех программ семейства, является наличие удобного и дружественного графического интерфейса, что делает его особенно привлекательным для непрофессиональной студенческой аудитории. Несмотря на достаточно скромные требования к программно-аппаратным средствам ПК, его возможности достаточно велики. С его помощью можно анализировать не только аналоговые, но и цифровые устройства. Возможно также и смешанное моделирования аналого-цифровых электронных устройств, реализуемое в полной мере опытным пользователем пакета, способным в нестандартной ситуации создавать собственные макромодели, облегчающие имитационное моделирование без потери существенной информации о поведении системы.

От младших представителей своего семейства MicroCAP-8 отличается более совершенными моделями электронных компонентов разных уровней (LEVEL) сложности, а также наличием модели магнитного сердечника. Это приближает его по возможностям схемотехнического моделирования к интегрированным пакетам DESIGNLAB, ORCAD, PCAD2002 — профессиональным средствам анализа и проектирования электронных устройств, требующим больших компьютерных ресурсов и достаточно сложных в использовании.

Пакеты программ схемотехнического моделирования и проектирования семейства Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program – «Программа анализа схем на микрокомпьютерах») фирмы Spectrum Software относятся к наиболее популярным системам автоматизированного проектирования (САПР) электронных устройств. Последние версии Micro-Cap (далее МС), обладая большими сервисными возможностями, позволяют выполнять графический ввод и редактирование проектируемой схемы, проводить анализ характеристик аналоговых, цифровых и смешаных аналого-цифровых устройств. С помощью МС можно осуществить анализ электрических схем по постоянному току, рассчитать переходные процессы и частотные характеристики проектируемых схем, провести оптимизацию параметров схемы. Программы МС имеют средства синтеза пассивных и активных аналоговых фильтров, средства моделирования функциональных схем аналоговых и цифровых устройств, обладают возможностями построения 3-мерных графиков результатов моделирования и многое другое.

программа схемотехнический моделирование частотный

1. Анализ переходных процессов (Transient Analysis)

1.1 Задание параметров моделирования (Transient Analysis Limits)

После перехода в режим анализа программа МС проверяет правильность составления схемы и при отсутствии ошибок открывает окно задания параметров моделирования Transient Analysis Limits (рис. 1). В режиме анализа это окно можно открыть нажатием клавиши F9 или пиктограммы . Окно Transient Analysis Limits содержит следующие разделы.

Команды:

Run – начало моделирования (пиктограмма или клавиша F2). Моделирование может быть остановлено (прекращено) в любой момент времени нажатием на пиктограмму или клавишу Esc. Последовательные нажатия на пиктограмму прерывают и затем продолжают моделирование;

Add – добавление еще одной строки спецификации вывода результатов моделирования. При наличии большого количества строк, не умещающихся на экране, появляется линейка прокрутки;

Рис. 1 Строки спецификации вывода результатов

Delete – удаление выделенной строки спецификации вывода результатов;

Expand – открытие дополнительного окна для ввода текста большого размера при расположении курсора в одной из граф, содержащих выражение (например, Y Expression);

Stepping – открытие диалогового окна задания вариации параметров при моделировании. Properties – открытие диалогового окна изменения параметров режима анализа, имеющего несколько закладок, в том числе:

Plot – управление выводом графиков на экран и на принтер;

Scales and Formats – выбор масштабов по осям координат;

Colors, Fonts and lines – выбор цвета объектов, параметров шрифта и типа линий;

Save Curves – выбор одной или нескольких переменных для сохранения в *.usr файлах источника User Source (раздел 3.3.4);

Tool Bar – нанесение пиктограмм команд на панель инструментов окна Transient Analysis;

Help – вызов системы помощи в режиме Transient Analysis.

Числовые параметры:

Time Range – спецификация конечного и начального времени расчета переходных процессов, определяемая форматом Tmax[, Tmin]. Параметр [Tmin] можно не указывать, тогда по умолчанию Tmin=0;

Maximum Time Step – максимальный шаг интегрирования, определяющий точность расчетов переходных процессов. По умолчанию он определяется из выражения (Tmax – Tmin)/50;

Number of Points – количество отчетов вычисленной функции, выводимых в виде таблицы в текстовый выходной файл *.tno (по умолчанию принимается равным 51);

Temperature – диапазон изменения температуры компонентов схемы в градусах Цельсия, заданный в режиме Linear или Log по формату High[,Low[,Step]]. Если параметр Step (шаг) опущен, то анализ выполняется при минимальном (Low) и максимальном (High) значениях температуры. Если не указаны оба параметра Low и Step, то расчет схемы производится при температуре компонентов, равной High. При выборе режима List указывается список температур, разделяемых запятыми.

