KonspektOKPMRES

12. Дополнительные возможности Circuit Maker

Студентка сдает письменный экзамен: “Вот ответ на первый вопрос, вот на второй вопрос, вот на третий, а вот ответы на все дополнительные вопросы…»

12.1. Измерение напряжения, токов и мощности. Multimeter

Мультиметр позволяет получить численные значения параметров схемы: напряжение и ток в различных точках схемы, а также мощность на элементах.

Набор измеряемых параметров устанавливается во вкладке Simulation -> Analyses Setup -> Options

•Node Voltage and Supply Current – напряжение в узлах и токи источников;

•Node Voltage, Supply and Device Current – напряжение в узлах, токи через источники и устройства;

•Node Voltage, Supply Current, Device Current and Power – напряжения, токи и мощность;

•Node Voltage, Supply Current and Device/Subcircuit VARs – напряжения, а также токи через все элементы схемы.

Установки мультиметра: Simulation -> Analyses Setup -> Multimeter

Рис. 12.1.

62

Вокне можно выбрать способ измерения

•DC OP (Operation Point) – рабочая точка при отсутствии входного сигнала Ur=0 V. Измеряется при отсутствии переменного сигнала.

•DC AVR – среднее значение (постоянная составляющая) Ur=62.3 V (Теоретически 2Uвх/π )

•AC RMS (Root Mean Squared — ср.квадр. значение) – действующее значение без постоянной составляющей Ur=31 V. При этом на входе Uвх_ac_rms = 70.7 V.

Задание: Посчитать, какие будут значения напряжений при действующем значении входного сигнала 220 В.

12.2. Зависимость от температуры. Temperature Sweep

Опция позволяет снять зависимость выходного параметра от температуры. Например, можно снять зависимость проходной статической характеристики транзистора от температуры.

1.Вводится электрическая схема исследуемого устройства.

2.Активизируется опция Simulation -> Analyses Setup -> Temperature Sweep. Указываются начальная, конечная температура и шаг.

Рис. 12.4.

3.Устанавливаем пробником точку исследования перед началом моделирования. Указать тип моделирования

4.Запускаем моделирование.

5.Результаты моделирования представляются в виде графиков различного цвета. Кроме того, выводится график зеленого цвета для

температуры по умолчанию (27°С). Соответствие цвета температуре можно получить двойным щелчком на цвет линии слева на графике.

Открывается дополнительное окно Sweep Data.

63

Рис. 12.8. Амплитудно-частотная характеристика ОУ

6)При конечном выходном напряжении дифференциальный входной сигнал U = X1-X2 стремится к нулю. Этот эффект используется в системах регулирования для устранения разницы между сигналами X1 и X2.

7)Входной ток по обоим входам стремится к нулю.

Схемы включения с прямым и инверсным коэффициентом усиления даны соответственно на рис. 12.9 и 12.10.

Поскольку в прямом включении Uвх=i*R1, а Uвых=i*(R2+R1), то коэффициент усиления в прямом включении равен K = 1+R2/R1. При этом входное сопротивление стремится к бесконечности.

Винверсном включении Uвх=i*R1, а Uвых=-i*R2. Поэтому K =

=-R2/R1 и входное сопротивление равно R1.

Рис. 12.9. Рис. 12.10.

Операционные усилители в базе данных CM размещены в разделе Linear Ics -> OPAMs. По числу выводов различают Opam3 … Opam7.

12.4. Измерение коэффициента усиления. Transfer function

Опция определяет по постоянному току входное и выходное сопротивление схемы, а также коэффициент усиления относительно

65

задаваемого источника. Моделирование осуществляется в следующей последовательности.

1. Вводится схема и активизируется опция Simulation -> Analyses Setup -> Transfer Function.

Рис. 12.11.

2. Выбирается источник, относительно которого производится измерение.

Рис. 12.12.

3.Запускается моделирование.

4.После завершения моделирования пробником указывается точка схемы. В окне Transfer Function показывается сопротивление цепи относительно указанной точки, входное сопротивление относительно источника и коэффициент усиления по постоянному току:

12.5. Шумовой анализ. Noise

Источником шума является тепловой шум резисторов и полупроводниковых элементов: транзисторов, диодов и т.д. Шумовой анализ – оценка уровня спектральной плотности шума от частоты. Спектральная плотность – энергия в узкой полосе частот (В^2/Гц).

66

Чтобы промоделировать спектральную плотность, необходимо выполнить следующие шаги.

1. Ввести схему и выбрать в меню Simulation -> Noise

Рис. 11.13.

