3 Хід роботи

1. Для встановленого варіанту завдання (див. Додаток 2)[11, завдання I] розрахувати номінальне, найбільше і найменше допустимі значення кінцевого параметру.

2. Створити модель виробу (схеми), відповідно до варіанту, в системі MICRO–СAP. Задати параметри моделей елементів схеми, та переконатися в правильності початкових даних.

3. Виконати аналіз роботи схеми і визначити кінцевий параметр.

4. Виконати статистичний аналіз методом Монте-Карло для об'єму вибірки 1000. За результатами визначити граничні значення кінцевого параметру та відсоток прийнятних реалізацій.

Отриманий емпіричний закон розподілу (гістограма) перевірити на відповідність розподілу Гауса за критерієм Пірсона; рівень значущості для ухвалення рішення про відповідність закону розподілу прийняти 0,1 [2].

5. Проглянути на моделі вплив на характеристики кінцевого параметру – характеристик параметрів елементів (характеристик поля допуску, виду закону розподілу) для елемента схеми за вказівкою керівника.

Послідовно змінюючи параметри елемента, виконувати п.4, – заповнити таблицю 5.1.

Таблиця 5.1. Відсоток прийнятих виробів та середнє квадратичне відхилення для кінцевого параметру

Закон розподілу елемента	Допуск параметру елемента, %
Гауса
Рівномірний

6. Оформити протокол роботи, в який має входити: титульний аркуш, мета роботи, хід роботи, вихідні дані встановленого варіанту схеми, розрахунки значень кінцевого параметру, рівняння точності для кінцевого параметру, гістограми моделювання, заповнена таблиця 5.1, графік залежності відсотка прийнятих виробів від допуску параметрів елемента, висновки.

4 Методика моделювання в MicroCap

Запуск системи MicroCAP. MicroCAP запускається подвійним кліком на її піктограмі у переліку програм Windows. Роботу з мікрокап розглянемо на прикладі “Micro-Cap 8.1.1.1 RUS GUAP Edition”. Після виклику на екрані з’являється основне вікно програми (рис.5.2.).

Рис.5.2. Основне вікно програми MicroCAP

При створенні принципових схем використовуються числа, змінні та вирази. Числові значення параметрів компонентів зображуються у вигляді:

• дійсних чисел з фіксованим десятковим знаком. Наприклад, опір 2,5 кОм записується у вигляді 2500, індуктивність 1мГ записується, як 0.001.

• дійсних чисел з плаваючим десятковим знаком – наукова нотація. Наприклад, .ємність 1 мкФ може бути записане так 1Е-6.

• дійсних чисел з плаваючим десятковим знаком – інженерна нотація, в якій степені числа 10 позначаються суфіксами відповідно до Табл. 1.

Для економії місця на графіках мала буква “m” позначає 10^-3 , велика літера “М” - 10⁶ . При цьому малі і великі літери не розрізняються. Наприклад, резистор з номінальним опором 1,2 МОм може бути записаний, як 1.2MEG, 1.2 meg, або 1200к, ємність 1 мкФ може бути записана так - 1u, або 1uF. Для більшої наочності після суфіксів дозволяється наводити різні символи, які не приймаються до уваги.

Пропуски між числом та суфіксом не допускаються.

Таблиця 5.2. Позначення суфіксів інженерної нотації

10-15	10-12	10-9	10-6	10-3	103	106	109	1012
фемто	піко	нано	мікро	мілі	кіло	мега	гіга	тера
F	P	N	U	M’	K	MEG’	G	T

Створення схеми пристрою. При цьому, як мінімум, можливе або графічне зображення схеми, або текстовий опис. Виконуємо команду меню File ► New…. Найбільш привабливим в системах MicroCAP є графічне створення схем і їх подальший аналіз, тому обираємо Схема (Schematic).

Для зручності в роботі потрібно нанести допоміжну сітку, виконуючи команду меню Опции ► Отображение ► Сетка (Option ► View ► Grid), або натиснути піктограму . Крок сітки встановлюється фіксованим і становить 2,5 мм (0,1 дюйма). Відповідно до цієї сітки в системі створена бібліотека умовних позначень. Так, наприклад, резистор має зображення прямокутника 2,5х7 мм, тобто меншим ніж вимагається по ЄСКД. Для зручності можна збільшити – зменшити зображення, натиснувши поряд розміщені піктограми з позначенням + або -. Ознайомтесь з низхідним меню системи.

