Дипломная работа: Моделирование электрических схем при помощи средств программного пакета Micro-Cap 8
Number of Points – количество точек характеристики, выводимой в табличной форме.
Maximum change, % - максимально допустимое приращение графика первой функции на одном шаге варьируемой переменной (в процентах от полной шкалы). Используется при автоматическом (Auto) варьировании первой переменной. Если график функции меняется быстрее заданного приращения, то шаг приращения первой переменной автоматически уменьшается.
Опции:
Run Options – управление выдачей результатов расчетов:
- Normal – результаты расчетов не сохраняются;
- Save – сохранение результатов расчета в бинарном файле <имя схемы>.dsa;
- Retrieve – считывание последних результатов расчета из созданного ранее файла <имя схемы>.dsa.
Auto Scale Ranges – автоматическое масштабирование по осям X и Y для каждого нового варианта расчетов.
Остальные разделы окна DC Analysis Limits аналогичны разделам рассмотренных выше окон задания параметров в режимах анализа Transient и AC. На рис. 8 в окне анализа показан пример расчета семейства выходных статических характеристик транзистора – зависимости тока коллектора (Ic[Q1]) от приложенного к транзистору напряжения (Vce[Q1]) при варьировании тока базы (I1). В окне схем изображена схема подключения независимых источников напряжения и тока к транзистору Q1 при моделировании передаточных функций. В соответствии с рис. 7 напряжение питания V1 (V1=Vce[Q1]) меняется при моделировании от 0 до 5 В, а базовый ток I1 при построении графиков варьируется с шагом 0,5 мА в диапазоне 0…5 мА. Моделирование проведено при температуре транзистора 27 С0.
Рис. 8
Для наглядности на этом же рисунке приведен фрагмент окна задания параметров моделирования, значения которых и определяют вид семейства выходных характеристик транзистора.
4. Многовариантный анализ (Stepping)
Во всех трех видах
анализа Transient, AC и DC
предусмотрена возможность многовариантного анализа характеристик схем.
Диалоговое окно Stepping, имеющее
20 закладок и позволяющее задать вариации от одного до двадцати параметров
схемы, можно вызвать или из окна задания параметров моделирования, или щелкнув
курсором по пиктограмме 
. Окно Stepping (рис. 9) содержит следующие разделы.
Step What – строка выбора имени компонента и его варьируемого параметра. Содержание строки зависит от выбранного на панели Parameter Type типа параметра: Component, Model или Symbolic.
Рис. 9
Parameter Type – тип варьируемого параметра:
Component – в качестве варьируемого компонента
схемы указывается его имя, выбираемое из списка, открываемого кнопкой 
в первой
строке Step What (например, R1, R2, C1, L1, D1, Q1, V1 и
т.п.). Если в этом списке выбрать простой компонент, имеющий единственный
параметр (резистор, конденсатор и т.д.), то справа на первой строке появляется
стандартное имя Value (величина).
Если же выбранный компонент имеет модель или макромодель (транзистор,
операционный усилитель и др.), то справа на первой строке нужно выбрать имя ее
параметра из списка, открываемого кнопкой 
;
Model – в качестве варьируемой величины
указывается параметр модели компонента. Имя модели и соответствующий параметр
выбираются из списков, открываемых кнопкой 
. Следует иметь в виду, что по
данному способу варьируются параметры всех компонентов, имеющих выбранную
модель;
Symbolic – изменяемый параметр выбирается из списка параметров, определенных по директиве .define.
Следующие три строки определяют:
From – начальное значение выбранного параметра. При использовании логарифмической шкалы оно должно быть больше нуля;
To – конечное значение параметра. При выборе логарифмической шкалы оно также должно быть больше нуля;
Step value – величина шага параметра. При линейной шкале она прибавляется к текущему значению, а при логарифмической шкале умножается на текущее значение параметра.
Последние две строки недоступны, если используется списочный (List) способ задания значений параметров.
Method – характер изменения варьируемого параметра:
- Linear – линейная шкала;
- Log – логарифмическая шкала;
- List – список значений.
Step It – включение (Yes) или выключение (No) режима вариации параметров.
Change – метод изменения нескольких параметров:
- Step all variables - одновременное изменение всех варьируемых параметров (количества вариаций всех параметров должны быть равны между собой);
- Step variables in nested loops - поочередное (вложенное) изменение варьируемых параметров (во внешнем цикле изменяется переменная, указанная на 1-й закладке).
Перед выполнением вариации параметров схемы рекомендуется убедиться, что моделирование выполняется без ошибок при номинальном значении параметров, т.е. схема задана правильно. Далее, вызвав окно Stepping, необходимо задать требуемые параметры варьирования, включить режим Stepping и, щелкнув по кнопке «OK», перейти в окно выбранного режима анализа. Для построения графиков исследуемых характеристик достаточно снова запустить режим анализа с помощью клавиши F2 или кнопки Run.
