Дипломная работа: Моделирование электрических схем при помощи средств программного пакета Micro-Cap 8
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 исключает из схемы все конденсаторы. Далее рассчитывается режим по постоянному току при нескольких значениях входных сигналов.
Возможность подключения в режиме DC к схеме двух источников позволяет рассчитать не только передаточную функцию анализируемого устройства, но построить и семейство характеристик (например, семейство статических выходных характеристик транзистора).
3.1 Задание параметров моделирования (DC Analysis Limits)
После перехода в режим DC программа МС открывает окно задания параметров моделирования DC Analysis Limits (рис. 7), имеющее следующие разделы.
Рис. 7
Команды:
Окно содержит те же команды (Run, Add, Delete и др.), что и в режимах анализа временных и частотных характеристик.
Числовые параметры:
Строка Variable 1 предназначена для задания первой варьируемой переменной и содержит несколько граф.
В графе Method выбирается метод варьирования первой переменной:
- Auto – автоматический;
- Linear – линейный (задается в графе Range по формату Final[,Initial[,Step]]). Если не указан шаг (Step) варьируемой переменной, то он устанавливается по умолчанию равным 1/50 диапазона задаваемой переменной. Если не задавать начальное значение параметра, то по умолчанию ему будет присвоено нулевое значение;
- Log – логарифмический масштаб переменной;
- List – в виде списка значений переменной, разделяемых запятой.
В графе Name выбирается имя варьируемой переменной, причем в качестве таковой могут быть заданы не только источники напряжения и тока, но и температура или имя одного из компонентов, имеющих математические модели (например, диода или транзистора). При выборе такого компонента в расположенном справа окне выбирается варьируемый параметр его математической модели (на рис. 6 это параметр BF – коэффициент усиления тока транзистора).
Строка Variable 2 позволяет задать вторую варьируемую переменную. Если она отсутствует, то в графе Method выбирается None.
Temperature – диапазон изменения температуры в градусах Цельсия. Как и при других видах анализа, можно выбрать линейную (Linear) или логарифмическую (Log) шкалу изменения температуры, а также указать список (List) температур. В случае использования температуры в качестве одной из варьируемой переменной она обозначается как переменная TEMP при моделировании.