2. Указать пробником узел для измерения. Разрешить измерение уровень ЭДС шума.

Рис. 12.14.

3. Запустить моделирование и получить спектральную плотность шума.

Контрольные вопросы

1.Какие параметры напряжения периодического сигнала Вам известны?

2.Как измерить зависимость АЧХ устройства от температуры?

3.Какие фундаментальные свойства ОУ Вам известны?

4.Как измерить коэффициент усиления, входное и выходное сопротивление ОУ?

5.Как найти спектральную плотность шума на выходе устройства?

67

13.Моделирование функциональных схем

Кделающему уроки сыну сзади подходит отец, гладит сына по голове:

-Старайся, сынок, крючки пиши аккуратнее.

-Это не крючки, папа! Это интегралы!!!

13.1.Элементы функциональных схем

Circuit Maker позволяет успешно проводить моделирование на уровне функциональных схем.

Функциональные блоки размещены в базе данных в разделе Function Blocks. В пункте Limiters представлены ограничители. В пункте Math – такие математические функции как сумматор, умножитель, производная, интеграл и преобразование Лапласа. В пункте Misc. (прочее) расположен, в частности, масштабирующий усилитель Gain согласно рис. 13.1.

Рис. 13.1.

Специальные математические функции размещены в разделе Math Function, где представлены функциональные преобразования от тока или напряжения: тригонометрические, экспоненциальные и др. функции. POW – мощность, ABS, SQRT, EXP, LOG, SIN, …, ATAN, HSIN – гиперболический синус и т.д. Здесь имеется также подраздел Function Blocks с содержанием как в пункте Math, рассмотренным выше.

68

13.2. Методика решения уравнения с помощью операционного усилителя (ОУ)

Пусть необходимо решить уравнение f1[x(t)]=f2[y(t)]. Это достигается с помощью следующей схемы

56

1kHz 0 IDEAL

Рис. 13.2.

Например, решение уравнения Y2=5 выполняет следующая схема

MULT

4

3

IDEAL

5 2

Рис. 13.3.

На выходе ОУ формируется искомая величина Y. Как видим, если на вход ОУ подать сигнал X, а в цепи обратной связи установить функцию f(.), то на выходе ОУ будет формироваться обратная функция f-1(X). Важно, чтобы обратная связь была отрицательной. В случае, когда f(.) переворачивает фазу, обратную связь включают к неинвертирующему входу. Например, при решении квадратного уравнения x2-3x-4=0 получаем следующую схему

69

Для определения знака функции f(.) переменную x заменяем на dx. В данном случае dx2 имеет больший порядок малости, чем 3dx. Поэтому Gain=-3 переворачивает фазу и устойчивую обратную связь можно обеспечить через неинвертирующий вход ОУ.

13.3. Решение интегро-дифференциального уравнения пассивного RLC-фильтра с помощью СМ

Вначале рассмотрим метод составления дифференциального уравнения (ДУ), а также некоторые свойства ДУ. Для составления ДУ записывают передаточную функцию фильтра в виде отношения двух полиномов:

K(p)=y(p)/x(p)=(a1p2+a2p+a3)/(b1p2+b2p+b3) (13.1)

Затем, после умножения накрест и учитывая, что умножение на p в области изображения есть операция дифференцирования в области оригинала, взяв обратное преобразование Лапласа, получаем ДУ

Из (13.1) следует, что, если фильтр пропускает постоянный ток, то a3 ≠ 0 и b3 ≠ 0. Если постоянный ток не проходит, то a3=0. Кроме того, если фильтр пропускает высокие частоты, то числитель и знаменатель (13.1) имеют одинаковый порядок, т.е. a1≠ 0, b1≠ 0. Если высокие частоты не проходят, то порядок числителя ниже порядка знаменателя и a1= 0. Порядок ДУ (порядок фильтра) соответствует числу реактивных элементов. Можно сказать, что вторая производная описывает поведение сигнала на высокой частоте. Первая производная – на средних частотах, а нулевая производная – на постоянном токе. Поэтому по внешнему виду ДУ можно определить тип фильтра: ФНЧ (a1=0 – не пропускает высокие и средние частоты), ПФ (a1=0, a3=0 – отсутствует сигнал на средней частоте), РФ (a2=0 – присутствуют низкие и высокие частоты), ФВЧ (a3 =0 – имеются только высокие частоты).

Перейдем к рассмотрению конкретного примера. Пусть необходимо составить и решить ДУ следующего фильтра нижних частот.

70