Нанесення компонентів на схему. Для того, щоб нанести елемент на схему його потрібно спочатку вибрати лівим кліком в меню Компоненты (Component). Після цього відпустити ліву кнопку миші. На потрібному місці робочого поля для створення схеми робимо лівий клік. З’являється умовне позначення елемента. Не відпускаючи ліву кнопку миші, правою кнопкою дискретно повертаємо елемент на кут 90°. Буксируємо елемент для точного його розташування і фіксуємо його, відпустивши праву кнопку миші. Після цього з’являється діалогове вікно атрибутів компонентів.

Введення резисторів. Спочатку натискуємо кнопку Select mode (Вибор або Ctrl+E). Далі лівим кліком виконуємо команду з меню Компоненты ► Analog Primitives ► Passive Components ► Resistors. Відпускаємо ліву кнопку, курсором вибираємо місце на робочому полі схеми і робимо лівий клік. Буксируванням уточнюємо місце розташування і відпускаємо ліву кнопку миші.

Введення та редагування атрибутів компонентів. Після введення на схему елемента з’являється діалогове вікно атрибутів (рис.5.3.).

Рис.5.3. Вікно атрибутів на прикладі резистора R1.

Прості елементи типу резистора, конденсатора і т.п. мають невеликий набір атрибутів, до яких належать позиційне позначення PART - R1, R2, C1…C11, L1…L8, номінальне значення VALUE – 1к, 100р, 150nH. Позиційне позначення вводиться автоматично. Наприклад, при введенні наступних резисторів програма призначить R2, R3 і т. д. Перші символи позиційних позначень відповідають символам, які прийняті в системі PSpice [6]. В таблиці 5.2 наведені позначення елементів, які будуть потрібні при створенні більшості схем.

Система дозволяє замінити позиційне позначення вручну відповідно до вимог ЄСКД. Наприклад, замість позначення біполярного транзистора Q1, Q2 нанести VT1, VT2 і т.д. Для цього в рядку PART=Q1 потрібно занести PART=VT1.

При введені резистора його номінальне значення вводиться в рядку VALUE.

Таблиця 5.2. Символи позиційних позначень компонентів в принципових схемах

Перший символ позначення	Тип компонента
C	Конденсатор
D	Діод
I	Незалежне джерело струму
J	Польовий транзистор з керуючим p – n переходом (FET)
K	Зв’язані індуктивності, трансформатори
L	Індуктивність
Q	Біполярний транзистор
R	Резистор
V	Незалежне джерело напруги

Крім номінального значення елементи характеризуються допуском та температурними коефіцієнтами. Введення цих параметрів відбувається через атрибут MODEL. Виділимо лівим кліком атрибут MODEL в діалоговому вікні і запишемо ім’я моделі, наприклад RES1. Параметри моделі вводяться у вікні тексту. У вікні тексту, який вмикається клавішами Ctrl+G з вікна схеми, знаходимо рядок:

.MODEL RES1 RES (R=1)

В дужках потрібно записати відомі параметри моделі резистора, наприклад наведені в таблиці 5.3.

Параметри компонентів, що мають випадкове статистичне розкидання, записуються за допомогою ключових слів LOT і /або DEV. Параметри, що позначаються словами DEV мають незалежні випадкові значення, а LOT − корельовані (однакові для однакових моделей).

Таблиця 5.3. Параметри моделі резистора

Позначення	Параметр	Розмірність	Значення по умовчанню
R	Масштабний множник опору		1
TC1	Лінійний температурний коефіцієнт опору	ºС-1	0
TC2	Квадратичний температурний коефіцієнт опору	ºС-2	0
TCE	Експоненційний температурний коефіцієнт опору	%/ºС	0
T_ABS	Абсолютна температура	ºС

Таким чином, в дужках можна дописати параметри моделі резистора. Наприклад для R1 з допуском 10%, лінійним ТКО = - 1·10^-4 1/град, квадратичним ТКО =+1·10^-5 1/град² відповідний запис буде мати вигляд:

.MODEL RES1 RES (R=1 LOT=0% DEV=10% TC1= - 0.0001 TC2=0.00001)

Для зручності запис параметрів моделей компонентів доцільніше виконати у вікні тексту після створення повної схеми. Аналогічно вводяться й всі інші резистори.

Послідовно, користуючись вище наведеним прикладом запису параметрів резистора, вводяться з подальшим редагуванням й інші елементи схеми, інакші компоненти (відсутні в даному описі) − вводяться аналогічно [5].

