В последнее время
широкое распространение получили программы-симуляторы электронных схем.
Я решил остановиться на Микрокап7, как на довольно распространенной.
Программа может быть интересна как специалистам, так и начинающим, желающим
получить опыт в исскустве построения электронных схем и закрепить свои
теоретические знания.
Достаточно хорошо программа описана в (*). Мне хотелось остановится на некоторых особенностях работы программы, недостаточно полно раскрытых в (*), особенно в плоскости проектирования усилителей низкой частоты, на конкретном примере полного анализа работы схемы. В качестве примера возьмем классическую схему УНЧ с ООС.
1.Основное окно, в нем рисуем схему.
Тут все просто, но хочется остановится на некоторых моментах, связанных в основном с удобством дальнейшей работы.
Схему следует рисовать аккуратно, так чтобы выводы элементов не наползали друг на друга, чтобы потом не искать в схеме обрывы и КЗ. Контрольные точки схемы лучше обозначать текстом (например OUT), а не номерами узлов схемы, которые автоматически проставляет программа. При добавлении в схему элементов номера узлов меняются. Поэтому в окнах анализа вам придется постоянно это отслеживать. Параметры некоторых элементов лучше задавать как величину параметра другого, например симметричного, элемента, как это сделано с резистором R10. Для этого в окне элемента для R10 вместо 30 Ом, пишем R(R7). Теперь при изменении величины R7 будет синхронно изменятся и величина R10. Это очень удобно для анализа схемы.
рис. 1
Из окна схемы можно перейти в текстовое окно (рис. 2). В нем отражены параметры моделей в текстовом формате. Чтобы в текстовом окне отразить параметры всех моделей схемы, существует кнопка на панели инструментов (отмечена стрелкой на Рис. 1). Тут их можно редактировать и добавлять новые обычным текстовым редактором. Схема будет брать модели не из библиотеки, а из этого текстового файла. Это нам пригодится при дальнейшем анализе схемы. При обмене файлами. CIR, модели будут переходить на другой комьпютер вместе со схемой. Чтобы вернуть МС к основной библиотеке элементов, достаточно удалить их из текстового окна обычным текстовым редактором.
рис. 2
рис. 3
Рядом с каждым резистором появляется движок. При выделении его мышкой можно стрелками на клавиатуре менять его величину, наблюдая за токами и напряжениями в схеме. Таким способом балансируем схему по постоянному току. Устанавливаем токи покоя.
3. АС анализ.
В нем проводим анализ АФЧХ петлевого усиления, измеряем глубину ООС.
рис. 4
Далее смотрим АФЧХ без ОООС, для этого надо исключить ОООС по переменному току, оставив по постоянному. Для этого с базы Q8 на землю ставим конденсатор большой емкости, например 1ф. Смотрим графики.
рис. 5
рис. 7
рис. 8
Меняем, в схеме,
активные элементы, температуру которых желаем
оставить постоянной на элементы с буквой Т,
одновременно с этим в окне элемента устанавливаем
параметр T-ABC на нужную нам температуру (см.
рис 8). Теперь температура этого элемента,
при анализе, изменятся не будет.
Конечно тепловой анализ в симуляторе не учитывает тепловое сопротивление, инерционность процесса. Но грубо работу схемы при прогреве, источники тепловых дрейфов, оценить можно.
5. Transient.
Предназначен для анализа переходных процессов в схеме, а так же анализа спектра гармоник выходного сигнала с помощью БПФ. На анализе переходных процессов останавливаться не буду, там все очевидно.
Спектр гармоник можно посмотреть с помощью нескольких операторов. Наиболее удобным, на мой взгляд, является оператор IHD(HARM(измеряемая величина)). IHD-Individual Harmonic Distortion, т. е. из спектра выделяются гармоники только основной частоты. В большинстве случаев этого достаточно, для оценки нелинейности схемы. По сравнению с режимом HARM анализ идет значительно быстрее, и что важно показания читать значительно удобнее. Они выводятся в процентах от основной гармоники, в отличии от режима HARM, где показания выводятся в абсолютных величинах. Это не удобно, особенно при измерении при разных уровнях входного сигнала. При правильном задании параметров анализа, показания практически не отличаются.
рис. 9
Проводим анализ. Хочу напомнить
что показания выводятся в процентах от основной
гармоники. Например 1m соответствует 0, 001%.
Теперь хочу остановиться на некоторых тонкостях. Почему мы иногда видем в окошке спектра ровный, незатухающий пьедестал гармоник, даже при достаточно малом шаге?
Причин несколько:
1. Часто при недостаточной устойчивости схемы анализ начинается с затухающего возбуда, при включении схемы, который заметно портит точность показаний. С этим можно бороться, начиная измерение спустя несколько периодов основной частоты. Для этого в окне вывода результатов анализа нажимаем Transient, далее DSP параметры. Открывается такое окно.