Вывод результатов моделирования:

Слева от каждой строки спецификации вывода результатов моделирования расположена группа кнопок , определяющих характер вывода данных, задаваемых в той же строке. С помощью первых двух кнопок (Log/Linear Scale) осуществляется переключение между логарифмической и линейной шкалой по осям X и Y. Третья кнопка (Color) позволяет менять цвет графиков, а при нажатии четвертой кнопки (Numeric Output) в текстовый выходной файл с расширением .tno заносится таблица отчетов вычисленной функции.

В графе P (Plot Group) указывается номер графического окна, в котором должна быть построена функция моделирования. Функции, помеченные одним и тем же номером, выводятся в одном окне.

Выражения:

X Expression – имя переменной, откладываемой по оси X (T - время, F - частота, H - напряженность магнитного поля и др.);

Y Expression – имя переменной, откладываемой по оси Y. Это могут быть простые переменные [V(3) – напряжение в узле, V(R1)- падение напряжение на резисторе, I(2,1) – ток ветви, I(R1) – ток через резистор и т.п.] или математические выражения, например, V(2)-V(3) – разность потенциалов между узлами 2 и 3 схемы;

X (Y) Range – максимальное и минимальное значения переменной X (Y) на графике по формату High[,Low]. Если минимальное значение равно нулю, то его можно не указывать. Для автоматического выбора диапазона переменных X(Y) в соответствующей графе Range указывается Auto.

Щелчок курсором по одной из панелей P, X (Y) Expression, X (Y) Range открывает всплывающие окна для выбора параметров графиков. Если курсор установлен в одной из граф строки спецификации, то после щелчка правой кнопки мыши так же открывается всплывающее меню выбора параметров построения графиков.

Опции:

Run Options – управление выдачей результатов расчета:

Normal – результаты расчетов не сохраняются,

Save – сохранение результатов расчетов в бинарном файле <имя схемы>.tsa,

Retrieve – считывание последних результатов расчета из файла <имя схемы>.tsa, созданного ранее;

State Variables – установка начальных условий:

Zero – установка нулевых начальных условий для потенциалов всех аналоговых узлов и токов через индуктивности, а цифровым узлам присваивается неопределенное логическое состояние «Х»;

Read – чтение начальных условий из файла <имя схемы>.top, созданного с помощью редактора State Variables Editor;

Leave – установка начальных условий, полученных при окончании расчета предыдущего варианта;

Retrace – установка начальных условий при многократном анализе переходных процессов в последовательности временных интервалов. При первом запуске рассчитывается переходной процесс в интервале времени, заданном форматом спецификации Time Range. При последующих запусках режима Transient с помощью клавиши F2 или кнопки Run () построение графиков начинается с момента времени, соответствующего окончанию предыдущего цикла анализа;

Operation Point – выполнение расчета по постоянному току перед началом каждого расчета переходных процессов;

Operation Point Only – расчет только режима по постоянному току (расчет переходных процессов не производится);

Auto Scale Ranges – включение автоматического масштабирования по осям X и Y для каждого нового варианта расчетов. Если эта опция выключена, то принимаются во внимание установки, заданные в графах X (Y) Range.

В режиме Transient Analysis на панели инструментов программы MC8 становится доступной кнопка (команда Animate), которая позволяет замедлить вывод графиков. Режим анимации может быть полезен не только для демонстрации динамики переходных процессов во времени, но и при построении зависимостей различных величин между собой (годографов или «фазовых портретов» схемы).

1.2 Меню режимов расчета переходных процессов

После задания параметров моделирования и щелчка курсором по кнопке Run программа МС переходит в режим расчета переходных процессов. Открывается окно анализа, а в строке заголовка появляется надпись “Transient Analysis”. Меняется и состав меню команд, а в строке инструментов появляются соответствующие им пиктограммы. В частности, появляется новый раздел меню Transient, команды которого приведены в табл. 1.