Введення Конденсаторів (Ємностей). Для цього виконуємо команду меню Компоненты ► Analog Primitives ►Capacitor. При введені ємності її номінальне значення вводиться в рядку VALUE. Інші параметри вводяться аналогічно введенню резистора.

Якщо в описі конденсатора атрибут MODEL відсутній, то його ємність дорівнює значенню у фарадах, записаному в рядку атрибутів VALUE. Інакше – ємність обчислюється множенням на масштабний коефіцієнт ємності С і на інші коефіцієнти (параметри моделі).

Введення котушок індуктивності. Для цього виконуємо команду меню Компоненты ► Analog Primitives ►Inductor. При введені котушки індуктивності – її номінальне значення вводиться в рядку VALUE. Інші параметри вводяться аналогічно введенню резистора.

Якщо в описі котушки індуктивності атрибут MODEL відсутній, то її індуктивність дорівнює значенню у генрі, записаному в рядку атрибутів VALUE. Інакше індуктивність обчислюється множенням на масштабний коефіцієнт ємності С і на інші коефіцієнти (параметри моделі).

Введення генератора гармонічного сигналу. Для цього виконуємо команду меню Компоненты ► Analog Primitives ► Waveform Sources ► Sine source. Розміщуємо умовне зображення генератора на схемі. В діалоговому вікні атрибутів справа від списку атрибутів на окремій панелі розміщується перелік стандартних моделей генераторів, параметри яких визначаються або за умовчанням, або редагуються користувачем. Лівим кліком вибираємо генератор 1MHZ з параметрами за умовчанням – частотою коливання 1МГц і амплітудою 1 В. В подальшому відредагуємо ці параметри.

Введення біполярного транзистора. Для введення транзистора n-p-n типу – виконуємо команду меню Компоненты ► Analog Primitives ► Active Devices ►NPN. Для введення транзистора p-n-p типу – виконуємо команду меню Компоненты ► Analog Primitives ► Active Devices ►PNP. Розміщуємо транзистор у потрібному місці з одночасною орієнтацією зображення. У вікні справа від списку атрибутів розміщується перелік транзисторів закордонного виробництва, які знаходяться в бібліотеці. Вибираємо транзистор, який аналогічний необхідному транзистору. Для цього потрібно скористатися відповідними довідниками, або підібрати транзистор, який має подібні параметри. Якщо в бібліотеці системи потрібних аналогів немає, то в рядку MODEL можна просто записати його маркування. При цьому система включить транзистор з основними параметрами за умовчанням, які потім потрібно відредагувати (див. таблицю 5.4.). Потрібно слідкувати, щоб записи були зроблено латинськими літерами.

Таблиця 5.4. Основні параметри моделі транзистора

Позначення параметрів	Параметр	Значення за умовчанням	Одиниця вимірювання
IS	Струм насичення при температурі 27°С	1E-16	А
BF	Максимальний коефіцієнт посилення струму в нормальному режимі в схемі з ЗЕ (без урахування струмів витоку)	100
BR	Максимальний коефіцієнт посилення струму в інверсному режимі в схемі з ЗЕ	1
CJE	Ємність емітерного переходу при нульовому зміщенні	0	пФ
CJC	Ємність колекторного переходу при нульовому зміщенні	0	Ф
RC	Об'ємний опір колектора	0	Ом
RE	Об'ємний опір емітера	0	Ом
RB	Об'ємний опір бази (максимальний) при нульовому зміщенні переходу база-емітер	0	Ом

Введення і розміщення на схемі джерела постійної напруги. Виконується командою Компоненты ► Analog Primitives ► Waveform Sources ► Battery. Можна встановити напругу живлення, наприклад 6 В.

Введення трансформатора. Для цього виконуємо команду меню Компоненты ► Analog Primitives ► Passive Components ► Transformer. Розміщуємо транcформатор у потрібному місці з одночасною орієнтацією зображення. Атрибут VALUE має містити: індуктивність первинної обмотки, індуктивність вторинної обмотки, коефіцієнт зв’язку; (індуктивність обмотки прямо пропорційна квадрату кількості її витків).

Тепер потрібно з’єднати всі компоненти провідниками.

Виконання електричних з’єднань. Режим нанесення провідників вмикається лівим кліком на піктограмі , або виконанням команди Option ► Mode ► Wire, або натисканням на комбінацію клавіш Ctrl+W. Початок провідника відмічається лівим кліком на виводі компонента. Не відпускаючи ліву клавішу миші, нанесемо провідник корпусу на схему. Якщо рухати курсор по горизонталі, а потім по вертикалі, то утворюється вигин провідника під кутом 90⁰. Відпускання лівої клавіші фіксує кінець провідника.