рис. 10
Устанавливаем в нижнем пределе 3m в верхнем 4m. Теперь измерение будет происходить с третьего по четвертый период основной частоты. В окошке 1 на рис. 9 надо установить тоже 4m. Эти времена довольно произвольны, главное чтобы разница между ними была равна периоду основной частоты (1m). Слишком большие их делать не стоит, так как это увеличивает время анализа.
2. Допустим в схеме присутствуют большие емкости (например в цепи ОООС или схемы серворегулирования), которые в процессе анализа могут менять заряд. В основном это заметно, когда в выходном напряжении схемы присутствуют значительные четные гармоники. Лучше на время анализа спектра их из схемы исключать. Например схему серво заменять батарейкой. Но если этого не хочется делать, можно воспользоваться режим Leave или Read (cм. Рис. 9). Как пользоваться режимом Read хорошо описанно (1), но он не очень удобен. После каждого изменения в схеме приходится формировать новый файл с запомненными режимами. Leave удобней, если процессы установления не очень длинные.
Пользоваться им так. Проводим анализ, затем убираем галочку в окошке Operating Роint и проводим анализ снова. Теперь программа начинает следущий анализ с конца предыдущего и будет делать это каждый раз при нажатии на кнопку RUN. Теперь смотрим как уменьшается пьедестал из гармоник верхних порядков. Процесс продолжаем несколько раз, пока пьедестал не перестанет изменятся. Галочку надо вернуть на место, после любого изменения в схеме. И повторить все с начала.
3. Следует избегать цепочек дающих даже незначительные сдвиги фаз в цепи сигнала на частоте генератора. Например цепочка на входе усилителя из резистора 51к и конденсатора 1мкф с частотой среза 3гц, на частоте 1кгц будет иметь сдвиг фаз всего 0, 2гр, но этого вполне достаточно, чтобы увидеть искажении спектра, хотя и очень небольшого уровня. Поэтому ставим, для анализа 10мкф, хотя для работы усилителя вполне достаточно и 1мкф.
6. Probe Transient.
Тоже очень полезный режим, нужный в основном, для того, чтобы экономить ваше время. Он позволяет оперативно посмотреть напряжения в узлах, на элементах схемы и переходах транзисторов. Время развертки устанавливается в окне Transient.
рис. 11
Если поставить в схему
несколько резисторов, вообщем не нужных для
ее работы, можно оперативно наблюдать форму
токов. Это быстрее чем, это делать в
режиме Transient.
Вообщем все, моделируйте. Это, конечно не заменит живой практики с паяльником, но сэкономит ваше время и деньги на сожженные детали и позволит избежать ошибок на этапе проектирования.
Правдивцев С. В. 18.05.2005г.
Литература : (*) В. Д. Разевиг «Схемотехническое моделирование с помощью Микро-кап 7»
Достаточно хорошо программа описана в (*). Мне хотелось остановится на некоторых особенностях работы программы, недостаточно полно раскрытых в (*), особенно в плоскости проектирования усилителей низкой частоты, на конкретном примере полного анализа работы схемы. В качестве примера возьмем классическую схему УНЧ с ООС.
1.Основное окно, в нем рисуем схему.
Тут все просто, но хочется остановится на некоторых моментах, связанных в основном с удобством дальнейшей работы.
Схему следует рисовать аккуратно, так чтобы выводы элементов не наползали друг на друга, чтобы потом не искать в схеме обрывы и КЗ. Контрольные точки схемы лучше обозначать текстом (например OUT), а не номерами узлов схемы, которые автоматически проставляет программа. При добавлении в схему элементов номера узлов меняются. Поэтому в окнах анализа вам придется постоянно это отслеживать. Параметры некоторых элементов лучше задавать как величину параметра другого, например симметричного, элемента, как это сделано с резистором R10. Для этого в окне элемента для R10 вместо 30 Ом, пишем R(R7). Теперь при изменении величины R7 будет синхронно изменятся и величина R10. Это очень удобно для анализа схемы.
рис. 1
Из окна схемы можно перейти в текстовое окно (рис. 2). В нем отражены параметры моделей в текстовом формате. Чтобы в текстовом окне отразить параметры всех моделей схемы, существует кнопка на панели инструментов (отмечена стрелкой на Рис. 1). Тут их можно редактировать и добавлять новые обычным текстовым редактором. Схема будет брать модели не из библиотеки, а из этого текстового файла. Это нам пригодится при дальнейшем анализе схемы. При обмене файлами. CIR, модели будут переходить на другой комьпютер вместе со схемой. Чтобы вернуть МС к основной библиотеке элементов, достаточно удалить их из текстового окна обычным текстовым редактором.