Таблица 1

При выполнении анализа в окне Transient Analysis строятся графики переходных процессов, заданных для анализа величин (напряжений в узлах схемы, падений напряжений на двухполюсных элементах, токов в ветвях схемы и т.п.). На рис. 2 показан результат моделирования переходных процессов в пассивной линейной цепи второго порядка, электрическая схема которой приведена в правом окне.

Рис. 2

В окно анализа выведены следующие графики:

V(1) – импульсный сигнал, вырабатываемый генератором V1;

V(L1) – падение напряжения на индуктивности L1;

V(C1) – падение напряжения на конденсаторе C1.

Следует обратить внимание, что графики V(L1) и V(C1) построены для двух значений сопротивления резистора R1 (0,5 кОм и 1 кОм), для чего использовался режим многовариантного анализа (команда Stepping), рассмотренный в разделе.

На рис. 2 показаны два открытых окна программы МС8, расположенных по горизонтали. Строка заголовка активного окна окрашивается в темно-синий цвет. Для активизации окна достаточно щелкнуть по нему мышью, а для того чтобы развернуть активное окно на весь экран (на рис. 2 это окно Transient Analysis), необходимо щелкнуть курсором по пиктограмме . Пиктограмма позволяет разместить на экране окно анализа поверх окна схем.

В случае большого количества графиков в окне анализа каждый из них можно выделить щелчком курсора и вывести в отдельное окно для детального просмотра, воспользовавшись кнопкой на панели инструментов (команда Thumb Nail Plot в меню Scope). Признаком выделенного графика является подчеркивание имени моделируемой функции. На рис. 2 в окне анализа выделен график функции V(1).

При включенной опции Auto Scale Ranges программа МС8 производит автоматическое масштабирование графиков после полного завершения расчетов. Поэтому при анализе медленно протекающих процессов, диапазон изменения которых заранее не известен, текущие результаты могут быть не видны на экране. В этом случае для удобства контроля за процессом моделирования следует воспользоваться командой Print Values (пиктограмма ). При нажатой кнопке в нижней части графиков справа от обозначения каждой переменной выводятся их текущие численные значения. Поскольку моделирование в режиме Print Values значительно замедляется, то после просмотра наиболее интересного фрагмента данных этот режим можно отключить повторным нажатием кнопки . Для ввода пиктограммы в строку инструментов необходимо воспользоваться закладкой Tool Bar в диалоговом окне Properties (см. раздел 1.1).

Если после завершения расчета переходных процессов необходимо изменить параметры моделирования, то с помощью команды Limits (F9) вызывается окно Transient Analysis Limits, рассмотренное в предыдущем разделе, и повторно запускается режим анализа.

Окно редактора State Variables Editor (F12) содержит три колонки, в которых располагаются значения узловых потенциалов (Node Voltages), токов через катушки индуктивности (Inductor Currents) и логических состояний цифровых узлов (Node Levels). В начальный момент времени указанные переменные полагаются равными нулю или состоянию неопределенности (Х) для логических переменных. После окончания моделирования в этом окне указываются конечные значения переменных и момент времени, при котором эти значения рассчитаны. При необходимости значения переменных можно редактировать, обнулять (кнопка Clear), запоминать в файл <имя схемы>.top (Write), в текстовый файл <имя схемы>.svv (Print) или в виде директивы в текстовом окне (.IC), а также считать в окно переменные из файла <имя схемы>.top (Read).

Рис. 3

Команда FFT Windows вызывает диалоговое окно спектрального анализа полученных в результате моделирования периодических процессов (рис. 3). В программе MC8 режим расчета спектров выгодно отличается от режима DSP (Digital Signal Processing) предыдущей версии программы MC7. Прежде всего, режим FFT позволяет рассчитать не только амплитудный (Mag), но и фазовый (Phase) спектр сигналов, а также получить действительную (Real) и мнимую (Imag) части спектра. Программа позволяет вывести в отдельное окно анализа одновременно несколько спектральных функций, определив для них отдельные графические окна (Plot Group) с соответствующим оформлением графиков (закладка Colors, Fonts and Lines).