Для введення провідників під довільним кутом потрібно виконати команду меню Option ► Mode ► WireD, або включити піктограму . Але цього режиму потрібно уникати, тому що ускладнюється читання схеми.

Якщо при проведенні провідника курсор миші не зупиняється на іншому провіднику, який вона пересікає, то електричного з’єднання не відбувається. При зупинці при проведенні провідника утворюється електричне з’єднання, яке відмічається точкою. Якщо потрібно вилучити провідник, або який небудь елемент схеми, то цей елемент потрібно виділити лівим кліком і натиснути клавішу Delete.

Введення спільного заземлення. Для цього треба ввести елемент “Корпус” (Ground), виконуючи команду меню Компоненты ► Analog Primitives ► Connectors ► Ground. Ця вимога є обов’язковою при створенні схеми.

Введення та редагування написів. Для розуміння роботи схеми на неї наносять коментарі і пояснюючі написи. Наприклад, “Вхід”, “Вихід”, опис моделей і т.п. На них можна посилатися при виконанні аналізу.

Для введення текстових коментарів вмикається піктограма , або виконують команду меню Options ► Mode ► Text, або натисканням комбінації клавіш Ctrl+T. Курсор розміщується в точці, де повинен бути напис і робиться лівий клік. Текст заноситься в вікні, що відкривається. Завершують введення напису клавішею Enter. Для того, щоб ввести назву кола необхідно підвести курсор на любу точку цього кола і включити піктограму . Необхідно ввести допоміжний текст – позначити входи, виходи, живлення схеми, та функціональне призначення схеми.

При створенні схем часто виникає потреба змінити місце розташування елементів їх атрибутів і т.п. Для цього потрібно лівим кліком виділити елемент або атрибут і, не відпускаючи ліву кнопку миші, перемістити його на потрібне місце.

Редагування параметрів моделей елементів схеми. Після створення схеми потрібно відредагувати параметри моделей компонентів. Текстові моделі компонентів розміщуються у вікні тексту. Перехід від вікна схем до вікна тексту і навпаки здійснюється командою Ctrl+G. Натискаючи ці клавіші, побачимо вікно тексту з написами моделей компонентів. Зручно в процесі моделювання мати одночасно і вікно схем і вікно тексту. Для цього потрібно виконати команду меню Windows ► Split Text/Drawing Areas Horizontal. Зворотний перехід здійснюється командою Show Full Windows Drawing.

У вікні тексту потрібно звернути увагу на метод запису параметрів компонентів, яка прийнята в системі PSpice. Параметри компонентів заносяться в дужках в довільному порядку, кожен рядок починається знаком +.

На початку можна залишити параметри моделі транзистора і діода і всіх компонентів не змінними (користуємося параметрами за умовчанням), а параметри моделі генератора високої частоти – відредагувати. Знаходимо у вікні тексту рядок

.MODEL 1MHZ SIN ( )

Ознайомимося з умовними позначеннями параметрів моделі генератора, які наведені у таблиці 5.5.

Таблиця 5.5. Параметри моделі гармонічної напруги (Sine source)

Позначення	Параметр	Розмірність	Значення за умовчуванням
F	Частота	Гц	1000000
A	Амплітуда	В	1
DC	Постійна складова	В	0
PH	Початкова фаза	градус	0
RS	Внутрішній опір	Ом	0,001
RP	Період повторення затухаючого сигналу	с	0
TAU	Постійна часу зміни амплітуди сигналу за експоненційним законом	с	0

Вводимо в дужках параметри моделі. Записати значення частоти і амплітуди, яке підійде для правильного функціонування схеми. Інші параметри можна залишити за умовчанням.

Виконуючи попередньо вказані вказівки – необхідно­ створити схему відповідного варіанту, не забуваючи внести джерело вхідного сигналу, навантаження та джерело живлення; вказати потрібні параметри моделей, і переконатися у правильності введених даних.

Рекомендовано часто зберігати файл, виконуючи при першому збереженні команду меню File ► Save As і присвоїти ім’я файлу. Наприклад, Lab1var1. Файли за умовчанням зберігаються у папці DATA за шляхом C5\DATA\ResonPid.