рис. 2
Для перехода к нему щелкаем на Analysis>Dynamic
DC. Напряжения в узлах будут выведены сразу.
На панели инструментов можно вывести токи
в ветвях, мощность на элементах, соответствующей
кнопкой.
рис. 3
Рядом с каждым резистором появляется движок. При выделении его мышкой можно стрелками на клавиатуре менять его величину, наблюдая за токами и напряжениями в схеме. Таким способом балансируем схему по постоянному току. Устанавливаем токи покоя.
3. АС анализ.
В нем проводим анализ АФЧХ петлевого усиления, измеряем глубину ООС.
рис. 4
Далее смотрим АФЧХ без ОООС, для этого надо исключить ОООС по переменному току, оставив по постоянному. Для этого с базы Q8 на землю ставим конденсатор большой емкости, например 1ф. Смотрим графики.
рис. 5
Усиление без ОООС 68 дб. Глубина
ОООС 68-24=44дб. Первый полюс
на частоте 7кГц. Находим из графиков
сдвиг фаз при 24дб, он составляет
109гр. Следовательно запас по
фазе нашей схемы составляет 180-109=71гр.
Т. е. схема вполне устойчива
при таком усилении и элементах
коррекции. Удобно выбрать оптимальное
расположение полюса и величину
элементов коррекции (С3, в данном
случае) с помощью режима Stepping.
На экран будут выводится несколько
графиков, для каждого значения
С3. В АС анализе следует помнить
о том, что измерения происходят
в малосигнальном режиме.
4. DC анализ.
В этом режиме можно посмотреть статические характеристики схемы, а так же температурные зависимости. Этот режим удобен также для снятия статических характеристик активных элементов (входной, выходной характеристик, зависимостей бэты, крутизны от тока, температурных параметров) и сравнения с даташитными. Очень рекомендую проделывать эту процедуру перед установкой прибора в схему. Программа располагает множеством функций. Про них можно почитать в Helpе программы. Данные на график можно выводит в качестве функции измеряемой величины. Например при измерении бэты (крутизны) очень удобна функция DD (производная, по изменяемому параметру).
рис. 6
Посмотрим температурные зависимости. Для этого делаем соответствующие установки в окне анализа. Вместо температуры в окне можно установит любой источник напряжения или тока, а так же параметры моделей элементов. Можно смотреть и сразу по двум величинам. Остановимся на температурных зависимостях тока покоя выходников и дрейфе постоянки на выходе. Получаем:
4. DC анализ.
В этом режиме можно посмотреть статические характеристики схемы, а так же температурные зависимости. Этот режим удобен также для снятия статических характеристик активных элементов (входной, выходной характеристик, зависимостей бэты, крутизны от тока, температурных параметров) и сравнения с даташитными. Очень рекомендую проделывать эту процедуру перед установкой прибора в схему. Программа располагает множеством функций. Про них можно почитать в Helpе программы. Данные на график можно выводит в качестве функции измеряемой величины. Например при измерении бэты (крутизны) очень удобна функция DD (производная, по изменяемому параметру).
Часто ругают симуляторы за несоответствие
с реальными измерениями, но
иногда виноваты не симуляторы,
а неадекватные модели элементов.
Особенно часто они попадаются
среди моделей отечественных
приборов.
Вернемся к
DC анализу нашей схемы.
рис. 6
Посмотрим температурные зависимости. Для этого делаем соответствующие установки в окне анализа. Вместо температуры в окне можно установит любой источник напряжения или тока, а так же параметры моделей элементов. Можно смотреть и сразу по двум величинам. Остановимся на температурных зависимостях тока покоя выходников и дрейфе постоянки на выходе. Получаем:
рис. 7
На самом деле анализ не совсем корректный,
т. к. я «грел» все активные элементы
одновременно. Можно греть и несколько
элементов, оставляя остальные при постоянной
температуре. Для этого вернемся в текстовое
окно. Сделаем копию текстовых описаний
активных элементов и добавим их том же
окне. В тексте копии элемента добавим
к каждому элементу, скажем букву Т (см.
Рис 2)
рис. 8
Конечно тепловой анализ в симуляторе не учитывает тепловое сопротивление, инерционность процесса. Но грубо работу схемы при прогреве, источники тепловых дрейфов, оценить можно.
5. Transient.
Предназначен для анализа переходных процессов в схеме, а так же анализа спектра гармоник выходного сигнала с помощью БПФ. На анализе переходных процессов останавливаться не буду, там все очевидно.