На рис. 4 показаны одновременно выведенные на экран три рабочих окна: окно схем и два окна анализа (временной и спектральный анализ). Спектры сигналов V(1) и V(L1) представлены в виде набора гармоник, характерном для дискретного преобразования Фурье, а спектр сигнала V(C1) – в виде огибающей гармоник. В качестве модели сигнала V(1) используется меандр, поэтому четные гармоники спектров равны нулю. В спектре сигнала V(L1) отсутствует постоянная составляющая, поскольку функция V(L1) симметрична относительно оси времени.

Закладка FFT окна Properties (рис. 3) позволяет определить границы интервала времени, принимаемого для расчета спектра (Upper Time Limit, Lower Time Limit) и количество отсчетов сигнала (Number of Points), используемых в дискретном преобразовании Фурье. Причем в программе MC8 максимальное количество отсчетов увеличено до 220.

Рис. 4

Параметрическая оптимизация (команда Optimize) позволяет, изменяя значения компонентов схемы в процессе проведения оптимизации, получить характеристики схемы с параметрами, максимально близкими к заданным значениям. Использование режима параметрической оптимизации рассмотрено в [1].

Для анализа полученных в процессе моделирования графиков характеристик схемы можно воспользоваться различными средствами (инструментами), имеющимися в программе МС. Включение одного из имеющихся режимов измерения (управления электронным курсором) осуществляется нажатием на соответствующую пиктограмму в меню инструментов. Набор инструментов можно менять, если двойным щелчком курсора в поле графиков открыть диалоговое окно Properties и обратиться к закладке Tool Bar. Способы обработки результатов моделирования описаны в разделе 6.

2. Расчет частотных характеристик (AC Analysis)

Для проведения анализа частотных характеристик схемы необходимо к ее входу подключить источник синусоидального (SIN), импульсного (PULSE) сигнала или сигнала USER, параметры которого задаются пользователем (раздел 3.3). В этом случае в режиме AC программа МС8 вместо указанных источников подключает на вход схемы гармоническое возмущение с переменной частотой. В процессе расчета частотных характеристик комплексная амплитуда этого сигнала полагается равной 1 В, начальная фаза – равной нулю, а частота меняется в пределах, заданных в меню AC Analysis Limits.

В режиме AC сначала рассчитывается режим схемы по постоянному току, затем линеаризуются все нелинейные компоненты (пассивные компоненты с нелинейными параметрами, диоды, транзисторы, нелинейные управляемые источники) и выполняется расчет комплексных величин узловых потенциалов и токов ветвей. Цифровые компоненты при линеаризации заменяются их входными и выходными комплексными сопротивлениями, а передача сигналов через них не рассматривается.

Как правило, при расчете частотных характеристик используется один источник, воздействие которого приложено ко входу схемы. Если же источников несколько, то отклики от каждого сигнала будут складываться как комплексные величины.

2.1 Задание параметров моделирования (AC Analysis Limits)

После проверки правильности составления схемы и при отсутствии ошибок программа открывает окно задания параметров моделирования AC Analysis Limits, которое по своей структуре аналогично окну Transient Analysis Limits (рис. 5). Тем не менее, имеются и отличия, связанные с особенностями моделирования в режиме AC Analysis.

Рис. 5

Команды:

Состав команд (Run, Add, Delete, Expand, Stepping, Properties и Help) и их назначение аналогичны командам раздела 1.1.

Числовые параметры:

Frequency Rang – спецификация конечной и начальной частоты расчета частотных характеристик, определяемая форматом Fmax, Fmin. Если частота Fmin не указана, то расчет не производится. Отрицательные значения частоты не допускаются. Значения частот, на которых производится расчет характеристик, зависит от параметров, установленных в соседнем разделе «Опции»: Auto, Linear, Log и List (на рис. 5 установлена опция Auto). В режимах Auto и Log значение Fmin должно быть больше нуля.

Number of Point – количество точек по частоте (Nf), в которых производится расчет частотных характеристик. В режиме Auto количество точек определяется параметром Maximum Chang. При линейном законе изменения частоты (Linear) шаг приращения частоты ΔF равен

ΔF = Fk+1 – Fk = (Fmax - Fmin)/(Nf -1).