Практична перевірка функціонування схеми. При фізичному макетуванні перевірка здійснюється шляхом контролю за проходженням тестового сигналу через електронний пристрій. Тестовим сигналом є сигнал генератора з певною частотою і амплітудою, а сигнал на виході – сигнал на навантаженні, наприклад на аноді діоду або резисторі. Для цього потрібно включити піктограму . При цьому висвітлюються вузли схеми. Можливе різне позначення вузлів, яке залежить від порядку введення компонентів.

Для переконання правильності виконання попередніх вказівок, ­необхідно переконатися, що кінцевий параметр схеми відповідає (в межах) розрахованому.

Рис.5.4. Вікно завдання параметрів частотних характеристик

Для цього можна виконати аналіз частотних характеристик (AC Analysis) і отримати кінцевий параметр на певній частоті.

Вибираємо в меню Анализ ► Частотные характеристики… (або натискаємо в головному вікні Alt + 2) для відображення вікна параметрів розрахунку (рис.5.4.).

Вибираємо діапазон частот для початку Auto. В позиції виведення параметру залежності Х, – залишаємо F. Можна також обрати також вхідне джерело та вузли виходу. В позиції виведення залежності (Y) – необхідно ввести потрібний параметр. В якості кінцевого параметру може бути як просто напруга або струм, так і складні вирази коефіцієнтів (рис.5.5.). Натискаючи праву клавішу миші в цій позиції можна обирати різні параметри схеми, або їх складові.

Рис.5.5. Внесення змінних для розрахунку залежностей кінцевого параметру

Всі однотипові параметри згруповані, наприклад:

Node voltages – група напруг у різних вузлах схеми;

Device Currents ­ струми через різні елементи схеми;

Functions ­ багато різних математичних функцій;

Operators – оператори дій над різними параметрами.

Таким чином, необхідно ввести кінцевий параметр і натиснути Запуск (Run/Start).

В результаті отримаємо необхідну залежність для варіанту схеми з одним варіантом параметрів – одної вибірки (рис.5.6.).

Рис.6. Отримана залежність кінцевого параметру для одної вибірки

Після отримання залежності параметру на виході, виконуємо команду меню Monte Carlo ► Опции… . Бачимо вікно налаштувань статистичного аналізу (рис.5.7.):

Рис.5.7.Вікно налаштувань статистичного аналізу

В першій групі обираємо закон розкиду параметрів:

Униф. – рівномірний закон розподілу;

Гаусс – нормальний закон розподілу;

Плохой регистр – Граничні умови, тобто найгірші варіанти.

У статусі – необхідно його ввімкнути. (у подальшому – так само його можна і вимкнути). Число виконань (вибірок) задати 1000, і натиснути ОК.

Далі – потрібно знову виконати розрахунок параметру на виході натискаючи F2 або кнопку старту ►.

Після побудови цілої множини кривих залежностей параметру на виході, виконуємо команду меню Monte Carlo ► Гистограммы ► Добавить гистограмму .

У новому вікні властивостей гістограми (рис.5.8.) необхідно задати її параметри.

Рис.8. Вікно властивостей гістограми

Натискаємо кнопку Get і обираємо необхідний варіант функції, наприклад значення нашого параметру на певній частоті Y_Level (рис.5.9.). Також можна натиснути кнопку Начальн. параметры, або обрати частоту власноруч і записати її у рядок Х Level, та натиснути ОК і знову ОК.

При правильному виконанні налаштувань – зявиться гістограма (рис.5.10.).

У правому підвікні з прокруткою – перераховані значення параметрів на виході з усіх вибірок.

Рис.5.9. Вікно параметрів функції для побудови гістограми

Рис.5.10. Вікно гістограми

У вікні гістограми, у лівому нижньому куті – можна побачити основні значення результату статистичного аналізу.

5. ЗМІСТ ЗВІТУ

У звіті необхідно привести:

5.1. Вихідні дані отриманого варіанту (схему, параметри елементів, змінні допусків).

5.2. Розрахунок теоретичного значення кінцевого параметру.

5.3. Обґрунтування вибору елемента(вихідного) для змінюваного параметру і його значення.

5.4. Графіки отриманої залежності кінцевого параметру для однієї вибірки та для 1000ї вибірки.

5.5.Гістограму розподілення кінцевого параметру для 1000ї вибірки.

5.6. Заповнену таблицю залежності відхилення кінцевого параметру від параметру допуску на вихідний елемент (для змінюваного параметру), та побудований графік за цією таблицею.

5.7. Обґрунтування вибору оптимального значення параметрів допуску, для забезпечення необхідного значення кінцевого параметру. Опис отриманих результатів та Висновки.