Пример многовариантного
расчета частотных характеристик (АЧХ и ФЧХ) резонансного контура при вариации
емкости конденсатора приведен на рис. 10. Варьируемые значения емкости
конденсатора С1, соответствующие различным кривым семейства характеристик,
введены в первое графическое окно анализа (АЧХ) с помощью команды Label Branches из меню режима электронной лупы Scope. При последующем детальном анализе
одной из кривых семейства можно воспользоваться диалоговым окном Go to Branch, вызываемым пиктограммой 
. Например, для измерения
резонансной частоты параллельного контура при значениях емкости конденсатора
С1, соответствующих 25 пф и 100 пф, для левого курсора величина С1 принята
равной 2,5Е-11 (25 пф), а для правого курсора – 1Е-10 (100 пф). Далее,
используя пиктограмму 
(Peak), находим максимумы исследуемых графиков. В
результате измерений (рис. 10) определены значения резонансной частоты контура:
2,28 МГц (С1=100 пф) и 4,459 МГц (С1=25 пф).
Рис. 10
В программе MC8 имеются некоторые ограничения в использовании режима многовариантного анализа. В частности, недоступен статистический анализ по методу Монте-Карло при вариации параметров в режиме Stepping. Полный список ограничений вариации параметров приведен в HELP.
5. Расчет режима по постоянному току (Dynamic DC)
Режим Dynamic DC позволяет произвести анализ электрической схемы по постоянному току и отобразить результаты расчетов на чертеже схемы. Если предварительно на закладке Options команды Options>Preferences включен параметр Circuit Show Slider, то на схеме у изображений батарей и простых компонентов (резисторы, конденсаторы и индуктивности) размещаются движковые регуляторы. При их перемещении с помощью курсора изменяются и номинальные значения данных компонентов с отображением новых значений на схеме. Очевидно, что при изменении сопротивлений резисторов будут меняться и параметры схемы. Минимальные и максимальные значения величин компонентов определяются с помощью атрибутов SLIDER_MIN и SLIDER_MAX в окне задания параметров компонентов (см. разд. 3.1).
На рис. 11, а приведена схема транзисторного усилителя. После исполнения команды Analysis>Dynamic DC на чертеже схемы появляются изображения движковых регуляторов (рис. 11, б), а в окно схем вводится диалоговое окно для задания параметров моделирования.
Рис. 11
Программа МС8 производит расчет узловых потенциалов, токов ветвей и мощности. Объем выводимой на схему информации определяется нажатием в диалоговом окне соответствующих пиктограмм, назначение которых приводится ниже.
- номер узла;
- напряжение аналоговых
узлов или логические состояния цифровых узлов - Voltages;
- токи ветвей - Currents;
- мощности, рассеиваемые в
ветвях - Power Temps;
- состояние p-n переходов (LIN –
линейный режим, ON- переход открыт,
OFF – переход закрыт, SAT – переход в режиме насыщения) - Condition.
При выборе опции Place Text в окне схем появляется надпись, содержащая названия выведенных параметров схемы.
Следует отметить, что при использовании этих пиктограмм в режиме анализа переходных процессов (если не выбрана опция Operation Point Only) на схеме отображаются не значения режима по постоянному току, а значения переходных процессов в последний момент времени. Если же проводился анализ схемы в режимах AC или DC, то при использовании данных пиктограмм на схеме отображаются значения режима по постоянному току, рассчитанного последним.
6. Расчет режима по переменному току (Dynamic AC)
В отличие от более ранних версий в программе MC8 предусмотрен режим Dynamic AC, при котором производится расчет схемы по переменному току, т.е. вычисляются комплексные амплитуды напряжений в узлах и токов в ветвях схемы, а также рассчитывается не только активная, но и реактивная составляющая мощности.
Рис. 12
На рис. 12 показано окно
схем после исполнения команды Analysis> Dynamic AC. Как видно из рисунка, при нажатой пиктограмме 
указываются
амплитуды (Magnitude) и фазы (Phase) гармонического колебания в различных узлах схемы в
соответствии с форматом First Value, Second Value. Используя опции Magnitude, Magnitude in dB или Real Part для первой
величины (First Value), а также опции Phase in Degrees или Phase in Radians для второй величины (Second Value), можно менять размерность значений выводимых
параметров. Для отмены отображения на схеме одной из величин достаточно выбрать
опцию None. Частота гармонического колебания,
при которой проводится анализ схемы в режиме Dynamic AC, указывается в окне Frequency List. На рис. 12 Frequency List
=1E6, т.е. расчет схемы по переменному
току производился на частоте 1 МГц.
7. Расчет малосигнальных передаточных функций (Transfer Fuction)
Режим Transfer Fuction выполняет расчет малосигнальных передаточных функций в режиме по постоянному току, которые рассчитываются после линеаризации схемы в окрестностях рабочей точки. В качестве выходного выражения (Output Expression) может использоваться любая переменная или функция, имеющая смысл при анализе схемы по постоянному току. Например, это разность потенциалов между узлами A и B – V(A,B), падение напряжения на резисторе R – V(R) или ток, протекающий через резистор, - I(R) и др. Входное воздействие может вырабатывать источник (Sourse) напряжения или тока. Если обозначить выходную и входную переменные как Vout и Vin, то результатом расчета является передаточная функция (Transfer Function), равная dVout/dVin.
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].