Спектр гармоник можно посмотреть с помощью нескольких операторов. Наиболее удобным, на мой взгляд, является оператор IHD(HARM(измеряемая величина)). IHD-Individual Harmonic Distortion, т. е. из спектра выделяются гармоники только основной частоты. В большинстве случаев этого достаточно, для оценки нелинейности схемы. По сравнению с режимом HARM анализ идет значительно быстрее, и что важно показания читать значительно удобнее. Они выводятся в процентах от основной гармоники, в отличии от режима HARM, где показания выводятся в абсолютных величинах. Это не удобно, особенно при измерении при разных уровнях входного сигнала. При правильном задании параметров анализа, показания практически не отличаются.
Итак, открываем окно анализа.
В окошке 1 устанавливаем 1m-время одного периода нашего генератора (1кгц).
В окошке 1 устанавливаем 1m-время одного периода нашего генератора (1кгц).
В окошке 2 шаг, примерно одна тысячная-одна
десятитысячная от периода. Чем меньше, тем
точнее, но время анализа увеличивается пропорционально.
Поэтому ищем компромисс, исходя из необходимой
точности измерений. Тем более, что начиная
с некоторых значений, уменьшение шага перестает
влиять.
В окошке 3 ставим Leave, зачем расскажу
ниже.
В окошке 4 меняем масштаб по шкале Y на логарифмический.
В окошке 5 меняем T на F.
И в 6 пишем IHD(HARM(V(out))). Удобно щелкнув в окне правой кнопкой мыши.
Диапазон шкал лучше установить вручную.
В окошке 4 меняем масштаб по шкале Y на логарифмический.
В окошке 5 меняем T на F.
И в 6 пишем IHD(HARM(V(out))). Удобно щелкнув в окне правой кнопкой мыши.
Диапазон шкал лучше установить вручную.
рис. 9
Теперь хочу остановиться на некоторых тонкостях. Почему мы иногда видем в окошке спектра ровный, незатухающий пьедестал гармоник, даже при достаточно малом шаге?
Причин несколько:
1. Часто при недостаточной устойчивости схемы анализ начинается с затухающего возбуда, при включении схемы, который заметно портит точность показаний. С этим можно бороться, начиная измерение спустя несколько периодов основной частоты. Для этого в окне вывода результатов анализа нажимаем Transient, далее DSP параметры. Открывается такое окно.
рис. 10
Устанавливаем в нижнем пределе 3m в верхнем 4m. Теперь измерение будет происходить с третьего по четвертый период основной частоты. В окошке 1 на рис. 9 надо установить тоже 4m. Эти времена довольно произвольны, главное чтобы разница между ними была равна периоду основной частоты (1m). Слишком большие их делать не стоит, так как это увеличивает время анализа.
2. Допустим в схеме присутствуют большие емкости (например в цепи ОООС или схемы серворегулирования), которые в процессе анализа могут менять заряд. В основном это заметно, когда в выходном напряжении схемы присутствуют значительные четные гармоники. Лучше на время анализа спектра их из схемы исключать. Например схему серво заменять батарейкой. Но если этого не хочется делать, можно воспользоваться режим Leave или Read (cм. Рис. 9). Как пользоваться режимом Read хорошо описанно (1), но он не очень удобен. После каждого изменения в схеме приходится формировать новый файл с запомненными режимами. Leave удобней, если процессы установления не очень длинные.
Пользоваться им так. Проводим анализ, затем убираем галочку в окошке Operating Роint и проводим анализ снова. Теперь программа начинает следущий анализ с конца предыдущего и будет делать это каждый раз при нажатии на кнопку RUN. Теперь смотрим как уменьшается пьедестал из гармоник верхних порядков. Процесс продолжаем несколько раз, пока пьедестал не перестанет изменятся. Галочку надо вернуть на место, после любого изменения в схеме. И повторить все с начала.
3. Следует избегать цепочек дающих даже незначительные сдвиги фаз в цепи сигнала на частоте генератора. Например цепочка на входе усилителя из резистора 51к и конденсатора 1мкф с частотой среза 3гц, на частоте 1кгц будет иметь сдвиг фаз всего 0, 2гр, но этого вполне достаточно, чтобы увидеть искажении спектра, хотя и очень небольшого уровня. Поэтому ставим, для анализа 10мкф, хотя для работы усилителя вполне достаточно и 1мкф.
6. Probe Transient.
Тоже очень полезный режим, нужный в основном, для того, чтобы экономить ваше время. Он позволяет оперативно посмотреть напряжения в узлах, на элементах схемы и переходах транзисторов. Время развертки устанавливается в окне Transient.
рис. 11
Вообщем все, моделируйте. Это, конечно не заменит живой практики с паяльником, но сэкономит ваше время и деньги на сожженные детали и позволит избежать ошибок на этапе проектирования.
Правдивцев С. В. 18.05.2005г.
Литература : (*) В. Д. Разевиг «Схемотехническое моделирование с помощью Микро-кап 7»