Если принят логарифмический масштаб (Log), то отношение соседних частотных точек определяется выражением:

Fk+1/Fk =( Fmax / Fmin)/( Nf -1).

В режиме List (список) параметр Number of Point во внимание не принимается, а список частотных точек указывается в спецификации Frequency Rang.

Temperature - диапазон изменения температуры в градусах Цельсия.

Maximum Change, % - максимально допустимое приращение величины первой спектральной функции на интервале шага по частоте в процентах от полной шкалы значений функции. Данный параметр используется при расчете шага приращения частоты в режиме Auto. Если график функции в процессе моделирования изменяется быстрее, то шаг приращения частоты автоматически уменьшается.

Noise Input – имя источника, генерирующего шум.

Noise Output – имя узлов (формат <имя первого узла>[,<имя второго узла>]), относительно которых вычисляется спектральная плотность выходного шума схемы. Если имя второго узла не определено, то выходной шум вычисляется относительно нулевого узла («земли»).

Последние два параметра используются при расчете уровня внутреннего шума схемы. В математических моделях компонентов, принятых в программе MC8, учитываются тепловые, дробовые и низкочастотные фликкер-шумы. При расчете выходного шума спектральные плотности шума от отдельных источников суммируются. Для построения графиков спектральной плотности шума на входе и выходе схемы достаточно ввести в графу Y Expression соответствующего графического окна имя переменной в виде INOISE или ONOISE. При этом графики других переменных нельзя одновременно выводить на экран. Если переменные INOISE или ONOISE не указаны, то при проведении частотного анализа в режиме AC параметры Noise Input и Noise Output игнорируются.

Вывод результатов моделирования:

К группе из четырех кнопок , определяющих характер вывода данных и рассмотренных в разделе 1.1, добавляется пятая кнопка, при нажатии на которую вызываются следующие команды:

Rectangular – вывод графиков в декартовой системе координат;

Polar – вывод графиков в полярной системе координат;

Smith chart plot – вывод графиков на круговой диаграмме Смита.

В графе P (Plot Group) указывается номер графического окна, в котором должна быть построена заданная функция.

Выражения:

Выражения X(Y) Expression и X(Y) Range имеют то же назначение, что и в режиме Transient Analysis. В качестве имени переменной по оси X в случае анализа частотных характеристик определяют F (частота), а при расчете импульсной характеристики схемы с помощью преобразования Фурье (FFT) по оси X откладывается переменная T (время). Для переменной Y Expression это может быть простая переменная V(1) или V(OUT) (при построении графика амплитудно-частотной характеристики), функция ph(V(1)) – при вычислении фазово-частотной характеристики и другие выражения.

Опции:

В окне AC Analysis Limits отсутствует опция Operation Point Only. В отличие от предыдущей версии в MC8 исключен раздел Frequency Step (шаг изменения частоты), а опции Auto, Linear, Log и List перенесены в раздел числовых параметров Frequency Rang.

На рис. 6 показаны результаты расчета программой МС8 амплитудно-частотных (АЧХ) и фазово-частотных характеристик (ФЧХ) простейшей частотно-зависимой цепи. Выбрана логарифмическая шкала по оси X и линейная шкала по оси Y обоих графиков. На графике АЧХ с помощью электронного курсора отмечены точки максимального подъема частотной характеристики и спада АЧХ до уровня 0,707. Так же, как и при временном анализе в режиме AC Analysis меняется состав меню и состав пиктограмм (команд) в строке инструментов. Команды раздела меню AC ничем не отличаются (за исключением FFT Windows) от команд, рассмотренных в разделе 1.2 (табл. 2). Сохраняются и правила применения кнопок (Print Values), (Animate), (Thumb Nail Plot), (Stepping) и др. Команда FFT Windows используется для рассчета импульсной характеристики схемы.

Рис. 6

3. Расчет передаточных функций по постоянному току (DC Analysis)

В режиме DC рассчитываются передаточные характеристики схемы по постоянному току. Ко входам цепи программа МС подключает один или два независимых источника постоянного напряжения или тока. В качестве выходного сигнала может рассматриваться разность узловых потенциалов или ток через ветвь, в которую включен резистор. При расчете передаточных функций программа МС “закорачивает” индуктивности и